收藏本站
《华中科技大学》 2019年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

面向信息物理系统的实时数据对象调度关键技术研究

周春阳  
【摘要】:信息物理系统(CPS:Cyber-Physical Systems)为现实世界与计算世界之间的深度融合提供了可能,正成为新一代信息技术的热点。在众多CPS应用中,有很大一部分是为了支持实时数据处理,例如工业自动化系统,智能机器人控制,健康监控系统,智慧城市管理等。这类CPS所采集的数据对象大多数具有实时性要求,即数据对象的采集、传输和处理都需要在限定的时间内完成。这些实时数据对象的现实意义是反应了物理世界实体的实时状态,因此,这些所采集的实时数据对象只在一定时限内有效。随着这些新型CPS的日新月异,也为系统的设计带来了新的机遇与挑战。首先,新型CPS多采用分布式架构,其显著优势是可以将系统负载均衡地分布到多个处理单元,因此较少发生单个处理单元的过载现象。然而,分布式处理也会带来一些实时数据处理问题,例如,大部分的传感数据由于传输和处理的实时性需求而不得不在资源受限的嵌入式设备中处理,从而加剧了设备中实时数据对象的计算压力,因此,合理降低分布式系统中的实时数据运算负载可以有效提高系统性能。此外,分布式部署的嵌入式处理单元间的网络通信延迟通常也不可忽略,这种延迟可能干扰系统运行的稳定性,因而合理利用延迟的空闲时间以保障系统实时数据对象的有效性变得更加重要。其次,随着新型CPS规模的日渐庞大,大多数嵌入式设备仍然采用电池供电,其电容量往往有限而且多数应用中的电池难以更换,因此这些广泛部署的嵌入式设备功耗开销代价已经成为制约CPS发展的重要因素,单纯采用降低运行负载的方法难以有效节能,这意味着需要寻求精心设计的节能方法以最大化节能效果。应用节能技术保障实时数据对象处理的有效性,对减轻设备散热的压力,延长系统运行寿命都具有现实研究价值。目前已有的多数研究工作基本集中于独立系统的调度而假设网络延迟忽略不计,难以满足现代信息物理系统中的大量实时数据的分布式处理需求。首次提出了基于动态优先级的实时数据对象传输延迟优化算法JB-EDF和JB-EDF*。在JB-EDF算法中,首先生成事务的初始参数设定,再据此进行单个事务参数的调整。为了扩大事务的调度范围,提出了改进的JB-EDF*方法。该算法首先尝试快速组装一部分事务的可调度子集,再按序处理剩余事务。为了提高算法的运行效率,介绍了一系列技术以实现数据对象的快速处理。实验结果表明,JB-EDF和JB-EDF*算法受到网络延迟波动的影响很小,两者的运行时稳定性更佳,JB-EDF*具有远超现有算法的接受率表现,应用范围更加广泛。面向CPS中实时数据对象的节能调度相关研究尚处于起步阶段。在面向CPS中实时数据对象的底层调度中引入DVFS技术,首次提出了 ML-CS和ML-US两种单核处理器上的节能优化调度算法。在ML-CS算法为更新事务集合设置一个静态降速因子,并尽可能地降低每个事务的执行频率,从而降低了系统调度中的能耗开销。为了更加贴近实际系统的需求,ML-US算法在更细粒度的层面为不同实时事务设置不同的执行频率,通过权衡系统空闲与负载开销之间的关系,以充分发挥DVFS技术的高效节能效果。实验结果表明,总体上ML-CS和ML-US相较于不采用DVFS的方法具有明显的系统节能效果(最高达60%),两者的系统计算资源利用率更高,对于实时数据的时效性保持度也更好。随着多核处理器的普及,有必要将CPS中实时数据对象的节能调度方法扩展到多核处理器平台,目前国内外相关研究也相对较少。首次证明了多核CPS的实时数据对象更新事务节能调度是NP难问题,采用基于划分调度的方法将复杂问题转化为两个子问题,即单核节能调度与多核事务分派调度,从而在单核上可以直接应用已有DVFS方法进行节能调度。进一步提出多核映射算法TCBM(Temporal Consistency Balanced Mapping),证明了处理器能耗与单核上所处理的更新事务密度相关,尽可能均衡地将更新事务分派到不同的处理器,有利于降低系统能耗开销。实验结果表明,TCBM算法相较于传统的多核分派方案可以获得约35%的节能效果提升。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TP202

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前3条
1 刘樑骄;谢国琪;李仁发;杨柳;谢勇;;通信竞争的混合关键级系统多DAG动态调度策略[J];计算机研究与发展;2015年11期
2 周兴社;杨亚磊;杨刚;;信息-物理融合系统动态行为模型构建方法[J];计算机学报;2014年06期
3 李仁发;谢勇;李蕊;李浪;;信息-物理融合系统若干关键问题综述[J];计算机研究与发展;2012年06期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 蒋俊;黄传河;华超;胡海桥;彭晖;;基于软件定义资源的实时控制CPS数据传输机制[J];计算机工程与科学;2015年12期
2 尹忠海;张凯成;杜华桦;周拥军;梁晓龙;孙强;;基于事件驱动的信息物理融合系统建模[J];微电子学与计算机;2015年12期
3 Yong Xie;Liangjiao Liu;Renfa Li;Jianqiang Hu;Yong Han;Xin Peng;;Security-aware Signal Packing Algorithm for CAN-based Automotive Cyber-physical Systems[J];IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica;2015年04期
4 曾玮妮;林亚平;易叶青;何施茗;陈鹏;;传感器网络数据处理中基于隐私向量的隐私保护机制[J];通信学报;2015年09期
5 罗世亮;程良伦;;面向复杂工业环境的信息物理融合系统可靠性[J];北京理工大学学报;2015年09期
6 许东;李静;朱刚;;信息物理系统的偶图动态建模与分析[J];小型微型计算机系统;2015年09期
7 杨志才;裘杭萍;权冀川;雷智朋;;CPS拓扑结构节点重要性排序方法[J];计算机科学;2015年08期
8 成荣;;云计算实现的相关技术与面临问题探讨[J];科技视界;2015年23期
9 王浩云;刘佼佼;侯思宇;任守纲;徐焕良;;信息物理系统(cyber-physical system)时空建模方法及在温室控制中的应用[J];农业工程学报;2015年15期
10 徐洪智;李仁发;曾理宁;;基于Ptolemy的自适应巡航系统建模与仿真[J];计算机工程;2015年06期
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 谢国琪;李仁发;杨帆;黄卫红;;异构网络化汽车电子系统中多DAG离线任务调度[J];通信学报;2013年12期
2 谢勇;李仁发;阮华斌;彭鑫;;最优的FlexRay静态段配置算法[J];通信学报;2012年11期
3 王鹏;向阳;宗宇伟;张骐;;基于时空π-演算的信息物理融合系统组件可替换性判定[J];电子与信息学报;2012年10期
4 朱敏;李必信;陈乔乔;吉顺慧;李加凯;;基于微分动态逻辑的CPS建模与属性验证[J];电子学报;2012年06期
5 陈小红;尹斌;金芝;;基于问题框架的需求建模:一种本体制导的方法[J];软件学报;2011年02期
6 罗娟;顾传力;李仁发;;基于角色的无线传感网络中间件研究[J];通信学报;2011年01期
7 彭鑫;李仁发;刘樑骄;;多信道车载网络带宽调制算法[J];通信学报;2010年11期
8 彭鑫;李仁发;杨柳;刘骄;;基于最小二乘优化的车辆位置估计算法[J];通信学报;2010年08期
9 蒋国平;樊春霞;宋玉蓉;邵斐;;复杂动态网络同步控制及其在信息物理系统中的应用[J];南京邮电大学学报(自然科学版);2010年04期
10 李浪;李仁发;李静;吴克寿;;PFM:一种抗高阶功耗攻击的SMS4算法[J];通信学报;2010年05期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 富雨柯;;信息物理系统安全威胁与解决措施[J];中国新通信;2018年23期
2 田竞豪;;信息物理系统在工业4.0中的应用探究[J];通讯世界;2019年01期
3 邬晶;宋蕾;龙承念;李少远;;信息物理系统威胁与攻击建模[J];自动化博览;2018年S2期
4 ;信息物理系统——工业4.0时代智能制造的基础[J];智慧工厂;2019年01期
5 季承扬;;信息物理系统安全威胁与防护措施[J];科技传播;2018年04期
6 蒋建春;肖佳平;唐琨;;面向智慧城市的数据驱动信息物理系统安全威胁分析模型与方法[J];计算机系统应用;2018年07期
7 ;《信息物理系统发展白皮书》专家研讨会在北京召开[J];电信工程技术与标准化;2017年02期
8 郭楠;贾超;;《信息物理系统白皮书(2017)》解读(下)[J];信息技术与标准化;2017年05期
9 任磊;任明仑;;基于社会信息物理系统的智慧制造资源组织模式[J];中国科技论坛;2017年07期
10 ;征稿启事[J];电力工程技术;2017年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 陆晓东;;云料仓和智能制造[A];2016中国高端SMT学术会议论文集[C];2016年
2 许茜;任品毅;杜清河;;信息物理系统中基于多径接收的安全波形设计[A];第十九届中国科协年会——分9“互联网+”:传统产业变革新动能论坛论文集[C];2017年
3 张永胜;;物联网和信息物理系统网络空间安全的建模与仿真设计[A];第37届中国控制会议论文集(D)[C];2018年
4 纪翔峰;王雯雯;吴蕾;;基于信息物理系统的城市停车管理系统及关键运营技术分析[A];第十二届中国智能交通年会大会论文集[C];2017年
5 金宏;余跃;吴正午;孙正杰;;面向远程精确打击服务的信息物理系统[A];2014第二届中国指挥控制大会论文集(上)[C];2014年
6 徐占忱;;我国应对德国“工业4.0”战略的政策建议[A];中国智库经济观察(2015)[C];2016年
7 袁爽;胡振中;田佩龙;;面向智能运维的室内照明系统研究[A];第三届全国BIM学术会议论文集[C];2017年
8 崔世强;冯玉伯;;生产线快速分拣系统形式化语言建模研究[A];天津市电子工业协会2018年年会论文集[C];2018年
9 冀杰;;智能互联汽车的发展及挑战[A];新型汽车工程塑料——正确的设计和制造工艺高研班论文集[C];2015年
10 李江海;黄晓津;;核电数字化控制系统安全综述[A];第八届(2012年)北京核学会核应用技术学术交流会论文集[C];2012年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 本报记者 隋风;信息物理系统:支撑两化深度融合[N];中国电子报;2018年
2 本报记者 胡虎;信息物理系统白皮书(2017)在京发布[N];人民邮电;2017年
3 天雨;两化深度融合综合技术体系[N];人民邮电;2017年
4 胡虎;安筱鹏:支撑两化深度融合 信息物理系统要加快破题[N];人民邮电;2017年
5 本报记者 胡虎;工信部力推信息物理系统综合应用[N];人民邮电;2017年
6 本报记者 邓晓蕾;支撑两化深度融合的集大成者[N];中国计算机报;2017年
7 中国电子技术标准化研究院软件工程与评估中心 周平;加快发展信息物理系统 夯实融合发展基础[N];中国电子报;2016年
8 中国科学院院士 徐宗本;把握新一代信息技术的聚焦点[N];中国信息化周报;2019年
9 王茹 国家行政学院经济学教研部;德国发展工业4.0的优势与挑战[N];中国经济时报;2016年
10 本报记者 陈怡凤 李琳;从制造到“智造”[N];中国信息报;2015年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 周春阳;面向信息物理系统的实时数据对象调度关键技术研究[D];华中科技大学;2019年
2 彭良红;信息物理系统中针对状态估计的攻击调度问题[D];东南大学;2018年
3 黄开兴;数据与模型驱动的工业信息物理系统动态信息安全防护方法研究[D];华中科技大学;2018年
4 邹敏辉;关于信息物理系统安全的关键问题研究[D];重庆大学;2018年
5 赵红专;协同驾驶信息物理系统的可信分析研究[D];重庆大学;2016年
6 张恒;信息物理系统安全理论研究[D];浙江大学;2015年
7 任健康;信息物理系统高效数据传输和调度机制研究[D];大连理工大学;2015年
8 杨泽渠;智能电网中用户数据安全及隐私保护研究[D];浙江大学;2017年
9 聂娟;农业信息物理系统中不确定性复杂事件处理技术研究[D];中国农业大学;2017年
10 齐义飞;基于能量调度的信息物理系统远程估计问题研究[D];浙江大学;2017年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 施洪宝;信息物理系统信道拥塞攻击建模与分析[D];东南大学;2018年
2 黄校娟;数据篡改攻击下配电信息物理系统安全风险评估[D];南京邮电大学;2018年
3 陈垚;基于离散事件模型的CPS实时调度分析与研究[D];昆明理工大学;2018年
4 邓良辰;配电网信息物理系统可靠性评估[D];天津大学;2018年
5 黄志勇;基于数据场理论的配电网信息物理系统规划方法研究[D];天津大学;2018年
6 王林林;电力信息物理系统中低压电力线载波通信可靠组网方法研究[D];天津大学;2018年
7 杨书山;针对奇异信息物理系统的攻击检测问题研究[D];重庆大学;2018年
8 李霞;基于信息物理系统融合的广域电网阻尼控制方法研究[D];湖南大学;2017年
9 王萃清;虚假数据注入攻击下信息物理系统的弹性控制[D];兰州理工大学;2018年
10 王瑞;信息物理系统的源位置隐私安全保护研究[D];浙江理工大学;2018年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026


丁香五月 啪综合