序者序

當(dāng)今世界我們所面對的工程化系統(tǒng)正在加劇地變得更加復(fù)雜，其中最為重要的特征就是不斷呈現(xiàn)著由物理、軟件和網(wǎng)絡(luò)等多個方面的集成，真正復(fù)雜的、多學(xué)科的和工程化的系統(tǒng)多屬于賽博物理系統(tǒng)（簡稱CPS）的范疇。因此，構(gòu)思、開發(fā)和建造這樣的系統(tǒng)是一項卓越的系統(tǒng)工程的努力，不僅具有技術(shù)考量及物理約束的挑戰(zhàn)性，而且會涉及諸如通信、控制、計算以及人機(jī)交互協(xié)同等帶來的影響。隨著CPS設(shè)計和運用現(xiàn)實需求的不斷增加，依賴以往在單個領(lǐng)域的工程學(xué)科（機(jī)械、電氣、網(wǎng)絡(luò)或軟件）擁有的知識和技能已無法提供完整的解決方案。在當(dāng)今的系統(tǒng)工程領(lǐng)域，我們迫切需要尋求并建立一種統(tǒng)一的理論以及系統(tǒng)化的設(shè)計方法、技術(shù)和工具。

在此，針對CPS固有的跨學(xué)科的本質(zhì)特征，結(jié)合當(dāng)前系統(tǒng)工程面向基于模型的轉(zhuǎn)型方向，將建模、仿真和分析（MS&A）作為開發(fā)賽博物理系統(tǒng)的關(guān)鍵使能。為支持在所有研究領(lǐng)域之間建立溝通的公共背景知識，通過研究相關(guān)建模語言中的模型規(guī)范、轉(zhuǎn)換及其語義技術(shù)，綜合分析多個學(xué)科相關(guān)的不同的建模技術(shù)，旨在尋求最為合理的建模形式，在最為合適的抽象層級之上清晰地明確系統(tǒng)的各個組成部分以及各個層面的建模方式，由此多范式建模（MPM）應(yīng)運而生，今天學(xué)術(shù)界和工程界普遍將MPM當(dāng)作未來應(yīng)對CPS設(shè)計和應(yīng)用挑戰(zhàn)的有效路徑。

關(guān)于本體框架

本體在系統(tǒng)所處的背景環(huán)境中捕捉與問題空間和解決方案相關(guān)的一般性知識。在此將背景環(huán)境表示為我們所認(rèn)識世界的高層實體（類型和領(lǐng)域）的分類學(xué)的層級樹，從而概括和抽象，用來指導(dǎo)我們對事物進(jìn)行分類。從最高到最低層級的所有實體都可作為概念出現(xiàn)，而低層級的實體（概念和實例）將繼承其高層實體的一般特性并同時擁有各自獨特的特性。本體框架成為我們選擇用來構(gòu)建本體模型的結(jié)構(gòu)、功能和內(nèi)容的定義，就像關(guān)系數(shù)據(jù)庫或面向?qū)ο缶幊陶Z言那樣，而無需從頭開始創(chuàng)建自己的本體框架。

本書首先翔實地進(jìn)行有關(guān)本體框架的描述并定義本體框架的建模方法和工具，通過提供共享本體、CPS本體（領(lǐng)域本體）和 MPM 本體（方法本體）之間的跨領(lǐng)域概念來詳細(xì)闡述和集成這些本體，并利用基于模型的開發(fā)流程、元模型（如megamodel）支持的視角以及對應(yīng)的形式化概念，引導(dǎo)在更廣泛的背景環(huán)境中，探索并獲得關(guān)于支持賽博物理系統(tǒng)多范式建模（MPM4CPS）應(yīng)用的正確方向和實際方法。

關(guān)于方法及其工具

正是由于賽博物理系統(tǒng)的異構(gòu)性，因此需要一種適應(yīng)多學(xué)科組件的靈活并通用的建模方法，以應(yīng)對和管控系統(tǒng)組合的復(fù)雜性。雙半球模型驅(qū)動（簡稱2HMD）方法成功應(yīng)用于各種領(lǐng)域的建模以及軟件設(shè)計，其中模型最為突出的特征就是既適用于人的理解又支持模型的自動轉(zhuǎn)換。將2HMD方法與CPS的建模方法相結(jié)合，為我們提供了一個組合和分析系統(tǒng)組件的機(jī)會，從而在理想的和實際的系統(tǒng)之間發(fā)現(xiàn)和彌補(bǔ)差別。進(jìn)而，在離散事件優(yōu)先（DE�瞗irst）的方法論的指導(dǎo)下，使用離散事件（DE）形式化方法來識別各類不同模型之間的合理的通信接口和交互協(xié)議，構(gòu)造系統(tǒng)最初的、抽象的概念模型；之后使用協(xié)同仿真（co�瞫imulation）技術(shù)逐步增加協(xié)同模型（co�瞞odel）的細(xì)節(jié)，逐漸用更詳細(xì)的模型取代上述的概念模型，前者如滿足物理現(xiàn)象的連續(xù)時間（CT）的模型。

書中具體介紹了使用特定領(lǐng)域的建模語言來開發(fā)基于智能體（Agent�瞓aesd）的 CPS 方法，并研究在各類執(zhí)行平臺上實現(xiàn)這些系統(tǒng)。此時，系統(tǒng)將基于狀態(tài)轉(zhuǎn)換的離散事件與基于變量的連續(xù)求解相融合，運用混合系統(tǒng)建模的表達(dá)能力支持高度復(fù)雜系統(tǒng)的定義，由此賽博物理系統(tǒng)可在錯綜復(fù)雜的背景環(huán)境中得以建模，并利用一個易學(xué)的圖形化界面在Python工具的支持下，實現(xiàn)CPS模型的高效建模、仿真和驗證。

關(guān)于案例研究

賽博物理系統(tǒng)由不同的硬件、軟件、計算和通信組件所組成，在設(shè)計和開發(fā)中重點考慮通信、傳感器與物理組件的有效組合。書中案例重點描述使用 MPM 方法設(shè)計和開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的CPS，其中涵蓋系統(tǒng)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）節(jié)點、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）元素跨平臺之間的通信，傳感器和作動器之間物理世界與系統(tǒng)使用者的交互控制以及傳感器、邊緣（Edge）及網(wǎng)關(guān)的嵌入式組件。復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)既要考慮其結(jié)構(gòu)又要考慮其行為，在CPS開發(fā)流程的不同階段，如需求分析、設(shè)計、建模和仿真以及實現(xiàn)，MPM方法在流程模型中提供系統(tǒng)開發(fā)的數(shù)據(jù)流和控制流，并應(yīng)用形式化轉(zhuǎn)換圖和流程模型 （FTG PM）技術(shù)，旨在通過發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵的轉(zhuǎn)換來提升CPS及其開發(fā)的能力。

本書還介紹了歐洲一些領(lǐng)先的大學(xué)在碩士和博士課程上創(chuàng)立MPM4CPS基礎(chǔ)理論和研究的成果，為應(yīng)對CPS開發(fā)中跨領(lǐng)域?qū)�業(yè)共識知識體系的挑戰(zhàn)，彌合CPS領(lǐng)域研究人員、工程師培訓(xùn)與高校教育之間的隔閡，詳細(xì)闡明并給出相關(guān)學(xué)科的發(fā)展路線圖。

閱讀和翻譯本書的過程，就好像一次啟航重新認(rèn)知未來系統(tǒng)基本特征和新型系統(tǒng)工程范式的旅程，作者不僅為我們呈現(xiàn)了未來賽博物理系統(tǒng)運用的宏大全景和探索路徑，而且所涉及的大量相關(guān)文獻(xiàn)又為我們設(shè)立了研究和實踐的路標(biāo)。愿與各位讀者同行，祝在學(xué)習(xí)的路途中愉快、充實！

譯者

2023年6月