周本海

（沈陽(yáng)工程學(xué)院計(jì)算中心，遼寧沈陽(yáng) 110136）

一種高性能信息物理融合系統(tǒng)的方法探討

周本海

（沈陽(yáng)工程學(xué)院計(jì)算中心，遼寧沈陽(yáng) 110136）

信息物理融合系統(tǒng)（CPS）是一種深度嵌入式分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，時(shí)效性是其關(guān)鍵屬性。由于CPS的節(jié)點(diǎn)中內(nèi)存資源有限，當(dāng)多個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)并發(fā)執(zhí)行競(jìng)爭(zhēng)內(nèi)存時(shí)，將導(dǎo)致任務(wù)錯(cuò)過(guò)截止期，嚴(yán)重影響CPS的時(shí)效性。因此，當(dāng)前特別需要在提高網(wǎng)絡(luò)利用率的同時(shí)保障通信的需求。針對(duì)該問(wèn)題，本文討論了一種高性能方法，將并行思想融合進(jìn)實(shí)時(shí)調(diào)度方法。通過(guò)該方法，能夠在CPS進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度時(shí)，最大化網(wǎng)絡(luò)并發(fā)度與資源利用率，減少時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，改善實(shí)時(shí)性能。

信息物理融合；實(shí)時(shí)；調(diào)度

1 引言

由于信息物理系統(tǒng)具有獨(dú)特的物理特性，系統(tǒng)的計(jì)算和通信行為都需要滿足實(shí)時(shí)性的約束。此外，互聯(lián)網(wǎng)研究關(guān)注的是可擴(kuò)展性或吞吐量，而嵌入式網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域則往往關(guān)注時(shí)延，卻沒(méi)有太多考慮吞吐量和可擴(kuò)展性方面的要求。這些不同的研究領(lǐng)域各自為戰(zhàn)，幾乎沒(méi)有交叉。因此，本文根據(jù)可擴(kuò)展性和實(shí)時(shí)通信的需求提出一種在CPS進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度時(shí)，最大化網(wǎng)絡(luò)并發(fā)度與資源利用率，減少時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，改善實(shí)時(shí)性能。

2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)

國(guó)外針對(duì)信息物理融合系統(tǒng)的研究正在迅速展開(kāi)，其中就基礎(chǔ)理論方面，應(yīng)用方面、性能方面和安全性方面開(kāi)展了全面的研究。與此同時(shí)，信息物理融合系統(tǒng)已多次被美國(guó)自然基金選舉為研究的熱點(diǎn)，這些都極大地促進(jìn)了信息物理融合系統(tǒng)應(yīng)用的進(jìn)步[1-3]。

國(guó)內(nèi)對(duì)信息物理融合系統(tǒng)的研究也已經(jīng)發(fā)展起來(lái)，其中在2009年舉辦的關(guān)于網(wǎng)絡(luò)控制與信息技術(shù)的學(xué)術(shù)會(huì)議中，特別提到了信息物理融合系統(tǒng)在各領(lǐng)域的發(fā)展。在2010年，我國(guó)863計(jì)劃專家組舉辦了CPS發(fā)展論壇，代表了國(guó)家對(duì)信息物理融合系統(tǒng)的重視。

許多學(xué)者針對(duì)信息物理融結(jié)系統(tǒng)進(jìn)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(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算的技術(shù)，武漢大學(xué)的研究人員提出了將云計(jì)算與下一代互聯(lián)網(wǎng)與信息物理融合系統(tǒng)結(jié)合的中間件語(yǔ)義設(shè)計(jì)，主要研究?jī)?nèi)容為信息物理融合系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)性與智聯(lián)性。文獻(xiàn)[4-6]則從自動(dòng)控制的方面進(jìn)行研究，研究了可靠的無(wú)線通信協(xié)議，這種研究在復(fù)雜的信息物理融合系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境下，有著重要的意義。具體應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域的控制與互聯(lián)上。此外，國(guó)內(nèi)知名大學(xué)，如清華大學(xué)、北京大學(xué)以及同濟(jì)大學(xué)等的研究機(jī)構(gòu)對(duì)信息物理融合系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)環(huán)境的多節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度框架和可調(diào)度性分析方法的數(shù)學(xué)描述。從CPS的時(shí)延特性出發(fā)，建立CPS的時(shí)延任務(wù)圖模型。對(duì)時(shí)延任務(wù)圖進(jìn)行空間并行與時(shí)間并行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)改進(jìn)常量利用率服務(wù)器算法，設(shè)計(jì)基于時(shí)限驅(qū)動(dòng)的全局預(yù)留實(shí)時(shí)調(diào)度算法。構(gòu)建軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為上述方法進(jìn)行仿真與測(cè)試。

在以上研究?jī)?nèi)容中，本文擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題是：對(duì)時(shí)延任務(wù)圖的空間并行與時(shí)間并行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證了網(wǎng)絡(luò)并發(fā)與資源利用率的最大化，減少了時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，為CPS的實(shí)時(shí)調(diào)度提供了重要保障。主要技術(shù)指標(biāo)有平均加速比、平均響應(yīng)時(shí)間、可調(diào)度率。

4 總結(jié)

本文從CPS的時(shí)延特性出發(fā)；以降低節(jié)點(diǎn)間的通信與同步開(kāi)銷(xiāo)為目的，研究基于時(shí)延的任務(wù)圖調(diào)度模型以及任務(wù)圖分割與優(yōu)化策略；基于復(fù)雜應(yīng)用的實(shí)時(shí)性能的保障，研究時(shí)限驅(qū)動(dòng)的全局預(yù)留調(diào)度方法；構(gòu)建軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使用混合實(shí)時(shí)任務(wù)程序集進(jìn)行驗(yàn)證。本文將為CPS的實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度方法提供新思路，為復(fù)雜實(shí)時(shí)應(yīng)用在CPS環(huán)境的可靠、高效運(yùn)行提供有效的理論與技術(shù)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(tǒng)研究綜述[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，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(wǎng)中的作用及應(yīng)用前景》，刊發(fā)在《河南科技》2014年2月上半月（總第533期）第113頁(yè)，作者單位“河南省電力公司商丘供電公司檢修部”應(yīng)為“河南省電力公司商丘供電公司營(yíng)銷(xiāo)部”。

TP202

A

1003-5168(2014)04-0019-01