基于CPS的实时系统的面向方面的时间特性建模

Cyber-Physical Systems (CPS)是近年的一个研究热点。CPS描述的是一类由计算单元和物理对象之间通过通讯网络高度集成的复杂系统。CPS的应用前景广泛,代表了新一代工业技术的发展方向,得到各界的高度重视。同时,CPS涉及到计算机科学、通信科学和控制科学等多个学科领域,目前面临系统理论,设计方法,设计工具等诸多方面的挑战。 时间特性是实时系统的一个关键因素,系统的可靠性和质量,很大程度上取决于实时性。但是,时间特性散布在整个系统的各个功能部件里,带来了前述的代码混乱和代码分散问题,导致系统代码不易读,不易修改,易产生不一致,重用性差,不易修改和升级等一系列问题。因此,把时间特性单独作为一个方面进行面向方面建模便成为一个理想的方法。 面向方面技术作为一种基于关注分离的新技术,在软件开发领域已经得到了定的应用,拥有不少相对成熟的面向方面编程语言,在一些通用的技术框架里面向方面编程也得到了较好地体现。但在面向方面建模方面,目前仍然还没有一个统一的建模标准或通用方法。使用最广泛的UML标准至今也没有对面向方面的支持,还是通过UML的扩展机制来进行面向方面的建模。 对于实时系统的时间特性建模,这方面已有不少研究。AOSDM-UML模型结合形式化描述来进行实时扩展,把时间分离出来构造为一个时间方面,建立一个比较完整的时间模型来建模系统时间,是一种比较好的方法。 本文主要围绕CPS这一主题,介绍其基本概念以及相关特点,指出其当前面临的挑战。讨论CPS对时间语义的新需求,并介绍一些相关的研究方向。结合UML的MARTE框架进行时间建模,对UML进行面向方面的扩展,并结合MARTE框架,建立基于UML的时间方面模型。对CPS的实时特性进行分解,并针对不同的方面,建立对应的时间特性模型。首先将时间特性划分基本时间,时间事件,定时机制,时间服务四个方面。每个方面可以通过扩展的UML来进行建模。其次针对CPS所具有离散时间、连续时间、混合时间的特性,将时间特性划分为离散时间方面、连续时间方面、混合时间方面,并建立相应模型。再次,将时间特性划分为确定性时间限制、随机性时间限制、模糊性时间限制三个方面,并建立相应的模型。对不同时间特性采用不同的方法进行面向方面的建模,然后再通过面向方法的织入机制把这些模型根据需要集成在一起。本文后面也对最坏情况执行时间进行分析,同时提出种层次的时间同步算法,实现时钟同步