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PMDA_一种物理模型驱动的物联网软件体系结构

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资料介绍

实现众多物理应用之间的互联是建立物联网的基本方法.然而,如何设计一种有效的架构指导物理应用的水平化互联是目前物联网研究领域尚未解决的问题之一.针对该架构设计问题,提出了一种支持物理应用水平化互联的物理模型驱动的物联网软件体系结构(PMDA).PMDA由3个模型组成,分别是物理模型、感执模型和应用模型.模型之间以及模型内的组件之间通过连接器进行连接与交互,模型或组件在交互时需要满足一定的约束条件.通过体系结构描述语言Wright对PMDA中的3个模型的组成以及模型之间的交互进行了形式化描述.通过一种形式化验证工具PAT验证了用Wright描述的PMDA可以保证水平化互联起来的物理应用的有效性,即不存在死锁、发散和中止这3个影响物理应用有效互联的性质.基于PAT的验证结果,通过数学归纳法证明了根据PMDA开发的物联网应用系统在交互时不存在死锁、发散和中止的情形.

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ISSN

计算机研究与发展

1000—1239／CN 11-1777／TP

!!!!!!!!!!二!!!!：!!!!

!!!!翌!!竺!竺竺竺旦竺!!!垦竺!!!!垒!竺!里!!!竺旦竺!呈!

PMDA

种物理模型驱动的物联网软件体系结构

谢开斌1’2

陈海明1

崔

莉1

100190)

1(中国科学院计算技术研究所北京

2(中国科学院大学北京100049)

(xiekaibin@ict．ac．cn)

Driven

for

Internet of Thin

Model

Software Architecture

PMDA：A _Physical

Xie

Cui Lil

Kaibinl”，Chen

Haimin91，and

^1(Instituteof Computing Technology，Chinese Academy of Sciences，Beijing

100190)

Chinese

100049)

2(University of

Academy

of Sciences，Beijing

Abstract

It is

basic method to establish Internet of

all

Things(IoT)by interconnecting

existing

has not

been an effective architecture to

horizontal

physical applications．However，there

yet

guide

interconnections

address the

physical applications．To

problem，this

Physical

paper proposes

the

Model Driven software Architecture for Internet of

horizontal

Things(PMDA)，which supports

interconnections of

of three

composed models，namely，Physical

physical

applications．PMDA

Model，Sense—Execute Model and

Model．The connections and interactions between

Application

models，and interactions

in the models are realized

connectors，which satisfies

amongcomponents

some certain constraints．The

of the three models in PMDA and the interactions

composition

among

the models are

described an Architecture

named

formally

Description Language

Wright．The

effectiveness of horizontal interconnections of

based

PMDA is verified

physical applications

and

terms of

PAT，in

that，those

deadlock—free，divergence—free

nonterminating．Besides

properties

mathematical induction．

IoT

under

of PMDA are

proven

application systems

guidance

developed

words

IoT；physical

model

model；sense—execute model；

Key

applications；software architecture；physical

application

摘要

实现众多物理应用之间的互联是建立物联网的基本方法．然而，如何设计一种有效的架构指导

物理应用的水平化互联是目前物联网研究领域尚未解决的问题之一．针对该架构设计问题，提出了一种

支持物理应用水平化互联的物理模型驱动的物联网软件体系结构(PMDA)．PMDA由3个模型组成，

分别是物理模型、感执模型和应用模型．模型之间以及模型内的组件之间通过连接器进行连接与交互，

模型或组件在交互时需要满足一定的约束条件．通过体系结构描述语言Wright对PMDA中的3个模

型的组成以及模型之间的交互进行了形式化描述．通过一种形式化验证工具PAT验证了用Wright描

述的PMDA可以保证水平化互联起来的物理应用的有效性，即不存在死锁、发散和中止这3个影响物

理应用有效互联的性质．基于PAT的验证结果，通过数学归纳法证明了根据PMDA开发的物联网应用

系统在交互时不存在死锁、发散和中止的情形．

04—08

收稿日期：2012 12—31；修回日期：2013

基金项目：国家“九七三”重点基础研究发展计划基金项目(2011CB302803)；国家自然科学基金青年科学基金项目(61100180)；中国科学院

战略性先导科技专项基金项目(XDA060307000)

万方数据

计算机研究与发展2013，50(6)

关键词物联网；物理应用；软件体系结构；物理模型；感执模型；应用模型

中图法分类号TP311

物联网的概念自1999年由美国麻省理工学院

(MIT)提出以来[1]，受到了学术界、工业界以及许多

国家政府部门的广泛关注．近年来，世界各国的科研

人员对物联网进行了许多探索性的研究，但目前对

物联网并没有形成完全一致的认识，所给出的定义

也存在着差异．其中具有较大影响力的定义是国际

电信联盟(ITU)在2005年给出的定义和欧盟物联

网研究项目组在2009年给出的定义．ITU将物联

网定义为心]：将各种传感设备与互联网结合起来而

形成一个巨大的网络，让所有物品都连接在一起，方

便识别与管理．欧盟物联网研究项目组对物联网给

出了如下的定义口]：一个动态的覆盖全球的网络，具

有标准的互操作通信协议，能自动进行配置，具有识

别物理世界以及虚拟网络世界中“物”的能力．

网研究领域尚未解决的问题之一．

物联网是一个极其复杂的系统，为这样的系统

设计架构时，需要考虑下面3个因素：1)系统的特征

和组成要素；2)各种组成要素之间的交互关系；3)随

着需求的变化，系统与外部环境的交互．设计的架构

还需要进行验证，以保证按所设计的架构实现的物

联网系统能够满足需求的性质．我们基于软件体系结

构的定义，结合物联网在进行软件系统设计时所要考

虑的因素，将模型作为实现物理应用水平化互联的软

件组件，提出了一种物理模型驱动的物联网软件体系

Architecture

Model Driven Software

结构(Physical

for internet of

things，PMDA)．PMDA包含3个模

型，分别是应用模型、感执模型和物理模型．这3个

模型作为构成PMDA的软件组件．这3个模型又由

基本组件构成，模型内的基本组件之间通过连接器

进行连接，并满足指定的约束条件．考虑到PMDA的

组件、组件之间的连接关系和连接条件具有Wright

语言‘53所能描述的体系结构组成要素的特征，文中

采用Wright对PMDA进行形式化描述．并且，我们

使用新加坡国立大学计算机学院开发的一种对并发

和实时系统进行验证与分析的软件工具PAT[61对

用Wright描述的PMDA所满足的性质(包括不死

锁、不发散和不中止)进行分析．最后，通过数学归纳

法证明根据PMDA设计的应用系统在相互作用时

不会死锁、发散和中止，从而验证了PMDA用于指

导物理应用水平化互联的有效性．

上述两个定义都认为物联网可以将物理世界中

的实际物品与网络世界中的虚拟物品关联起来．但

是，由于物理世界中的物是海量的，而且随着时间是

动态变化的，因此部署这样的网络所需要的资源也

是海量的，而且这样的网络需要随着物理世界的变

化而动态变化．因此，在目前的技术条件下，要想建立

满足上述条件的物联网是非常困难的．三元理论H1

说明了社会群体通过网络资源对物理世界中的应用

进行高效管理的方法，揭示了社会群体、网络与物理

世界之间的关联．根据这一理论，可以得出以下结

论：1)社会群体往往更关注物理世界中的应用(以下

简称为物理应用)，对物理应用的管理比对物的管理

更高效；2)物理世界中物与物之间的互联并不能体

现出社会群体的需求，将物理应用根据社会群体的

需求进行互联更符合社会群体对物理世界的需求．

因此，本文将物联网理解为：根据社会群体对物

理世界的需求，通过网络通信技术、感知技术和智能

分析技术来实现社会群体对物理应用的互联，从而

满足社会群体对物理世界进行管理的需求．由此可

知，实现众多物理应用之间的互联是建立物联网的

基本方法．然而，目前各个行业采用不同的协议和机

制建立各自的物理应用系统．因此，如何设计一种有

效的架构指导物理应用的水平化互联①是目前物联

最后，对全文进行了总结和展望，说明在下一步

工作中PMDA应该考虑哪些因素，使得PMDA对

物联网软件系统的开发更具指导和借鉴意义．

研究现状

1．1软件体系结构及其形式化方法

本文是从软件体系结构的角度给出了一种用于

指导物理应用水平化互联的设计架构．因此，本小节

先对软件体系结构及其形式化方法作一下简要介绍．

Bass等人‘71认为软件体系结构是软件系统的

①这里强调“水平化”是为了突出目前建立的物理应用系统的“垂直性”，即现有的物理应用系统大多采用不同的协议和机制建立，为不同的

行业和领域服务．水平化互联是指采用统一的架构和实现方法将垂直的物理应用互联起来．

万方数据

谢开斌等：PMDA：一种物理模型驱动的物联网软件体系结构

高级抽象，说明了软件系统的组成结构，体现了软件

系统开发前期的决策，对软件系统能否成功开发有

着深远的影响．Garlan等人[81将软件体系结构定义

为具有一定形式的结构化元素，可表示为：{组件，连

接器，约束)，其中，组件用来表示相对独立的计算单

元；连接器用来将组件连接在一起，表示组件之间的

相互作用；约束用来说明连接组件时需要满足的条

件．本文提出的物联网软件体系结构就是基于以上

定义．

实体所提供的服务和每个任务所需要的服务；服务

组合层根据智能规划技术和系统描述的目标来产生

能用工作流描述的系统计划，确定系统计划所需要

的物理实体以及物理实体之间应该如何交互．

但是，上述这些CPS软件体系结构都是采用非

形式化的方法来进行研究的．此外，CPS与IoT存

在的主要差异是：CPS突出对单一物理系统的软件

功能设计，而IoT要体现出多个物理应用的跨领域

互联。

形式化方法是验证软件体系结构行为特性的主

要手段．Wright体系结构描述语言既可以对软件体

系结构中的组件、组件之间的连接关系和连接条件

进行静态描述，又可以用通信顺序进程(CSP)[93对

软件体系结构内的组件提供的功能以及连接器内的

角色之间的交互进行描述．因此，本文采用Wright

对PMDA进行形式化描述．

PMDA的设计

随着通信、感知与智能分析技术的发展，各个行

业，如物流、交通、环境监测、医疗服务等建立了一些

与物理世界相关的应用系统．但是，目前这些应用大

多采用不同的协议和机制建立，为不同的行业和领

域服务．根据上一节我们基于三元理论对物联网概

念的解释可知，未来要建立一个真正实现“社会群

体、网络与物理世界之间的关联”的物联网系统需要

将各种物理应用水平化互联起来．据我们所知，目前

尚未提出一个可用来指导物理应用水平互联与物联

网设计的架构．基于这种现状，我们在众多物联网应

用实践的基础上，提取出物联网应用的一些共同特

征．这些共同特征包括：

目前针对IoT的软件系统开发还没有提出相

应的软件体系结构，但是对与物联网相似的一个概

念物理信息系统(CPS)提出了一些软件架构，这些

软件架构主要有基于服务的、基于网络世界与物理

世界交互的和基于物理实体模型的，下面分别进行

介绍．

1．2物联网软件体系结构

La等人[10]提出了基于服务的CPS架构，该架

构分成3层，分别是环境层、控制层和服务层．环境

层包括感知和执行的物理设备以及物理环境；服务

层提供基于SOA和云计算的计算环境；控制层根

据物理环境数据作出控制决策，并能够从服务层选

择合适的服务来对环境层实施控制．

1)应用需求驱动．物联网应用是为了满足社会

群体对物理应用的需求，如农业生态环境管理系统

3I。

就是为了满足农业人员对农作物的科学管理[1

2)物理环境感执．物联网应用感知物理世界中

的数据，根据感知数据产生满足需求的决策执行信

息，如太湖蓝藻监测与打捞系统通过感知太湖蓝藻

数据及蓝藻的分布信息，产生调度打捞蓝藻的决策

Rajhans等人口妇提出了基于网络世界与物理世

界交互的CPS软件架构。该软件架构将CPS分成3

部分：网络领域、物理领域和这两个领域之间的互

联．网络领域实现数据存储、计算和对物理部分进行

感知与控制的接151；物理领域包括物理信息的来源、

物理设备的能量存储和物理领域内部的能量转换；

这两个领域之间的互联包括物理领域连接网络领域

的接口P2C和网络领域连接物理领域的接口C2P．

Jian等人m1提出了基于物理实体模型的CPS

软件服务架构．该软件架构包括4层，分别是物理实

体层、工作流模型层、逻辑模型层和服务组合层．该

架构的核心思想为：物理实体层定义系统中的物理

实体；工作流模型说明为了完成任务所需要的物理

实体以及任务的工作流程；逻辑模型层定义了物理

4【．

执行信息[1

3)物理实体交互．物联网应用中与应用相关的

物不仅提供与物理实体相关的数据，还能够在决策

执行信息的控制下改变物理实体的状态．如通过无

线传感器与执行器网络(WSAN)对建筑物内的通

风设备、电气设备和冷却设备等进行能量管理，以及

在采集建筑物内的这些设备的环境信息的同时，可

以在WSAN的控制下根据建筑物内的居民的需求来

5|．

改变自身的状态，以最低的能耗满足居民的需求[1

基于对以上这些共同特征的描述，我们提出了

一种基于物理模型的物联网软件体系结构(PMDA)，

万方数据

计算机研究与发展2013，50(6)

用于指导物理应用的水平化互联，进而为设计有效

的物联网应用系统提供指导．

PMDA的形式化描述

PMDA由以下3个软件模型组成：

下面我们采用Wright对PMDA中的应用模

Model，AM)．AM

1)应用模型(Application

型、感执模型、物理模型以及这3个模型之间的交互

进行描述．模型内部的交互用Wright中的组件

(Component)、连接器(Connector)、实例(Instances)、

附属(Attachments)和配置(Configuration)元素来

描述．每种元素简要介绍如下：1)组件是模型中的功

能实体，组件通过接口向与其关联的连接器提供功

能，用CSP表达式对接口提供的功能进行描述．2)

连接器通过角色接收与其相关的组件上的接口提供

的功能．通过连接器将组件与组件之间的交互转换

成连接器上的角色与角色之间的粘合(Glue)．3)实

例就是组件或连接器的具体例子．4)附属用来说明

组件实例的接口与连接器实例的角色之间的对应关

系．5)配置用来说明组件、连接器、实例和附属这4

种元素所描述的内容．在描述模型与模型之间的交

互时，我们将模型看作是Wright中的组件，这样模

型之间的交互也可以用Wright进行形式化描述．

我们用图2中的5种符号来表示接口(Port)、

组件(Component)、模型(Model)、角色(Role)和连

接器(Connector)．这些符号用于描述PMDA中的

基本元素．

接收与该应用相关的社会群体的需求，并将需求信

息进行提取处理后发送给感执模型．AM实现了对

社会群体的需求信息的提取．

Model，SEM)．

2)感执模型(Sense—Execute

SEM根据来自应用模型的需求信息，以及来自外部

应用的请求信息和物理模型感知到的物理数据，产

生决策执行信息，并将决策执行信息发送给物理模

型，对物理模型进行控制．SEM实现了对物理环境

的感执和物理应用的水平化互联．

3)物理模型(Physical Model，PM)．PM将与

应用相关的物理实体的功能划分为两部分：一部分

通过感知设备向SEM提供与应用相关的物理实体

的信息；另一部分通过执行器接收SEM发送的决

策执行信息，改变与应用相关的物理实体的状态．

PM是物联网中物理应用的基础和控制的对象．

这3个模型存在着如下的作用关系：AM将需

求信息(req—info)发送给SEM；SEM接收AM的需

求信息与PM的物理数据，将决策执行信息(exe—

info)发送给PM；PM向SEM提供与物相关的物理

数据(phy—data)，接收SEM的决策执行信息(exe—

info)．PMDA的框架如图1所示：

P0n(SSD

Component[]舭l

》Role<二)Cormeetor

The basic elements of PMDA．

Fig．2

req—irt

图2 PMDA的基本元素

、J，

S日Ⅵ

下面我们对AM，SEM，PM进行形式化描述，

然后用形式化方法说明这3个模型的交互，从而完

成对PMDA的形式化描述．

个

fro

山

3．1

AM的形式化描述

从第2节对AM的说明可以看出，AM说明物

联网中的需求来源于社会群体，并且需要对需求信

息进行提取以便需求信息能够在SEM中进行进一

步的处理．AM设计的原理为：与应用相关的用户发

送需求信息给能够提取分析该需求信息的功能组

件．因此，可以将AM划分成两个功能组件：用户组

件和需求提取分析组件．用户组件用于将用户的需

求信息发送给需求信息提取组件，因此该组件包含

一个接口；需求提取分析组件用于对用户的需求信

息进行提取处理，再将提取后的信息发送给SEM，

Theframework of PMDA．

Fig．1

图1 PMDA的框架

从图1可以看出，在本文设计的物联网软件体

系结构中，PM是直接与物理世界交互的模型．基于

该体系结构设计的物联网应用系统以PM感知的有

关物理世界的数据作为产生决策执行信息的依据之

一，并且由决策执行信息驱动PM改变对应的物理

世界的状态，因此本文将该体系结构称为物理模型

驱动的物联网软件体系结构(PMDA)．

万方数据

谢开斌等：PMDA：一种物理模型驱动的物联网软件体系结构

因此该组件包含两个接口．

述．图3形象地说明了AM内部组件的交互关系：

我们用进程USER表示用户组件．该进程包括

一个事件，用来向需求提取分析组件发送用户的需

求信息，用send—ureq表示．该进程的接口(表示为

P一，)所提供的功能可用CSP进程表示为P一，()一

send—ureq+P。。．

需求提取分析组件REQ用进程REQ。和

REQ。来描述．

进程REQn包含两个事件：第1个事件用来接

收进程USER发送来的需求信息，用recv—ureq表

示；第2个事件表示从用户需求消息中提取出与应

The interactions in AM

Fig．3

components．

用相关的需求信息，用extr—ureq表示．进程REQ。

提供的接口用P。，来实现，可用CSP进程表示为

Preq。()一recv—ureq---’extr—ureq+Preq：．

图3 AM内部组件的交互

3．2

SEM的形式化描述

进程REQs包含一个事件，用send—ereq表示，

说明REQs进程将处理后的需求信息发送给感执模

型．REQ。进程所提供的功能用P。。接口来实现，可

从第2节对SEM的说明可以看出，SEM用来

实现与外部应用的水平化互联以及对本应用内的物

理模型信息的感知与控制．SEM设计的原理为：将

AM发送的用户需求信息分成两类：该应用能处理

的需求信息和应该交付给外部应用处理的需求信息；

根据该应用能处理的需求信息实现对物理环境进行

感执分析与处理；根据交付给外部应用处理的需求

信息实现了物理应用之间的水平化互联．根据SEM

的设计原理，将SEM的功能用6个组件进行说明，

分别为需求判别组件(RDI)、需求分解组件(RDE)、

用CSP进程表示为P。。()一send—ereq—P。。．

组件USER和REQ通过各自的接口P一，和

P。，分别与连接器USER—REQ的角色R。，和R

相连接，连接器USER—REQ通过角色R。，和R。，

之问的交互来说明应用模型内部组件USER和

REQ之间的交互．

AM可用Wright语言进行如下的描述：

_{Configuration}AM

外部应用关联组件(OAP)、感知组件(SEN)、物理

数据处理组件(PRO)和决策执行组件(EXE)．

1)需求判别组件接收应用模型处理后的需求

信息，判别哪些需求可以由本应用完成，哪些需求不

能由本应用完成，并且将可以完成的需求发送给需求

分解组件，不能完成的需求发给外部应用关联组件．

2)需求分解组件接收需求判别组件输出的需

求信息以及其他外部应用发送的需求信息，并将这

USER

Component

Port

P ，()一send—ureq—P～。

Component REQ

Port P_{reqr()一recvjureq---’extr—ureq+Preq，}

Port P_{re【Is()一send—ereq+P}

reqs

Connector

USER—REQ

Role

R。。。，()一send—ureq+R一，

Role

R，。q，()一recv—ureq---}extr—ureq—}Rreqr

些需求信息分解为数据请求信息和控制请求信息，

数据请求信息发送给感知组件，控制请求信息发送

给决策执行组件．

Glue=R。。||R。，

Instances

3)外部应用关联组件接收需求判别组件输出

的需求信息，根据这些需求信息建立与外部应用的

对应关系，并将需求信息发送给相应的外部应用．

4)感知组件接收需求分解组件输出的数据请

求信息，并根据数据请求信息从物理模型中获取感

知数据，并将感知数据发送给物理数据处理组件．

5)物理数据处理组件接收来自感知组件的感

知数据，并进行处理，将处理后的信息发送给决策执

行组件．

J一，：USER

J。。：REQ；

J一一。，：USER—REQ

Attachments

I一，．P。。。，as I一，，．R。。。，

Jreq， P

J。。q，．Rreq，

EndAM

根据以上采用Wright语言对AM的描述，可以

用图2所示的PMDA基本元素对AM进行图形化描

万方数据

计算机研究与发展2013，50(6)

进程RDE—CON有一个事件，用send—conreq

表示，用于发送控制请求信息给组件EXE．进程

6)决策执行组件接收需求分解组件的控制请

求信息和物理数据处理组件发送的感知数据处理信

息；根据控制请求信息与感知数据处理信息作出决

策，产生决策执行信息，并将决策执行信息发送给物

理模型．

RDE—CON提供的功能用P一。。。接El来实现，可用

CSP进程表示为Prde—reqc()一send—conreq---，Prae-r鹎c．

3．2．3外部应用关联组件

组件OAP可以用两个进程来表达这种交互，

下面用Wright语言对感执模型内的各组件分

别进行描述．

分别是进程OAP—REQ和OAP—APP．

进程OAP—REQ有一个事件，用符号recv—oreq

表示，用于接收组件RDI中的进程RDI—OREQ发

送的需求信息．进程OAP—REQ提供的功能用

3．2．1需求判别组件

组件RDI可以用3个进程来表达，分别是进程

RDI—REQ，RDI—IREQ和RDI—OREQ．

进程RDI—REQ用于接收和判定应用需求，包

括两个事件，一是接收AM中的进程REQs发送来

的需求信息，用recv—ereq表示；二是判定需求信息

是否可由本应用完成，用judge—ereq表示．进程RDI—

REQ提供的功能用P训。。接口来实现，可用CSP进

P。，。接口来实现，可用CSP进程表示为P虮。()一

recv—oreq+P。a¨ q．

进程OAP—APP有一个事件，用符号send—oap

表示，用于将接收的需求信息发送给相对应的外部

应用．进程OAP—APP提供的功能用P。。。印接口来

rdI

程表示为P req()一recv—ereq—judge—ereq+

实现，可用CSP进程表示为P唧。，，()=send—oap—

Poap-app．

Prdi_req．

3．2．4感知组件

进程RDI—IREQ有一个事件，用符号send—

inreq表示，用于将本应用可完成的需求信息发送给

需求分解组件．进程RDI—IREQ提供的功能用

P扪，。接口来实现，可用CSP进程表示为P蛳。()

组件SEN可以用3个进程来表达，分别是进程

SEN—REQ，SEN—PHY和SEN—PRO．

进程SEN—REQ有一个事件，用recv—datareq

表示，用于接收组件RDE中的进程RDE—DATA发

=send-inreq+只di—ireq．

进程RDI—OREQ有一个事件，用send—oreq表

示，用于将本应用处理不了的需求发送给物理数据

送的数据请求信息．进程SEN—REQ提供的功能用

P 。。接口来实现，可用CSP进程表示为P。。()一

处理组件．进程RDI—OREQ提供的功能用Prdi

o。接

recv—datareq-+P。。，L。。q．

进程SEN—PHY有一个事件，用sense—data表

示，用于感知物理模型提供的物理数据．进程SEN—

El来实现，可用CSP进程表示为P讪。。()一send—

oreq+P，di_oreq．

3．2．2需求分解组件

PHY提供的功能用P。。。phy接口来实现，可用CSP

进程表示为Psen-phy()一sense—data· P。en-phy．

组件RDE可以用3个进程来表达，分别是进程

RDE—REQ，RDE—DATA和RDE—CON．

进程RDE—REQ包括3个事件：第1个事件接

收进程RDI—IREQ发送来的需求信息，用reev—

进程SEN—PRO有一个事件，用send—data表

示，用于将感知数据发送给组件PRO．进程SEN—

PRO提供的功能用P。。。。接口来实现，可用CSP进

程表示为P。。p。()一send—data—P。。pr0．

inreq表示；第2个事件接收外部应用的需求信息，

用recv—appreq表示；第3个事件对前两个事件中

的需求信息进行分解，分解成数据请求信息和控制

请求信息，用dec—req表示．进程RDE—REQ提供的

功能用P一。。接口来实现，可用CSP进程表示为

Prd。，。q()一recv—inreq+recv—appreq+dec—req+

3．2．5物理数据处理组件

组件PRO可以用两个进程来表达，分别是进程

PRO—DATA和PRO—EXE．

进程PRO—DATA包括两个事件：第1个事件

用recv—data表示，用于接收组件SEN中的进程

SEN—PRO发送的感知数据；第2个事件用pro—

data表示，用于处理感知数据．进程PRO—DATA提

供的功能用P。。妇。接口来实现，可用CSP进程表示

为Pp，0-d。。。()一recv—data--pro—data—}Ppro_d。t。．

进程PRO—EXE包含一个事件，用send—info表

示，用于将感知数据处理后的信息发送给组件EXE．

P,de-req．

进程RDE—DATA有一个事件，用send—datareq

表示，用于将数据请求信息发送给SEN组件．进程

RDE—DATA提供的功能用Prdef。a接口来实现，可

用CSP进程表示为P地。d()一send—datareq—

Prde

reqd．

万方数据

1191

谢开斌等：PMDA：一种物理模型驱动的物联网软件体系结构

_ComponentRDE

进程PRO—EXE提供的功能用P。。。。接口来实现，可

用CSP进程表示为P，。。。()=send—info-+P。m．。

3．2．6决策执行组件

Port

Prde-req()一recv—inreq-’recv—appreq

÷ dec—req+Prde．req

Port

组件EXE可以用3个进程来表达，分别是进程

EXE—RDE与EXE—PRO和EXE—PHY．

P，de一，。qd()一send—datareq—’P，de-，。qd

P，de一，。q。()一send—conreq—’PrdL，。q。

OAP

Component

进程EXE—RDE包含一个事件，用recv—conreq

表示，用于接收来自组件RDE中的进程RDE—CON

的控制请求信息．进程EXE—RDE提供的功能用

P。。州。接口来实现，可用CSP进程表示为P。rde()=

Port

P。。p—req()一recv—oreq—卜Poap-，。q

Port

P。。p-。pp()一send—oap—'Poap-。pp

SEN

Component

Port

recv—conreq---Pexe—rde．

P。。n_。q()一recv—datareq—}Psen-，。q

Port

进程EXE—PRO包含一个事件，用recv—info表

示，用于接收组件PRO中的进程PRO—EXE发送

的感知数据处理信息．进程EXE—PRO提供的功能

P。。一phy()一sense—data4P。en．phy

P。。n-p。。()一send—data—}P。。一p，。

PRO

Component

Port

Pp。o-d。t。()一recv—data+pro—data+

用P。。。。接口来实现，可用CSP进程表示为P。。一。。()

一recvjnfo+P。。e_pr。．

Ppro—data

Port

进程EXE_PHY包含两个事件：一是进程EXE—

Ppr0一。。。()一send-info—Ppro-。。。

_ComponentEXE

RDE和EXE—PRO产生的决策执行信息，用事件

gen—exeinfo表示；二是将决策执行信息发送给物理

模型，用事件send—coninfo表示．进程EXE—PHY

Port

P。。一rd。()一recv—conreq-+Pexe一。d。

Port

P。xe-pr0()一recv-info÷ P。。e-p。

提供的功能用P phy接口来实现，可用CSP进程表

_{示为P。，。。h，()一gen—exeinfo+send—coninfo}4

P。。一phy()一gen—exeinfo+send—

coninfo--’Pe”phy

Connector RDI—RDE

Pexe

phy．

Role

感执模型内部组件之间的交互关系共有6个，

下面分别进行介绍：1)组件RDI和RDE通过各自

Rrdi-Ireq()一send—inreq—}R，dl_Ireq

Role

R，de一。q()一recv—inreq-’reev—appreq

的接EI rdI。。和Pm。分别与连接器RDI—RDE的

—}dec—req—}Rrde-，。q

角色R训。。和Rrde。相连接；2)组件RDI和OAP通

过各自的接口P训。。和P。吖。。分别与连接器RDI—

Glue=Rrdi。，。q

R，d。一。q

RDI—OAP

Connector

Role

OAP的角色R

rdi。。和R。。，。相连接；3)组件RDE

Rrdi一。。q()一send—oreq—’R，di一。，。q

Role

R。。P—req()一recv—oreq—}R。。P-req

和SEN通过各自的接口Prde一。a和P。。一。分别与连

接器RDE—SEN的角色Rrde-。d和R 一。相连接；4)

组件RDE和EXE通过各自的接El Pra 。。和P。。。rde

Glue—R

R。。”q

rdi一。req

Connector RDE—SEN

Role R_{rde一。qd()一send—datareq--’R}

Role

分别与连接器RDE—EXE的角色R血一。。和R。。rae相

连接；5)组件SEN和PRO通过各自的接口P。。畔

和P。rod。分别与连接器SEN—PRO的角色R。。。和

R。删。相连接；6)组件PRO和EXE通过各自的接

口P。。和P。。。。分别与连接器PRO—EXE的角色

R。。。。和R。。。岬相连接．

rd。一reqd

R。en-req()一recv—datareq----R。en-req

’

R。。。，。。

Glue=R，d。一。。qd

Connector RDE—EXE

Role

rat，。q。

Rrde-，。q。()一send—conreq--’R

Role

R。。一，d。()一recv—conreq---’Re。e．rd。

Glue=Rrd。。。Il R。。。，d。

SEM可用Wright进行如下的描述：

SEN—PRO

Connector

_{Configuration}SEM

Role

RDI

R。en-pro()一send—data—}R。en-p。

Component

Port

Role

R。，。d。。。()一recv—data+pro—data÷

Prd。，。。()一recv—ereq-· judge—ereq4

R。dat。

Prdl_req

Port

Prdi。q()一send—inreq+P，di ireq

Glue=R。。。p。I{Rp。dat。

Connector PRo—EXE

Port

Prdi。rea()一send—oreq—}P，di_。req

万方数据

计算机研究与发展2013，50(6)

Role

J，d，．P，d。。。as J，md。．R，d．irea

Rpr0_。()一send-info—Rpr0一。。。

R。。-pr。()一recv-info+R。№pro

J，d。．P，d。rea

Jrdl．P _rdl。req

J，d。d。．R，de rea

I舭ap．R。d—oreq

Glue----Rp，。一。。。||R。。。一p，。

Instances

Ira。一。。p．R。ap一，eq

J，d，se。．R，d。reqd

f。。p．P。ap一，eq

J，de．P，d。，。qd

I，di：RDI

frde：RDE

J ．P。。as J小。 R。。。。

I。。：0AP

J，d。．P，d。。。as J，d。。。。．R，d。rea。

I。 P。。。，de

j。。PserLpro

Jp，。．Ppro-data

J，d，。 R。。。，d。

J。。。：SEN

J。“PRO

I _pr。．R。。-pr。

J。“EXE

J。。"pr。．Rpr。一dat。

Jp ．Rpro一。。

Jp。。。．R。。-pr。

J小rde：RDI—RDE

工rd，。。。：RDI—OAP

Ird，。。：RDE—SEN

J，d，。。：RDE—EXE

J。。n．。。：SEN—PRO

Jpro．Ppro-。as

J ．P。xe-pr0

EndSEM

根据以上采用Wright语言对SEM的描述，可

以用图2所示的PMDA基本元素对SEM进行图形

化说明．图4形象地说明了SEM内部组件之间的

交互关系：

J。。。。。：PRO—EXE

Attachments

The interactions ⁱⁿSEM_components

Fig．4

图4 SEM内部组件的交互关系

3．3

PM的形式化描述

OBJ组件向感执模型提供与应用相关的物理信

息；ACT组件接收感执模型输出的决策执行信息，

并根据决策执行信息去改变()BJ组件的属性状态

信息．

物联网内的物按应用进行划分，将每个应用中

的物的集合定义为一个物理模型．PM设计的原理

为：将与应用相关的物划分成两类：一类是被感知设

备感知的物，称之为物理对象；另一部分是能够改变

物理对象属性状态的物，称之为执行器．

OBJ组件可以用两个进程来表达，分别是进程

OBJ—PHY和OBJ—CHA．

将物理对象提供物理信息的功能抽象为物理对

象组件，用OBJ表示；将执行器实体控制物理对象

的功能抽象为执行器组件，用ACT表示．

进程oBJ—PHY包含一个事件，用符号pro—phy

表示，用于向SEN组件中的进程SEN—PHY提供物

理对象的属性信息．进程OBJ—PHY提供的功能用

万方数据

谢开斌等：PMDA：一种物理模型驱动的物联网软件体系结构

1193

P。M山，接口来实现，可用CSP进程表示为P0bLphy()

一pro—phy+P。M—phy．

根据以上采用Wright语言对PM的描述，可以

用图2所示的PMDA基本元素对PM进行图形化

进程OBJ—CHA包含一个事件，用符号recv—

control表示，用于接收ACT组件发送的控制命令

来改变与应用相关的物理信息．进程OBJ—CHA提

供的功能用P。“m。接口来实现，可用CSP进程表示

为Pobuh。()一recv—control---*Pobl。ha．

描述．图5形象地说明了PM内部组件的交互关系：

ACT组件可以用两个进程来表达，分别是进程

ACT—EXE和ACT—PHY．

进程ACT—EXE包含一个事件，用符号recv—

coninfo表示，用于接收EXE组件中的进程EXE—

PHY产生的决策执行信息．进程ACT—EXE提供

的功能用P。一接口来实现，可用CSP进程表示为

P。。t。。。()一recv—coninfo--*P。。。．

进程ACT—PHY包含一个事件，用符号send—

The interactions in PM

Fig．5

components．

coninfo表示，用于向OBJ组件中的进程0133一CHA

发送决策控制命令，并根据决策控制命令改变物理

图5 PM内部组件的交互

实体组件OBJ的物理属性信息．进程ACT—PHY

3．4

PMDA的模型之间交互的形式化描述

提供的功能用P。。。phy接口来实现，可用CSP进程表

在对AM，SEM和PM进行了形式化描述后，

示为P。。-phy()一send—coninfo--*P。。_phy．

接下来我们对这3个模型之间的交互进行形式化描

述，用于说明这3个模型之间的交互关系．

物理模型内部组件之问的交互关系描述如下：

组件OBJ和ACT通过各自的接口P。bjc。。和P。phy

根据上述对AM，SEM和PM的说明可以看

出，PMDA的模型之间的交互共有3个，下面分别

进行介绍：1)AM中组件REQ的接口P。。与SEM

分别与连接器OBJ—ACT的角色R。M一。n。和R。_ph，相

连接．

下面采用Wright语言对物理模型(PM)进行

如下的描述：

中组件RDI的接口Prd 。通过连接器REQ-RDI连

接在一起；2)SEM中组件SEN的接口P。。。phy与PM

中组件OBJ的接口PobLph，通过连接器OBJ—SEN连

接在一起；3)SEM中组件EXE的接El P 。h，与PM

中组件ACT的接口P。。，。通过连接器EXE-ACT

连接在一起．

_{Configuration}PM

OBJ

Component

Port

P。bj—phy()一pro—phy—}P。M—phy

Port

ch。

P。bj一。h。()一recv—control--*Pobj

_ComponentACT

PMDA的模型之间的交互用IoTCON表示，则

IoTCON可用Wright进行如下的描述：

Port

P。。一 ()一recv—coninfo-+P。。

Port

Pact_phy()一send—coninfo---Pact_phy

IoTCON

Configuration

Connector

Role

OBJ—ACT

Model AM

R。bj一。h。()一recv—control-’R。bj。h。

Port

Preq。()一send—ereq—Preq。

Role

Ract

phy()一send—coninfo-+R。。phy

Model SEM

Glue=R。。。phy II

R0bm。

Port

Prdi

req()一recv—ereq-+judge—ereq+

Instances

Prdi—req

J。b．：OBJ

Port

Psen

phy()一sense—data+P 一phy

J。。。：ACT

I。bi一。。。：0BJ—ACT

P。。一phy()一gen—exeinfo—’send—

Attachments

exeinfo-+P。。。一phy

Model PM

J0bj．P。bl。h。as J。b1_a“Robl。h。

Port P_{act一 ()一recv—con+P。。一。。}

Iobj．Pact_phy

Iobj。ct Ract_phy

End PM

Port

P。bj—phy()一pro—phy—}P。bj phy

万方数据

计算机研究与发展2013，50(6)

Connector

REQ—RDI

J。。．P。。。。。。as Io。。。R。。。。

Jp。．P。bj—phy as，。bj一。．R。bj—phy

Role R_{reqs()一send—ereq—Rreq。}

End IoTCON

Role

Rrdl_。q()一recv—ereq-+judge—ereq+

R_rdI。

根据以上采用Wright语言对IoTCON的描

述，可以用图2所示的PMDA基本元素对IoTCON

进行图形化描述．图6形象地说明了IoTCON内部

的交互关系：

Glue=R。。。||Rrd。一，。。

Connector 0BJ—SEN

Role

Rsen_phy()一sense—data÷ R∞phy

Role

R。bj—phy()一pro—phy—，R。bj—phy

PMDA的性质验证与分析

Glue—RobLphy||R。qphy

ConnectorEXE—ACT

为了验证Wright所描述的PMDA的正确性以

及所满足的性质，我们将PMDA用一个进程IoT—

Arc来表达．在不影响PMDA内进程执行的逻辑关

系的前提下，对PMDA中的进程表达式进行如下的

假设来简化进程之间的同步操作．

Role

R。№phy()一gen—exeinfo+send—

exeinfo---Rexe

phy

Role R_{act一。，。()一recv—con÷ R}

act一。。。

Glue=Rexe_phy||R。。t-。。

Instances

假设1．当两个进程之间的事件存在发送和接

收关系时，我们认为这两个事件是相同的．

这一假设并不影响收发进程之间的并发关系，

只是忽略了它们之间的信息传递动作，因此并不影

响PMDA中进程以及进程中的事件的执行流程．

假设2．PM中的进程0BJ—PHY提供的事件

pro—phy与SEM中的进程SEN—PHY提供的事件

sense—data在进行并发操作时，屏蔽掉发生在这两

个事件之间的感知过程，即将这两个事件看作是同

一事件．

I。。：AM

j。。：SEM

工。。：PM

工，。。rdi：REQ—RDI

I。bi一一：OBJ-SEN

I一。。。：EXE—ACT

Attachments

I。。．Preq。as Ireq-rd。．Rreqs

I。。P，di_。。q

Js P。en_phy

Jsem．P。xe_phy

Ireocrd。．RrdL，。q

j卅se。．Rsen-phy

Io"act．Rexe—phy

根据第3节对PMDA各个模型以及模型之间

交互的描述可以分析出PMDA中各个组件之间的

逻辑关系如图7所示．

根据图7给出的PMDA组件之间的逻辑关系，

将具有顺序执行关系的组件划分成一组，则PMDA

可划分成7组，每组用一个进程来表示．

第1组由组件USER，REQ和RDI组成，用进

程URR表示为URR()一send—ureq—recv—ureq—

extr—ureq斗send—ereq斗recv—ereq-+judge—ereq斗

send—inreq-+send—oreq-，URR．根据假设，URR进

程改写成：URR()一send

ureq+recv—ureq+extr—

ureq-+send—ereq斗recv—ereq-+judge—ereq斗inreq斗

oreq—，URR．

第2组由组件RDE组成，用进程表示为RDE()

2_{recv—inreq+recv—appreq+dec—req—’send—}

datareq-，send—conreq--+RDE．根据假设，RDE进程

可改写成：

The interactions in IoTCON

Fig．6

RDE()一inreq+recv—appreq+dec—req+

图6 IoTCON内部的交互

datareq斗conreq斗RDE．

万方数据

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PMDA_一种物理模型驱动的物联网软件体系结构

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