信息物理系統軟件設計自動化專題前言*

卜 磊 , 陳銘松 , 朱 祺 , 劉 超

1(計算機軟件新技術國家重點實驗室(南京大學),江蘇 南京 210093)2(南京大學 計算機科學與技術系,江蘇 南京 210093)3(軟硬件協同設計技術與應用教育部工程研究中心(華東師范大學),上海 200241)4(華東師范大學 軟件工程學院,上海 200241)5(Department of Electrical and Computer Engineering,Northwestern University,Evanston,USA)6(北京航空航天大學 計算機學院,北京 100191)

為了更精確地認識與改造世界,新一代的嵌入式系統必須將計算世界與物理世界作為緊密交互的整體進行認知,實現集計算、通信與控制于一體的深度融合的理論體系與技術框架,即信息物理系統(cyber-physical systems,簡稱CPS).與傳統嵌入式系統不同,CPS 充分考慮了計算部件與物理環境的深度融合,通過將設備智能化連接,實現物理環境系統與計算系統之間精確感知與高效協同.基于CPS 理念設計出來的計算設備可以根據具體任務需求自適應地調整與配置計算邏輯,精確智能地獲取外部物理環境信息并做出針對性的實時反應,完成安全可靠的控制服務,從而實現物理世界與信息世界的有機統一.

隨著人們對信息技術質量要求的不斷提高,CPS 迅速在眾多安全攸關領域得以部署承擔關鍵任務.從遠程精準醫療到智能軌道交通,從無人駕駛到航空航天,從智慧城市到智能制造,無處不見CPS 的身影.雖然CPS 在眾多領域獲得成功,然而由于其涉及多維時空約束、異構物理/計算進程交互、運行環境不確定等因素,CPS 設計復雜度極高.在缺乏設計自動化方法與技術的情況下,CPS 開發周期長且質量難于保證.日益復雜的CPS 設計與實現在給產業界與學術界帶來巨大挑戰的同時,也創造了大量新的機遇,CPS 設計自動化目前已成為國際相關研究領域的關注與研究熱點.

本專題采取自由投稿的方式,共收到14 篇投稿.特約編輯邀請了30 余位領域專家參與審稿,每篇稿件至少邀請3 位專家進行評審,每篇錄用稿件都經過至少3 輪審稿.14 篇稿件中共計10 篇稿件通過第1 輪評審,8 篇稿件通過第2 輪評審,并在CCF 軟件工程專業委員會、系統軟件專業委員會年會全國軟件與應用學術會議NASAC2019 會議上進行了報告.經過第3 輪終審及少數稿件的第4 輪復審后,最終有6 篇論文入選本專題.

《基于SHML 的CPS 行為建模及仿真》提出了一種面向CPS 領域的建模及仿真方法,設計并實現了一個集成的面向CPS 行為的建模與仿真平臺,為CPS 的建模及仿真提供了一種有效的方法及工具支撐.

《垂懸指針檢測與防御方法》針對復雜系統軟件中廣泛出現的懸垂指針問題進行研究,提出了一種名為DangDone 的垂懸指針防御方法,通過在編譯時的程序轉換來定位潛在的垂懸指針并防御use-after-free 或double-free 漏洞.

《自主機器人多智能體軟件架構及伴隨行為機制》提出了基于多智能體的自主機器人控制軟件軟件架構,以及基于相應架構的伴隨行為機制.該工作基于分步規劃和動態決策的思想設計并實現了相應自主決策算法DAAB,并在相應仿真環境和實際機器人環境上進行了案例分析.

《軌道交通聯鎖領域特定語言的形式化》基于軌道交通聯鎖系統中故障的隨機性和行為實時性的特點,提出了基于建立隨機混成系統模型來仿真、預測軌道交通連鎖系統的方法.該方法在實際聯鎖系統進行實例研究,并在UPPAAL-SMC 平臺上進行了事故模型的預測分析.

《基于AADL 的失效概率分配及安全性評估方法》綜合考慮 AADL 架構的層次化設計、模型復雜度和構件失效造成影響的嚴重程度,針對安全關鍵系統提出基于 AADL 的失效概率分配方法,以應對安全性評估過程中如何分配失效概率的問題.相關技術在飛控CPS 系統上進行了實例研究.

《馬爾可夫信息物理系統拒絕服務攻擊安全控制》研究了馬爾可夫跳變信息物理系統在模態依賴拒絕服務(DoS)攻擊下的安全控制問題.提出了一種新穎的模態依賴事件觸發策略來減少網絡資源消耗.

本專題面向信息物理系統的研究人員和工程人員,內容涵蓋系統建模、系統架構、可信保障等領域,反映了我國學者在相關領域的高水平研究成果.感謝《軟件學報》編委會、CCF 軟件工程專委會、系統軟件專委會對專題工作的指導和幫助,感謝專題全體評審專家及時、耐心、細致的評審工作,感謝踴躍投稿的所有作者.希望本專題能夠對形式化方法的科研工作有所促進.

專刊特約編輯、北航計算機學院劉超教授在專刊的籌劃階段分享了大量寶貴的經驗,并在征稿、審稿等環節做了大量的工作,使得專刊實施過程得以順利開展.然而,在本專刊即將完成之際,劉超老師卻因病永遠離開了我們.劉老師睿智、謙遜、淵博、平和,為推動我國軟件工程事業發展做出了重要貢獻,我們借此表達深深的懷念和敬意.