基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的ACPS建模及驗(yàn)證方法研究.pdf

1、汽車信息物理系統(tǒng)(Automotive Cyber Physical Systems，ACPS)自提出以來(lái)，受到全世界范圍科學(xué)研究人員的廣泛關(guān)注，是汽車產(chǎn)業(yè)信息化及發(fā)展程度的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)之一。近年來(lái)，無(wú)人駕駛汽車、智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)等得到迅速發(fā)展，為ACPS研究工作的開(kāi)展奠定了良好的基礎(chǔ)。然而ACPS集成了離散的計(jì)算過(guò)程、連續(xù)的物理系統(tǒng)、復(fù)雜的通信網(wǎng)絡(luò)，與傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)存在本質(zhì)差別，且隨著經(jīng)濟(jì)生活水平的提高，人們對(duì)汽車的舒適性、可靠性、

2、穩(wěn)定性提出了更高的要求。如何高效設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)ACPS，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的前提下最大化優(yōu)化系統(tǒng)，是ACPS相關(guān)研究人員共同面臨的難題。
　　ACPS通過(guò)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接信息與物理部分，不僅包含信息系統(tǒng)所涉及的計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子工程、網(wǎng)絡(luò)通信等知識(shí)，還涉及工程機(jī)械的工作原理。單純的采用信息科學(xué)的設(shè)計(jì)知識(shí)或物理知識(shí)實(shí)現(xiàn)ACPS的開(kāi)發(fā)是不現(xiàn)實(shí)的，如何選取一種有效的開(kāi)發(fā)模式成為了必要。其中基于模型驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)方法(Model Driven Develop

3、ment，MDD)是ACPS相關(guān)人員的重要研究?jī)?nèi)容之一。但ACPS包含各種不同的異構(gòu)系統(tǒng)，計(jì)算過(guò)程的離散與物理系統(tǒng)的連續(xù)存在本質(zhì)上的差異，如何解決模型的不一致性等問(wèn)題是ACPS建模必須逾越的障礙。另外，研究人員發(fā)現(xiàn)ACPS中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及功能屬性的驗(yàn)證存在密切聯(lián)系，且隨著數(shù)據(jù)挖掘及降維技術(shù)的發(fā)展，能夠用于設(shè)計(jì)分析的數(shù)據(jù)越來(lái)越多。因此，與傳統(tǒng)的建模方法不同，本文從ACPS的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā)，以實(shí)現(xiàn)離散數(shù)據(jù)與連續(xù)系統(tǒng)的深度融合及保證系

4、統(tǒng)穩(wěn)定性屬性為主要目標(biāo)，解決ACPS建模及驗(yàn)證過(guò)程中所面臨的難題。
　　主要的工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　(1)針對(duì)ACPS包含的離散與連續(xù)模型不一致問(wèn)題，提出了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的ACPS建模方法。離散的計(jì)算過(guò)程與連續(xù)的物理系統(tǒng)共存是ACPS的主要特點(diǎn)，但它們考慮問(wèn)題的角度不同，且建模方式存在巨大差異。前者通常采用PETRI網(wǎng)、狀態(tài)機(jī)、AADL等計(jì)算機(jī)領(lǐng)域所通用的建模語(yǔ)言，后者則主要使用微積分方程、數(shù)學(xué)表達(dá)式的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了解

5、決兩種模型存在的差異，文章對(duì)ACPS測(cè)試獲得的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出從離散的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理的分組方法(GMDH)建立系統(tǒng)連續(xù)模型。數(shù)據(jù)是ACPS所有子系統(tǒng)必須處理的對(duì)象且表現(xiàn)出一定的關(guān)聯(lián)性，通過(guò)提出的數(shù)據(jù)建模方法，實(shí)現(xiàn)ACPS信息系統(tǒng)與物理過(guò)程的深度融合，即離散到連續(xù)系統(tǒng)的建模過(guò)程(Discrete-Continuous Modeling，DCM)。在加州大學(xué)歐文分校提供的測(cè)試數(shù)據(jù)集基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)提出建模方法的有效性進(jìn)行

6、了驗(yàn)證。
　　(2)針對(duì)離散數(shù)據(jù)與連續(xù)模型存在誤差的問(wèn)題，提出了帶反饋機(jī)制的控制算法調(diào)整數(shù)據(jù)，達(dá)到縮小兩者誤差的目的。該算法從建模方法本身出發(fā)，對(duì)比DCM計(jì)算所得的因變量與離散數(shù)據(jù)，如發(fā)現(xiàn)兩者之間存在的誤差大于設(shè)定的閾值，則交換因變量和最強(qiáng)影響因子的位置，即將最強(qiáng)因子當(dāng)做因變量，重新建立系統(tǒng)的連續(xù)模型，在新模型中計(jì)算新因變量（即最強(qiáng)影響因子）的值反饋至離散數(shù)據(jù)，并將其再次作為自變量，重新建立關(guān)于原始因變量的連續(xù)模型，反復(fù)調(diào)節(jié)直至兩

7、者之間的誤差小于一定的閾值。從處理結(jié)果來(lái)看，該算法在DCM基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)模型優(yōu)化;從處理對(duì)象來(lái)看，實(shí)現(xiàn)了離散-連續(xù)-離散的建模過(guò)程(Discrete-Continuous-Discrecte Modeling，DCDM)，且將問(wèn)題本質(zhì)回歸至對(duì)離散數(shù)據(jù)的處理，為離散的計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用提供幫助。
　　(3)針對(duì)ACPS數(shù)據(jù)基于時(shí)序的特點(diǎn)，提出了一種偽鄰近點(diǎn)法與C-C法相結(jié)合的聯(lián)合算法(FCC)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理是有效利用數(shù)據(jù)分析

8、系統(tǒng)性能的前提條件，相空間重構(gòu)將基于時(shí)間的數(shù)據(jù)序列按照指定的嵌入維度和時(shí)間延遲排列，是數(shù)據(jù)處理的一種常見(jiàn)手段。針對(duì)C-C法默認(rèn)取嵌入維度為2-5，與實(shí)際系統(tǒng)存在差距的問(wèn)題。本文提出將偽鄰近點(diǎn)法求得的嵌入維度m作為C-C法計(jì)算時(shí)間延遲t的重要參數(shù)，根據(jù)需要對(duì)時(shí)間延遲的求解提出改進(jìn)，將獲取的ACPS數(shù)據(jù)按FCC法重構(gòu)。在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明提出的FCC法不僅能得到最佳的嵌入維度與時(shí)間延遲還具有一定的去噪功能。
　　(4)

9、針對(duì)ACPS的穩(wěn)定性問(wèn)題，提出了一種基于關(guān)聯(lián)維度的穩(wěn)定性驗(yàn)證方法。傳統(tǒng)的驗(yàn)證包括仿真測(cè)試、形式化方法等都需要預(yù)先估計(jì)系統(tǒng)分析所需的先決條件，這在復(fù)雜的ACPS中難以實(shí)現(xiàn)。而關(guān)聯(lián)維度是分形幾何與混沌系統(tǒng)的概念，大量研究表明維度與系統(tǒng)所呈現(xiàn)出的特征包括穩(wěn)定性、可靠性等存在密切聯(lián)系。本文從測(cè)試獲得的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā)，在數(shù)據(jù)相空間重構(gòu)基礎(chǔ)上將測(cè)試獲得的離散數(shù)據(jù)劃分為若干等價(jià)的子空間序列（若時(shí)間延遲為t，則劃分為t個(gè)子空間），并計(jì)算子序列的關(guān)聯(lián)維度值