能量收集信息物理融合系统抢占阈值调度

在能量收集信息物理融合系统(energy harvesting based cyber-physical systems, EHCPS)中,其能量管理体系结构不同于传统电池供电嵌入式系统,任务调度策略需要考虑能量收集单元的能量输出、电池的能量存储和计算任务的能量消耗.实时任务在满足能量约束的情况下,才能满足时间约束.传统抢占阈值调度的可调度性分析没有考虑任务的能量属性,其阈值分配算法也不适用于EHCPS.针对此问题,提出了一种能量相关抢占阈值调度策略(energy related preemption threshold scheduling, ERPT),在可调度性分析中融入任务能耗属性和能量补充能力,并给出了阈值分配算法,为抢占阈值调度在EHCPS中的应用提供了一种解决方法.通过与目前现有的2个经典调度策略进行比较,验证了ERPT策略能够有效减少任务抢占.     

一种信息-物理融合系统体系结构

信息-物理融合系统(cyber-physical system, CPS)是当今最前沿的交叉研究领域之一,它被普遍认为是计算机信息处理技术史上的下一次革命,将会改变人与现实物理世界之间的交互方式,具有广泛的应用前景.CPS是一种分布式且深度嵌入式的实时系统,实时性是CPS的一个极重要特征和性能要求.研究了CPS体系结构,提出了一种CPS系统模型,并且从实时任务调度和实时网络两个方面,提出了解决系统实时性保证问题的初步方案,为进一步的研究工作奠定了基础.     

信息物理融合系统研究综述

信息物理融合系统(Cyber-physical systems, CPS)是多维异构的计算单元和物理对象在网络环境中高度集成 交互的新型智能复杂系统,具有实时、鲁棒、自治、高效和高性能等特点.本 文首先介绍了CPS的概念和特征,综述了CPS的当前发展状况与应用前景;其次, 对CPS的系统构成进行了简要分析,讨论了CPS与相关技术的区别与联系;最后, 对CPS技术发展所面临的主要挑战及可能的研究方向进行了总结与展望.     

基于动态故障树的信息物理融合系统风险分析

针对信息物理融合系统（CPS）中的网络安全攻击会导致系统失效的问题，提出一种基于动态故障树的CPS风险建模及分析方法。首先，对动态故障树和攻击树集成建模，构建攻击-动态故障树（Attack-DFTs）模型；然后，分别采用二元决策图和输入输出马尔可夫链给出攻击-动态故障树中的静态子树和动态子树的形式化模型，并在此基础上给出攻击-动态故障树的定性分析方法，即分析网络安全攻击导致系统失效的基本事件路径；最后，通过一个典型的排污系统应用实例对方法的有效性进行验证。案例分析结果表明，所提方法能够分析CPS中由于网络安全攻击导致系统失效的事件序列，有效实现了CPS的综合安全评估。     

基于多视图的信息物理融合系统体系结构研究

美国将信息-物理融合系统（Cyber-Physical Systems,CPS）列为八个重要信息技术领域之首,CPS亦成为国内当前研究热点。通过对国内外CPS研究现状分析,针对系统、功能和技术三个视图角度,提出了三种新型基于视图的CPS体系结构,说明了三种视图间的关系,利用微电网CPS实例论证了基于不同视图的CPS体系结构分析方法的优点。同时,对于CPS未来的研究方向进行了展望。     

实时控制系统中优先级变化问题的研究

分析并研究了在实时控制系统中由于采用优先级抢占式调度策略而可能导致优先级倒置问题和优先级改变现象.根据实时控制系统实际运行情况,给出了相应的解决措施.最后,通过多次实际测试表明,针对实时控制系统采用的调度策略和优先级变化问题的解决措施是有效的,能够保证在程序运行期间,所有进程都能及时调度运行.     

信息物理系统中基于保护阈值的实时调度算法研究

信息物理融合系统CPS是一种融合计算、通信与控制的新型复杂实时分布式系统,系统中计算过程和物理过程在开放环境下持续交互、深度融合。为了对物理世界的信息作出实时反馈,系统一般会采用抢占式调度的方法,保障关键任务能够在截止期前完成。但是,分布式环境中抢占式调度方式容易导致频繁的任务切换,影响系统的实时性。提出了基于保护阈值的调度算法,通过建立保护阈值模型,最大化低优先级任务的执行时间,减少任务切换次数。通过实验验证,算法有效地减少了任务切换次数,提高了CPS系统的实时性能。     

实时控制系统中固定优先级调度的延迟与抖动控制

在基于固定优先级调度实时控制系统中,任务的延迟与抖动是影响系统稳定性的重要因素,提出一种基于可抢占时间阈值的延迟与抖动控制策略,给出一种保证系统可调度的最优闽值分配算法,并通过对任务延迟和抖动的分析量化出阀值分配后的争最大可能IO延迟及抖动.最后通过仿真实验验证了该策略的有效性.     

信息-物理融合系统动态行为模型构建方法

信息-物理融合系统(Cyber-Physical System,CPS)特有的计算、通信、控制的联合动态性,计算与物理的多尺度融合性,系统环境及状态的时空交互性以及系统动态行为的非确定性,不但使面向CPS的模型驱动设计与验证方法在CPS系统设计中更为重要,而且也向其提出了新的技术挑战.论文在结合典型实例分析CPS系统特征及其模型构建具体挑战的基础上,研究并总结了CPS动态行为建模的主要方法:一体化建模方法从CPS系统层面描述计算过程与物理过程的交互与融合;时空交互建模方法关注CPS系统行为与时间及空间关系的语义表示;功能和实现兼容建模方法侧重刻画CPS系统的逻辑设计和物理实现的映射与支撑;而集成建模方法则重点解决多异构模型的交互方式与语义的一致表达.论文基于多异构实体的CPS系统建模框架,提出了一种CPS系统结构与动态行为的协同建模方法,并用CPS-ADL对其进行了实现和验证.     

信息物理融合系统

信息物理融合系统 (Cyber-physical system, CPS)是计算、通信和物理过程高度集成的系统,通过在物理设备中嵌入感知、通信和计算能力,实 现对外部环境的分布式感知、可靠数据传输、智能信息处理,并通过反馈机制实现对物理过程的实时控制. 分析了CPS的基本概念和特征,对CPS的体系架构、中间件系统、实时性、安全和隐私等关键技术的现有研究 成果进行综述,并提出了相应的研究思路;然后介绍了一些现有的CPS原型系统和实例,体现出CPS的优越性; 最后对CPS和传感器网络(Wireless sensor network, WSN)、物联网(The internet of things, IOT)、网络控制系统(Networked control systems, NCSs)进行了对比分析,总结了CPS现有研究中存在的问题,并展望了CPS的发展方向.     

处理顺序约束的信息物理融合系统静态任务表调度算法

针对异构环境并行计算的静态任务调度问题,以最小化有向无环图 (Directed acyclic graph, DAG)的执行跨度为目标,改变HEFT (Heterogeneous earliest finish time)算法中任务上行权重的计算方法, 获得更加合理的任务顺序排列,提出了一种最早完成时间优先的表调度算法IHEFT (Improvement heterogeneous earliest finish time).该算法在计算任务的上行权重时, 分别计算该任务分配给不同资源的上行权重,取其最小值,比使用所有资源对该任务的平均处理时间进行计算的HEFT算法更为准确. 确定任务的处理顺序后采用最早完成时间越小越优先的策略将任务分配给最优资源,并使得任务的开始执行时间和结束时间满足DAG中有向边的通讯时间约束.通过使用部分文献中的算例数据以及随机生成满足一定结构要求的DAG进行算法测试,将IHEFT与HEFT, CPOP (Critical-path-on-a-processor)和LDCP (Longest dynamic critical path)进行了比较,结果显示IHEFT算法更有效,而且时间复杂度较低.     

CPS系统体系结构顶层设计研究

美国国家基金委员会首次提出信息物理融合系统(CPS),该系统已被列于美国未来八大关键信息技术的首位。在归纳分析国内外CPS研究现状的基础上,为了实现CPS协调物理进程的目标,满足CPS的信息处理与物理控制功能性需求和实时性、可靠性、安全性、可适应性等非功能性需求,提出了3种视图的CPS体系结构。对CPS体系结构设计理论及方法进行了研究,最后展望了CPS未来的研究方向和技术挑战。     

实时周期任务的非占先式能耗感知调度

针对实时周期性任务集在变电压处理器上的非占先式能耗感知调度问题,在简单遗传算法基础上,提出了一种通过构造特定的遗传过程以自然地满足时序和能耗约束的启发式算法．与贪婪算法相比,该算法在提高系统性能方面具有明显的优势,而且能耗利用效率随着能耗约束值的减小而增大,说明算法具有良好的能耗感知特性．     

CPS拓扑结构节点重要性排序方法

信息物理融合系统(Cyber-physical Systems,CPS)拓扑结构中节点重要性排序是CPS拓扑分析的重要方面。针对CPS内在结构特征,构建一种CPS拓扑结构模型——交互网络模型。然后结合CPS信息交互特点定义节点交互介数作为衡量具体节点重要性度量,阐明该测度能够反映节点的相对重要度,并给出了时间复杂度为多项式阶的节点重要性排序有效算法。最后构建CPS拓扑实例进行分析,并与节点介数进行对比,说明节点重要性排序能够为CPS的运行和防护提供重要参考。     

基于最小化传输和完成时间的多DAG调度

针对云计算环境下多个有向无环图(DAG)工作流的调度问题,提出一种基于最小化数据传输时间和任务完成时间(LTCT)的算法,用于处理具有相同优先级的多个DAG工作流之间的调度问题。在多个DAG优先级各不相同时的情况下,给出多优先级多DAG的混合调度算法。实验结果表明,LTCT算法较E-Fairness算法在保证多DAG调度公平性的基础上,能避免额外的数据传输开销,有利于缩短整个工作流的执行Makespan,提高资源的利用率。     

不可抢占式EDF调度算法的可调度性分析

现有的不可抢占式EDF调度算法的可调度性分析判定条件限定实时任务的截止期必须等于其周期,限制了它的使用范围。论文突破这一限制,提出了更具一般性的可调度性分析判定充要条件。通过对可调度性判定充要条件的分析,提出了基于不可抢占式EDF调度算法的周期性实时系统可调度性分析算法。     

一类特殊的非抢占式周期任务的调度方法

现实世界中针对许多任务的资源调度分配和使用具有时效性,对该类任务的调度问题目前的研究还较少。针对此类调度问题,分析其特点,明确其与已有调度模型研究问题的区别,提出新的非抢占式周期任务调度模型,并证明了该类问题为NP完全问题。在此基础上,给出了一种求解最优解的模式剪枝算法,以及一种求解近似解的快速求解算法。相关实验表明,提出的两种算法能够针对不同的需求场景分别对调度问题进行高效求解。     

多核系统中基于动态电压频率调节的实时节能调度研究

在实时嵌入式领域,特别是无线移动和便携式计算领域,能耗是首要考虑的因素,这也是多核处理器尚未在嵌入式领域全面展开应用的首要因素。目前针对多核系统的实时应用,基于动态电压频率调节(DVFS)的实时节能调度技术研究得较少,还有许多问题亟待解决。本文介绍了多核系统中动态电压频率调节技术,分析讨论了当前多核系统中实时调度研究进展,主要针对同构多核、异构多核、并行任务模型和弱硬实时模型等方面,深入探讨了多核系统中基于DVFS的实时节能调度。本文结合多核系统、电压频率动态调节节能和实时调度,探索了多核系统中的实时节能调度,奠定了理论和技术基础,具有重大的理论意义和现实应用价值。     

A Priority-aware Frequency Domain Polling MAC Protocol for OFDMA-based Networks in Cyber-physical Systems

Wireless networking in cyber-physical systems (CPSs) is characteristically different from traditional wireless systems due to the harsh radio frequency environment and applications that impose high real-time and reliability constraints. One of the fundamental considerations for enabling CPS networks is the medium access control protocol. To this end, this paper proposes a novel priority-aware frequency domain polling medium access control (MAC) protocol, which takes advantage of an orthogonal frequency-division multiple access (OFDMA) physical layer to achieve instantaneous priority-aware polling. Based on the polling result, the proposed work then optimizes the resource allocation of the OFDMA network to further improve the data reliability. Due to the Non-polynomial-complete nature of the OFDMA resource allocation, we propose two heuristic rules, based on which an efficient solution algorithm to the OFDMA resource allocation problem is designed. Simulation results show that the reliability performance of CPS networks is significantly improved because of this work.