信息物理融合系统(Cyber Physical System, CPS)是一种计算和物理组件紧密融合的系统。它将一系列的计算单元和物理实体在异构网络中互连,通过感知广域环境和深度交互协同,实现了计算、通信和控制的多维复杂融合。信息物理融合系统的应用前景广泛,包括个人健康监护、智能楼宇家居、智能交通、智能电网、可穿戴设备和应急灾难响应等领域。由于信息物理融合系统大多在安全关键的应用领域部署实施,因而其对实时性、分布性、可靠性、容错性、自适应性、安全性、可交互性、可扩展性和自主性均有极高的要求。由于CPS系统的复杂构成和规模多变的需求,其开发方法也要尽可能的灵活可靠。本文提出基于服务的CPS系统架构。面向服务的架构能为CPS的实现提供诸如虚拟化和资源分配组合等新技术,同时其松耦合可定制且接口定义良好的特点可以实现CPS系统的无缝集成。由于CPS中包含了众多参与计算的物理实体,提供服务的物理设备、计算软件和网络通信三者之间交互协作,且物理设备之间在资源和地理位置上也可能存在着依赖和制约关系,因而基于服务的CPS开发不同于传统的面向服务软件开发。本文从提高系统开发的可信性出发,利用基于模型的开发理念,根据业务逻辑和用户需求定制工作流模型,通过将资源服务例化来实现系统任务的执行。面向方面的方法可以用来分离复杂系统的关注点,将一些通用的共性性质分离出来单独构建成方面模块,提高了系统的可重用性和结构化。本文将面向方面的方法应用到CPS多个不同关注领域的建模。并将其和Petri网以及扩展的Petri网结合起来,不仅可以将关注点分离,而且可以对模型进行形式化的验证分析,便于在系统开发的初期阶段发现设计错误从而提高系统开发的可信性。本文针对CPS系统的特点,首先从计算单元与物理过程的融合,实时约束的时间属性和可调度性,资源服务组合和优化调度三个方面出发,分别建模与分析。进而从系统运行时的可靠性健壮性和自主性出发,对CPS容错和自适应进行了建模与分析。本文的研究成果主要分为以下几个部分：(1)提出了基于服务的CPS体系架构,并将三层体系结构精化到更具体的层面。该架构支持自顶向下的开发和自底向上的分析。支持灵活的业务流程,对于底层细节又有足够的屏蔽能力,能实现系统运行时的动态组合和调整。提出在SysML建模语言上扩展MARTE标记的方法,能良好支持系统工程的功能性和非功能性需求建模。通过将其转换为Petri网则可以在设计开发前期支持诸如模型检测验证等手段。(2)提出了面向方面离散连续Petri网。针对CPS系统中计算和物理过程混杂的特性,将横跨系统的具有共性的物理过程作为横切关注点抽取出来,描述在方面模型中,根据编织规则与核心功能模型组合。良好定义的方面网和核心网的输入输出和触发规则,能使模型保持一致性和正确性。(3)提出了带时间约束的面向方面Petri网。针对CPS系统的时间敏感性和实时性需求,定义CPS系统的时间属性是时间区间和时间延迟的组合。因而在面向方面Petri网模型中加入时间组合标记成为TAOPN。并给出一种可调度性组合分析的方法和算法,通过一个案例分析来阐述TAOPN在实时系统建模中的可行性。(4)给出了基于着色Petri网的CPS资源组合模型,并提出使用面向方面的方法对资源服务组合模型进行诸如身份验证和服务质量跟踪。定义了资源分配调度的优化策略。针对两种情况的资源模型,分别分析了属性表征函数和目标。一种是单目标资源调度问题,使用粒子群算法即可找到最优的调度方案。另一种是多目标优化的资源选取问题,使用粒子群算法和帕累托最优集相结合,来权衡资源的多个属性目标找到所需的最优解。(5)提出了一种面向方面的CPS运行时容错自适应模型。将模型分为设备和任务两个层次,并对不同故障发生的原因进行分析。该模型能在故障发生时输出故障,而不同故障的自适应对策被描述在方面模型中。根据输出的故障类型,可以织入相应的方面来保障运行时的容错和自适应。并利用计算树逻辑对模型进行了验证分析。