能量收集信息物理系统能量管理机制及其关键技术研究

Energy management is the key to guarantee real-time and sustainable operation of energy harvesting based cyber physical systems. In view of the system infeasibility problem caused by not meeting the time constraints and energy constraints, this research intends to study three scientific issues of contradiction of time constraints and energy constraints, system feasibility and energy bottleneck for involved in solving this problem by the theoretical research and experimental research. This research takes the energy harvesting based cyber physical systems(EHCPS) as the research object, studies its energy management mechanism and key technologies. This research is planned to be launched in the following four aspects: energy management mechanism of energy harvesting based cyber physical systems , low power design techniques for computing systems based on preemption threshold scheduling, dynamic group-based output energy adaptive scheduling algorithms and workloads matching scheduling based charging and discharging control strategies for batteies. This research explores the energy management basic theory of energy harvesting based cyber physical systems, and studied the methods of system feasibility analysis and key technologies of energy management. This research provides a theoretical basis and solution for energy harvesting based cyber physical systems not only to meet the time constraints, but also to meet the energy constraints to ensure the real-time and sustainable operation.

能量管理是保障能量收集信息物理系统实时、可持续运行的关键。针对能量收集信息物理系统由于不满足时间约束和能量约束而导致的系统不可行问题，本项目拟通过理论研究和实验研究对解决这一问题所涉及到的EHCPS时间约束和能量约束的矛盾问题、系统可行性问题和能量瓶颈三个关键科学问题进行研究，并给出解决方案。本项目以采用能量收集技术供电的信息物理系统为研究对象，研究其能量管理机制和关键技术，拟在以下四个方面展开研究：能量收集信息物理系统能量管理机制研究；基于抢占阈值调度的计算系统低功耗设计技术研究；基于动态分组的输出能量自适应调度算法研究和结合工作负载调度的电池充放电控制策略研究。本项目探索能量收集信息物理系统能量管理机制的基本理论，研究系统可行性分析方法和能量管理关键技术，为能量收集信息物理系统既要满足时间约束，又要满足能量约束来保障系统实时、可持续性运行提供理论依据和解决方法。

能量收集信息物理系统（Energy Harvesting Based Cyber Physical Systems，EHCPS）的收集能量随时间动态变化，造成系统由于不满足时间约束和能量约束而导致系统不可行。本项目针对这一问题展开了理论研究和实验研究。本项目首先采用Systematic Mapping方法对能量管理方法进行了综述，在此基础上结合信息与物理交互融合的特征，提出了EHCPS能量管理模型。在基于抢占阈值调度的计算系统低功耗技术方面，提出了基于分组的双优先级节能调度策略，实验结果表明该策略对减少上下文切换时间开销和降低系统能耗具有一定的效果。在基于分组的能量自适应调度算法方面，本项目通过建立能量约束判断条件，提出了一种基于Q-learning的节能调度策略。实验结果表明，该算法相对ALAP算法和ASAP算法可有效节省能量。此外，研究了EHCPS“能量欺骗”问题，先使用HEE算法依据可用能量和任务集能耗对系统整体能量可行性进行初步判断，然后分别使用基于最坏情况响应时间的电池初始能量水平算法WCRT-IELB和精确的电池循环初始能量算法AC-IELB计算出合适的初始电池容量。使用YARTISS工具来模拟上述三种算法，并与两种经典算法ALAP和ASAP进行对比。实验结果表明该方法可以有效解决能量欺骗问题。在结合工作负载调度的电池充放电控制策略方面，采用最坏情况分析的方法将电池能量管理的可行性判定问题化解为时间可行性和能量可行性判定，设计了时间可行性判定算法和能量可行性判定算法。本项目为EHCPS既要满足时间约束，又要满足能量约束来保障系统实时、可持续性运行提供理论依据和解决方法。