可控环境生产系统建模、仿真与控制研究进展

可控环境生产系统属于复杂系统,目前对这类系统的建模及控制问题没有形成系统的方法与理论,因此在对这类系统进行控制时,缺乏理论依据.本文在回顾过去几十年可控环境生产系统建模与控制的各种方法的基础上,探讨了当前可控环境生产系统在系统建模、仿真及控制中存在的问题,如支持生产可使用的作物生长数学模型信息的不完整性,水肥系统的模型信息的时间尺度问题,环境模型的动态时变特性以及作物、土壤、大气相关变量的作用关系,耦合的多环境因子的控制问题、包括能耗在内的冲突多目标控制问题和考虑模型误差和气候突变等不确定性的鲁棒控制问题等.在此基础上,根据系统的特性:多变量,非线性,多模型(作物模型,土壤模型,大气模型)、模型之间强耦合、大尺度、能量有限、分布参数、冲突多目标等的特点,提出了该系统有效建模、仿真、控制急需解决的瓶颈问题和可能的研究趋势.     

基于应用语义的网构软件松弛事务模型研究

事务处理是保障服务协作可靠性的关键技术，由多个具备事务特性的服务通过交互和协作复合而成的服务称为事务性复合服务（transactional composite service，TCS）．为保证TCS执行的松弛原子性，现有的研究主要依靠对TCS语法结构的分析，但语法结构反映不出特定的应用语义信息，从而对服务事务能力要求过高，导致了很多不必要的失败恢复甚至放弃．给出了一个基于应用语义的网构软件松弛事务模型，包括系统模型、松弛原子性、松弛原子性可满足检查算法、执行保障算法．用户可以根据应用语义，为TCS赋予特定的松弛原子性约束ε，包括TCS合理结束配置，以及对各个合理结束配置的倾向性顺序．ε-松弛原子性可满足检查算法可以确保TCS执行满足指定的ε-松弛原子性．执行保障算法根据酌束监控TCS的执行，主动进行重试、补偿等操作，将松弛原子性的规约与保障抽象到系统层次进行，分离了关注点．     

R-演算:一个修正程序规约的演算系统

在一个软件规约(program specification)的形成过程中, 规约总是不断被修改, 要么增加新的功能, 要么由于出现事实反驳, 而改正规约中的错误. 规约的新功能是与其逻辑无关的新规则, 而它的事实反驳则是其反例. 新规则和事实反驳都是由研究者或用户提出来的. 极大缩减是在规约出现事实反驳的情况下, 对规约的理想修正. 这里在一阶逻辑的框架下给出规约的新规则、事实反驳和极大缩减的模型论定义. 构建了R-演算. 该演算由一组变换规则组成, 用以删除规约中与事实反驳矛盾的规则, 并最终得到规约的极大缩减. 同时证明了R-演算的可达性和完全性.     

面向网构软件的环境显式化技术

网构化软件处于开放、动态、难控的环境之中，需能感知并适应环境的变化，以持续提供用户满意的服务．传统软件构造技术缺乏对环境感知和适应的系统支持．本文在前期工作基础上，提出一种面向网构软件的软件结构，通过为软件系统配备先验的环境模型和环境规约来实现环境处理的显式化．进而，介绍了我们使用这种方式来处理开放环境之分布异步性、感知信息的不一致性以及环境中人类用户行为特性等的若干具体技术进展．而后，讨论了一种先验环境模型及环境规约的开发方法原理，给出了相应的环境驱动逻辑的静态表达与运行实现机制．该方法和机制可较好地支持环境处理与应用业务逻辑间的关注分离．     

知识推理的一个模型

引入了能描述操不同语言的多agent系统中知识推理的模态逻辑语言及其Kripke语义与Aumann语义 ,为其建立了完备的形式化演绎系统 ;并构造了多agent系统的逻辑的Institution .     

开放环境中基于自适应分布控制的群体机器人多目标搜索方法

多目标搜索问题是群体机器人一个重要的研究方向.现有工作多集中在带边界空间内的多目标搜索问题,而在开放环境中,探索机制会导致群体分散性过强而减弱探索能力.本文通过引入自适应扩散回归策略,在带有假目标的开放环境中,提出了具有高鲁棒性和适应性的群体机器人多目标搜索算法.文中首先从初始状态和处理假目标两方面对现有的主流群体机器人多目标搜索算法进行优化;基于机器人分布控制,本文对自适应群体机器人粒子群优化算法进行优化,提出基于自适应分布控制的群体机器人粒子群优化算法;其次,基于概率有限状态机搜索算法(PFSMS)对开放环境中的多目标搜索算法进行进一步的探索,本文以搜索时间为切入点,在PFSMS原有三种状态的基础上,添加回归状态作为附加状态,提出了基于自适应分布控制的概率有限状态机搜索算法(DPFSMS).当智能体的探索时间超过阈值时,智能体的速度由回归分量和扩散/搜索分量构成. DPFSMS算法给出了在无边界开放环境中的搜索策略,通过限制群体的扩散速度来自适应地调整智能体在无适应度值区域的运动随机性.最后,本文将DPFSMS算法与现有方法进行了对比,在对比实验中DPFSMS算法取得了目前最好的效...     

基于形式化测试的实时系统变更后安全性验证

变更后系统实现的安全性验证是安全攸关系统维护过程中必不可少的环节,也是其面临的主要挑战之一.软件模型检测和程序验证是目前常用的作用于代码层面的自动化安全性验证技术.本文站在系统行为角度,基于形式化方法,提出了一种将变更后系统实现的安全性验证问题归结为一致性测试的方法,尝试通过自动生成的一致性测试用例在系统行为级别上判定系统实现是否安全.为此,首先以时间输入输出自动机及其语义模型为基础,构建了该方法的证明体系,证明了该方法的正确性;其次,建立了变更后系统实现安全性验证的回归测试生成框架.相对于其它实时系统测试方法,这种测试方法不仅可以发现实时系统中常规的不一致性缺陷,而且为变更后系统实现在运行时是否满足指定的安全性属性提供了依据.最后,以轨道交通系统中的列车自动防护功能的变更情景为案例研究,说明了方法的具体应用.     

矿井通风构筑物失效与通风系统功能失效的关系

以概率论与数理统计、可靠性工程、失效分布类型的确定方法为理论基础,对矿井通风构筑物失效与通风系统功能失效进行研究,定义了通风构筑物失效概率函数以及风量失效、风质失效、通风功能失效的判断函数,分析了通风构筑物与通风系统功能在失效模式中的关联关系。实例分析表明,矿井通风构筑物的失效分布类型服从正态分布、均匀分布;在维修周期内,单一通风构筑物失效概率一定时,通风功能不失效;多个通风构筑物以一定的失效概率并行存在时,通风功能可能失效。研究表明,对井下通风构筑物进行失效分析可以随时连续地判断通风功能的失效性,并及时采取有针对性的补救措施进行修复,控制煤矿灾害事故的发生。     

一类动态多尺度系统的最优滤波

研究一类动态多尺度系统的最优滤波, 这类系统由具有不同分辨率的多个传感器独立观测, 而系统具有已知的动态系统模型约束. 假设传感器的信号采集带宽成倍递减, 相应的采样频率也成倍递减. 用Haar小波变换来拟合状态在各尺度空间的投影关系, 给出该类多尺度系统的离散模型, 并证明了其可以直接应用Kalman滤波的条件. 基于线性时不变系统, 研究了系统的可控可测性以及滤波的稳定性, 并给出了一个判定定理, 证明系统只要在最细尺度上可控可测, 则Kalman滤波是稳定的. 最后以匀速直线运动过程为例, 验证了所提建模与估计方法的有效性.     

可复用远程监控软件的设计与实现

介绍了一种在Internet环境下可复用远程监控软件设计方案。采用双向链表与列表的复式结构合理设计系统业务调度模式，结合实际监控环境特点，做到了对各生产厂家传统串口仪器的无缝兼容。使用多源异构数据查询中间件技术对SQLServer和Access数据库进行数据访问，并采用多元线性回归模型准确预测系统未来变化趋势。结合发布一订阅模式（Publish-Subscribe），提高软件的可复用性和可维护性，既有效地满足了实际监控需求，又为将来软件功能的扩展和裁剪预留了接口。实际应用表明，该设计具有很好的推广价值。     

基于网络的可信软件大规模协同开发与演化

随着网络时代的来临,软件的开发模式、运行环境和提供方式发生了巨大变化.互联网作为一种开放的协同工作环境,其中孕育的大规模协同创作机理对软件开发和应用产生了深刻影响.如何将其与工业化可信软件生产相结合以提高软件生产效率和质量,是网络时代软件技术面临的新课题.本文提出汇聚群体智慧的可信软件开发新方法——群体化方法,该方法的核心是"群体协同、资源分享、运行监控、可信分析",支持创新软件作品向可信软件产品转化,支持软件的可信演化.提出一种基于证据的可信软件概念模型,将软件在开发阶段、分享阶段和应用阶段的基础数据作为软件的可信证据,并据此建立了软件演化过程模型;提出一种支持可信软件协同开发与演化的服务模型,支持软件创作与生产深度协同的可信软件社会化生产、开放有序的可信软件资源分享,以及基于海量数据分析的软件可信评估.最后以"十一五"国家高技术研究发展计划重点项目"高可信软件生产工具及集成环境"为背景,阐述了面向群体化方法的关键技术、开发环境和应用实践.     

复杂软件系统的成长性构造与适应性演化

随着信息网络技术的渗透性发展,复杂软件系统正在成为一种泛在的新型软件形态.此类软件系统通常由相当数量的局部自治的软件系统相互耦合关联而成,具有"系统之系统"、"信息—物理"融合系统和"社会—技术"交融系统的特点,表现出成员异质、边界开放、行为涌现、持续演化等一系列新的性质.这些特征打破了传统基于"还原论"思想的软件工程理论和技术所基于的基本假设,使其难以适用于复杂软件系统的构建.本文分析复杂软件系统的内涵、形成特征和基本性质,深入讨论复杂软件系统在构造和演化环节所面临的挑战,借鉴互联网以及生命系统、社会系统和经济系统等复杂系统的形成和演进模式,提出复杂软件系统的"成长性构造"和"适应性演化"法则,阐述这两条法则所涉及的主要科学问题和关键支撑技术.本文试图为复杂软件系统的构建和发展提供新的方法学和架构层面的支持.     

基于Watch—dog的嵌入式煤层注水多级保护系统设计

针对现有煤层注水自动控制系统因抗干扰能力有限,无法在部分条件恶劣的采区长时间稳定工作的实际情况,设计了采用多级看门狗组成的嵌入式保护系统。本系统提供了四个级别的保护措施,根据故障严重程度,保护级别逐步升级,在控制系统出现软硬件故障后,包括出现电磁干扰或死锁现象后,不同看门狗启动不同保护措施,使系统恢复正常。在保护系统电路设计中充分考虑了看门狗定时器的独立性、故障安全性和作用实时性三方面因素,各级看门狗用最少的软件及硬件实现,降低了系统冗余。本设计在多个注水自动控制系统的改造实践中应用,有效地提高了原系统的稳定性、可靠性,具有很强的应用和推广价值。     

基于组织的网构软件程序设计语言及其实现

作为Internet环境下的一种新的软件形态,网构软件的自主性、协同性、适应性、演化性及柔性体系结构等特点对传统的程序设计模型、语言和支撑平台提出了一系列挑战．本文基于组织抽象和agent技术提出了支持网构软件构造的程序设计语言OragentL．首先,OragentL将软件agent作为网构软件中自主实体的抽象,并在这一层面设计和封装系统的自适应和自演化逻辑．其次,OragentL将组织、角色等组织抽象作为一级编程实体,提供了角色扮演、角色组合、角色演化、基于角色的交互、基于组织的自管理等机制为网构软件的动态性特点提供了显式的语言设施和机制支撑．我们设计了OragentL的语法和形式化操作语义,并开发了Oragentburg作为OragentL网构软件的运行时环境,支持0ragentL程序的开发、编译、部署和运行     

ABC:一种全生命周期软件体系结构建模方法

随着计算机硬件能力的快速增长和软件应用规模的不断扩大,软件的复杂性也在持续增长,并始终制约着软件开发效率和质量的有效提升.软件的结构复杂性,尤其是高层结构的复杂性,是软件复杂性的一种重要表现.如何实现对软件高层结构复杂性的有效控制,是当前开放、动态、难控的网络环境下大规模软件系统开发与演化所面临的主要问题.针对这个问题,我们将设计阶段高层结构复杂性的控制模型―软件体系结构模型―扩展到整个软件生命周期,提出了一种以体系结构为中心的软件开发方法―ABC.该方法将软件生命周期各阶段的核心制品与活动,统一到软件体系结构模型及对其连续迭代的细化、映射和转换,实现对软件高层结构复杂性的一致、灵活、系统化的建模和管理.本文旨在系统性地总结ABC方法在软件体系结构建模方面的成果,并重点介绍近几年在协同式特征建模、运行时体系结构生成、体系结构逆向恢复与建模等方面取得的新进展.     

复杂能源系统结构演化和评价的新模型

能源系统作为开放的有机整体,是一个无确定边界的、与环境耦合的实体。定义了描述该实体的新物理量,由此建立了能源系统演化和评价的新模型,对“参考情景”、“可选择情景”以及“高经济增长情景”三种模式下的中国能源系统结构演化进行了案例分析,得到了合理的结果。该模型也为一般的社会经济系统发展提供了比笛卡尔一牛顿式的机械模型和熵增的热寂模型更合理的图景。     

一种基于一阶逻辑的软件代码安全性缺陷静态检测技术

软件代码安全性缺陷是可能引发软件系统高危后果的一类重要缺陷,针对该类缺陷的自动化检测和定位技术在软件维护和演化研究领域具有重要意义.本文提出并实现了一种形式化检测方法——基于一阶逻辑的软件代码安全性缺陷静态检测方法,利用命题逻辑和谓词逻辑定义模式路径公式,引入多个与依赖关系相关的谓词构造逻辑函数表达式,作为模式路径节点产生的制导条件,实现了对多类软件代码安全性缺陷的形式化描述,把安全性缺陷检测问题转化成在中间代码对应的有限状态空间中是否存在相应模式路径公式的判定问题.实验结果表明,该方法能适用于大多数类型的软件代码安全性缺陷检测,在对openssl,wu-ftpd等13个开源程序的测试中,准确重现了10个已公开安全漏洞,发现2个未公开安全漏洞.并且,与现有的模型检验等形式化静态分析方法相比,该方法的测试时间和代码规模成渐近线性关系.     

面向网络的操作系统——现状和挑战

操作系统是计算机系统中最为关键的一层系统软件．长期以来,操作系统发展的主线是面向单机,追求更好地发挥计算机硬件的计算能力,同时为上层应用和用户提供更友好易用的接口．随着网络技术的发展,如何更好地支持网络构成了操作系统发展的一个重要辅线．近年来,由于互联网的迅速普及,面向网络的操作系统得到了广泛的关注,并逐渐成为操作系统发展的新主线．为了更好地管理互联网上的分布海量资源,同时为互联网时代的新型应用和服务提供支持,操作系统技术正在产生许多重要的变革．本文简要回顾了操作系统的发展历史,分析了在互联网时代操作系统面临的主要挑战．在总结现有面向网络的操作系统的研究进展的基础上,讨论了其主要特点和未来发展趋势．最后,也介绍了我们在此领域针对网构软件的研发尝试．     

大坝安全网络监控数据采集系统的设计

介绍一种基于分布式结构的大坝安全网络监控数据采集系统系统分别利用RS-485网络和以太网与下层测量仪器和上层的监控主机连接,采用分布式结构以及组网方式,实现大坝安全网络监测自动化软件对整个大坝形态进行实时监控.重点研究数据采集器的工作原理、硬件构成以及上位机监测软件的设计与实现.该系统能够有效满足大坝远程通信和监控的要求并已成功运用于大坝安全监测领域.