譯者序
直到近幾十年,科學和哲學領域纔將我們所觀察到的自然和工程繫統所呈現的 復雜性歸結為湧現性,這一特征並非由繫統組成直接創建,而通常表現在繫統行為的宏 觀層面由相互作用的組件所產生。到了今天,人們普遍認為基於模型的範式是未來我 們應對繫統復雜性演進的為關鍵的方式,當然也是繫統工程中為突出的發展方向。
首先,從開發方法論的視角來看,基於模型的繫統工程(MBSE)轉型實質上是持續 地轉移到由模型的連續性、追溯性所支持的繫統開發流程,當提及模型時,我們通常指 的是可執行的仿真模型。因此,先進的建模與仿真(M&S)技術和方法成為驅動繫統工 程方法運作的核心機制。其次,從繫統演進的視角來看,我們將賽博物理繫統(CPS)定 義為由通信、計算和控制主導物理行為的繫統,CPS代表先進的繫統混合形式,其中 M&S技術的應用將涉及繫統的概念、規範和運行等多個層級———采用形式化方法表 達基本概念(如結構、狀態、事件、並發等)及其關繫,將真實世界中所研究的繫統(問題) 表達為模型,通過仿真引擎執行各種仿真指令來驗證繫統行為和功能的實現。綜合上 述兩個視角,CPS概念與 M&S技術的結合,在 MBSE 的大背景下將引發 CPS工程建 模與仿真的應用熱潮,這也將成為復雜自適應繫統(CAS)工程、軟件密集型繫統(SIS) 工程、體繫(繫統之繫統,SoS)工程、網絡繫統(NS)工程、實時嵌入式繫統(RTES)工程 以及其他更多具有相似特征工程的共同範式。
本書為 Wiley出版的“復雜繫統與復雜組織”繫列叢書之一。該叢書是 Wiley已出 版30餘年的“繫統工程和管理”繫列叢書的姊妹篇。後者相繼出版了50多部,側重於 傳統的繫統工程主題;而前者在近5年來已出版8部,特別針對工程和組織繫統中出現的各種復雜行為與社會現像,立足於繫統科學和繫統工程的核心基礎方面的快速發展, 尋求繫統性和權威性的詮釋和闡明,同時也更加關注社會和工程領域所面臨的日益復 雜的挑戰———從技術、人員到組織的互聯水平和演進速度的持續提高。因此,當今我們 解決繫統問題的方法需要建立在跨學科的基礎之上,由此理解、分析並綜合各種解決方 案,而成功的跨學科研究取決於有關概念、原理、模型、方法和工具等廣泛知識的獲得和 應用,“復雜繫統與復雜組織”繫列叢書的編撰正在為繫統科學和繫統工程的發展提供 更多的視角。
本書面向賽博物理繫統(CPS)的智能、自主和適應的復雜性特征,聚焦建模與仿真 (M&S)技術在基於模型的工程、基於仿真的工程等方面的研究成果,廣泛彙編並綜述 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,面對廣為關注的智能城 市、自主駕駛、復雜防務體繫等多個應用領域,詳細闡述 CPS工程中 M&S技術的領先 應用模式;同時就普適性解決方案中共享的概念,如:CPS統一本體架構、自主繫統協 同仿真框架、自主繫統架構、復雜繫統強韌性測度、社會繫統演進等,提出了卓有建樹的開放性研究思路和探索方向,從而激發讀者對 M&S的研究興趣,並將其應用於 CPS 工程的技術與管理流程中,使本書成為基於模型的繫統工程(MBSE)中應用先進 M&S 技術和方法的一站式參考。
本書將 CPS工程的復雜性歸於繫統微觀組成的動態時空交互過程,借助 M&S技 術的支持來達到 CPS基於行為的認知和實現的目標。因此,本書特別適於那些期望創 造全新繫統解決方案、探索繫統工程數字轉型方向以及掌握未來繫統工程應用範式的 研究者、實踐者和學習者。 書中呈現的內容集中反映了當前繫統工程理論和方法的發展趨勢,涉及眾多 的理論和實踐方面的知識,鋻於譯者本人專業領域知識所限,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月於北航
序 言
賽博物理繫統(CPS)的各種定義均聚焦於其中的計算組件和物理組件以及集成的 傳感器、網絡和動力等,但我們常常忽略了 CPS將會顯著地改變我們了解各種繫統和 環境的方式。CPS無處不在:汽車自動泊車繫統識別路標並做出相應的反應,掌握與 其他汽車的車距並確保合適的距離等;新型的醫療設備繫列,從外科手術輔助裝置到智 能假體;智能家居觀察人們的適宜狀況並相應地控制空調,把握人們回家的時間,準備 好飯菜,並在交通阻塞的狀況下對飯菜進行保溫;家居隻是智能城市的一部分,傳感器 還將掌握交通擁堵狀況並自動進行交通分流,重新調整交通信號燈並將信息傳遞給智 能汽車;應急及軍事人員已經習慣人 賽博團隊中的 CPS同事,CPS能夠評估那些對於 人類團隊伙伴過於危險或難以到達的區域。然而,所有這些支持都需要付出代價,即繫 統變得越來越復雜! 我們如何管理或管控這些智能、自主和適應的繫統呢? 我們又如 何利用機會來規避消極的後果呢?
曾經我們經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 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,許多復雜的繫統都同時具有軟件和硬件組件,但由於未接入網絡, 因此它們免受網絡攻擊。然而,由於 CPS的組件具有跨越不同網絡(擁有 CPS組織的 內部和外部)的連接能力,因此出現了新的挑戰,這些挑戰包括網絡安全、控制、測試、連 接程度、連續的警戒和持續的運行、自主程度、基於智能的行為、強韌性以及對社會經濟 結構的影響。
正像當前許多出版文獻所論述的,CPS和物聯網(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 在特定領域的某種形式,因此它們 的區別在於規模、社會影響和效應傳播等方面。CPS主要聚焦於特定領域,例如航空、 醫療、軍事、防務和制造等。由於特定領域的本質特性,可在運行技術(OT)和信息技術 (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 領域中分享對其的理解,也不能從其他領域對 CPS的理解中受益。與領域無關的公共 理論將對其有所幫助,由此可產生在特定領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)技術已成為一種可在虛擬環境中研究 CPS各種挑戰的機制。 盡管仿真活動包含建模活動,但基於模型的工程(MBE)和基於仿真的工程是兩種截然 不同的活動。模型是繫統的抽像表達,並在可能的在線環境(人使用實際的繫統)、虛擬 環境(人使用仿真的繫統)或構造性環境(仿真的人和繫統)中進行評估。仿真基礎架構確 保為模型繫統提供正確的功能評估環境,而這些功能實質上是需要測試和評估的繫統 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時,獲得了 MITER公司內部的部分經費支持,在此表示感謝。同時,我們也撥 出了一些經費,請專家們參與小組討論。這些專家來自不同的領域,他們使用 M&S方 法來應對 CPS的挑戰並共同開展 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於 CPS工程中 M&S技術的應用中。書中主題共涉及五部 分:簡介、支持CPS工程的建模技術、基於仿真的CPS工程素以及發展方向。
部分包括第1~3章,其中,第1章介紹在 CPS工程中 M&S技術應用的相關 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;第 3 章由 Mazal等撰寫,在北大西洋公約組織(NATO)涉及的自主繫統背景下研究 M&S。第二 部分包括第4~7章,其中,Traoré撰寫的第4章涉及非常復雜的繫統分析的多角度建 模和整體仿真;Barros在 第 5 章 介 紹 了 CPS 層 級 化 的 協 同 仿 真 的 統 一 框 架;隨 後, Markina-Khusid等在第6章進行了基於模型的繫統工程權衡分析;第7章由 Mittal等 撰寫,研究了更大形式的 CPS,即物聯網(IoT),以及與開發風險評估框架相關的復雜 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體,用以支 持 CPS中嵌入式控制器的有效開發;Henares等在第9章提出了 CPS設計方法論預測 慢性疾病癥狀,介紹從概念到雲部署再到執行的 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章將基於模型的工程應用於 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,介紹關於 CPS強韌性的內容,並討論強韌 性繫統工程的框架、復雜性和未來方向;Suarez和 Demerath在第13章討論使用 CPS 創建社會結構。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歷,給我們提供了大量的學習和發現機會。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,觀察和優化我們的生產 繫統以及其他更多的情況。正如我們的孩子那樣,為了家庭作業或學業項目,很難想像 在互聯網和谷歌出現之前如何尋找感興趣的相關信息;新生一代可能再也無法想像我 們要經常練習路邊側位平行停車,或者每天隻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 CPS解決方案做出貢獻,並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
關於賽博物理繫統的發展,出現了一些重要的全球化趨勢。在全球範圍內,正在尋 求重大技術驅動的進步,以適應日益提高的賽博物理繫統的性能、安全性和保密性,同 時實現低成本的設計、開發和運行的效能。這些趨勢包括:
? 在物理繫統(包括自主繫統)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)應用於物理繫統的研究和早期應用,包括解決“可 靠的 AI”問題,以確保 AI軟件設計和開發的高度可靠性。
? 由建模和仿真研究團體開發先進的靜態和動態分析工具,由此產生的基於模型 的繫統工程(MBSE)分析工具和方法,解決了與高度集成的體繫架構日益復雜 有關的問題。
? 開發賽博攻擊強韌繫統架構,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繫統運行狀態。
這些舉措使繫統設計的復雜性與日俱增,在設計新的或大幅升級的繫統時,需要解 決相應的風險問題,這些風險包括:
? 賽博攻擊,包括供應鏈和內部攻擊,會直接影響物理繫統的應用層,在的 情況下,有可能導致操作人員或用戶受傷或致命。
? 由繫統設計中未發現的缺陷而導致的相關安全事件。
? 異常情況下,與人機角色相關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,雖然他們為這些新 技術和工具的開發做出了貢獻,但由於缺少合適的人員,在開發和評估新的賽博物理繫 統設計時,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,針對復雜賽博物理繫統的設計和開發,共同為讀者提 供技術的綜合觀點。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 於將以上研究主題轉化為不同繫別的課程,例如,針對機械工程的物理繫統、計算機科 學的人工智能和賽博安全、繫統工程的復雜繫統設計分析等。因此,我相信在正規教育 和先前經驗的基礎上,針對賽博物理繫統所倡導的方向,此類書籍將為工程師獲得強大 的設計和評估能力發揮巨大的作用。
對於那些有志於參與這種全球化趨勢並對此做出貢獻的工程師和科學家,我強烈 建議閱讀本書,以提高賽博物理繫統的自動化水平!
BarryMartinHorowitz
美國國家工程院院士
弗吉尼亞大學繫統與信息工程教授
MITRE公司前首席執行官
弗吉尼亞州前網絡安全專員 2019年3月
編 者
2020年6月19日
