一种高性能信息物理融合系统的方法探讨

周本海

（沈阳工程学院计算中心，辽宁沈阳 110136）

一种高性能信息物理融合系统的方法探讨

周本海

（沈阳工程学院计算中心，辽宁沈阳 110136）

信息物理融合系统（CPS）是一种深度嵌入式分布式实时系统，时效性是其关键属性。由于CPS的节点中内存资源有限，当多个实时任务并发执行竞争内存时，将导致任务错过截止期，严重影响CPS的时效性。因此，当前特别需要在提高网络利用率的同时保障通信的需求。针对该问题，本文讨论了一种高性能方法，将并行思想融合进实时调度方法。通过该方法，能够在CPS进行实时调度时，最大化网络并发度与资源利用率，减少时间开销，改善实时性能。

信息物理融合；实时；调度

1 引言

由于信息物理系统具有独特的物理特性，系统的计算和通信行为都需要满足实时性的约束。此外，互联网研究关注的是可扩展性或吞吐量，而嵌入式网络研究领域则往往关注时延，却没有太多考虑吞吐量和可扩展性方面的要求。这些不同的研究领域各自为战，几乎没有交叉。因此，本文根据可扩展性和实时通信的需求提出一种在CPS进行实时调度时，最大化网络并发度与资源利用率，减少时间开销，改善实时性能。

2 国内外相关技术

国外针对信息物理融合系统的研究正在迅速展开，其中就基础理论方面，应用方面、性能方面和安全性方面开展了全面的研究。与此同时，信息物理融合系统已多次被美国自然基金选举为研究的热点，这些都极大地促进了信息物理融合系统应用的进步[1-3]。

国内对信息物理融合系统的研究也已经发展起来，其中在2009年举办的关于网络控制与信息技术的学术会议中，特别提到了信息物理融合系统在各领域的发展。在2010年，我国863计划专家组举办了CPS发展论坛，代表了国家对信息物理融合系统的重视。

许多学者针对信息物理融结系统进行了大量的、有意义的研究，并取得了一定的研究成果。其中很多研究成果结合了物联网与云计算的技术，武汉大学的研究人员提出了将云计算与下一代互联网与信息物理融合系统结合的中间件语义设计，主要研究内容为信息物理融合系统与网络的互联性与智联性。文献[4-6]则从自动控制的方面进行研究，研究了可靠的无线通信协议，这种研究在复杂的信息物理融合系统的应用环境下，有着重要的意义。具体应用在医疗领域的控制与互联上。此外，国内知名大学，如清华大学、北京大学以及同济大学等的研究机构对信息物理融合系统也有着深入的研究。

3 方法探讨

本文研究合理、有效的基于CPS分布式网络环境的多节点实时任务调度框架和可调度性分析方法的数学描述。从CPS的时延特性出发，建立CPS的时延任务图模型。对时延任务图进行空间并行与时间并行优化设计。通过改进常量利用率服务器算法，设计基于时限驱动的全局预留实时调度算法。构建软件实验平台，为上述方法进行仿真与测试。

在以上研究内容中，本文拟解决的关键问题是：对时延任务图的空间并行与时间并行优化设计，保证了网络并发与资源利用率的最大化，减少了时间开销，为CPS的实时调度提供了重要保障。主要技术指标有平均加速比、平均响应时间、可调度率。

4 总结

本文从CPS的时延特性出发；以降低节点间的通信与同步开销为目的，研究基于时延的任务图调度模型以及任务图分割与优化策略；基于复杂应用的实时性能的保障，研究时限驱动的全局预留调度方法；构建软件实验平台，使用混合实时任务程序集进行验证。本文将为CPS的实时任务调度方法提供新思路，为复杂实时应用在CPS环境的可靠、高效运行提供有效的理论与技术支撑。

[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，谢璐璐.信息物理融合系统研究综述[J].自动化学报，37(10):1158-1168.

更正证明

作者王倩，论文题目为《浅论智能电表在智能电网中的作用及应用前景》，刊发在《河南科技》2014年2月上半月（总第533期）第113页，作者单位“河南省电力公司商丘供电公司检修部”应为“河南省电力公司商丘供电公司营销部”。

TP202

A

1003-5168(2014)04-0019-01