本节书摘来自华章出版社《信息物理融合系统（CPS）设计、建模与仿真——基于 Ptolemy II 平台》一书中的第1章，第1.1节，作者：［美］爱德华·阿什福德·李（Edward Ashford Lee），更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看
第一部分 入门
本书第一部分主要介绍系统的设计、建模与仿真。第1章首先概述了异构系统规范化建模的指导性原则，从较高的角度对将在第二部分中详细描述的计算模型（Model of Computation，MoC）进行概述。另外，第1章还提供了一个高度简化的研究案例（一个发电机组），该案例阐明了多种不同计算模型在复杂系统设计中所起的作用。
第2章提供了一个利用图形用户界面Vergil使用Ptolemy II的操作指南。本书目标之一就是使得读者能够在系统设计过程中利用开源的Ptolemy II进行实验。这章的目的在于提供足够的信息，以使读者成为Ptolemy II的合格使用者。关于如何对Ptolemy II进行扩展，读者可参考本书第三部分。
第1章 异构建模
当前的许多工程系统通常都结合了异构且复杂的子系统。例如一辆汽车，就可能结合了一个复杂的发动机、很多的电子控制单元（Electronic Control Unit，ECU）、引擎控制系统、车身电子控制系统（用于控制车窗和门锁）、娱乐系统、空调控制和通风系统，以及各种安全子系统（如安全气囊）。每个子系统可能又由软件、电子及机械部分联合组成。实现如此复杂的系统的确是一项挑战，尤其在于：即使最小的子系统也跨越了多个工程学科领域。
这些复杂系统同样也对设计工具带来了挑战。工程师通过使用设计工具对系统进行规格化、设计、仿真及分析。如今，仅仅是画出机械结构的草图，然后列出一些等式描述机械部分之间的交互是不够的。而且，无论是完全依靠机械部分的3D建模软件工具，还是依靠用于软件系统的基于模型的设计工具，都是不够的。各个领域（机械、软件、电子、通信网络、化学、流体动力学以及人为因素）之间相互联系的复杂性削弱了只适用于单个领域工具的有效性。
本书重点针对信息物理融合系统（Cyber-Physical System，CPS）（Lee，2008a，2010a；Lee and Seshia，2011），这种系统将物理动力学与计算和网络结合。CPS需要通过模型组合的方式将物理过程的连续动态（通常用微分方程描述）与软件模型集成在一起。有些应用需要结合组件间的计时交互和传统算法计算来实现，这种情况下混合模型是最有效的。在那些算法组件间有并发交互（concurrent interaction）的传统软件系统中，也可以使用混合模型。
补充阅读：关于术语“CPS”
术语“CPS”（Cyber-Physical System）出现于2006年前后，是由美国国家科学基金会的Helen Gill所提出。对于William Gibson的“赛博空间”（cyberspace）一词，我们都很熟悉。Gibson在小说《Neuromancer》（神经漫游者）中用这个词来表示用于人类之间相互通信的计算机网络媒介。我们试图将术语赛搏空间与CPS联系起来，但是术语CPS的根源更深远。或许，把cyberspace和CPS视为由同一词语“控制论”（cybernetics）演变出的同源词会更准确一些。
术语“控制论”由美国数学家Norbert Wiener （Wiener，1948）提出，他对控制系统理论的发展有巨大影响。在第二次世界大战期间，Wiener发明了高射炮的自动瞄准和射击技术。虽然他使用的机制并不涉及数字计算机，但涉及的原理与现今很多基于计算机的反馈控制系统相似。Wiener发明的这个词起源于希腊语κυβερνητη?（kybernetes），意思是舵手、长官、领航员或船舵。该比喻对控制系统来说是很恰当的。
Wiener将他对“控制论”的理解描述为控制和通信的结合。他对控制的概念根植于闭环反馈（closed-loop feedback），这里的控制逻辑由对物理过程的计量结果驱动，然后控制逻辑反过来也驱动物理过程。即使Wiener没有使用数字计算机，但控制逻辑从效果上来讲就是一种计算，因此“控制论”就是物理过程、计算和通信三者的结合。
Wiener当时没有料到数字计算和网络的巨大影响力。“Cyber-Physical System”可能被模糊地解释为“赛博空间”和物理过程的结合，这一点削弱了CPS可能具有的巨大影响力。CPS对信息技术带来的显著影响，甚至超越了Wiener时代最疯狂的想象。
1.1 语法、语义、语用
在撰写本书的过程中，工程工具和技术正处在巨大变化时期。这种变化推动着我们的工作，使我们有能力适应系统日益增加的复杂性和异构性。过去，整个行业都围绕着为单一的工程领域提供设计工具，比如数字电路、软件、3D机械设计、采暖及通风领域。如今，我们看到越来越多设计工具的整合和组合；独立工具常常扩展到工具套件，并提供传统领域以外的功能。这种变革也带来了一些问题，即不良好的集成会导致一些不可预期的行为。工具集成常常导致怪异集成（frankenware），也就是说，由几乎不兼容的工具组成的不稳定组合很难得到有效维护和使用。
另外，在一个相对狭窄的领域中一贯良好的工具，在更广泛的领域中却并非那么有效。今天复杂的设计工具涉及语法（syntax）（如何表示一个设计）、语义（semantics）（一个设计表示什么，以及它是如何工作的）、语用（pragmatics）（Fuhrmann and von Hanxleden，2008）（工程师应该如何使设计可视化，并对其进行编辑和分析）的复杂组合，如图1-1所示。当一个设计工具被用于它的原始使用领域之外时，或者用于和其他工具的组合之中时，不兼容的语法、未充分理解的语义以及不一致的人机界面都有可能使得其不能有效使用。
会出现语法上的不兼容，是因为不同设计结构的本质是不同的（比如，软件的语法和3D设计几乎没有共同之处）。但是出现语法不兼容的一个更普遍的原因是，各种工具是在不同的工程领域以不同的技术开发的。以工具的语用为例，对于如何管理设计文件，如何追踪改动也会因不同发生时刻而不同。语义的差异也有一定偶然性，不同的理解会加大这种差异。语用在不同领域中可能具有不同意思。比如说，在控制工程师和软件工程师眼中，同一个框图可能代表着完全不同的意思。
本书使用Ptolemy II对异构建模的几个关键概念进行了检验。Ptolemy II是一个开源的建模和仿真工具。与大多数其他设计工具不同，Ptolemy II从开发之始就专注于异构系统。Ptolemy项目（UC Berkeley正在进行的一项研究）的一个关键目标就是将不同领域之间语法、语义和语用之间的差异最小化，并将不同领域设计之间的互操作性最大化。因此，Ptolemy II为 CPS系统的设计提供了一个有数的实验环境。
Ptolemy II集成4种不同类型的语法：框图、弧线图（bubble-and-arc）图、命令式程序和算术表达式。这些语法是互补的，这使得Ptolemy II能够处理各种设计领域的问题。框图用来表示相互通信的组件之间的并发关系；图用来表示状态或模式的顺序；命令式程序用来表示算法；算术表达式用来表示函数的数值计算。
Ptolemy II也集成了一些语义域。尤其是对于框图来说，它的语义有多种可能，彼此都有明显的不同。框图之间的连接表示设计中组件之间的交互（interaction）。但是什么类型的交互呢？是异步通信（如寄信）？是会话形式的通信（如打电话）？还是数据的定时更新（如在同步数字电路中那样）？在交互中，时间是否起到了作用？交互是离散的还是连续的？为了支持异构建模，Ptolemy II支持以上提到的所有需求，并且它还可以被扩展以支持更多的需求。
