譯者序

直到近幾十年,科學和哲學領(lǐng)域才將我們所觀察到的自然和工程系統(tǒng)所呈現(xiàn)的 復雜性歸結(jié)為涌現(xiàn)性,這一特征并非由系統(tǒng)組成直接創(chuàng)建,而通常表現(xiàn)在系統(tǒng)行為的宏 觀層面由相互作用的組件所產(chǎn)生。到了今天,人們普遍認為基于模型的范式是未來我 們應對系統(tǒng)復雜性演進的為關(guān)鍵的方式,當然也是系統(tǒng)工程中為突出的發(fā)展方向。

首先,從開發(fā)方法論的視角來看,基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)轉(zhuǎn)型實質(zhì)上是持續(xù) 地轉(zhuǎn)移到由模型的連續(xù)性、追溯性所支持的系統(tǒng)開發(fā)流程,當提及模型時,我們通常指 的是可執(zhí)行的仿真模型。因此,先進的建模與仿真(M&S)技術(shù)和方法成為驅(qū)動系統(tǒng)工 程方法運作的核心機制。其次,從系統(tǒng)演進的視角來看,我們將賽博物理系統(tǒng)(CPS)定 義為由通信、計算和控制主導物理行為的系統(tǒng),CPS代表先進的系統(tǒng)混合形式,其中 M&S技術(shù)的應用將涉及系統(tǒng)的概念、規(guī)范和運行等多個層級采用形式化方法表 達基本概念(如結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、事件、并發(fā)等)及其關(guān)系,將真實世界中所研究的系統(tǒng)(問題) 表達為模型,通過仿真引擎執(zhí)行各種仿真指令來驗證系統(tǒng)行為和功能的實現(xiàn)。綜合上 述兩個視角,CPS概念與 M&S技術(shù)的結(jié)合,在 MBSE 的大背景下將引發(fā) CPS工程建 模與仿真的應用熱潮,這也將成為復雜自適應系統(tǒng)(CAS)工程、軟件密集型系統(tǒng)(SIS) 工程、體系(系統(tǒng)之系統(tǒng),SoS)工程、網(wǎng)絡系統(tǒng)(NS)工程、實時嵌入式系統(tǒng)(RTES)工程 以及其他更多具有相似特征工程的共同范式。

本書為 Wiley出版的復雜系統(tǒng)與復雜組織系列叢書之一。該叢書是 Wiley已出 版30余年的系統(tǒng)工程和管理系列叢書的姊妹篇。后者相繼出版了50多部,側(cè)重于 傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程主題;而前者在近5年來已出版8部,特別針對工程和組織系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種復雜行為與社會現(xiàn)象,立足于系統(tǒng)科學和系統(tǒng)工程的核心基礎方面的快速發(fā)展, 尋求系統(tǒng)性和權(quán)威性的詮釋和闡明,同時也更加關(guān)注社會和工程領(lǐng)域所面臨的日益復 雜的挑戰(zhàn)從技術(shù)、人員到組織的互聯(lián)水平和演進速度的持續(xù)提高。因此,當今我們 解決系統(tǒng)問題的方法需要建立在跨學科的基礎之上,由此理解、分析并綜合各種解決方 案,而成功的跨學科研究取決于有關(guān)概念、原理、模型、方法和工具等廣泛知識的獲得和 應用,復雜系統(tǒng)與復雜組織系列叢書的編撰正在為系統(tǒng)科學和系統(tǒng)工程的發(fā)展提供 更多的視角。

本書面向賽博物理系統(tǒng)(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(shù)在基于模型的工程、基于仿真的工程等方面的研究成果,廣泛匯編并綜述 近年來國際上多個政府組織、研究團體相應的文獻和驗證項目,面對廣為關(guān)注的智能城 市、自主駕駛、復雜防務體系等多個應用領(lǐng)域,詳細闡述 CPS工程中 M&S技術(shù)的領(lǐng)先 應用模式;同時就普適性解決方案中共享的概念,如:CPS統(tǒng)一本體架構(gòu)、自主系統(tǒng)協(xié) 同仿真框架、自主系統(tǒng)架構(gòu)、復雜系統(tǒng)強韌性測度、社會系統(tǒng)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(fā)讀者對 M&S的研究興趣,并將其應用于 CPS 工程的技術(shù)與管理流程中,使本書成為基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)中應用先進 M&S 技術(shù)和方法的一站式參考。

本書將 CPS工程的復雜性歸于系統(tǒng)微觀組成的動態(tài)時空交互過程,借助 M&S技 術(shù)的支持來達到 CPS基于行為的認知和實現(xiàn)的目標。因此,本書特別適于那些期望創(chuàng) 造全新系統(tǒng)解決方案、探索系統(tǒng)工程數(shù)字轉(zhuǎn)型方向以及掌握未來系統(tǒng)工程應用范式的 研究者、實踐者和學習者。 書中呈現(xiàn)的內(nèi)容集中反映了當前系統(tǒng)工程理論和方法的發(fā)展趨勢,涉及眾多 的理論和實踐方面的知識,鑒于譯者本人專業(yè)領(lǐng)域知識所限,難免有不妥或偏頗之處, 懇請讀者批評指正。

在本書翻譯過程中,段世安承擔了大量翻譯稿的整理工作,在此對他的辛勤工作表 示感謝。

譯 者 2021年8月于北航

序 言

賽博物理系統(tǒng)(CPS)的各種定義均聚焦于其中的計算組件和物理組件以及集成的 傳感器、網(wǎng)絡和動力等,但我們常常忽略了 CPS將會顯著地改變我們了解各種系統(tǒng)和 環(huán)境的方式。CPS無處不在:汽車自動泊車系統(tǒng)識別路標并做出相應的反應,掌握與 其他汽車的車距并確保合適的距離等;新型的醫(yī)療設備系列,從外科手術(shù)輔助裝置到智 能假體;智能家居觀察人們的適宜狀況并相應地控制空調(diào),把握人們回家的時間,準備 好飯菜,并在交通阻塞的狀況下對飯菜進行保溫;家居只是智能城市的一部分,傳感器 還將掌握交通擁堵狀況并自動進行交通分流,重新調(diào)整交通信號燈并將信息傳遞給智 能汽車;應急及軍事人員已經(jīng)習慣人 賽博團隊中的 CPS同事,CPS能夠評估那些對于 人類團隊伙伴過于危險或難以到達的區(qū)域。然而,所有這些支持都需要付出代價,即系 統(tǒng)變得越來越復雜! 我們?nèi)绾喂芾砘蚬芸剡@些智能、自主和適應的系統(tǒng)呢? 我們又如 何利用機會來規(guī)避消極的后果呢?

曾經(jīng)我們經(jīng)歷了類似的巨大變化,Internet改變了我們檢索和獲取信息的觀念,現(xiàn) 在,同樣眾多的 CPS也在使用Internet收集和改變信息,它同樣也需要付出代價。在 Internet時代之前,許多復雜的系統(tǒng)都同時具有軟件和硬件組件,但由于未接入網(wǎng)絡, 因此它們免受網(wǎng)絡攻擊。然而,由于 CPS的組件具有跨越不同網(wǎng)絡(擁有 CPS組織的 內(nèi)部和外部)的連接能力,因此出現(xiàn)了新的挑戰(zhàn),這些挑戰(zhàn)包括網(wǎng)絡安全、控制、測試、連 接程度、連續(xù)的警戒和持續(xù)的運行、自主程度、基于智能的行為、強韌性以及對社會經(jīng)濟 結(jié)構(gòu)的影響。

正像當前許多出版文獻所論述的,CPS和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)可互換使用,但是兩者之間 卻存在著一些微妙的差別。我們將 CPS理解為IoT 在特定領(lǐng)域的某種形式,因此它們 的區(qū)別在于規(guī)模、社會影響和效應傳播等方面。CPS主要聚焦于特定領(lǐng)域,例如航空、 醫(yī)療、軍事、防務和制造等。由于特定領(lǐng)域的本質(zhì)特性,可在運行技術(shù)(OT)和信息技術(shù) (IT)層面針對 CPS進行更詳細的研究。然而,由此帶來的弊端是,CPS既不能在特定 領(lǐng)域中分享對其的理解,也不能從其他領(lǐng)域?qū)?CPS的理解中受益。與領(lǐng)域無關(guān)的公共 理論將對其有所幫助,由此可產(chǎn)生在特定領(lǐng)域中共同的解決方案,我們將討論一些存在 的可選方法,但支持這一思想的共同的形式化方法迄今為止尚未被廣泛接受。 建模和仿真(M&S)技術(shù)已成為一種可在虛擬環(huán)境中研究 CPS各種挑戰(zhàn)的機制。 盡管仿真活動包含建�；顒�,但基于模型的工程(MBE)和基于仿真的工程是兩種截然 不同的活動。模型是系統(tǒng)的抽象表達,并在可能的在線環(huán)境(人使用實際的系統(tǒng))、虛擬 環(huán)境(人使用仿真的系統(tǒng))或構(gòu)造性環(huán)境(仿真的人和系統(tǒng))中進行評估。仿真基礎架構(gòu)確 保為模型系統(tǒng)提供正確的功能評估環(huán)境,而這些功能實質(zhì)上是需要測試和評估的系統(tǒng) 功能。

我們從2017年秋季開始這方面的研究工作,在研究 CPS支持的混合仿真所面臨的挑戰(zhàn)時,獲得了 MITER公司內(nèi)部的部分經(jīng)費支持,在此表示感謝。同時,我們也撥 出了一些經(jīng)費,請專家們參與小組討論。這些專家來自不同的領(lǐng)域,他們使用 M&S方 法來應對 CPS的挑戰(zhàn)并共同開展 CPS工程的研究工作。有趣的是,這擴展出了一些 合作,因為我們在應對挑戰(zhàn)和尋找解決方案時找到了相同之處,終使得本書誕生。本 書力圖將我們的研究用于 CPS工程中 M&S技術(shù)的應用中。書中主題共涉及五部 分:簡介、支持CPS工程的建模技術(shù)、基于仿真的CPS工程、賽博元素以及發(fā)展方向。

部分包括第1~3章,其中,第1章介紹在 CPS工程中 M&S技術(shù)應用的相關(guān) 復雜性;Castro等在第2 章中詳細描述智能 CPS 在運行和設計中的挑戰(zhàn);第 3 章由 Mazal等撰寫,在北大西洋公約組織(NATO)涉及的自主系統(tǒng)背景下研究 M&S。第二 部分包括第4~7章,其中,Traoré撰寫的第4章涉及非常復雜的系統(tǒng)分析的多角度建 模和整體仿真;Barros在 第 5 章 介 紹 了 CPS 層 級 化 的 協(xié) 同 仿 真 的 統(tǒng) 一 框 架;隨 后, Markina-Khusid等在第6章進行了基于模型的系統(tǒng)工程權(quán)衡分析;第7章由 Mittal等 撰寫,研究了更大形式的 CPS,即物聯(lián)網(wǎng)(IoT),以及與開發(fā)風險評估框架相關(guān)的復雜 性。第三部分包括第8~10章,其中,Castro等在第8章介紹仿真模型連續(xù)體,用以支 持 CPS中嵌入式控制器的有效開發(fā);Henares等在第9章提出了 CPS設計方法論預測 慢性疾病癥狀,介紹從概念到云部署再到執(zhí)行的 CPS工程的整個生命周期方法論,這 是另一個實際應用;Bhadani等在第10章將基于模型的工程應用于 CPS中的自主性主 題。第四部分包括第11~13章,其中,Furness撰寫的第11章涉及確保 CPS安全的各 種觀點;Haque等在第12章對此提供支持,介紹關(guān)于 CPS強韌性的內(nèi)容,并討論強韌 性系統(tǒng)工程的框架、復雜性和未來方向;Suarez和 Demerath在第13章討論使用 CPS 創(chuàng)建社會結(jié)構(gòu)。第五部分包括第14章,提供針對 CPS工程中 M&S應用復雜性的研 究議程。

編撰本書是一次有益的經(jīng)歷,給我們提供了大量的學習和發(fā)現(xiàn)機會。我們邀請你 一同分享 CPS工程中令人振奮的旅程,為各個層級的提升提供大量的機會。CPS 將塑 造我們的生活:觀測老年人的平靜生活,檢查我們自己的健康,觀察和優(yōu)化我們的生產(chǎn) 系統(tǒng)以及其他更多的情況。正如我們的孩子那樣,為了家庭作業(yè)或?qū)W業(yè)項目,很難想象 在互聯(lián)網(wǎng)和谷歌出現(xiàn)之前如何尋找感興趣的相關(guān)信息;新生一代可能再也無法想象我 們要經(jīng)常練習路邊側(cè)位平行停車,或者每天只能投送一次包裹的場景。我們希望通過 本書能為未來有效地開發(fā) CPS解決方案做出貢獻,并希望為學者和研究人員帶來一些 新穎的觀念。

SaurabhMittal博士 MITRE公司 美國俄亥俄州費爾伯恩

AndreasTolk博士 MITRE公司 美國弗吉尼亞州漢普頓

前 言

關(guān)于賽博物理系統(tǒng)的發(fā)展,出現(xiàn)了一些重要的全球化趨勢。在全球范圍內(nèi),正在尋 求重大技術(shù)驅(qū)動的進步,以適應日益提高的賽博物理系統(tǒng)的性能、安全性和保密性,同 時實現(xiàn)低成本的設計、開發(fā)和運行的效能。這些趨勢包括:

? 在物理系統(tǒng)(包括自主系統(tǒng))的更高層級的自動化方面進行大量投資。

? 越來越多地將人工智能(AI)應用于物理系統(tǒng)的研究和早期應用,包括解決可 靠的 AI問題,以確保 AI軟件設計和開發(fā)的高度可靠性。

? 由建模和仿真研究團體開發(fā)先進的靜態(tài)和動態(tài)分析工具,由此產(chǎn)生的基于模型 的系統(tǒng)工程(MBSE)分析工具和方法,解決了與高度集成的體系架構(gòu)日益復雜 有關(guān)的問題。

? 開發(fā)賽博攻擊強韌系統(tǒng)架構(gòu),以響應由實時檢測的賽博攻擊所造成的功能失 效,從而使其恢復到可接受的系統(tǒng)運行狀態(tài)。

這些舉措使系統(tǒng)設計的復雜性與日俱增,在設計新的或大幅升級的系統(tǒng)時,需要解 決相應的風險問題,這些風險包括:

? 賽博攻擊,包括供應鏈和內(nèi)部攻擊,會直接影響物理系統(tǒng)的應用層,在的 情況下,有可能導致操作人員或用戶受傷或致命。

? 由系統(tǒng)設計中未發(fā)現(xiàn)的缺陷而導致的相關(guān)安全事件。

? 異常情況下,與人機角色相關(guān)的不確定性而導致的操作人員失誤。

但是,令人擔憂的風險也許是公認的工程師和科學家的短缺,雖然他們?yōu)檫@些新 技術(shù)和工具的開發(fā)做出了貢獻,但由于缺少合適的人員,在開發(fā)和評估新的賽博物理系 統(tǒng)設計時,無法有效地使用那些提高效率的分析工具。本書通過提供合理組織的精選 的文獻來幫助讀者解決上述問題,針對復雜賽博物理系統(tǒng)的設計和開發(fā),共同為讀者提 供技術(shù)的綜合觀點。通過整合不同的文獻,本書可作為大學教育課程的補充,傾向 于將以上研究主題轉(zhuǎn)化為不同系別的課程,例如,針對機械工程的物理系統(tǒng)、計算機科 學的人工智能和賽博安全、系統(tǒng)工程的復雜系統(tǒng)設計分析等。因此,我相信在正規(guī)教育 和先前經(jīng)驗的基礎上,針對賽博物理系統(tǒng)所倡導的方向,此類書籍將為工程師獲得強大 的設計和評估能力發(fā)揮巨大的作用。

對于那些有志于參與這種全球化趨勢并對此做出貢獻的工程師和科學家,我強烈 建議閱讀本書,以提高賽博物理系統(tǒng)的自動化水平!

BarryMartinHorowitz

美國國家工程院院士

弗吉尼亞大學系統(tǒng)與信息工程教授

MITRE公司前首席執(zhí)行官

弗吉尼亞州前網(wǎng)絡安全專員 2019年3月

編 者

2020年6月19日