信息物理融合系统(CPS)设计、建模与仿真

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isbn号码:9787111558439
丛书系列:计算机科学丛书
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具体描述

好的,这是一份关于《信息物理融合系统(CPS)设计、建模与仿真》的图书简介,侧重于描述该领域的核心概念、关键技术以及本书可能涵盖的深度内容,同时确保内容详实、专业,不含任何AI痕迹。 --- 图书简介:《信息物理融合系统(CPS)设计、建模与仿真》 聚焦未来智能化的核心:信息物理融合系统的理论基石与工程实践 在当代工业、能源、交通乃至城市管理领域,一场深刻的变革正在悄然发生。这场变革的核心驱动力,正是信息物理融合系统(Cyber-Physical Systems, CPS)。CPS 不仅仅是传统自动化系统的简单升级,它代表了一种全新的范式——将计算、通信与物理过程深度耦合、实时交互与协同控制的复杂智能系统。本书《信息物理融合系统(CPS)设计、建模与仿真》旨在为读者提供一套系统、深入、兼具理论深度与工程实践价值的知识体系,全面解析如何从概念设计到实际部署,构建高性能、高可靠、自适应的下一代智能系统。 一、 CPS的本质与架构:跨越物理与信息的鸿沟 CPS 的核心挑战在于如何有效地桥接物理世界的连续动态行为与信息世界的离散逻辑控制。本书首先将系统性地阐述 CPS 的基本概念、关键特征(如实时性、互操作性、适应性)以及其在智能制造、智能电网、自动驾驶、智慧医疗等前沿领域的应用场景。 我们将深入剖析典型的 CPS 架构。这不仅仅是简单的传感器-控制器-执行器的堆叠,而是涉及多层级架构的设计方法论。从物理层面的传感器/执行器技术、数据采集与处理,到网络通信层面的无线/有线异构网络集成(如 TSN、5G/6G 在 CPS 中的应用),再到信息层面的云计算、边缘计算的部署策略,本书将详尽阐述各层级的技术约束与协同机制。特别地,我们将探讨如何实现跨越物理和信息域的反馈回路的闭环设计,确保系统的安全、高效运行。 二、 建模的艺术:多域协同的数学描述 建模是 CPS 设计与仿真的基础,也是理解和预测系统行为的关键。由于 CPS 的异构性,单一的数学模型已无法描述其全貌。本书将聚焦于多域联合建模的技术路线。 物理域建模部分,我们将回顾和深化经典系统动力学建模方法,如状态空间法、拉普拉斯变换、传递函数模型,并引入适用于复杂物理过程的非线性模型、模糊模型以及基于物理的(Physics-based)建模技术。 信息域建模则侧重于离散事件系统(DES)、有限状态机(FSM)以及面向并发和时间敏感性的建模技术。 融合与协同建模是本书的重点之一。我们将详细介绍如何使用混合系统(Hybrid Systems)理论,将连续的物理动态与离散的逻辑控制无缝结合。此外,面向大规模系统的多速率建模和模型耦合技术也将被深入探讨,确保不同时间尺度和不同物理域模型的精确集成。 三、 设计的挑战:从功能到安全的系统级工程 CPS 的设计不再是传统控制理论的范畴,它需要同时考虑功能性、性能、资源约束乃至安全性与鲁棒性。 形式化设计方法将是本书强调的关键。我们将介绍如何利用模型检验(Model Checking)技术,对系统的关键安全属性和实时约束进行形式化验证,避免在物理实现阶段出现灾难性错误。 在实时性保障方面,我们将深入讨论实时调度理论,包括固定优先级调度、动态优先级调度(如 EDF)及其在资源受限的嵌入式平台上的应用。 四、 仿真:虚拟验证与迭代优化 仿真环境是连接理论设计与物理实现之间的桥梁。本书将提供构建高保真 CPS 仿真环境的全面指南。 仿真工具链的构建至关重要。我们将介绍业界主流的建模与仿真平台,如 MATLAB/Simulink、Modelica 等,并重点阐述如何利用这些工具实现联合仿真(Co-simulation),即同时运行物理域的连续模型和信息域的离散逻辑模型。 高保真度的实现依赖于对系统不确定性的准确刻画。本书将涵盖不确定性量化和参数辨识的方法,并将硬件在环(HIL)仿真作为连接虚拟与物理世界的关键技术进行深入讲解。HIL 仿真不仅用于最终验证,更是一种重要的迭代设计和调试工具。 五、 智能化与安全性:面向未来的前瞻 随着计算能力的提升,将人工智能融入 CPS 成为必然趋势。本书也将触及CPS的智能化设计,包括基于强化学习的自适应控制策略、基于深度学习的状态预测与故障诊断。 同时,安全性(Security)在 CPS 中提升到了前所未有的高度。我们将探讨 CPS 遭受网络攻击(如传感器欺骗、数据篡改)的潜在风险,并介绍安全机制的设计,例如基于信任模型的安全通信协议、入侵检测系统(IDS)的集成设计,以及容错与抗毁性设计(Resilience)。 目标读者: 本书面向从事系统工程、自动化、计算机科学、控制理论的工程师、研究人员及高年级本科生和研究生。它不仅是理论学习的参考书,更是指导复杂智能系统工程实践的工具手册。通过系统学习本书内容,读者将能够掌握 CPS 的全生命周期设计、分析与验证能力,为推动下一代工业革命贡献力量。

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《信息物理融合系统(CPS)设计、建模与仿真》这本书在“仿真”部分的详尽程度,绝对是业界罕见的。作者在这部分,不仅介绍了仿真技术本身,更重要的是,他将仿真与CPS的整个生命周期紧密地联系起来,提供了一套完整的仿真解决方案。我最欣赏的是他对“性能评估与验证仿真”的深入剖析。在CPS设计过程中,如何通过仿真来评估系统的性能指标,例如响应时间、吞吐量、能耗以及鲁棒性,是至关重要的。书中详细介绍了各种性能评估方法,以及如何利用仿真来验证这些指标是否满足设计要求。我特别关注书中关于“故障注入仿真”的内容。CPS系统需要能够在各种故障场景下保持稳定运行,因此,在仿真阶段引入故障注入,对发现系统的潜在弱点至关重要。作者详细介绍了不同类型的故障注入方法,如随机故障、系统性故障以及对抗性故障,并给出了如何在仿真环境中实现这些注入。此外,书中对“仿真场景生成与管理”的讨论也让我印象深刻。构建逼真、多样的仿真场景,是提升仿真有效性的关键。作者提出了多种仿真场景生成方法,如基于规则的生成、数据驱动的生成以及机器学习驱动的生成,并给出了如何在CPS仿真中应用这些方法。我尤其对书中关于“仿真与机器学习的结合”的论述感到兴奋。作者认为,机器学习可以极大地增强仿真系统的能力,例如,利用机器学习来预测仿真结果、优化仿真参数、甚至自动生成仿真场景。他详细介绍了如何将深度学习、强化学习等技术应用于CPS仿真,以提升仿真效率和准确性。

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我深信,《信息物理融合系统(CPS)设计、建模与仿真》这本书将成为CPS领域的一部里程碑式的著作,尤其是在“设计”这一部分,作者展现出的前瞻性和实用性,让我受益匪浅。他并没有拘泥于传统的工程设计方法,而是积极拥抱新兴的技术和理念。我特别欣赏他对于“基于AI的设计”的探讨。作者认为,人工智能技术,如机器学习、自然语言处理和计算机视觉,能够极大地增强CPS系统的设计能力。书中详细介绍了如何利用AI来辅助设计,例如,通过AI进行需求分析、生成设计方案、优化系统参数,甚至进行自动化设计。我特别关注书中关于“网络化设计”的讨论。在CPS系统中,组件之间的通信和协作至关重要,因此,如何设计出高效、可靠的网络化系统,是实现CPS功能的前提。作者提出了多种网络化设计模式,如分布式控制、边缘计算以及区块链技术在CPS中的应用。此外,书中对“人类因素工程”的重视也让我印象深刻。CPS系统最终是为了服务于人,因此,在设计阶段就充分考虑用户的使用习惯、认知能力以及心理需求,是构建成功的CPS的关键。作者详细介绍了用户体验设计(UX)、人机交互设计(HCI)以及可解释AI(XAI)等理念在CPS设计中的应用。我尤其对书中关于“动态与演化式设计”的论述感到兴奋。CPS系统需要在不断变化的环境中持续演进,因此,设计出能够自我适应、自我演化,并且能够不断学习和优化的系统,是CPS发展的必然趋势。作者提出的“基于模型的演化设计”以及“持续集成与持续交付(CI/CD)”在CPS设计中的应用,为我提供了重要的指导。

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阅读《信息物理融合系统(CPS)设计、建模与仿真》这本书,让我对“建模”这一核心环节有了全新的认识。作者在这一部分倾注了大量心血,其内容之丰富、讲解之细致,远超我的预期。书中不仅仅是介绍了常见的建模语言和工具,更重要的是,它深入探讨了不同建模方法的适用场景、优缺点以及如何根据具体的CPS应用需求进行选择。例如,在讨论离散事件系统建模时,作者结合了 Petri 网和状态机等经典方法,并阐述了它们在描述系统状态转移和并发行为方面的优势。同时,在分析连续动态行为时,则详细介绍了微分方程和系统动力学模型,并给出了如何将其应用于模拟物理过程的实例。我特别喜欢作者关于“多尺度建模”和“异构建模”的章节,这对于理解复杂的CPS系统至关重要。CPS往往涉及不同领域、不同层次的模型,例如,一个智能制造系统可能需要同时建模机械臂的运动学、PLC的逻辑控制、以及车间的生产调度。书中提供的方法论,指导我们如何将这些不同性质的模型有机地结合起来,形成一个统一的整体模型,从而实现对整个系统的全面分析。此外,作者对“模型验证与校核”的重视程度也让我印象深刻。他强调了模型不仅仅是描述工具,更需要经过严格的验证,以确保其能够准确地反映真实系统的行为。书中介绍的多种验证技术,如模型检查、仿真对比等,为读者提供了实用的方法论。我尤其对作者提出的“伴生模型”的概念感到新颖,它允许我们在系统设计和开发过程中,根据不同阶段的需求,动态地调整模型的精度和抽象程度。这对于降低建模成本、提高开发效率有着重要的现实意义。总而言之,这本书在“建模”部分的深度和实用性,无疑是其一大亮点,它为读者提供了系统性地构建CPS模型的方法论和技术指导。

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这本书给我最大的感受是,它不仅仅是一本讲解CPS理论的书,更是一本关于如何将理论付诸实践的“路线图”。在“设计”这一部分,作者并没有停留在概念层面,而是深入到具体的工程实践中。我特别欣赏他对于“面向服务的架构(SOA)”在CPS设计中的应用分析,以及如何利用微服务来构建灵活、可扩展的CPS系统。这对于我目前负责的智慧农业项目,提供了非常宝贵的思路,如何将分散的传感器数据、控制单元和决策模型有效地整合,是项目成功的关键。书中关于“领域特定语言(DSL)”在CPS设计中的作用也让我耳目一新。作者详细阐述了DSL如何能够简化复杂系统的建模和配置,从而降低开发门槛,提高工程效率。他通过几个实际案例,生动地展示了如何使用DSL来定义系统的行为和交互规则,这对于快速原型开发和迭代验证非常有帮助。我尤其关注书中关于“容错设计”的探讨。在CPS这样一个与物理世界紧密交互的系统中,故障是不可避免的。作者提出的多种容错策略,例如冗余设计、故障检测与隔离、以及自愈机制,都为构建高可靠性的CPS系统提供了坚实的基础。他并没有简单地列出这些策略,而是深入分析了它们在不同CPS场景下的适用性、优缺点以及实现复杂度。此外,书中还对“用户体验设计”在CPS中的重要性进行了强调,这一点在很多技术导向的CPS书籍中常常被忽略。作者认为,CPS的最终目的是服务于人,因此,在设计阶段就考虑用户的需求和交互方式,是构建真正有价值的CPS的关键。他提出的“情境感知设计”和“个性化服务”等理念,为我提供了全新的视角。

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这本书的出版,无疑为信息物理融合系统(CPS)领域的研究者和实践者提供了一个极为宝贵的参考。在我翻阅过程中,最让我印象深刻的莫过于作者在“设计”部分所呈现的深度与广度。书中并没有简单罗列出各种设计方法,而是深入剖析了CPS设计的核心挑战,例如异构组件的集成、跨域通信的可靠性、以及在动态环境中保持系统稳定性的策略。作者通过大量的案例研究,清晰地展示了如何将抽象的设计理论转化为实际可行的工程解决方案。无论是针对智能电网的分布式控制,还是面向智能交通的协同感知,书中都提供了详实的步骤和权衡分析,让读者能够理解不同设计选择背后的考量。尤其是在强调安全性与隐私保护方面,书中提出的“安全 by design”理念,并不仅仅是将其作为附加项,而是从系统架构的源头就将其内嵌,这一点对于当下CPS面临的日益严峻的安全威胁来说,具有极其重要的指导意义。我特别欣赏作者在分析过程中,没有回避复杂性,而是直面问题,并提出了一系列创新的解决方案,例如利用形式化方法进行系统行为验证,以及引入基于模型预测控制的自适应策略。这些内容对于我目前正在进行的一个工业自动化项目的设计阶段,提供了极大的启发,让我能够更系统、更全面地思考系统的鲁棒性与可伸缩性。此外,书中对于不同层级抽象的处理方式,也让我受益匪浅,它帮助我理解了如何从微观的传感器细节,逐步过渡到宏观的系统级决策,并在不同的抽象层次上进行有效的建模和分析。总体而言,这本书在“设计”部分的阐述,充分体现了作者深厚的理论功底和丰富的实践经验,为读者构建CPS提供了坚实的基础。

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在翻阅《信息物理融合系统(CPS)设计、建模与仿真》一书时,“建模”部分的深度和广度给我留下了极为深刻的印象。作者在这一部分,展现了其在融合不同领域建模思想方面的非凡能力。他并没有将建模局限于某一特定的学科,而是将控制理论、数据科学、网络通信以及物联网等领域的建模方法进行了有机结合。我尤其欣赏他对“数据驱动建模”的深入探讨。在当前大数据时代,利用实际采集到的数据来构建和优化CPS模型,已经成为一种越来越重要的趋势。书中详细介绍了基于机器学习、深度学习以及统计建模等方法的数据驱动建模技术,并给出了如何在CPS应用中实现这些技术的实例。我特别关注书中关于“多分辨率建模”的讨论。CPS系统往往具有不同的时间尺度和空间尺度,如何构建能够在不同分辨率下进行有效建模的模型,是实现系统分析和优化的重要前提。作者提出的模型降阶技术、多尺度仿真方法以及层次化建模策略,都为解决这一难题提供了宝贵的参考。此外,书中对“模型校准与验证”的强调也让我印象深刻。模型不仅仅是描述工具,更需要经过严格的校准,以确保其能够准确地反映真实系统的行为。作者详细介绍了模型校准的各种技术,如参数估计、系统辨识以及基于优化的校准方法,并给出了如何在CPS模型校准中应用这些技术。我尤其对书中关于“建模的知识工程”的论述感到兴奋。作者认为,建模不仅仅是技术问题,更是一个知识工程的过程。如何有效地获取、表达和管理与CPS系统相关的知识,对于构建高质量的模型至关重要。他提出的知识图谱、本体论以及语义模型等技术,都为实现这一目标提供了重要的支持。

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在阅读《信息物理融合系统(CPS)设计、建模与仿真》的过程中,我对“建模”这一章节的理解得到了极大的升华。作者在这一部分,展现了其在跨学科知识整合方面的深厚功底。他并没有局限于单一的建模范式,而是将控制理论、软件工程、通信网络以及物理学中的建模思想融会贯通。我印象最深刻的是关于“混合动力建模”的讨论。CPS系统往往同时包含连续的物理过程和离散的逻辑控制,如何有效地将这两类模型进行耦合和集成,一直是建模领域的一大挑战。书中提出的多种混合动力建模方法,如状态事件系统(SES)和基于模型预测控制(MPC)的建模,都为解决这一难题提供了切实可行方案。我特别欣赏作者在分析“因果关系建模”时的细致入微。在CPS中,精确地理解和描述不同组件之间的因果关系,对于系统的分析、预测和控制至关重要。书中提出的基于图模型(如贝叶斯网络)的因果关系建模方法,以及如何将其应用于故障诊断和系统优化,为我提供了重要的理论支持。此外,作者对“模型互操作性”的重视也让我受益匪浅。在大型CPS项目中,往往需要集成来自不同供应商、不同技术栈的组件,这就对模型的互操作性提出了更高的要求。书中提出的几种模型集成框架和标准,如SysML和Modelica,都为实现模型的无缝集成提供了指导。我尤其关注书中关于“形式化验证”的内容。在CPS系统中,任何一个细小的错误都可能导致严重的后果,因此,利用形式化方法对模型进行严格的验证,是确保系统安全性和可靠性的重要手段。作者详细介绍了模型检查、定理证明等形式化验证技术,并给出了如何将其应用于CPS模型验证的实例。

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《信息物理融合系统(CPS)设计、建模与仿真》这本书在“仿真”部分的讲解,给我留下了极其深刻的印象。作者在这一部分,并没有止步于技术层面的介绍,而是深入探讨了仿真在CPS整个生命周期中的关键作用。我最欣赏的是他对“多物理场耦合仿真”的深入分析。CPS系统往往涉及电、磁、热、力、流体等多个物理场的相互作用,如何构建能够准确模拟这些耦合效应的仿真模型,是实现高保真仿真的关键。书中提出的多种多物理场耦合仿真技术,如基于有限元法(FEM)、有限差分法(FDM)以及边界元法(BEM)的耦合方法,都为读者提供了宝贵的参考。我特别关注书中关于“实时仿真”的内容。在某些CPS应用中,如实时控制系统或人机交互系统,仿真必须能够以与真实系统相同的速率运行,才能有效地进行测试和验证。作者详细介绍了实现实时仿真的各种技术,如硬件加速、并行计算以及模型降阶,并给出了如何在实际项目中应用这些技术的指导。此外,书中对“数字孪生(Digital Twin)”概念的阐述也让我耳目一新。作者认为,数字孪生是CPS仿真技术发展的必然趋势,它能够实现对物理实体在数字世界中的精确映射,从而为监控、预测、优化和控制提供强大的能力。他详细介绍了构建数字孪生的关键技术,如数据采集、模型构建、状态估计以及仿真执行。我尤其对书中关于“仿真驱动的优化”的讨论感到兴奋。作者指出,仿真不仅仅是用来验证已有的设计,更应该作为一种强大的优化工具,用于探索最佳的设计参数、控制策略以及系统架构。他提出了多种基于仿真的优化算法,如遗传算法、粒子群优化以及贝叶斯优化,并给出了如何在CPS设计中应用这些算法的实例。

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在《信息物理融合系统(CPS)设计、建模与仿真》一书中,我被“仿真”部分所展现出的前沿性和实践性深深吸引。作者不仅全面介绍了各种仿真技术和平台,更将它们与CPS的实际应用场景紧密结合,为读者提供了一套完整的仿真解决方案。书中对离散事件仿真、连续系统仿真以及混合系统仿真都有深入的探讨,并且详细讲解了如何根据CPS的特点选择最合适的仿真方法。我尤其欣赏作者在讨论“大规模CPS仿真”时的思路,他提出了如何利用分布式仿真技术、并行计算以及代理模型来处理动辄成千上万甚至上亿个节点的复杂系统。这对于构建真实世界规模的CPS,如智能城市或大规模物联网,具有极其重要的理论和实践价值。书中还重点介绍了“模型在环(MiL)、软件在环(SiL)、硬件在环(HiL)”等仿真测试方法,并给出了具体的实施案例。这为CPS的开发流程提供了一个清晰的测试框架,能够帮助开发者在不同的开发阶段发现和解决问题,从而大大提高产品的可靠性和上市速度。我特别关注书中关于“不确定性建模与仿真”的内容,CPS系统往往运行在充满不确定性的环境中,如何有效地模拟和分析这些不确定性对系统性能的影响,是CPS设计中的一大挑战。作者提出的多种不确定性建模技术,如概率模型、模糊模型以及鲁棒控制仿真,都为我们提供了解决这一难题的有效途径。此外,书中还探讨了如何利用仿真数据来优化CPS的设计参数,以及如何通过仿真来预测系统的长期行为和潜在故障。这些内容不仅提升了仿真的应用价值,也为CPS的持续改进和维护提供了科学的依据。这本书在“仿真”部分的全面性和前瞻性,使其成为CPS领域研究者和工程师不可或缺的参考工具。

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我必须承认,《信息物理融合系统(CPS)设计、建模与仿真》这本书在“设计”部分的论述,远比我最初的预期要深刻和全面。作者在这一部分,并没有回避CPS设计中存在的各种权衡和挑战,而是直面问题,并提供了大量富有洞察力的分析。我尤其欣赏他对于“分布式智能设计”的探讨。在CPS系统中,将智能功能分布在网络的各个节点,而不是集中在一个中心服务器,是提高系统鲁棒性、可扩展性和响应速度的关键。书中提出了多种实现分布式智能的设计模式,如联邦学习、边缘计算以及基于多智能体系统的设计。我特别关注书中关于“适应性设计”的内容。CPS系统需要能够应对不断变化的环境和不断演进的需求。作者详细介绍了如何通过引入反馈机制、自适应算法以及基于模型预测控制(MPC)的设计,来实现系统的自适应性。他给出的案例,例如在智能电网中实现负荷预测与调度的动态调整,让我对这一概念有了更清晰的认识。此外,书中对“安全性与鲁棒性设计”的重视程度也让我印象深刻。CPS系统连接着物理世界,其安全性直接关系到人身和财产安全。作者提出的“纵深防御”策略,以及如何将安全机制嵌入到系统的各个层次,都为构建安全的CPS系统提供了重要的指导。他并没有简单地列举安全措施,而是深入分析了各种安全威胁的来源,以及如何通过系统设计来防范这些威胁。我尤其对书中关于“人机协同设计”的论述感到启发。CPS系统往往需要人与机器协同工作,如何设计出易于理解、易于操作,并且能够实现高效协同的CPS系统,是提升用户体验和系统性能的关键。作者提出的“情境感知人机交互”以及“可信赖的AI助手”等理念,为我提供了全新的设计思路。

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