内容简介
《智能汽车信息物理系统融合建模方法》系统阐述智能汽车信息物理系统（IVCPS）的核心理念、建模方法与工程应用。结合基于模型的系统工程（MBSE）理论，提出分层解耦认知框架，从多时空维度划分系统层级，建立组件化体系架构：定义CPS原子组件核心要素，制定复合组件组合规则，实现功能模块化构建。针对领域建模需求，解析IVCPS特定建模语言核心要素，完整阐明语法设计、元模型构建及语言开发验证全流程。在多源异构模型融合方面，创新提出接口封装机制与融合方法，开发配套工具链，并通过FMI联合仿真、S-Function集成等典型应用案例验证技术可行性。在实践层面，构建车云协同动态计算框架，依托城市交通典型的超视距场景（俗称“鬼探头”）进行多模态测试，验证了系统在复杂工况下的协同响应能力。《智能汽车信息物理系统融合建模方法》形成涵盖从理论方法、工具开发到场景验证的完整知识体系，为智能汽车研发提供多学科交叉的系统工程解决方案。
精彩书摘
第1章绪论
1.1智能汽车信息物理系统（IVCPS）的定义与内涵
新一代人工智能、大数据与云计算等数字化技术正在推动汽车、交通等相关领域的重大变革，智能汽车或智能网联汽车是新一轮科技革命和产业变革背景下的新生事物，近年来在全球范围取得诸多标志性进展，包括高精度传感器、高性能计算芯片等零部件层面核心技术的突破与量产、跨界融合的产业生态加速形成、辅助驾驶规模化产业化应用、自动驾驶在特定运行场景实现突破、示范应用开始向应用试点与商业化阶段探索等。
为抢占智能汽车产业战略制高点，各国纷纷将其纳入国家发展战略中，旨在推进新产业、新模式、新生态的发展，通过明确发展目标、完善顶层协同、支持技术创新、完善政策法规等方式，推动这一产业的创新发展和商业应用。同时，智能汽车的竞争关键在于技术的竞争，各国通过设立体系架构研究等关键项目（例如DoDAF），以重大专项推动技术攻关与产业进程。我国已在近年科技专项中设立了有关智能汽车、智能化交通基础设施等项目（包括本书涉及的研究工作），支撑打通智能汽车“基础前沿技术-共性关键技术-示范应用”的技术创新链条。
汽车的智能网联化主要体现在两方面：车辆自身功能的数字化与自动化；车辆与外界（路端、云端、外部平台等）的信息交互与深度耦合。根据国内外发展现状和趋势，我国率先提出基于智能网联汽车的车路云一体化发展路径，推进智能化与网联化的深度融合探索。车辆网联化后，车辆间、车路间、车云间基于信息交互获得极大赋能，使得传统车辆仅与周边车辆物理互动的行驶运行和交通模式发生变革，逐渐演化为具有内在信息物理主体多、异构特征凸显、交互关系多元、闭环调控能力增强等特征的新型复杂系统，其本质在于：将数字信息领域（Cyber）强大的实时映射、存储、处理和计算推演能力，深度融入传统车路组成的物理实体领域（Physical）之中，形成一个不可拆分、“虚实”结合的复杂大系统。该系统具有跨学科、跨领域、跨地域的高度复杂性、异构互操作性等信息物理系统（Cyber-Physical Systems，CPS）的典型特征。
这些新型特征对系统分析、设计、实现与测试验证带来新的挑战。为此，有必要应用复杂系统工程思路，顺应技术与产业发展趋势，全面解析和统筹智能车辆、智能化道路设施、低时延高可靠通信、交通信息网络、云平台等系统要素，形成一
套智能汽车信息物理系统协同发展的技术路径与体系。
智能汽车信息物理系统（IVCPS）可定义为：由车端、路端、云端的信息空间与物理空间中多类异构组件构成，通过信息物理多主体在多时空尺度下的交互、集成、融合与协同、决策、控制，在多域多层级上闭环赋能系统的新功能并进行应用服务拓展，在给定范围内实现智能网联汽车及应用系统的整体性能优化和服务水平提升。
在系统架构层面，IVCPS系统架构是基于车路云一体化的信息物理系统架构，具有分层解耦、跨域共用两大技术特征，且其中的智能网联汽车是满足我国基础设施、联网运营、新架构汽车产品三类标准的新一代智能汽车;在系统构成层面，IVCPS从传统着眼于载运装备，演进成以智能网联车辆为基础，与智能化路侧设备与设施、云控平台高度融合协同，以及由通信网、相关支撑平台、其他交通参与者共同组成的体系（System of Systems，SoS），具备成员系统*立性、体系内部集成匹配复杂性与交互协同涌现性；在系统特征层面，IVCPS具有信息物理系统的典型特征，是大规模网联通信应用实时协同计算环境的新一代汽车与交通融合系统，以服务融合和数据融合为支撑，实现物理空间与信息空间双向交互与协同控制。
对比一般性的复杂系统和信息物理系统，IVCPS同时具备以下特点：多主体/多尺度、多层级闭环、异构性、演进性、涌现性、开放性。
①多主体/多尺度。IVCPS中存在不同层级的信息物理主体（如网联车辆、各类交通控制器、*立的感知设备等）、物理实体（如人驾车、道路桥梁隧道等交通基础设施、各类交通标志及标线等）以及信息虚体（车端、路端、云端的各种通信及软件模块/子系统/系统），且种类多、规模大、数量多，各类组件/部件、子系统交互关系复杂，在不同时空尺度上呈现出信息物理属性及其交互关系多重差异的多时空尺度特征。
②多层级闭环。IVCPS基于车辆、路侧设施、通信及云端设施形成信息感知、计算、执行的局部和整体系统多层级数据闭环，具体为：IVCPS通过对其物理世界状态（如车辆状态、交通环境等）的实时采集、传输、分析进而在信息空间形成优化决策，并将决策指令实时下达驱动物理世界的运行（如车辆行为调控、交通信号调控等），经过多层次交织的闭环反馈迭代，构建物理世界和虚拟的信息世界深度融合和协同运行的信息物理一体化系统。
③异构性。IVCPS中的异构特性体现在多个方面，包括：信息系统与物理系统间结构与性质的差异性，不同颗粒度的信息物理主体在内部物理结构与信
目录
目录
“智能汽车信息管理系统丛书”序
前言
第1章 绪论
1.1 智能汽车信息管理系统(IVCPS)的定义与内涵 1
1.2 MBSE及其建模方法概述 3
1.2.1 MBSE概述 3
1.2.2 多领域统一建模方法 4
1.2.3 多领域融合建模方法 6
1.3 基于MBSE的IVCPS建模面临的挑战 6
参考文献 9
第2章 智能汽车信息管理系统认知与特征解构
2.1 智能汽车信息管理系统分层解耦 10
2.1.1 IVCPS时空尺度划分与功能定义 10
2.1.2 节点级IVCPS 11
2.1.3 单元级IVCPS 12
2.1.4 子系统级IVCPS 12
2.1.5 系统级IVCPS 13
2.1.6 区域级IVCPS 13
2.2 IVCPS系统组件构建方法 15
2.2.1 CPS原子组件定义 15
2.2.2 CPS复合组件及其构建方法 22
2.2.3 典型IVCPS原子组件及复合组件 27
3.2 特定领域建模语言的构建方法 46
3.2.1 构建流程方法 46
3.2.2 特定领域建模语言语法设计方法 46
3.2.3 IVCPS领域建模语言技术 48
3.3 IVCPS领域建模语言定义 50
3.3.1 IVCPS元模型 50
3.3.2 IVCPS领域建模语言开发过程 52
3.4 IVCPS语言验证测试 68
3.4.1 IVCPS领域建模语言验证 68
3.4.2 典型建模场景验证 70
参考文献 74
第4章 IVCPS多类别异构模型融合建模方法 75
4.1 多类别异构模型融合建模现状与分析 75
4.1.1 多类别联合仿真技术 75
4.1.2 分布式联合仿真技术 76
4.1.3 IVCPS 多类别仿真平台 78
4.2 多类别异构模型融合接口设计方法 82
4.2.1 多类别异构模型松耦合白盒集成技术 82
4.2.2 多类别异构模型分布式集成技术 84
4.2.3 多类别异构模型融合接口的设计 86
4.3 多类别模型融合方法及工具原型 111
4.3.1 多类别模型融合方法研究 111
4.3.2 多类别模型融合工具方案设计 127
4.3.3 多类别模型融合工具实现与验证 133
4.4 用例 140
4.4.1 基于FMI标准的模型融合 140
4.4.2 基于S-Function的模型融合 145
4.4.3 基于代码集成的模型融合 147
参考文献 150
第5章 IVCPS车云动态计算协同机制及典型应用 152
5.1 IVCPS融合建模的车云协同典型场景 152
5.1.1 功能场景 152
5.1.2 车路协同应用场景 155
5.1.3 道路交通领域中的商业应用场景 156
5.2 IVCPS车云协同系统架构 161
5.2.1 车云协同架构设计方法 161
5.2.2 IVCPS架构需求分析 162
5.2.3 功能架构 172
5.2.4 逻辑架构 184
5.2.5 物理架构 194
5.2.6 IVCPS车云协同架构设计总结 195
5.3 IVCPS车云动态计算协同方案 200
5.3.1 IVCPS车云计算位置 200
5.3.2 IVCPS车云动态计算协同架构 203
5.3.3 车云计算协同虚实数据同步要点 205
5.3.4 IVCPS车云动态计算协同策略 209
5.3.5 IVCPS模型的车云动态计算协同机制设计 210
5.3.6 IVCPS模型的车云动态计算协同机制总结 213
5.4 应用案例 214
5.4.1 验证场地情况 214
5.4.2 验证所需车路云情况 215
5.4.3 验证结果 215
参考文献 219
试读
第1章绪论
1.1智能汽车信息物理系统（IVCPS）的定义与内涵
新一代人工智能、大数据与云计算等数字化技术正在推动汽车、交通等相关领域的重大变革，智能汽车或智能网联汽车是新一轮科技革命和产业变革背景下的新生事物，近年来在全球范围取得诸多标志性进展，包括高精度传感器、高性能计算芯片等零部件层面核心技术的突破与量产、跨界融合的产业生态加速形成、辅助驾驶规模化产业化应用、自动驾驶在特定运行场景实现突破、示范应用开始向应用试点与商业化阶段探索等。
为抢占智能汽车产业战略制高点，各国纷纷将其纳入国家发展战略中，旨在推进新产业、新模式、新生态的发展，通过明确发展目标、完善顶层协同、支持技术创新、完善政策法规等方式，推动这一产业的创新发展和商业应用。同时，智能汽车的竞争关键在于技术的竞争，各国通过设立体系架构研究等关键项目（例如DoDAF），以重大专项推动技术攻关与产业进程。我国已在近年科技专项中设立了有关智能汽车、智能化交通基础设施等项目（包括本书涉及的研究工作），支撑打通智能汽车“基础前沿技术-共性关键技术-示范应用”的技术创新链条。
汽车的智能网联化主要体现在两方面：车辆自身功能的数字化与自动化；车辆与外界（路端、云端、外部平台等）的信息交互与深度耦合。根据国内外发展现状和趋势，我国率先提出基于智能网联汽车的车路云一体化发展路径，推进智能化与网联化的深度融合探索。车辆网联化后，车辆间、车路间、车云间基于信息交互获得极大赋能，使得传统车辆仅与周边车辆物理互动的行驶运行和交通模式发生变革，逐渐演化为具有内在信息物理主体多、异构特征凸显、交互关系多元、闭环调控能力增强等特征的新型复杂系统，其本质在于：将数字信息领域（Cyber）强大的实时映射、存储、处理和计算推演能力，深度融入传统车路组成的物理实体领域（Physical）之中，形成一个不可拆分、“虚实”结合的复杂大系统。该系统具有跨学科、跨领域、跨地域的高度复杂性、异构互操作性等信息物理系统（Cyber-Physical Systems，CPS）的典型特征。
这些新型特征对系统分析、设计、实现与测试验证带来新的挑战。为此，有必要应用复杂系统工程思路，顺应技术与产业发展趋势，全面解析和统筹智能车辆、智能化道路设施、低时延高可靠通信、交通信息网络、云平台等系统要素，形成一
套智能汽车信息物理系统协同发展的技术路径与体系。
智能汽车信息物理系统（IVCPS）可定义为：由车端、路端、云端的信息空间与物理空间中多类异构组件构成，通过信息物理多主体在多时空尺度下的交互、集成、融合与协同、决策、控制，在多域多层级上闭环赋能系统的新功能并进行应用服务拓展，在给定范围内实现智能网联汽车及应用系统的整体性能优化和服务水平提升。
在系统架构层面，IVCPS系统架构是基于车路云一体化的信息物理系统架构，具有分层解耦、跨域共用两大技术特征，且其中的智能网联汽车是满足我国基础设施、联网运营、新架构汽车产品三类标准的新一代智能汽车;在系统构成层面，IVCPS从传统着眼于载运装备，演进成以智能网联车辆为基础，与智能化路侧设备与设施、云控平台高度融合协同，以及由通信网、相关支撑平台、其他交通参与者共同组成的体系（System of Systems，SoS），具备成员系统*立性、体系内部集成匹配复杂性与交互协同涌现性；在系统特征层面，IVCPS具有信息物理系统的典型特征，是大规模网联通信应用实时协同计算环境的新一代汽车与交通融合系统，以服务融合和数据融合为支撑，实现物理空间与信息空间双向交互与协同控制。
对比一般性的复杂系统和信息物理系统，IVCPS同时具备以下特点：多主体/多尺度、多层级闭环、异构性、演进性、涌现性、开放性。
①多主体/多尺度。IVCPS中存在不同层级的信息物理主体（如网联车辆、各类交通控制器、*立的感知设备等）、物理实体（如人驾车、道路桥梁隧道等交通基础设施、各类交通标志及标线等）以及信息虚体（车端、路端、云端的各种通信及软件模块/子系统/系统），且种类多、规模大、数量多，各类组件/部件、子系统交互关系复杂，在不同时空尺度上呈现出信息物理属性及其交互关系多重差异的多时空尺度特征。
②多层级闭环。IVCPS基于车辆、路侧设施、通信及云端设施形成信息感知、计算、执行的局部和整体系统多层级数据闭环，具体为：IVCPS通过对其物理世界状态（如车辆状态、交通环境等）的实时采集、传输、分析进而在信息空间形成优化决策，并将决策指令实时下达驱动物理世界的运行（如车辆行为调控、交通信号调控等），经过多层次交织的闭环反馈迭代，构建物理世界和虚拟的信息世界深度融合和协同运行的信息物理一体化系统。
③异构性。IVCPS中的异构特性体现在多个方面，包括：信息系统与物理系统间结构与性质的差异性，不同颗粒度的信息物理主体在内部物理结构与信
