基于CPS智能系统的协同仿真技术研究

作     者：魏奔 

作者单位：海南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张雨

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：CPS智能系统 协同仿真 抽象建模 时间同步协议 

摘      要：CPS智能系统(Intelligent Cyber-Physical Systems,ICPS)是一种新型的复杂系统,其融合了物理、信息和人工智能的技术,现在已经被广泛地应用于智慧交通、智慧城市、智能医疗、智能家居、航空航天、海上勘探等各个领域。因为CPS智能系统融合了多方领域的技术,使其具有不确定性、异构性、复杂性和多样性等特点,因此需要协同仿真技术对此类系统进行仿真分析。传统的协同仿真方法对于交互模型的时间语义描述不够精确,并且仿真器之间的同步协议存在仿真精度和仿真效率的矛盾,因此,本文针对以上问题展开了研究,提出了一种基于CPS智能系统的协同仿真方法。本文的主要工作如下:(1)基于CPS智能系统研究提出了一种协同仿真框架,并构建了相应的协同仿真实验平台,基于该框架设计了物理仿真模型、信息仿真模型和交互模型。(2)研究提出了交互模型的基本时间交互类型,并针对CPS智能系统中信息年龄老化的问题,提出了基于AoI机制的时间交互类型。在协同仿真实验平台上,以智能机器人对室内人物追踪这一实验场景进行了不同交互类型的仿真实验。实验结果表明,信息年龄老化会对CPS智能系统的仿真结果产生的影响,多种不同的交互模型的时间交互类型会给系统提供更多的有效信息。(3)针对仿真器之间的同步问题,提出了时步法、全局事件驱动法和变步法三种时间同步协议,并在协同仿真实验评估了三种时间同步协议在仿真效率和精度上的优劣。实验结果表明,三种时间同步协议在仿真效率和精度方面表现不同,所提出的协议能够针对特定场景在仿真效率和精度方面取得折中。(4)搭建基于Robomaster EP的实物实验平台,通过对比仿真实验和实物实验数据的方式,验证了基于AoI机制的信息年龄老化的时间决策交互类型能够更加接近实物实验,同时进一步验证了上述所提协同仿真方法的有效性和可行性。