信息物理系統(tǒng)應用與原理（英文版）

目　錄
第一部分　CPS應用領域
第1章　醫(yī)療CPS3
1.1　引言4
1.2　系統(tǒng)描述與操作場景5
1.2.1　虛擬醫(yī)療設備7
1.2.2　臨床場景8
1.3　關鍵設計驅(qū)動與質(zhì)量屬性9
1.3.1　發(fā)展趨勢9
1.3.2　質(zhì)量屬性以及MCPS領域的挑戰(zhàn)12
1.3.3　MCPS的高可信度開發(fā)14
1.3.4　按需醫(yī)療設備及其安全保障21
1.3.5　智能報警以及醫(yī)療決策支持系統(tǒng)28
1.3.6　閉環(huán)系統(tǒng)34
1.3.7　安全案例40
1.4　醫(yī)療從業(yè)者的影響48
1.4.1　MCPS開發(fā)者角度49
1.4.2　MCPS管理者角度50
1.4.3　MCPS用戶角度50
1.4.4　患者角度51
1.4.5　MCPS監(jiān)管機構(gòu)角度51
1.5　總結(jié)和挑戰(zhàn)52
參考文獻53
第2章　能源CPS61
2.1　引言62
2.2　系統(tǒng)描述與操作場景63
2.3　關鍵設計驅(qū)動與質(zhì)量屬性65
2.3.1　關鍵系統(tǒng)原則67
2.3.2　架構(gòu)1的性能目標73
2.3.3　未來的方向78
2.4　可持續(xù)性SEES的網(wǎng)絡范例79
2.4.1　在SEES中基于物理的CPS組合82
2.4.2　在SEES中基于DyMonDS的CPS標準86
2.4.3　交互變量自動建模與控制94
2.5　從業(yè)者的意圖96
2.5.1　性能目標的IT演化96
2.5.2　分布式優(yōu)化96
2.6　總結(jié)與挑戰(zhàn)97
參考文獻100
第3章　基于無線傳感器網(wǎng)絡的CPS103
3.1　引言104
3.2　系統(tǒng)描述與操作場景105
3.2.1　媒介訪問控制107
3.2.2　路由109
3.2.3　節(jié)點定位111
3.2.4　時鐘同步113
3.2.5　電源管理114
3.3　關鍵驅(qū)動設計與質(zhì)量屬性115
3.3.1　物理感知115
3.3.2　實時感知116
3.3.3　運行時驗證感知118
3.3.4　安全感知120
3.4　實踐意義122
3.5　總結(jié)與挑戰(zhàn)124
參考文獻125
第二部分　CPS基礎理論
第4章　CPS的符號化合成133
4.1　引言134
4.2　基礎技術(shù)135
4.2.1　預備知識135
4.2.2　問題定義135
4.2.3　合成問題的解決144
4.2.4　符號模型構(gòu)建148
4.3　高級技術(shù)152
4.3.1　構(gòu)建符號模型154
4.3.2　連續(xù)時間控制器156
4.3.3　軟件工具157
4.4　總結(jié)與挑戰(zhàn)158
參考文獻159
第5章　反饋控制系統(tǒng)中的軟件和平臺問題165
5.1　引言166
5.2　基礎技術(shù)167
5.2.1　控制器定時167
5.2.2　資源效率控制設計169
5.3　高級技術(shù)171
5.3.1　減少計算時間171
5.3.2　降低采樣頻率172
5.3.3　基于事件的控制173
5.3.4　控制器的軟件結(jié)構(gòu)174
5.3.5　計算資源共享176
5.3.6　反饋控制系統(tǒng)的分析與仿真178
5.4　總結(jié)與挑戰(zhàn)192
參考文獻193
第6章　混合系統(tǒng)的邏輯正確性197
6.1　引言198
6.2　基礎技術(shù)200
6.2.1　離散驗證200
6.3　高級技術(shù)221
6.3.1　實時驗證221
6.3.2　混合驗證227
6.4　總結(jié)與挑戰(zhàn)231
參考文獻232
第7章　CPS的安全237
7.1　引言238
7.2　基礎技術(shù)239
7.2.1　網(wǎng)絡安全需求239
7.2.2　攻擊模型240
7.2.3　應對策略245
7.3　高級技術(shù)248
7.3.1　系統(tǒng)理論248
7.4　總結(jié)與挑戰(zhàn)256
參考文獻256
第8章　分布式CPS的同步259
8.1　引言259
8.1.1　CPS的挑戰(zhàn)261
8.1.2　一種降低同步復雜度的技術(shù)···261
8.2　基礎技術(shù)262
8.2.1　軟件工程263
8.2.2　分布式一致性算法264
8.2.3　同步鎖步執(zhí)行266
8.2.4　時間觸發(fā)架構(gòu)267
8.2.5　相關技術(shù)268
8.3　高級技術(shù)270
8.3.1　物理異步、邏輯同步系統(tǒng)270
8.4　總結(jié)和挑戰(zhàn)282
參考文獻283
第9章　CPS的實時調(diào)度289
9.1　引言290
9.2　基礎技術(shù)291
9.2.1　固定時間參數(shù)的調(diào)度291
9.2.2　內(nèi)存效應300
9.3　高級技術(shù)301
9.3.1　多處理器/多核調(diào)度301
9.3.2　適應可變性和不確定性313
9.3.3　其他資源的管理318
9.3.4　間歇任務調(diào)度323
9.4　總結(jié)和挑戰(zhàn)325
參考文獻325
第10章　CPS模型集成331
10.1　引言332
10.2　基礎技術(shù)333
10.2.1　因果關系334
10.2.2　時間語義域335
10.2.3　計算過程的交互模型336
10.2.4　CPS DSML建模語言的語義337
10.3　高級技術(shù)338
10.3.1　ForSpec語言339
10.3.2　CyPhyML系統(tǒng)建模語言的語法342
10.3.3　語義的形式化344
10.3.4　形式化的語言集成349
10.4　總結(jié)和挑戰(zhàn)356
參考文獻357
關于作者361
關于有貢獻的作者363



Contents
PART I Cyber-Physical System Application Domains 1
Chapter 1 Medical Cyber-Physical Systems 3
1.1 Introduction and Motivation 4
1.2 System Description and Operational Scenarios 5
1.2.1 Virtual Medical Devices 71.2.2 Clinical Scenarios 8
1.3 Key Design Drivers and Quality Attributes 9
1.3.1 Trends 9
1.3.2 Quality Attributes and Challenges of the MCPS Domain 12
1.3.3 High-Confidence Development of MCPS 14
1.3.4 On-Demand Medical Devices and Assured Safety 21
1.3.5 Smart Alarms and Clinical Decision Support Systems 28
1.3.6 Closed-Loop System 34
1.3.7 Assurance Cases 40
1.4 Practitioners’ Implications 48
1.4.1 MCPS Developer Perspective 49
1.4.2 MCPS Administrator Perspective 50
1.4.3 MCPS User Perspective 50
1.4.4 Patient Perspective 51
1.4.5 MCPS Regulatory Perspective 51
1.5. Summary and Open Challenges 52References 53