●第一部分簡介
第1章賽博物理繫統工程中建模與仿真應用的復雜性3
1.1概述/3
1.2CPS多模態的本質特征/4
1.3為什麼CPS工程如此復雜/5
1.4CPS工程的M&S技術/8
1.5智能性、適應性和自主性方面/10
1.5.1智能性/10
1.5.2自主性/13
1.5.3適應性/14
1.6總結/15
致謝/17
參考文獻/17
第2章智能賽博物理繫統運行和設計中的挑戰22
2.1概述/22
2.2聯網的自動駕駛汽車/23
2.3人類的體能和認知能力的演變/24
2.3.1能量效率和身體操控/25
2.3.2認知/25
2.3.3語言與交流/25
2.3.4從自然到技術/25
2.4智能賽博物理繫統的全景/26
2.4.1工程繫統分類/26
2.4.2工程繫統集成體的生命周期/28
2.5繫統運行中的挑戰/29
2.5.1互聯運行/29
2.5.2協同運行/31
2.6繫統設計和測試中的挑戰/32
2.6.1設計/32
2.6.2測試/33
2.7結論/34
參考文獻/35
第3章北約應用建模和仿真支持自主繫統的演進43
3.1概述/43
3.2北約的自主繫統/44
3.2.1北約RTO/SAS097:支持未來北約作戰的機器人計劃/45
3.2.2MCDC:自主繫統(2013—2014年)/46
3.2.3北約M&S優異中心(COE)在自主繫統和賽博領域的努力/48
3.3自主繫統的建模與仿真會議(MESAS)/49
3.3.12014年MESAS/50
3.3.22015年MESAS/51
3.3.32016年MESAS/52
3.3.42017年MESAS/53
3.4自主繫統:未來的挑戰和機遇/54
3.4.1兩用技術是可靠和可持續的關鍵/55
3.4.2新方案中的兩用功能/56
3.4.3應急管理中的自主繫統支持北約實現新的能力/57
3.5結論/59
參考文獻/59
第二部分支持CPS工程的建模技術
第4章多視角建模和整體仿真———支持非常復雜繫統分析的繫統思維方法67
4.1概述/67
4.2相關研究工作/70
4.3MPM&HS的概念基礎/72
4.4多視角建模/73
4.4.1復雜繫統的通用本體/74
4.4.2層面層級/75
4.4.3尺度層級/75
4.4.4模型層級/76
4.5整體仿真/77
4.6MPM&HS流程/77
4.7應用/78
4.8討論/81
4.8.1多視角模型的整體集成背後的語義是什麼/82
4.8.2如何驗證整體集成/82
4.9結論/83
參考文獻/83
第5章賽博物理繫統層級化協同仿真的統一框架89
5.1概述/89
5.2相關工作/91
5.3HyFlow形式化方法/91
5.3.1基本的HyFlow模型/92
5.3.2案例:脈衝積分器/92
5.3.3HyFlow網絡模型/94
5.4數值積分/95
5.4.1指數積分器/96
5.4.2幾何積分器/97
5.4.3模型的可組合性/98
5.5流形隨機Petri網/99
5.6結論/102
參考文獻/102
第6章基於模型的體繫工程權衡分析106
6.1概述/106
6.2體繫、賽博物理繫統和物聯網/106
6.3體繫權衡分析的挑戰/108
6.4基於模型的架構作為體繫權衡分析的框架/111
6.5建立體繫目標和評估準則/116
6.6評估可選的方案/117
6.6.1支持體繫權衡空間分析的輕量級分析工具/118
6.6.2支持體繫權衡空間分析的集成工程環境/122
6.7結論/124
參考文獻/126
第7章管控物聯網生態繫統復雜性和風險的繫統實體結構建模130
7.1概述/130
7.2IoT的定義以及以設備為中心的世界觀/132
7.3繫統實體結構(SES)模型/134
7.4IoT模型/138
7.5案例研究:Mirai攻擊/140
7.5.1說明/140
7.5.2使用IoT的SES模型對Mirai用例建模/140
7.6IoT的風險/146
7.6.1IoT技術後果/146
7.6.2綜合風險評估框架/146
7.7結論/147
參考文獻/149
第三部分基於仿真的CPS工程
第8章支持CPS嵌入式控制器高效開發的仿真模型連續性155
8.1概述與動機/155
8.1.1賽博物理繫統的控制/156
8.1.2DEVS作為建模和仿真的形式化方法/158
8.1.3仿真模型連續性的方法/159
8.2相關技術背景/160
8.2.1DEVS框架/161
8.2.2PowerDEVS仿真器/162
8.2.3機器人操作繫統中間件/162
8.3應用ROS的DEVS(DoveR):基於模型連續性的方法論的實現/163
8.3.1PowerDEVS引擎與ROS中間件之間的通信/165
8.3.2RaspberryPi的嵌入式仿真/168
8.4機器人實驗平臺:硬件和模型/168
8.4.1連續的機器人模型和離散的調節控制器/169
8.4.2硬件描述/170
8.5實驗性案例研究:以模型連續性為中心的方法論支持控制器的開發/171
8.6實施DoveR的挑戰/174
8.7結論/175
參考文獻/176
第9章預測慢性病癥狀事件的CPS設計方法論179
9.1概述/179
9.1.1移動雲計算與健康中的預測建模/179
9.1.2IoT的能源效率/180
9.1.3偏頭痛疾病/181
9.1.4CPS設計中的建模與仿真/182
9.2一般的架構/182
9.2.1數據采集繫統/183
9.2.2魯棒預測繫統/183
9.2.3專家決策繫統/187
9.3軟件模型和物理實現/187
9.3.1軟件模型/189
9.3.2物理實現/191
9.4能量消耗和可擴展性問題/194
9.4.1能量消耗/194
9.4.2可擴展性問題195
9.5結論/197
參考文獻/198
第10章面向自主應用基於模型的工程200
10.1概述/200
10.2背景/200
10.2.1驗證與確認/201
10.2.2基於模型的繫統方法:關聯到CPS/202
10.2.3基於模型的V&V/203
10.2.4面向自主的應用/204
10.3基於模型的工程方法/204
10.3.1基於模型的工程的工作流/206
10.3.2特定領域建模環境/207
10.4基於模型的工程中的建模與仿真/208
10.4.1基於模型的工程中的計算建模/209
10.4.2軟件在環仿真/211
10.4.3硬件在環仿真/212
10.5用例:控制車輛CPS的速度/212
10.6用例:CPS設計的特定領域建模語言/215
10.7結論/216
參考文獻/217
第四部素
第11章關注賽博物理繫統的安全227
11.1賽博物理繫統/227
11.1.1賽博物理繫統的定義/227
11.1.2相關繫統/227
11.2面臨的安全挑戰/228
11.2.1運輸:車輛安全/228
11.2.2健康IT:醫療設備安全/229
11.2.3能源繫統:智能電網/230
11.3CPS安全M&S的挑戰和機遇/231
11.3.1將M&S應用於繫統安全工程和強韌性/231
11.3.2CPS安全的數字孿生概念/232
11.3.3將M&S應用於CPS風險評估/232
11.3.4CPS賽博靶場/232
參考文獻/233
第12章賽博物理繫統強韌性———框架、測度、復雜性、挑戰和未來方向236
12.1概述/236
12.2賽博強韌性:相關研究工作簡介/236
12.3賽博物理繫統的強韌性/237
12.3.1強韌CPS的特征/239
12.3.2強韌性測度的要求/239
12.4強韌性測度和框架/239
12.4.1CPS賽博威脅態勢/240
12.4.2CPS強韌性測度/241
12.4.3CPS的賽博強韌性框架/243
12.5定性的CPS強韌性測度/246
12.6CPS強韌性的定量建模/248
12.6.1關鍵賽博資產的建模/248
12.6.2跳板攻擊的建模/249
12.6.3風險和強韌性的建模與估計/249
12.6.4攻擊場景的建模與設計/252
12.6.5基礎物理過程和設計約束的建模/253
12.7CPS強韌性測度的仿真平臺/254
12.7.1定性仿真平臺/254
12.7.2定量仿真平臺/255
12.7.3驗證和確認計劃/256
12.7.4仿真平臺的用例/256
12.8復雜性、挑戰和未來方向/258
12.9結論/260
參考文獻/261
第13章社會結構中的賽博創造物265
13.1概述/265
13.2賽博物理繫統的湧現性/267
13.3分布式代理:描述多層次結構和機構的語言/269
13.4社會適應性:對於人類適應並操控環境的自然延伸/274
13.5復雜性與社會性:CPS與社會科學的適配點/275
13.6CPS結構:應用到人類方面/277
13.7結論/284
參考文獻/285
第五部分發展方向
第六部分第14章賽博物理繫統工程建模與仿真應用復雜性的研究主題291
14.1概述/291
14.2在本書中識別的研究挑戰/292
14.2.1公共的形式化方法/292
14.2.2復雜的環境/293
14.2.3復雜的工具集/294
14.2.4多視角挑戰/296
14.2.5復雜項目中支持更好溝通的M&S方法/297
14.2.6賽博物理繫統強韌性/298
14.2.7支持人-機團隊/299
14.3討論/300
參考文獻/300
結束語賽博物理繫統——用建模和仿真均衡人們的熱情和謹慎305
參考文獻/306
附錄詞彙表/307

本書面向賽博物理繫統(CPS)的智能、自主和適應的復雜性特征，聚焦建模與仿真(M&S)技術在基於模型的工程、基於仿真的工程等方面的研究成果，廣泛彙編並綜述近年來國際上多個政府組織、研究團體的相應的文獻和驗證項目，面對被廣為關注的智慧城市、自主駕駛、復雜防務體繫等多個應用領域，詳細闡述CPS工程中M&S技術的領先應用模式；同時，就普適性解決方案中共享的概念，如CPS統一本體架構、自主繫統協同仿真框架、自主繫統架構、復雜繫統強韌性測度以及社會繫統演進等，提出了卓有建樹的開放性研究思路和探索方向，從而激發讀者對M&S的研究興趣，並將其應用於CPS工程的技術與管理流程中，使本書成為基於模型的繫統工程(MBSE)中應用優選M&S技術和方法的一站式參考，從而為工程領域提供領先的設計和評估能力發揮重要的作用。
本書適合從事復雜組織體繫和優選工程繫統開發方法研究等