[论文解读] Cyber-Physical Systems, a new formal paradigm to model redundancy and resiliency

Mario Lezoche, Hervé Panetto|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2018

Smart Grid Security and Resilience参考文献 17被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于形式概念分析（FCA）的新型形式化元模型，用于网络物理系统（CPS），以系统化地建模冗余与弹性。通过形式化网络与物理组件之间的关系，该方法能够实现对CPS在工业4.0环境中增强容错能力和适应性的结构化优化。

ABSTRACT

Cyber-Physical Systems (CPS) are systems composed by a physical component that is controlled or monitored by a cyber-component, a computer-based algorithm. Advances in CPS technologies and science are enabling capability, adaptability, scalability, resiliency, safety, security, and usability that will far exceed the simple embedded systems of today. CPS technologies are transforming the way people interact with engineered systems. New smart CPS are driving innovation in various sectors such as agriculture, energy, transportation, healthcare, and manufacturing. They are leading the 4-th Industrial Revolution (Industry 4.0) that is having benefits thanks to the high flexibility of production. The Industry 4.0 production paradigm is characterized by high intercommunicating properties of its production elements in all the manufacturing processes. This is the reason it is a core concept how the systems should be structurally optimized to have the adequate level of redundancy to be satisfactorily resilient. This goal can benefit from formal methods well known in various scientific domains such as artificial intelligence. So, the current research concerns the proposal of a CPS meta-model and its instantiation. In this way it lists all kind of relationships that may occur between the CPSs themselves and between their (cyber-and physical-) components. Using the CPS meta-model formalization, with an adaptation of the Formal Concept Analysis (FCA) formal approach, this paper presents a way to optimize the modelling of CPS systems emphasizing their redundancy and their resiliency.

研究动机与目标

• 为应对支持工业4.0的网络物理系统（CPS）中对冗余与弹性系统化建模日益增长的需求。
• 克服现有建模方法在缺乏对组件交互关系与容错机制形式化方面的局限性。
• 开发一个统一的元模型，以捕捉所有网络与物理组件之间的关系。
• 采用形式概念分析（FCA）作为建模CPS结构的形式化基础，特别关注冗余与弹性。
• 实现CPS的结构化优化，以提升在动态工业环境中的适应性、安全性与容错能力。

提出的方法

• 提出一种CPS元模型，形式化表示网络与物理组件之间所有可能的关系。
• 将形式概念分析（FCA）适配为表示CPS组件及其相互依赖关系的形式化上下文。
• 利用FCA的概念格结构识别并分析冗余与弹性组件配置。
• 应用基于FCA的分析方法，推导出通过冗余最大化弹性的最优系统配置。
• 将元模型集成到形式化框架中，以实现对CPS架构的系统化验证与优化。
• 利用FCA的数学严谨性，确保CPS组件关系建模的一致性与完整性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何定义一种形式化元模型，以全面表示CPS中网络与物理组件之间的所有关系？
• RQ2 形式概念分析（FCA）应如何适配以建模CPS架构中的冗余与弹性？
• RQ3 CPS组件的何种结构配置可通过冗余实现最优弹性？
• RQ4 形式化方法如FCA如何支持在工业4.0背景下设计容错且可适应的CPS？
• RQ5 CPS的关键形式化属性是什么，使其能够实现冗余与弹性的系统化优化？

主要发现

• 所提出的CPS元模型以形式化且可扩展的方式成功捕获了网络与物理组件之间所有相关关系。
• 基于FCA的建模方法能够识别出增强系统弹性的冗余组件配置。
• 形式化上下文表示支持基于冗余与容错能力的CPS结构系统化分析与优化。
• 该方法为在复杂工业环境中设计弹性CPS提供了结构化且数学上可靠的框架。
• 将FCA整合到CPS建模中，支持可验证且可扩展的弹性系统设计，尤其适用于高可用性应用场景。
• 该方法在工业4.0环境中展现出应用潜力，能够实现对生产系统设计中弹性与冗余的正式验证。