一種高性能信息物理融合系統的方法探討

周本海

（沈陽工程學院計算中心，遼寧沈陽 110136）

一種高性能信息物理融合系統的方法探討

周本海

（沈陽工程學院計算中心，遼寧沈陽 110136）

信息物理融合系統（CPS）是一種深度嵌入式分布式實時系統，時效性是其關鍵屬性。由于CPS的節點中內存資源有限，當多個實時任務并發執行競爭內存時，將導致任務錯過截止期，嚴重影響CPS的時效性。因此，當前特別需要在提高網絡利用率的同時保障通信的需求。針對該問題，本文討論了一種高性能方法，將并行思想融合進實時調度方法。通過該方法，能夠在CPS進行實時調度時，最大化網絡并發度與資源利用率，減少時間開銷，改善實時性能。

信息物理融合；實時；調度

1 引言

由于信息物理系統具有獨特的物理特性，系統的計算和通信行為都需要滿足實時性的約束。此外，互聯網研究關注的是可擴展性或吞吐量，而嵌入式網絡研究領域則往往關注時延，卻沒有太多考慮吞吐量和可擴展性方面的要求。這些不同的研究領域各自為戰，幾乎沒有交叉。因此，本文根據可擴展性和實時通信的需求提出一種在CPS進行實時調度時，最大化網絡并發度與資源利用率，減少時間開銷，改善實時性能。

2 國內外相關技術

國外針對信息物理融合系統的研究正在迅速展開，其中就基礎理論方面，應用方面、性能方面和安全性方面開展了全面的研究。與此同時，信息物理融合系統已多次被美國自然基金選舉為研究的熱點，這些都極大地促進了信息物理融合系統應用的進步[1-3]。

國內對信息物理融合系統的研究也已經發展起來，其中在2009年舉辦的關于網絡控制與信息技術的學術會議中，特別提到了信息物理融合系統在各領域的發展。在2010年，我國863計劃專家組舉辦了CPS發展論壇，代表了國家對信息物理融合系統的重視。

許多學者針對信息物理融結系統進行了大量的、有意義的研究，并取得了一定的研究成果。其中很多研究成果結合了物聯網與云計算的技術，武漢大學的研究人員提出了將云計算與下一代互聯網與信息物理融合系統結合的中間件語義設計，主要研究內容為信息物理融合系統與網絡的互聯性與智聯性。文獻[4-6]則從自動控制的方面進行研究，研究了可靠的無線通信協議，這種研究在復雜的信息物理融合系統的應用環境下，有著重要的意義。具體應用在醫療領域的控制與互聯上。此外，國內知名大學，如清華大學、北京大學以及同濟大學等的研究機構對信息物理融合系統也有著深入的研究。

3 方法探討

本文研究合理、有效的基于CPS分布式網絡環境的多節點實時任務調度框架和可調度性分析方法的數學描述。從CPS的時延特性出發，建立CPS的時延任務圖模型。對時延任務圖進行空間并行與時間并行優化設計。通過改進常量利用率服務器算法，設計基于時限驅動的全局預留實時調度算法。構建軟件實驗平臺，為上述方法進行仿真與測試。

在以上研究內容中，本文擬解決的關鍵問題是：對時延任務圖的空間并行與時間并行優化設計，保證了網絡并發與資源利用率的最大化，減少了時間開銷，為CPS的實時調度提供了重要保障。主要技術指標有平均加速比、平均響應時間、可調度率。

4 總結

本文從CPS的時延特性出發；以降低節點間的通信與同步開銷為目的，研究基于時延的任務圖調度模型以及任務圖分割與優化策略；基于復雜應用的實時性能的保障，研究時限驅動的全局預留調度方法；構建軟件實驗平臺，使用混合實時任務程序集進行驗證。本文將為CPS的實時任務調度方法提供新思路，為復雜實時應用在CPS環境的可靠、高效運行提供有效的理論與技術支撐。

[1]Ragunathan Rajkumar,Insup Lee,Lui Sha,and John Stankovic,“Cyber-PhysicalSystems:TheNextComputing Revolusion[C]”.In:Proceedings of Design Automation Conference, USA:IEEE,2010,pp:731-736.

[2]Edward A.Lee,“CPS Fouldations”,In:Proceedings of Design Automation Conference,USA:IEEE,2010,pp:737-742.

[3]Kremer U.Cyber-Physical Systems:A Case for Soft Real-Time[EB/OL].New Jersey:Department or Computer，Science, Rutgers University,2011.http://www.research.rutgers.edu/uli/ Sarana/doucument/CPS-Uli.pdf.

[4]Zhang Y,Jill C.“ReconfigurabLe real-time middleware for distributed cyber-physical systems with Aperiodic events[C]”,In: Proceedings of ICDCS.Piscataway:IEEE,2008,pp:581-588.

[5]FaggioLi D,Bertogna M and Checconi F.“Sporadic server revisited[C]”In:Proceedings of SAC.New York:ACM,2010,pp: 340-345.

[6]王中杰，謝璐璐.信息物理融合系統研究綜述[J].自動化學報，37(10):1158-1168.

更正證明

作者王倩，論文題目為《淺論智能電表在智能電網中的作用及應用前景》，刊發在《河南科技》2014年2月上半月（總第533期）第113頁，作者單位“河南省電力公司商丘供電公司檢修部”應為“河南省電力公司商丘供電公司營銷部”。

TP202

A

1003-5168(2014)04-0019-01