本书面向赛博物理系统(CPS)的智能、自主和适应的复杂性特征，聚焦建模与仿真(M&S)技术在基于模型的工程、基于仿真的工程等方面的研究成果，广泛汇编并综述近年来国际上多个政府组织、研究团体的相应的文献和验证项目，面对被广为关注的智慧城市、自主驾驶、复杂防务体系等多个应用领域，详细阐述CPS工程中M&S技术的领先应用模式；同时，就普适性解决方案中共享的概念，如CPS统一本体架构、自主系统协同仿真框架、自主系统架构、复杂系统强韧性测度以及社会系统演进等，提出了卓有建树的开放性研究思路和探索方向，从而激发读者对M&S的研究兴趣，并将其应用于CPS工程的技术与管理流程中，使本书成为基于模型的系统工程(MBSE)中应用优选M&S技术和方法的一站式参考，从而为工程领域提供领先的设计和评估能力发挥重要的作用。
本书适合从事复杂组织体系和优选工程系统开发方法研究的学者，以及系统架构师、系统工程师等从业者阅读；可作为系统工程大学教育中复杂系统设计分析的专业课程的教材，也可作为其他专业课程扩展领域的参考书，如针对计算机科学的人工智能和赛博安全、电子工程和控制工程的嵌入式实时系统、机械工程的现场制造系统等。

第一部分简介
第1章赛博物理系统工程中建模与仿真应用的复杂性3
1.1概述/3
1.2CPS多模态的本质特征/4
1.3为什么CPS工程如此复杂/5
1.4CPS工程的M&S技术/8
1.5智能性、适应性和自主性方面/10
1.5.1智能性/10
1.5.2自主性/13
1.5.3适应性/14
1.6总结/15
致谢/17
参考文献/17
第2章智能赛博物理系统运行和设计中的挑战22
2.1概述/22
2.2联网的自动驾驶汽车/23
2.3人类的体能和认知能力的演变/24
2.3.1能量效率和身体操控/25
2.3.2认知/25
2.3.3语言与交流/25
2.3.4从自然到技术/25
2.4智能赛博物理系统的全景/26
2.4.1工程系统分类/26
2.4.2工程系统集成体的生命周期/28
2.5系统运行中的挑战/29
2.5.1互联运行/29
2.5.2协同运行/31
2.6系统设计和测试中的挑战/32
2.6.1设计/32
2.6.2测试/33
2.7结论/34
参考文献/35
第3章北约应用建模和仿真支持自主系统的演进43
3.1概述/43
3.2北约的自主系统/44
3.2.1北约RTO/SAS097:支持未来北约作战的机器人计划/45
3.2.2MCDC:自主系统(2013—2014年)/46
3.2.3北约M&S优异中心(COE)在自主系统和赛博领域的努力/48
3.3自主系统的建模与仿真会议(MESAS)/49
3.3.12014年MESAS/50
3.3.22015年MESAS/51
3.3.32016年MESAS/52
3.3.42017年MESAS/53
3.4自主系统:未来的挑战和机遇/54
3.4.1两用技术是可靠和可持续的关键/55
3.4.2新方案中的两用功能/56
3.4.3应急管理中的自主系统支持北约实现新的能力/57
3.5结论/59
参考文献/59
第二部分支持CPS工程的建模技术
第4章多视角建模和整体仿真———支持非常复杂系统分析的系统思维方法67
4.1概述/67
4.2相关研究工作/70
4.3MPM&HS的概念基础/72
4.4多视角建模/73
4.4.1复杂系统的通用本体/74
4.4.2层面层级/75
4.4.3尺度层级/75
4.4.4模型层级/76
4.5整体仿真/77
4.6MPM&HS流程/77
4.7应用/78
4.8讨论/81
4.8.1多视角模型的整体集成背后的语义是什么/82
4.8.2如何验证整体集成/82
4.9结论/83
参考文献/83
第5章赛博物理系统层级化协同仿真的统一框架89
5.1概述/89
5.2相关工作/91
5.3HyFlow形式化方法/91
5.3.1基本的HyFlow模型/92
5.3.2案例:脉冲积分器/92
5.3.3HyFlow网络模型/94
5.4数值积分/95
5.4.1指数积分器/96
5.4.2几何积分器/97
5.4.3模型的可组合性/98
5.5流形随机Petri网/99
5.6结论/102
参考文献/102
第6章基于模型的体系工程权衡分析106
6.1概述/106
6.2体系、赛博物理系统和物联网/106
6.3体系权衡分析的挑战/108
6.4基于模型的架构作为体系权衡分析的框架/111
6.5建立体系目标和评估准则/116
6.6评估可选的方案/117
6.6.1支持体系权衡空间分析的轻量级分析工具/118
6.6.2支持体系权衡空间分析的集成工程环境/122
6.7结论/124
参考文献/126
第7章管控物联网生态系统复杂性和风险的系统实体结构建模130
7.1概述/130
7.2IoT的定义以及以设备为中心的世界观/132
7.3系统实体结构(SES)模型/134
7.4IoT模型/138
7.5案例研究:Mirai攻击/140
7.5.1说明/140
7.5.2使用IoT的SES模型对Mirai用例建模/140
7.6IoT的风险/146
7.6.1IoT技术后果/146
7.6.2综合风险评估框架/146
7.7结论/147
参考文献/149
第三部分基于仿真的CPS工程
第8章支持CPS嵌入式控制器高效开发的仿真模型连续性155
8.1概述与动机/155
8.1.1赛博物理系统的控制/156
8.1.2DEVS作为建模和仿真的形式化方法/158
8.1.3仿真模型连续性的方法/159
8.2相关技术背景/160
8.2.1DEVS框架/161
8.2.2PowerDEVS仿真器/162
8.2.3机器人操作系统中间件/162
8.3应用ROS的DEVS(DoveR):基于模型连续性的方法论的实现/163
8.3.1PowerDEVS引擎与ROS中间件之间的通信/165
8.3.2RaspberryPi的嵌入式仿真/168
8.4机器人实验平台:硬件和模型/168
8.4.1连续的机器人模型和离散的调节控制器/169
8.4.2硬件描述/170
8.5实验性案例研究:以模型连续性为中心的方法论支持控制器的开发/171
8.6实施DoveR的挑战/174
8.7结论/175
参考文献/176
第9章预测慢性病症状事件的CPS设计方法论179
9.1概述/179
9.1.1移动云计算与健康中的预测建模/179
9.1.2IoT的能源效率/180
9.1.3偏头痛疾病/181
9.1.4CPS设计中的建模与仿真/182
9.2一般的架构/182
9.2.1数据采集系统/183
9.2.2鲁棒预测系统/183
9.2.3专家决策系统/187
9.3软件模型和物理实现/187
9.3.1软件模型/189
9.3.2物理实现/191
9.4能量消耗和可扩展性问题/194
9.4.1能量消耗/194
9.4.2可扩展性问题195
9.5结论/197
参考文献/198
第10章面向自主应用基于模型的工程200
10.1概述/200
10.2背景/200
10.2.1验证与确认/201
10.2.2基于模型的系统方法:关联到CPS/202
10.2.3基于模型的V&V/203
10.2.4面向自主的应用/204
10.3基于模型的工程方法/204
10.3.1基于模型的工程的工作流/206
10.3.2特定领域建模环境/207
10.4基于模型的工程中的建模与仿真/208
10.4.1基于模型的工程中的计算建模/209
10.4.2软件在环仿真/211
10.4.3硬件在环仿真/212
10.5用例:控制车辆CPS的速度/212
10.6用例:CPS设计的特定领域建模语言/215
10.7结论/216
参考文献/217
第四部分赛博元素
第11章关注赛博物理系统的安全227
11.1赛博物理系统/227
11.1.1赛博物理系统的定义/227
11.1.2相关系统/227
11.2面临的安全挑战/228
11.2.1运输:车辆安全/228
11.2.2健康IT:医疗设备安全/229
11.2.3能源系统:智能电网/230
11.3CPS安全M&S的挑战和机遇/231
11.3.1将M&S应用于系统安全工程和强韧性/231
11.3.2CPS安全的数字孪生概念/232
11.3.3将M&S应用于CPS风险评估/232
11.3.4CPS赛博靶场/232
参考文献/233
第12章赛博物理系统强韧性———框架、测度、复杂性、挑战和未来方向236
12.1概述/236
12.2赛博强韧性:相关研究工作简介/236
12.3赛博物理系统的强韧性/237
12.3.1强韧CPS的特征/239
12.3.2强韧性测度的要求/239
12.4强韧性测度和框架/239
12.4.1CPS赛博威胁态势/240
12.4.2CPS强韧性测度/241
12.4.3CPS的赛博强韧性框架/243
12.5定性的CPS强韧性测度/246
12.6CPS强韧性的定量建模/248
12.6.1关键赛博资产的建模/248
12.6.2跳板攻击的建模/249
12.6.3风险和强韧性的建模与估计/249
12.6.4攻击场景的建模与设计/252
12.6.5基础物理过程和设计约束的建模/253
12.7CPS强韧性测度的仿真平台/254
12.7.1定性仿真平台/254
12.7.2定量仿真平台/255
12.7.3验证和确认计划/256
12.7.4仿真平台的用例/256
12.8复杂性、挑战和未来方向/258
12.9结论/260
参考文献/261
第13章社会结构中的赛博创造物265
13.1概述/265
13.2赛博物理系统的涌现性/267
13.3分布式代理:描述多层次结构和机构的语言/269
13.4社会适应性:对于人类适应并操控环境的自然延伸/274
13.5复杂性与社会性:CPS与社会科学的适配点/275
13.6CPS结构:应用到人类方面/277
13.7结论/284
参考文献/285
第五部分发展方向
第六部分第14章赛博物理系统工程建模与仿真应用复杂性的研究主题291
14.1概述/291
14.2在本书中识别的研究挑战/292
14.2.1公共的形式化方法/292
14.2.2复杂的环境/293
14.2.3复杂的工具集/294
14.2.4多视角挑战/296
14.2.5复杂项目中支持更好沟通的M&S方法/297
14.2.6赛博物理系统强韧性/298
14.2.7支持人-机团队/299
14.3讨论/300
参考文献/300
结束语赛博物理系统——用建模和仿真均衡人们的热情和谨慎305
参考文献/306
附录词汇表/307