譯者序

直到近幾十年,科學(xué)和哲學(xué)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(fù)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(rèn)為基于模型的范式是未來我 們應(yīng)對(duì)系統(tǒng)復(fù)雜性演進(jìn)的為關(guān)鍵的方式,當(dāng)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(shí)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(dāng)提及模型時(shí),我們通常指 的是可執(zhí)行的仿真模型。因此,先進(jìn)的建模與仿真(M&S)技術(shù)和方法成為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工 程方法運(yùn)作的核心機(jī)制。其次,從系統(tǒng)演進(jìn)的視角來看,我們將賽博物理系統(tǒng)(CPS)定 義為由通信、計(jì)算和控制主導(dǎo)物理行為的系統(tǒng),CPS代表先進(jìn)的系統(tǒng)混合形式,其中 M&S技術(shù)的應(yīng)用將涉及系統(tǒng)的概念、規(guī)范和運(yùn)行等多個(gè)層級(jí)采用形式化方法表 達(dá)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(shí)世界中所研究的系統(tǒng)(問題) 表達(dá)為模型,通過仿真引擎執(zhí)行各種仿真指令來驗(yàn)證系統(tǒng)行為和功能的實(shí)現(xiàn)。綜合上 述兩個(gè)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(yīng)用熱潮,這也將成為復(fù)雜自適應(yīng)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(luò)系統(tǒng)(NS)工程、實(shí)時(shí)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(fù)雜系統(tǒng)與復(fù)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(duì)工程和組織系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種復(fù)雜行為與社會(huì)現(xiàn)象,立足于系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)工程的核心基礎(chǔ)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(shí)也更加關(guān)注社會(huì)和工程領(lǐng)域所面臨的日益復(fù) 雜的挑戰(zhàn)從技術(shù)、人員到組織的互聯(lián)水平和演進(jìn)速度的持續(xù)提高。因此,當(dāng)今我們 解決系統(tǒng)問題的方法需要建立在跨學(xué)科的基礎(chǔ)之上,由此理解、分析并綜合各種解決方 案,而成功的跨學(xué)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(shí)的獲得和 應(yīng)用,復(fù)雜系統(tǒng)與復(fù)雜組織系列叢書的編撰正在為系統(tǒng)科學(xué)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(yīng)的復(fù)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(guó)際上多個(gè)政府組織、研究團(tuán)體相應(yīng)的文獻(xiàn)和驗(yàn)證項(xiàng)目,面對(duì)廣為關(guān)注的智能城 市、自主駕駛、復(fù)雜防務(wù)體系等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域,詳細(xì)闡述 CPS工程中 M&S技術(shù)的領(lǐng)先 應(yīng)用模式;同時(shí)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(fù)雜系統(tǒng)強(qiáng)韌性測(cè)度、社會(huì)系統(tǒng)演進(jìn)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(duì) M&S的研究興趣,并將其應(yīng)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(yīng)用先進(jìn) M&S 技術(shù)和方法的一站式參考。

本書將 CPS工程的復(fù)雜性歸于系統(tǒng)微觀組成的動(dòng)態(tài)時(shí)空交互過程,借助 M&S技 術(shù)的支持來達(dá)到 CPS基于行為的認(rèn)知和實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。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(yīng)用范式的 研究者、實(shí)踐者和學(xué)習(xí)者。 書中呈現(xiàn)的內(nèi)容集中反映了當(dāng)前系統(tǒng)工程理論和方法的發(fā)展趨勢(shì),涉及眾多 的理論和實(shí)踐方面的知識(shí),鑒于譯者本人專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)所限,難免有不妥或偏頗之處, 懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

在本書翻譯過程中,段世安承擔(dān)了大量翻譯稿的整理工作,在此對(duì)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(jì)算組件和物理組件以及集成的 傳感器、網(wǎng)絡(luò)和動(dòng)力等,但我們常常忽略了 CPS將會(huì)顯著地改變我們了解各種系統(tǒng)和 環(huán)境的方式。CPS無(wú)處不在:汽車自動(dòng)泊車系統(tǒng)識(shí)別路標(biāo)并做出相應(yīng)的反應(yīng),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(shè)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(yīng)地控制空調(diào),把握人們回家的時(shí)間,準(zhǔn)備 好飯菜,并在交通阻塞的狀況下對(duì)飯菜進(jìn)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(dòng)進(jìn)行交通分流,重新調(diào)整交通信號(hào)燈并將信息傳遞給智 能汽車;應(yīng)急及軍事人員已經(jīng)習(xí)慣人 賽博團(tuán)隊(duì)中的 CPS同事,CPS能夠評(píng)估那些對(duì)于 人類團(tuán)隊(duì)伙伴過于危險(xiǎn)或難以到達(dá)的區(qū)域。然而,所有這些支持都需要付出代價(jià),即系 統(tǒng)變得越來越復(fù)雜! 我們?nèi)绾喂芾砘蚬芸剡@些智能、自主和適應(yīng)的系統(tǒng)呢? 我們又如 何利用機(jī)會(huì)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(jià)。在 Internet時(shí)代之前,許多復(fù)雜的系統(tǒng)都同時(shí)具有軟件和硬件組件,但由于未接入網(wǎng)絡(luò), 因此它們免受網(wǎng)絡(luò)攻擊。然而,由于 CPS的組件具有跨越不同網(wǎng)絡(luò)(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(luò)安全、控制、測(cè)試、連 接程度、連續(xù)的警戒和持續(xù)的運(yùn)行、自主程度、基于智能的行為、強(qiáng)韌性以及對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì) 結(jié)構(gòu)的影響。

正像當(dāng)前許多出版文獻(xiàn)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(huì)影響和效應(yīng)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(wù)和制造等。由于特定領(lǐng)域的本質(zhì)特性,可在運(yùn)行技術(shù)(OT)和信息技術(shù) (IT)層面針對(duì) CPS進(jìn)行更詳細(xì)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(duì)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(wú)關(guān)的公共 理論將對(duì)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(jī)制。 盡管仿真活動(dòng)包含建模活動(dòng),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(dòng)。模型是系統(tǒng)的抽象表達(dá),并在可能的在線環(huán)境(人使用實(shí)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(jìn)行評(píng)估。仿真基礎(chǔ)架構(gòu)確 保為模型系統(tǒng)提供正確的功能評(píng)估環(huán)境,而這些功能實(shí)質(zhì)上是需要測(cè)試和評(píng)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(shí),獲得了 MITER公司內(nèi)部的部分經(jīng)費(fèi)支持,在此表示感謝。同時(shí),我們也撥 出了一些經(jīng)費(fèi),請(qǐng)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(yīng)對(duì) CPS的挑戰(zhàn)并共同開展 CPS工程的研究工作。有趣的是,這擴(kuò)展出了一些 合作,因?yàn)槲覀冊(cè)趹?yīng)對(duì)挑戰(zhàn)和尋找解決方案時(shí)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(yīng)用中。書中主題共涉及五部 分:簡(jiǎn)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(yīng)用的相關(guān) 復(fù)雜性;Castro等在第2 章中詳細(xì)描述智能 CPS 在運(yùn)行和設(shè)計(jì)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(fù)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(jí) 化 的 協(xié) 同 仿 真 的 統(tǒng) 一 框 架;隨 后, Markina-Khusid等在第6章進(jìn)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架相關(guān)的復(fù)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(shè)計(jì)方法論預(yù)測(cè) 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(gè)生命周期方法論,這 是另一個(gè)實(shí)際應(yīng)用;Bhadani等在第10章將基于模型的工程應(yīng)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(diǎn);Haque等在第12章對(duì)此提供支持,介紹關(guān)于 CPS強(qiáng)韌性的內(nèi)容,并討論強(qiáng)韌 性系統(tǒng)工程的框架、復(fù)雜性和未來方向;Suarez和 Demerath在第13章討論使用 CPS 創(chuàng)建社會(huì)結(jié)構(gòu)。第五部分包括第14章,提供針對(duì) CPS工程中 M&S應(yīng)用復(fù)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(xué)習(xí)和發(fā)現(xiàn)機(jī)會(huì)。我們邀請(qǐng)你 一同分享 CPS工程中令人振奮的旅程,為各個(gè)層級(jí)的提升提供大量的機(jī)會(huì)。CPS 將塑 造我們的生活:觀測(cè)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(xiàng)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(wú)法想象我 們要經(jīng)常練習(xí)路邊側(cè)位平行停車,或者每天只能投送一次包裹的場(chǎng)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(xiàn),并希望為學(xué)者和研究人員帶來一些 新穎的觀念。

SaurabhMittal博士 MITRE公司 美國(guó)俄亥俄州費(fèi)爾伯恩

AndreasTolk博士 MITRE公司 美國(guó)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(shì)。在全球范圍內(nèi),正在尋 求重大技術(shù)驅(qū)動(dòng)的進(jìn)步,以適應(yīng)日益提高的賽博物理系統(tǒng)的性能、安全性和保密性,同 時(shí)實(shí)現(xiàn)低成本的設(shè)計(jì)、開發(fā)和運(yùn)行的效能。這些趨勢(shì)包括:

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

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

? 由建模和仿真研究團(tuán)體開發(fā)先進(jìn)的靜態(tài)和動(dòng)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(fù)雜 有關(guān)的問題。

? 開發(fā)賽博攻擊強(qiáng)韌系統(tǒng)架構(gòu),以響應(yīng)由實(shí)時(shí)檢測(cè)的賽博攻擊所造成的功能失 效,從而使其恢復(fù)到可接受的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

這些舉措使系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性與日俱增,在設(shè)計(jì)新的或大幅升級(jí)的系統(tǒng)時(shí),需要解 決相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)問題,這些風(fēng)險(xiǎn)包括:

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

? 由系統(tǒng)設(shè)計(jì)中未發(fā)現(xiàn)的缺陷而導(dǎo)致的相關(guān)安全事件。

? 異常情況下,與人機(jī)角色相關(guān)的不確定性而導(dǎo)致的操作人員失誤。

但是,令人擔(dān)憂的風(fēng)險(xiǎn)也許是公認(rèn)的工程師和科學(xué)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(xiàn),但由于缺少合適的人員,在開發(fā)和評(píng)估新的賽博物理系 統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),無(wú)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(xiàn)來幫助讀者解決上述問題,針對(duì)復(fù)雜賽博物理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā),共同為讀者提 供技術(shù)的綜合觀點(diǎn)。通過整合不同的文獻(xiàn),本書可作為大學(xué)教育課程的補(bǔ)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(duì)機(jī)械工程的物理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)科 學(xué)的人工智能和賽博安全、系統(tǒng)工程的復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析等。因此,我相信在正規(guī)教育 和先前經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,針對(duì)賽博物理系統(tǒng)所倡導(dǎo)的方向,此類書籍將為工程師獲得強(qiáng)大 的設(shè)計(jì)和評(píng)估能力發(fā)揮巨大的作用。

對(duì)于那些有志于參與這種全球化趨勢(shì)并對(duì)此做出貢獻(xiàn)的工程師和科學(xué)家,我強(qiáng)烈 建議閱讀本書,以提高賽博物理系統(tǒng)的自動(dòng)化水平!

BarryMartinHorowitz

美國(guó)國(guó)家工程院院士

弗吉尼亞大學(xué)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(luò)安全專員 2019年3月

編 者

2020年6月19日