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基于混成系统的物联网服务建模与验证

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资料介绍

物联网是物理世界和信息世界的无缝融合,它将信息世界的快速发展能力带到了物理世界,促使信息与实体服务方式发生深刻的变革.物联网服务的正确建模和验证需要统一描述现实世界中的物理实体和计算机中的软件系统.鉴于这一需求的复杂性,现有的物联网分析模型大都割裂了物理世界与信息世界,因此不能准确反映物联网服务区别于Web服务的重要特征.解决这一问题,是促进物联网服务能够真正向智能、可靠发展的先决条件.本文利用混成系统对信息系统的离散指令与物理设备连续行为刻画能力,提出一种基于混成系统理论的物联网服务建模与验证框架,其中原子服务由物理设备与相应的控制系统共同组成的混成系统构成,组合服务再由分布式混成系统组织各原子服务构成.这一物联网服务建模与验证框架有效地统一了物理设备、控制系统与组合服务系统,从而具备了对物联网服务的深度建模与全面验证能力.

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2013年12月第12期

小型微型算机系

2013

V01．34 No．12

Journal of Chinese

Computer Systems

基于混成系的物网服建模与

叶

林，

瀑，郭立

，

亮

(复旦大学算机科学技学院，上海200433)

E— mail：．edu．ca

摘要：物网是物理世界和信息世界的无融合，它将信息世界的快速展能力到了物理世界，促使信息与体服方式

生深刻的革．物网服的正确建模和需要一描述世界中的物理体和算机中的件系一需求的

性，有的物网分析模型大都割裂了物理世界与信息世界，因此不能准确反映物网服于web服的重要特征．

信息系的离散指令与物理

．

于

复

区

解决

一

行

，是促

物

网服

能

真正向智能、可靠展的先决条件．本文利用混成系

的物网服建模与框架，其中原子服由物理

各原子服构成．一物网服建模与

网服的深度建模与全面能力．

刻画能力，提出一种基于混成系

理

与相的控制系

共同成的混成系构成，合服再由分布式混成系

框架有效地一了

物理

关

、控制系

与

合服

系

，从而具

了

物

：物网服；混成系；服建模；模型

文献

：A

中

分

号：TP393

文章号：1000-1220(2013)12-2663-06

and

Services of Internet of

Based on

Things

Hybrid System Methodology

Modeling

Verifying

Lin，TANG Pu。GUO Li· peng。ZHANG Liang

Science and

Technology。Fudan

200433-China)

(Department

Computer

University，Shanghai

the combination of

and information world．It

the

of fast de—

ability

Internet

Abstract：The

Things(10Ts)is

physical equipment

brings

world to

physical

world．And this will

to model and

the evolution of the service mode in information and the

in information

push

physical

velopment

entity．It

to choose

the

entities in the Intemet of

makes the

services．But

weakness

necessary

proper theory

verify

physical

Things

currently

loTs

most of exist studies

the

and the information

separated

physical equipment

system．That

theory

loTs service forward to intel—

push

describing

service．But the

of combination the

and information world is

condition to

necessary

ability

physical

has been

developed

long

and reliable．For

to describe the discrete control

and continuous behavior of the

signal

ligent

Hybrid Systems

choose

service．Thus we build

framework of

and

modeling verifying

to describe the IoTs

system theory

hybrid

physical equipment，we

atom services and

distributed

service．We use

physical equip—

service of loTs which includes normal

hybrid systems

as the

hybrid system

composed

and

t001．Based on this

can union the

dynamic logic

modeling

verifying

framework，we

and

(quantified)differential

ment，control system

and

service

we can do more

service of loTs．

verifying

composed

system．Then

deeply

modeling

words：Internet

Key

things services；hybrid systems；service modeling；model checking

网服建模方法，以

自机建模工具物理境和

1引

言

物

网服建模，在此基上将物理境和物网服一起

机网．以上研究网服的部署和建

物

网(Intemet

信网等信息承体，所有能被独立址的普通物理

互通的网．它具有普通化、自治

化和普适服智能化3个重要特征⋯ ．随着物网建

展，物网服合成当前研究的重要，即如何利

用已有的基功能，

Things，loTs)是一个基于互网、

建模

自

物

模打下了很好的基，但是在刻画物网服的物理

服

象

互

象

端

行

和按需合服

网包含感知端系、信息互

融合了信息世界和物理世界．它与

方法的主要区在于，物网中的物理的运行状

与物理境的改常常不是即、离散的，而是以化的

形式出，如运行中高速路即使收到了刹信号，但要真正

停止(1，=Vt— v=0) 是需要一个化的程．

的描述在物理世界中常被表述微分方程：Z’=v，v’=一

b．如何自治行刻画描述，反映物理

上

不能

足

一、可靠的要求．

、智能控制系

的面向

互

物

系

的

，

三系

物

网

服

合

足更高目

的

服

物

网服

．

前期的物网服研究主要展延伸了已有面向服

方法与Web服合研究基，如文献[2— 8]提出了构建

代理或件，在上采用已有的服模式

行物网服合．文献[23]提出一种基于境建模的物

的

一

程

服

中

一

端

的

、

作者介：叶林，男，1975年

网中的服算；郭立．男，

亮(通信作者)，男，1963年生，博士，教授，博士生，CCF高，研究

收稿Et期：2012-07-06收修改稿日期：2012-08-15基金目：国家自然科学基金目(60873115) 助．

生，博士研究生，研究方向混成系、物网中的服算；瀑，男，1988年生，士研究生，研究方向

物

1984年生，博士研究生，研究方向服

方向 Web与服算、以数据中心的

算中的形式化

流程管理．

；

会

万方数据

2013矩

小型微型算机系

特征，

化的

信息系及控制指令的即性与物理象状

性相合，以及将化与服合起来，形

(与物理系

的物理系、控制系

、自治、

性，同网服更加需要保障

多

次交互)．因此

物

网服，需要改

境

目

、

件系独立

模式，引入高度

成有效的建模、分析方法，是当前物网服研究面的重要

．在此基上，如何网服行建模，分析

合的可性、可分解性与可合成性，也是推网服

研究的重要目

本文利用混成系

的刻画能力以及相关研究成果，提出采用混成系

来刻画物网自治端，用基于定量微分方法

自

的

模可框架，

邦式、分布式、开放

挑

物

合

物

、安全、可靠．

物

理

物

网

合服

由此，物

．

智能家居服控制中心系

网服建模

信息系的离散指令与物理

与

的主要

是：

行

技

空

I| 水器⋯

控制系 |I控制系

境 ||

感系 |I 感系

⋯

1)如何

一描述与刻

混成系

模型的物网服建模与

· 将混成系

网服的模型表达与刻画能力；

· 将微分与定量微分

网服域，提高了服模型状

· 建立了一个面向开放境、

构，拓展了物网服的研究空

本文第2 以一个景，明物网分析中混成系

研究的必要性；第3 分析相关工作；第4 提出基于混成

服

合的建模和

，以此构建了基于混成系

框架．本文的主要献是：

II器⋯ 圜II

画信息系

的

混成系

服

J【

感知系

服

理

与方法引入物网服，提高了物

控制指令与物

理

的

2智能家居服

系

方法展到物

理能力；

控制的物网服

行

；

home service

system

smart

Fig．2

空

2)在1)

的基上，如何定物网服

合的目、控制指令与

景

．

互

之

；

用

3)已有的Web服研究成果与物网服是否有共通

．

系

的物网服

构；第5 首先介混成系微分

网原子服和物合服

；最后全文，一步的研究方向．

3相关工作

方法，然后分

物

网

形

以上三个技

网服建模与

，当前相关研究工作有混成系

、

式化建模与

物

和Web服建模与

研究．

2一个物网用景

3．1混成系建模与

混成系 (Hybrid

以智能家居服控制的物

网

用( 1)

景

例，其

Systems)是同具有

和离散

量的

用需求：当智能家居的

网端启下班回家，由服

交互行

离散控制模式所定

离散控制模式可反映操作决策，令混成系

的

系

‘2“．混成系的状

由

和

控制中心自

内启

算到家

，依据境气温感，自

定温度，当

在

，

量易于描述物理

的

能

演化，

空

与

水器，达到目

网

端

描述大多

被感

到

，根据境光启灯光控制．

数复控制系旧“．混成系

及其相关行的建模研究．

的

些特点适用于

物

网

如 2所示，

整个智能家居服

混成系建模与

方面当前主要研究方法包括混成自

方法．混成自机和混成

系

由以下3部分

机、混成Petn网及微分

成：

Petri网方面，文献[24]提出用混成自机来刻画混成系

的

1)感知系

：由境感知

感知器构

格并

混成系，文献[25]利用Petri网在异步并方面

，构建了混成Petri网，以混成系行建模和

服

建模的

器和

分析．两方面其后均有研究展，但混成自机和混成Pe·

tri网模型在理复，可能遇到状爆炸的情况，相

其自身的分与分解能力不足，使其后面的分析工作无法

行下去．另外一些研究者具体采用了切

性系等方法加以研究，但模型的通用性不好．

成的小型感网

，用于采集相关

l智能家居服

用景

境

体与

系

、

scenario of smart home

Fig．1

体的各信息；

2)混成系

服

：由各物理

(空

、

水器、灯

物理

除了混成自机和混成Petri网基

上

展起来的各

的混成系

具) 成，包括物理

本身及相的控制器，用于

建模与工具外，以微分方法

基

的服

目

；

建模与

微分

取得了好的研究成果¨。181．相关文献通采用

3)物

网

合服：通

合服控制系，合成感知

体服

景我可以看到，物网服

相比，从出的内在系上，

来研究混成系的属性，探

，同

微分不量推理，微分

的元理，并

系

服

通

服

与混成系

服

，

目．

出了它的推理

开

了

工具KeYmaera．利用

一

与

的信息

方法 “欧洲列控制系

”

Ⅳ

服

是

目

定

来

和

机防撞系

行了

．

I／O 构的，而物网服 I／O取决于景；从

分布式混成系，微分

后

又

展

定量

看，服 “ 行指令”，物网服

“

意

”；从人与系

“物理

微分

¨9’划，在公式中引入了定量算子，支持分布式

工具也升 KeYmaeraD大大提高了

原有模型的展与用能力．

交互来看，

”；

服

行信息反，物网服

控制，而物网服

混成系的建模，

反

服

开放控制

万方数据

12期

叶林等：基于混成系的物网服建模与

要

和要控制的物理

独立建模，以表的独立性和自主性．

成一个网，刻画完整的物网服的通信并

境体以及不同种的物网服

微分

是一个一的混成系或者分布式同构的混成系，并没有考

将混成系行串接．已有的一些混成系

和定量微分

方法原本主要

的

它

些

自

机形

网

程，物

作

服

件

服

的

施

程表

文献123]提出的基于境建模和

属性来代替了原子服自身特性的反映，主要考

自

机网上的状

迁通路．

合的研究主要是基于混成自机、混成Petri网或程代

的，但在研究目上是考如何成一个大系，有

自

机用模型

数来

用

了

多的全局控制量与控制方程，没有考到服的需求．

本文考到混成系本身的特性，从面向服角度出

束，但

的真

，其

上述些研究留的主要

界与信息世界，用合理、一的模型原子服

模，以及模型的能力和效率．本文研究的出点正是

找概念一、算法高效的物

是由

物理模型出的果，本身不能

，另外采用机也将面

的能力和效率是受限的．

是如何有效地一物理世

合服

，

反映物理

爆炸

状

自

状

利用一般混成系构建物网原子服，利用分布式混成系

空

构建物网服

爆炸

合，同由于物

，采用基于微分

网

件一般多，避免

和定量微分

状

空

和

建

的方法构建了物网服模型，并利用相工具

3．2物网服建模与

网基于m 用与服

提供了更智能的取服

当前物网服提供中的一个重要

当前物网服建模与研究的主要

束条件下服

有的web服模式基上精展，以适

行

．

网

合服建模和

方法．

物

相

合在不断地展，

用

3．3

Web服建模与

的

境基．物网服的建模和

Web服的形式化建模和

已

展了

，主要

服

已

成

．

通

自

机、Petri网和程代数等形式化理方法，

合、自分析和自行探索和研究．

基于自机的建模和，文献[10]先建立了服

可能出行的描述框架，再将此框架表达有限状

机，从而合的自构建与．文献[11]

束的服，采用行建模、分析和

，文献[12]提出了一种基

是如何解决

，大多在已

网服需求．

的自

在物

网

端

源

件化

物

理

自

的web服

准(如WSDL、SOAP等)比适用于

服

有

算、存

源相丰富的件系，但物理

大多数都

自

机

理

．

是

源受束的，缺乏相的存

与

算

源，如何精已有

Pro-

基于Petri网的建模和

的web服

准，成重要的研究内容．DPWS(Device

file for Web

于Petfi网的代数，用以

合服的控制流行建模，以构

用．文献[13] 件的兼容

，使用着色Petri网分析服的兼容性，并提

算法和施工具，可以自 Web服

Services)一1作

网

服

准子集，定了在

消息送、、描述和

方案．

，能保持

化．

建可靠的Web服

合

服

源有限的

上

安全的网

服

性

行

事件生的一套最基本的

允

开

人

在

写

供了相

的

行

某

通用的

向服

件

之的兼容性，个工

的相似性．

作偏向于

基于程代数的建模和

理

，文献[14]提出了一个

的框架，

了一套抽象范与BPEL4WS之的双向映射，以分析、

合模型．文献[15]采用程代数及相关工具自

在web服模式延伸方面，文献[2]提出的SODA

Device

使用程代数及其工具 Web服

行

和

(Service．Oriented

Architecture)方法，文献[3— 5]提出

定

改

的SOCRADES方法和文献[26]提出的一个框架和

网用

服

的用交互模式方法等，目都是架已有系与物理

生成并

生成服接口适配

束的Web服合，引入了

．文献[16]同

演算方法，

具有

其

之

通

的

梁．三种方法都是采用以Web服

基

，分

抽象物理

服

信息(SODA方法)、搭建智能化制造

行建模与

．

Web服控制 (SOCRADES方法)和定智能境服

由于一般Web服中不考

离散系的服合，最多引入

的物理特性．与之相比，本文关注于引入物理

件的物网服的建模，增加了

控制的刻画，网服的混成性．

的

，主要解决的是

框架与

网

用用交互模式Ⅲo 几种方法，

、制造 ERP系的集成需求和智能境服

用模式提出了解决方案．

了将物件化，解决信息系与物

的信息落差，文献[6— 8]提出采用服网关

gateway)的方式来 Web服与嵌入式系的信

网关一中介代理模式，分将互网与物

信息行解化后再往另一端，从而

合，但又不需更已有的描述言和通信

网关可以集成，通在服

物网

因素，并未考

服

件

服

与

作

状

服

几

物网

服

件

与离散

同

网

服

物

网

之

(Service

4基于混成系的物网服

息

，通

服

网

的

、

如

3所示，物网服由3个部分构成，混成系原子

物

网合服

双方的无

．同

通

服

的

服

圈圈圈口

服

／

＼

网关的服描述中引入相关域知，提高物网服

的

混成系原子服

感知系原子服

效率与准确性．

感l I 感I

以上研究建立了多种物网服整体框架，物理

服

匕列匕刨L一

的具体描述上也提出多种

性的解决方案，但些研究并

，以及如何正确性．

文献[23]相完整地提出了一套基于机的物

建模工具，分

3物网服构成

未回答服形式化建模

服

IoT services

Fig．3

components

自

服

、感知系原子服与物

网

合服．其中原子服

与

网服建模和

方法，以

自

机

将

万方数据

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