序者序

當(dāng)今世界我們所面對(duì)的工程化系統(tǒng)正在加劇地變得更加復(fù)雜，其中最為重要的特征就是不斷呈現(xiàn)著由物理、軟件和網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)方面的集成，真正復(fù)雜的、多學(xué)科的和工程化的系統(tǒng)多屬于賽博物理系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱CPS）的范疇。因此，構(gòu)思、開發(fā)和建造這樣的系統(tǒng)是一項(xiàng)卓越的系統(tǒng)工程的努力，不僅具有技術(shù)考量及物理約束的挑戰(zhàn)性，而且會(huì)涉及諸如通信、控制、計(jì)算以及人機(jī)交互協(xié)同等帶來的影響。隨著CPS設(shè)計(jì)和運(yùn)用現(xiàn)實(shí)需求的不斷增加，依賴以往在單個(gè)領(lǐng)域的工程學(xué)科（機(jī)械、電氣、網(wǎng)絡(luò)或軟件）擁有的知識(shí)和技能已無法提供完整的解決方案。在當(dāng)今的系統(tǒng)工程領(lǐng)域，我們迫切需要尋求并建立一種統(tǒng)一的理論以及系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)方法、技術(shù)和工具。

在此，針對(duì)CPS固有的跨學(xué)科的本質(zhì)特征，結(jié)合當(dāng)前系統(tǒng)工程面向基于模型的轉(zhuǎn)型方向，將建模、仿真和分析（MS&A）作為開發(fā)賽博物理系統(tǒng)的關(guān)鍵使能。為支持在所有研究領(lǐng)域之間建立溝通的公共背景知識(shí)，通過研究相關(guān)建模語言中的模型規(guī)范、轉(zhuǎn)換及其語義技術(shù)，綜合分析多個(gè)學(xué)科相關(guān)的不同的建模技術(shù)，旨在尋求最為合理的建模形式，在最為合適的抽象層級(jí)之上清晰地明確系統(tǒng)的各個(gè)組成部分以及各個(gè)層面的建模方式，由此多范式建模（MPM）應(yīng)運(yùn)而生，今天學(xué)術(shù)界和工程界普遍將MPM當(dāng)作未來應(yīng)對(duì)CPS設(shè)計(jì)和應(yīng)用挑戰(zhàn)的有效路徑。

關(guān)于本體框架

本體在系統(tǒng)所處的背景環(huán)境中捕捉與問題空間和解決方案相關(guān)的一般性知識(shí)。在此將背景環(huán)境表示為我們所認(rèn)識(shí)世界的高層實(shí)體（類型和領(lǐng)域）的分類學(xué)的層級(jí)樹，從而概括和抽象，用來指導(dǎo)我們對(duì)事物進(jìn)行分類。從最高到最低層級(jí)的所有實(shí)體都可作為概念出現(xiàn)，而低層級(jí)的實(shí)體（概念和實(shí)例）將繼承其高層實(shí)體的一般特性并同時(shí)擁有各自獨(dú)特的特性。本體框架成為我們選擇用來構(gòu)建本體模型的結(jié)構(gòu)、功能和內(nèi)容的定義，就像關(guān)系數(shù)據(jù)庫或面向?qū)ο缶幊陶Z言那樣，而無需從頭開始創(chuàng)建自己的本體框架。

本書首先翔實(shí)地進(jìn)行有關(guān)本體框架的描述并定義本體框架的建模方法和工具，通過提供共享本體、CPS本體（領(lǐng)域本體）和 MPM 本體（方法本體）之間的跨領(lǐng)域概念來詳細(xì)闡述和集成這些本體，并利用基于模型的開發(fā)流程、元模型（如megamodel）支持的視角以及對(duì)應(yīng)的形式化概念，引導(dǎo)在更廣泛的背景環(huán)境中，探索并獲得關(guān)于支持賽博物理系統(tǒng)多范式建模（MPM4CPS）應(yīng)用的正確方向和實(shí)際方法。

關(guān)于方法及其工具

正是由于賽博物理系統(tǒng)的異構(gòu)性，因此需要一種適應(yīng)多學(xué)科組件的靈活并通用的建模方法，以應(yīng)對(duì)和管控系統(tǒng)組合的復(fù)雜性。雙半球模型驅(qū)動(dòng)（簡(jiǎn)稱2HMD）方法成功應(yīng)用于各種領(lǐng)域的建模以及軟件設(shè)計(jì)，其中模型最為突出的特征就是既適用于人的理解又支持模型的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。將2HMD方法與CPS的建模方法相結(jié)合，為我們提供了一個(gè)組合和分析系統(tǒng)組件的機(jī)會(huì)，從而在理想的和實(shí)際的系統(tǒng)之間發(fā)現(xiàn)和彌補(bǔ)差別。進(jìn)而，在離散事件優(yōu)先（DE�瞗irst）的方法論的指導(dǎo)下，使用離散事件（DE）形式化方法來識(shí)別各類不同模型之間的合理的通信接口和交互協(xié)議，構(gòu)造系統(tǒng)最初的、抽象的概念模型；之后使用協(xié)同仿真（co�瞫imulation）技術(shù)逐步增加協(xié)同模型（co�瞞odel）的細(xì)節(jié)，逐漸用更詳細(xì)的模型取代上述的概念模型，前者如滿足物理現(xiàn)象的連續(xù)時(shí)間（CT）的模型。

書中具體介紹了使用特定領(lǐng)域的建模語言來開發(fā)基于智能體（Agent�瞓aesd）的 CPS 方法，并研究在各類執(zhí)行平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)。此時(shí)，系統(tǒng)將基于狀態(tài)轉(zhuǎn)換的離散事件與基于變量的連續(xù)求解相融合，運(yùn)用混合系統(tǒng)建模的表達(dá)能力支持高度復(fù)雜系統(tǒng)的定義，由此賽博物理系統(tǒng)可在錯(cuò)綜復(fù)雜的背景環(huán)境中得以建模，并利用一個(gè)易學(xué)的圖形化界面在Python工具的支持下，實(shí)現(xiàn)CPS模型的高效建模、仿真和驗(yàn)證。

關(guān)于案例研究

賽博物理系統(tǒng)由不同的硬件、軟件、計(jì)算和通信組件所組成，在設(shè)計(jì)和開發(fā)中重點(diǎn)考慮通信、傳感器與物理組件的有效組合。書中案例重點(diǎn)描述使用 MPM 方法設(shè)計(jì)和開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的CPS，其中涵蓋系統(tǒng)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）節(jié)點(diǎn)、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）元素跨平臺(tái)之間的通信，傳感器和作動(dòng)器之間物理世界與系統(tǒng)使用者的交互控制以及傳感器、邊緣（Edge）及網(wǎng)關(guān)的嵌入式組件。復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)既要考慮其結(jié)構(gòu)又要考慮其行為，在CPS開發(fā)流程的不同階段，如需求分析、設(shè)計(jì)、建模和仿真以及實(shí)現(xiàn)，MPM方法在流程模型中提供系統(tǒng)開發(fā)的數(shù)據(jù)流和控制流，并應(yīng)用形式化轉(zhuǎn)換圖和流程模型 （FTG PM）技術(shù)，旨在通過發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵的轉(zhuǎn)換來提升CPS及其開發(fā)的能力。

本書還介紹了歐洲一些領(lǐng)先的大學(xué)在碩士和博士課程上創(chuàng)立MPM4CPS基礎(chǔ)理論和研究的成果，為應(yīng)對(duì)CPS開發(fā)中跨領(lǐng)域?qū)�業(yè)共識(shí)知識(shí)體系的挑戰(zhàn)，彌合CPS領(lǐng)域研究人員、工程師培訓(xùn)與高校教育之間的隔閡，詳細(xì)闡明并給出相關(guān)學(xué)科的發(fā)展路線圖。

閱讀和翻譯本書的過程，就好像一次啟航重新認(rèn)知未來系統(tǒng)基本特征和新型系統(tǒng)工程范式的旅程，作者不僅為我們呈現(xiàn)了未來賽博物理系統(tǒng)運(yùn)用的宏大全景和探索路徑，而且所涉及的大量相關(guān)文獻(xiàn)又為我們?cè)O(shè)立了研究和實(shí)踐的路標(biāo)。愿與各位讀者同行，祝在學(xué)習(xí)的路途中愉快、充實(shí)！

譯者

2023年6月