信息物理系統(tǒng)應(yīng)用與原理（英文版）

目　錄
第一部分　CPS應(yīng)用領(lǐng)域
第1章　醫(yī)療CPS3
1.1　引言4
1.2　系統(tǒng)描述與操作場(chǎng)景5
1.2.1　虛擬醫(yī)療設(shè)備7
1.2.2　臨床場(chǎng)景8
1.3　關(guān)鍵設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)與質(zhì)量屬性9
1.3.1　發(fā)展趨勢(shì)9
1.3.2　質(zhì)量屬性以及MCPS領(lǐng)域的挑戰(zhàn)12
1.3.3　MCPS的高可信度開發(fā)14
1.3.4　按需醫(yī)療設(shè)備及其安全保障21
1.3.5　智能報(bào)警以及醫(yī)療決策支持系統(tǒng)28
1.3.6　閉環(huán)系統(tǒng)34
1.3.7　安全案例40
1.4　醫(yī)療從業(yè)者的影響48
1.4.1　MCPS開發(fā)者角度49
1.4.2　MCPS管理者角度50
1.4.3　MCPS用戶角度50
1.4.4　患者角度51
1.4.5　MCPS監(jiān)管機(jī)構(gòu)角度51
1.5　總結(jié)和挑戰(zhàn)52
參考文獻(xiàn)53
第2章　能源CPS61
2.1　引言62
2.2　系統(tǒng)描述與操作場(chǎng)景63
2.3　關(guān)鍵設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)與質(zhì)量屬性65
2.3.1　關(guān)鍵系統(tǒng)原則67
2.3.2　架構(gòu)1的性能目標(biāo)73
2.3.3　未來的方向78
2.4　可持續(xù)性SEES的網(wǎng)絡(luò)范例79
2.4.1　在SEES中基于物理的CPS組合82
2.4.2　在SEES中基于DyMonDS的CPS標(biāo)準(zhǔn)86
2.4.3　交互變量自動(dòng)建模與控制94
2.5　從業(yè)者的意圖96
2.5.1　性能目標(biāo)的IT演化96
2.5.2　分布式優(yōu)化96
2.6　總結(jié)與挑戰(zhàn)97
參考文獻(xiàn)100
第3章　基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的CPS103
3.1　引言104
3.2　系統(tǒng)描述與操作場(chǎng)景105
3.2.1　媒介訪問控制107
3.2.2　路由109
3.2.3　節(jié)點(diǎn)定位111
3.2.4　時(shí)鐘同步113
3.2.5　電源管理114
3.3　關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與質(zhì)量屬性115
3.3.1　物理感知115
3.3.2　實(shí)時(shí)感知116
3.3.3　運(yùn)行時(shí)驗(yàn)證感知118
3.3.4　安全感知120
3.4　實(shí)踐意義122
3.5　總結(jié)與挑戰(zhàn)124
參考文獻(xiàn)125
第二部分　CPS基礎(chǔ)理論
第4章　CPS的符號(hào)化合成133
4.1　引言134
4.2　基礎(chǔ)技術(shù)135
4.2.1　預(yù)備知識(shí)135
4.2.2　問題定義135
4.2.3　合成問題的解決144
4.2.4　符號(hào)模型構(gòu)建148
4.3　高級(jí)技術(shù)152
4.3.1　構(gòu)建符號(hào)模型154
4.3.2　連續(xù)時(shí)間控制器156
4.3.3　軟件工具157
4.4　總結(jié)與挑戰(zhàn)158
參考文獻(xiàn)159
第5章　反饋控制系統(tǒng)中的軟件和平臺(tái)問題165
5.1　引言166
5.2　基礎(chǔ)技術(shù)167
5.2.1　控制器定時(shí)167
5.2.2　資源效率控制設(shè)計(jì)169
5.3　高級(jí)技術(shù)171
5.3.1　減少計(jì)算時(shí)間171
5.3.2　降低采樣頻率172
5.3.3　基于事件的控制173
5.3.4　控制器的軟件結(jié)構(gòu)174
5.3.5　計(jì)算資源共享176
5.3.6　反饋控制系統(tǒng)的分析與仿真178
5.4　總結(jié)與挑戰(zhàn)192
參考文獻(xiàn)193
第6章　混合系統(tǒng)的邏輯正確性197
6.1　引言198
6.2　基礎(chǔ)技術(shù)200
6.2.1　離散驗(yàn)證200
6.3　高級(jí)技術(shù)221
6.3.1　實(shí)時(shí)驗(yàn)證221
6.3.2　混合驗(yàn)證227
6.4　總結(jié)與挑戰(zhàn)231
參考文獻(xiàn)232
第7章　CPS的安全237
7.1　引言238
7.2　基礎(chǔ)技術(shù)239
7.2.1　網(wǎng)絡(luò)安全需求239
7.2.2　攻擊模型240
7.2.3　應(yīng)對(duì)策略245
7.3　高級(jí)技術(shù)248
7.3.1　系統(tǒng)理論248
7.4　總結(jié)與挑戰(zhàn)256
參考文獻(xiàn)256
第8章　分布式CPS的同步259
8.1　引言259
8.1.1　CPS的挑戰(zhàn)261
8.1.2　一種降低同步復(fù)雜度的技術(shù)···261
8.2　基礎(chǔ)技術(shù)262
8.2.1　軟件工程263
8.2.2　分布式一致性算法264
8.2.3　同步鎖步執(zhí)行266
8.2.4　時(shí)間觸發(fā)架構(gòu)267
8.2.5　相關(guān)技術(shù)268
8.3　高級(jí)技術(shù)270
8.3.1　物理異步、邏輯同步系統(tǒng)270
8.4　總結(jié)和挑戰(zhàn)282
參考文獻(xiàn)283
第9章　CPS的實(shí)時(shí)調(diào)度289
9.1　引言290
9.2　基礎(chǔ)技術(shù)291
9.2.1　固定時(shí)間參數(shù)的調(diào)度291
9.2.2　內(nèi)存效應(yīng)300
9.3　高級(jí)技術(shù)301
9.3.1　多處理器/多核調(diào)度301
9.3.2　適應(yīng)可變性和不確定性313
9.3.3　其他資源的管理318
9.3.4　間歇任務(wù)調(diào)度323
9.4　總結(jié)和挑戰(zhàn)325
參考文獻(xiàn)325
第10章　CPS模型集成331
10.1　引言332
10.2　基礎(chǔ)技術(shù)333
10.2.1　因果關(guān)系334
10.2.2　時(shí)間語義域335
10.2.3　計(jì)算過程的交互模型336
10.2.4　CPS DSML建模語言的語義337
10.3　高級(jí)技術(shù)338
10.3.1　ForSpec語言339
10.3.2　CyPhyML系統(tǒng)建模語言的語法342
10.3.3　語義的形式化344
10.3.4　形式化的語言集成349
10.4　總結(jié)和挑戰(zhàn)356
參考文獻(xiàn)357
關(guān)于作者361
關(guān)于有貢獻(xiàn)的作者363



Contents
PART I Cyber-Physical System Application Domains 1
Chapter 1 Medical Cyber-Physical Systems 3
1.1 Introduction and Motivation 4
1.2 System Description and Operational Scenarios 5
1.2.1 Virtual Medical Devices 71.2.2 Clinical Scenarios 8
1.3 Key Design Drivers and Quality Attributes 9
1.3.1 Trends 9
1.3.2 Quality Attributes and Challenges of the MCPS Domain 12
1.3.3 High-Confidence Development of MCPS 14
1.3.4 On-Demand Medical Devices and Assured Safety 21
1.3.5 Smart Alarms and Clinical Decision Support Systems 28
1.3.6 Closed-Loop System 34
1.3.7 Assurance Cases 40
1.4 Practitioners’ Implications 48
1.4.1 MCPS Developer Perspective 49
1.4.2 MCPS Administrator Perspective 50
1.4.3 MCPS User Perspective 50
1.4.4 Patient Perspective 51
1.4.5 MCPS Regulatory Perspective 51
1.5. Summary and Open Challenges 52References 53