信息物理融合系统(CPS)设计、建模与仿真

本书是用于复杂异构系统设计的计算模型的指南。尤其关注CPS（集成了计算、网络和物理过程）。本书汇集了加州大学伯利分校Ptolemy项目20多年的研究经验和成果，UCB开发了许多现在广为使用的设计、建模和仿真技术。本书中所有的方法均在支持系统级异构设计与仿真的开源平台PtolemyII实现。

爱德华·阿什福德·李，曾任加州大学伯利分校电子工程与计算机科学系主任，现为该系Robert S.Pepper特聘教授。主要研究方向是嵌入式与实时计算系统的设计、建模和模拟。他是嵌入式系统领域的有名学者，也是CPS研究的倡导者和引领者之一。他领导的团队成功开发了Ptolemy项目，研发了PtolemyCIassic和Ptolemy II系统，这是一个很好很好的开源嵌入式系统研究与开发平台。他还是加州大学伯利分校CHESS(混合及嵌入式软件和系统中心)创始主任。
Lee教授拥有加州大学伯利分校博士学位，麻省理工学院理学硕士学位，以及耶鲁大学学士学位。他合著T5m著作，其中包括《嵌入式系统：CPS方法》。他是IEEE Fellow，于1997年获得工程教育领域的Frederick Emmons Terman奖，1987年获得美国国家科学基金会的青年研究者总统奖。

出版者的话
译者序
前言
第一部分入门
第1章异构建模2
1.1语法、语义、语用3
1.2域和计算模型4
1.3模型在设计中的作用5
1.4角色模型6
1.5层次结构模型7
1.6异构建模的方法7
1.7时间模型11
1.7.1层次化时间12
1.7.2超密时间12
1.7.3时间的数字表示14
1.8域和指示器概述15
1.9案例研究18
1.10小结22
第2图形化建模23
2.1开始23
2.1.1信号处理模型执行范例24
2.1.2模型的创建和运行26
2.1.3建立连接28
2.2令牌和数据类型31
2.3层次结构和复合角色35
2.3.1复合角色端口添加36
2.3.2端口类型设置37
2.3.3多端口、总线和层次结构38
2.4注释及参数设置39
2.4.1层次化模型中的参数39
2.4.2修饰元素40
2.4.3创建自定义图标41
2.5如何操作大模型42
2.6类和继承43
2.6.1实例中参数值的重写45
2.6.2子类和继承45
2.6.3模型间类的共享47
2.7高阶组件49
2.7.1MultiInstanceComposite角色49
2.7.2IterateOverArray角色50
2.7.3生命周期管理角色52
2.8小结53
第二部分计算模型55
第3章数据流56
3.1同步数据流56
3.1.1平衡方程57
3.1.2反馈回路62
3.1.3数据流模型中的时间63
3.2动态数据流68
3.2.1点火规则68
3.2.2DDF中的迭代71
3.2.3将DDF与其他域结合74
3.3小结77
练习78
第4章进程网络和会话80
4.1Kahn进程网络80
4.1.1并发点火83
4.1.2PN模型的执行停止87
4.2会话88
4.2.1多路会话89
4.2.2条件会话90
4.2.3资源管理91
4.3小结92
练习92
第5章同步响应模型96
5.1固定点语义97
5.2SR实例98
5.2.1非循环模型98
5.2.2反馈99
5.2.3因果循环106
5.2.4多时钟模型106
5.3寻找定点107
5.4定点逻辑109
5.5小结112
练习112
第6章有限状态机113
6.1Ptolemy中的FSM创建113
6.2FSM的结构与执行116
6.2.1转移条件定义119
6.2.2输出动作120
6.2.3赋值动作和扩展有限状态机120
6.2.4终止状态122
6.2.5默认转移123
6.2.6非确定性状态机124
6.2.7立即转移126
6.3分层FSM128
6.3.1状态细化129
6.3.2分层FSM的优点130
6.3.3抢占式转移与历史转移130
6.3.4终止转移132
6.3.5模态模型的执行模式133
6.4状态机的并发复合135
6.5小结137
练习138
第7章离散事件模型141
7.1DE域中的时间模型142
7.1.1模型时间与实际时间142
7.1.2并发事件143
7.1.3同步事件144
7.2排队系统149
7.3调度152
7.3.1优先级154
7.3.2反馈回路155
7.3.3多线程执行157
7.3.4调度局限性159
7.4芝诺（Zeno）模型160
7.5其他计算模型与DE的组合161
7.5.1状态机和DE161
7.5.2数据流和DE组合162
7.6无线和传感器网络系统162
7.7小结164
练习164
第8章模态模型166
8.1模态模型的结构166
8.2转移170
8.2.1复位转移170
8.2.2抢占式转移171
8.2.3差错转移172
8.2.4终止转移174
8.3模态模型的执行175
8.4模态模型和域176
8.4.1数据流和模态模型176
8.4.2同步响应和模态模型181
8.4.3进程网络和会话181
8.5模态模型中的时间181
8.5.1模态模型中的时间延迟184
8.5.2本地时间和环境时间185
8.5.3模式细化中的开始时间187
8.6小结188
练习188
第9章连续时间模型189
9.1常微分方程189
9.1.1积分器189
9.1.2传递函数191
9.1.3求解器192
9.2离散和连续的混合系统197
9.2.1分段连续信号197
9.2.2连续域中的离散事件信号199
9.2.3离散时间的积分器重置200
9.2.4狄拉克δ函数201
9.2.5与DE互操作204
9.2.6定点语义205
9.3混合系统和模态模型206
9.3.1混合系统和不连续信号208
9.4小结210
练习210
第10章计时系统建模211
10.1时钟211
10.2时钟同步214
10.3通信延时建模217
10.3.1固定和独立的通信延时217
10.3.2共享资源竞争行为建模219
10.3.3复合切面222
10.4执行时间建模223
10.5分布式实时系统的Ptides模型225
10.5.1Ptides模型的结构226
10.5.2Ptides组件231
10.6小结233
第11章Ptera：面向事件的计算模型234
11.1扁平模型的语法和语义234
11.1.1入门实例235
11.1.2事件参数236
11.1.3取消关系237
11.1.4同时事件237
11.1.5潜在的非确定性237
11.1.6LIFO和FIFO策略238
11.1.7优先级239
11.1.8事件命名及调度关系239
11.1.9原子性设计239
11.1.10面向应用的实例240
11.2层次模型242
11.3异构组合243
11.3.1Ptera与DE组合243
11.3.2Ptera与有限状态机组合245
11.4小结246
第三部分建模的基础结构
第12章软件体系结构248
12.1包结构248
12.2模型结构249
12.3角色语义和计算模型253
12.3.1执行控制253
12.3.2通信256
12.3.3时间257
12.4在Java中设计角色258
12.4.1端口261
12.4.2参数262
12.4.3端口和参数耦合263
12.5小结264
第13章表达式265
13.1简单算术表达式265
13.1.1常量与直接值265
13.1.2变量267
13.1.3运算符268
13.1.4注释269
13.2表达式的应用269
13.2.1参数270
13.2.2端口参数270
13.2.3字符串参数271
13.2.4表达式角色272
13.2.5状态机272
13.3复合数据类型273
13.3.1数组273
13.3.2矩阵275
13.3.3记录276
13.3.4联合体278
13.4令牌运算279
13.4.1调用方法279
13.4.2访问模型元素279
13.4.3类型分配280
13.4.4函数定义281
13.4.5高阶函数281
13.4.6模型中的函数调用282
13.4.7递归函数283
13.4.8内置函数284
13.5空值令牌287
13.6定点数287
13.7单位288
13.8函数表290
第14章类型系统298
14.1类型推断、转换和冲突298
14.1.1自动类型转换300
14.1.2类型约束302
14.1.3类型声明303
14.1.4反向类型推断304
14.2结构化类型305
14.2.1数组305
14.2.2记录306
14.2.3联合体307
14.2.4函数307
14.3角色定义中的类型约束307
14.4小结312
第15章本体314
15.1创建和使用本体315
15.1.1本体创建316
15.1.2约束创建318
15.1.3抽象解释321
15.2错误查找和最小化322
15.3单位系统创建326
15.3.1什么是单位326
15.3.2基本维度和推导维度327
15.3.3维度之间的转换327
15.4小结329
第16章Web接口330
16.1导出到网络330
16.2Web服务341
16.2.1Web服务器的架构341
16.2.2构建Web服务343
16.2.3使用cookie在客户端存储数据346
16.3小结351
练习351
第17章信号显示352
17.1可用绘图仪概述353
17.2绘图仪定制355
参考文献358

前    言System Design, Modeling, and Simulation using Ptolemy II“我”上次发表著作是在一千九百年前。“我”很高兴从退休中复出，对以本人名字命名的工程（Ptolemy工程）发表自己的看法。与“我”以往在天文和地理方面的工作相似，该项目也是对复杂系统进行处理。值得一提的是，类似“我”之前的许多著作，本书同样凝结了许多人共同的智慧和努力。    “我”以前在《The Almagest》（天文大全）中研究行星、太阳、地球和月亮的运动规律，这些运动都是并发交互过程（concurrent interacting process）。并且这些运动都是确定性的（deterministic），并不以神的意志为转移。这些模型的关注点不仅仅是对所观察到的行为进行精确匹配，更重要的是对行为的预测。类似地，Ptolemy项目研究并发交互过程，并重点关注确定性模型。    理想情况下，求知欲推动着人类从迷信和盲目的信仰发展到逻辑和计量。现在所谓的“科学”深深根植于科学方法（scientific method），特别是在自然系统的研究中。利用科学方法，从设想开始，设计实验，并基于实验来对之前的设想下定论。当然，为了能够进行计量，待测量的工件或过程必须以某种形式存在。在“我”早期的研究中，不存在该问题，因为太阳、地球、月亮和行星是已经存在的事物。然而工程学科所关注的是人为的工件和过程，研究的是自然界中本不存在的系统。即便如此，科学方法也可用于并已经应用于工程设计中。工程师构建仿真和原型系统，将设想公式化，然后通过实验来进行设想的测试。    因为针对的是本不存在的工件和过程，所以工程设计不能单单基于科学方法。实验的目的是提高对所设计的工件、过程的认知。但是在进行实验前，必须将这些工件或者过程创造出来。在认识某些事物之前，不得不先把它们创造出来，这点注定了我们的设计会根植于“迷信”和盲目的信仰。    模型构造是与科学方法互补的重要科学部分。模型是物理现实的一种抽象，并且模型提供内视和行为预测的能力可以形成设想的核心思想，该思想核心等待被实验证实或证伪。建模本身更应归于工程学科，而非自然科学。从根本上讲，它并不是对于自然界已存在系统的研究。相反，它是人类主导的、对于自然界本身不存在事物的建造过程。一个模型本身就是一项工程。    好的模型甚至可以减少对计量的需求，因此可以减少对科学方法的依赖。比如，我们一旦有一个行星运动模型，我们就可以精确预测它们的位置，这样就减少了对其位置测量的需要。计量的角色从确定行星位置转变为改善它们的运动模型以及检测模型对运动的影响（工程上称为“故障检测”（fault detection））。    无论在自然科学还是在工程中，模型都可以通过迭代方法来进行优化。“我”提出的以地球为中心的宇宙模型需要很多次迭代来修正，以逼近实验观测到的行星运动情况。最终模型的预测能力让“我”引以为豪。并且，基于这些模型的预测方法可以通过星盘机械化，这点同样让“我”感到自豪。即便这样，不得不承认，令人尊敬的同行哥白尼（Nicolaus Copernicus）为行星运动提出了一个更好的模型（日心学说）。他的模型从概念上讲是更简单的。这是一种概念上的飞跃：我们可观测到的宇宙的中心，即我们所在的大地，并非一定是宇宙模型的中心。更进一步说，相对于物理世界，对于模型我们有更大的自由度，因为模型不需要被自然界所限制。即便如此，“我”所建立的模型在将近1400年的时间里也是一流的。    Ptolemy项目确实是一项关注系统模型的研究。但是，该系统与“我”之前关注的系统有很大的不同。之前的那些系统都是自然界提供的，但是本书中的系统都是人造的。在本书中，建模的目的是优化系统，我们不可能对自然界给予的行星系统做任何的优化。    简而言之，在与科学相反的工程中，模型要在被建模系统的设计阶段发挥作用。与科学一样，工程中的模型是可以被优化的，但是与科学不同的是，工程中的系统还可以被模型化。    更有趣的是，与科学不同的是，在工程中模型的选择对被建模的系统是有影响的。给予相同的目标，两位工程师可能会得出截然不同的系统设计和实现方案，这仅仅是因为他们在开始阶段使用了截然不同的系统模型。进一步说，若两位工程师提出了不同的模型，其原因可能仅仅是他们在开始阶段使用了不同的工具来构建模型。一位用纸和笔建模的工程师与一位用软件工具建模的工程师得出的模型可能很不一样。结果就是，他们很可能得出迥异的系统设计。    针对复杂系统，本书收集了非常丰富的建模工具和技术。它们中的一些毫无疑问在以后会被优化，正如“我”自己提出的本轮（epicycle）模型，其建模的复杂性被哥白尼学派证明为不必要的。即使如此，本书的目的是向工程师提供目前可用的最好的建模技术。可以确信的是，我们将做得更好。    如何使用本书本书是为需要对各种系统建模的工程师和科学家，以及想了解如何为复杂、异构系统建模的人而编写的。这些系统包括机械系统、电气系统、控制系统、生物系统等，更有趣的是，还包括结合了这些领域或者其他领域元素的异构系统。本书假设读者熟悉仿真和建模工具及其技术，但不