12、关键网络物理系统设计中的形式化方法

关键网络物理系统设计中的形式化方法

1. 引言

嵌入式计算的革命性进步催生了网络物理系统（CPS），它集成了计算和物理过程，具备传感、驱动和控制功能，并能进行预测或自适应决策。CPS 在物联网等新兴领域得到广泛应用，如智能空间和智能工厂。设计这类复杂系统时，分析、指定和验证其预期属性至关重要。属性可分为功能属性和非功能属性，后者如空间、时间、安全等同样重要。

模型化技术能简化系统设计，使属性分析更精确严格。但在 CPS 建模和设计中分离网络和物理问题虽有助于处理复杂性，却增加了评估两者影响和权衡的难度。因此，需要定义形式化语言来支持 CPS 形式化模型及其预期属性的指定，并借助自动化形式化验证工具进行分析和验证。此外，CPS 的物理特性带来更多不确定性和动态性，形式化方法也应应用于运行时，以支持运行时验证和自动适应。

2. CPS 设计中的关键因素

2.1 空间与时间

从软件工程角度看，CPS 运行于动态空间环境中，可抽象为网络物理空间（CPSp），它比传统物理空间更具动态性。例如，人类或设备在 CPSp 中移动，连接或断开无线网络。这种动态性要求在系统设计中考虑，同时维护 CPSp 面临诸多挑战，需要运营管理来应对环境变化。

CPSp 的“空间”概念涵盖物理和网络维度。以共享单车系统为例，自行车在物理空间有明确位置，也通过连接基站处于计算机网络中。拓扑关系会随时间变化，因此需要指定基于物理和网络空间拓扑关系的功能需求。

CPS 的正确行为在空间和时间上都有定义。形式化表示应反映事件随时间的流动和系统的空间特征，如组件的分布、位置和距离。这些空间特征会影响系统事件的时间和执行流程。例如，在人机