信息物理系统应用与原理

本书讨论了大量的理论进展以及每个领域的挑战。一些进展源于应用领域的具体挑战，另一些进展带来了新的发展机会。全书分为两部分。部分介绍了当前CPS的3个典型领域（医疗、能源、无线传感器网络），这些应用领域推动了CPS的技术革命。第二部分介绍了CPS发展中使用的多学科理论基础。本书可作为高等院校信息物理系统相关课程的教材，也可作为CPS应用领域相关从业者的参考书。

拉杰·拉杰库马尔（Raj Rajkumar），是卡内基-梅隆大学电气工程和计算机专业的教授。他主持过若干次靠前会议，拥有三项专利，发表了170多篇论文，其中8篇获得很好论文奖。

第一部分CPS应用领域
第1章医疗CPS3
1.1引言4
1.2系统描述与操作场景5
1.2.1虚拟医疗设备7
1.2.2临床场景8
1.3关键设计驱动与质量属性9
1.3.1发展趋势9
1.3.2质量属性以及MCPS领域的挑战12
1.3.3MCPS的高可信度开发14
1.3.4按需医疗设备及其安全保障21
1.3.5智能报警以及医疗决策支持系统28
1.3.6闭环系统34
1.3.7安全案例40
1.4医疗从业者的影响48
1.4.1MCPS开发者角度49
1.4.2MCPS管理者角度50
1.4.3MCPS用户角度50
1.4.4患者角度51
1.4.5MCPS监管机构角度51
1.5总结和挑战52
参考文献53
第2章能源CPS61
2.1引言62
2.2系统描述与操作场景63
2.3关键设计驱动与质量属性65
2.3.1关键系统原则67
2.3.2架构1的性能目标73
2.3.3未来的方向78
2.4可持续性SEES的网络范例79
2.4.1在SEES中基于物理的CPS组合82
2.4.2在SEES中基于DyMonDS的CPS标准86
2.4.3交互变量自动建模与控制94
2.5从业者的意图96
2.5.1性能目标的IT演化96
2.5.2分布式优化96
2.6总结与挑战97
参考文献100
第3章基于无线传感器网络的CPS103
3.1引言104
3.2系统描述与操作场景105
3.2.1媒介访问控制107
3.2.2路由109
3.2.3节点定位111
3.2.4时钟同步113
3.2.5电源管理114
3.3关键驱动设计与质量属性115
3.3.1物理感知115
3.3.2实时感知116
3.3.3运行时验证感知118
3.3.4安全感知120
3.4实践意义122
3.5总结与挑战124
参考文献125
第二部分CPS基础理论
第4章CPS的符号化合成133
4.1引言134
4.2基础技术135
4.2.1预备知识135
4.2.2问题定义135
4.2.3合成问题的解决144
4.2.4符号模型构建148
4.3高级技术152
4.3.1构建符号模型154
4.3.2连续时间控制器156
4.3.3软件工具157
4.4总结与挑战158
参考文献159
第5章反馈控制系统中的软件和平台问题165
5.1引言166
5.2基础技术167
5.2.1控制器定时167
5.2.2资源效率控制设计169
5.3高级技术171
5.3.1减少计算时间171
5.3.2降低采样频率172
5.3.3基于事件的控制173
5.3.4控制器的软件结构174
5.3.5计算资源共享176
5.3.6反馈控制系统的分析与仿真178
5.4总结与挑战192
参考文献193
第6章混合系统的逻辑正确性197
6.1引言198
6.2基础技术200
6.2.1离散验证200
6.3高级技术221
6.3.1实时验证221
6.3.2混合验证227
6.4总结与挑战231
参考文献232
第7章CPS的安全237
7.1引言238
7.2基础技术239
7.2.1网络安全需求239
7.2.2攻击模型240
7.2.3应对策略245
7.3高级技术248
7.3.1系统理论248
7.4总结与挑战256
参考文献256
第8章分布式CPS的同步259
8.1引言259
8.1.1CPS的挑战261
8.1.2一种降低同步复杂度的技术···261
8.2基础技术262
8.2.1软件工程263
8.2.2分布式一致性算法264
8.2.3同步锁步执行266
8.2.4时间触发架构267
8.2.5相关技术268
8.3高级技术270
8.3.1物理异步、逻辑同步系统270
8.4总结和挑战282
参考文献283
第9章CPS的实时调度289
9.1引言290
9.2基础技术291
9.2.1固定时间参数的调度291
9.2.2内存效应300
9.3高级技术301
9.3.1多处理器/多核调度301
9.3.2适应可变性和不确定性313
9.3.3其他资源的管理318
9.3.4间歇任务调度323
9.4总结和挑战325
参考文献325
第10章CPS模型集成331
10.1引言332
10.2基础技术333
10.2.1因果关系334
10.2.2时间语义域335
10.2.3计算过程的交互模型336
10.2.4CPSDSML建模语言的语义337
10.3高级技术338
10.3.1ForSpec语言339
10.3.2CyPhyML系统建模语言的语法342
10.3.3语义的形式化344
10.3.4形式化的语言集成349
10.4总结和挑战356
参考文献357
关于作者361
关于有贡献的作者363