信息物理融合系统的时空建模与资源优化管理研究

Cyber-Physical Systems (CPS) which perfectly integrating control and communication with computing are at the forefront of the interdisciplinary subjects. The characteristics of CPS such as task complexity, distributed systems, resource-constraints and heterogeneous network block the widespread applications of CPS, and the optimizing system resources with multidisciplinary fusions are the effective approach to solve these problems. In this project, in order to establish the theories and methods for improving the performance of CPS and realize the system performance optimization, the model simulation and prototype platform verification are adopted to study the two main research subjects for CPS: spatio-temporal modeling and optimized resource allocation. The concrete details include the following aspects: 1) the task characteristics and spatio-temporal modeling in CPS; 2) the optimal scheduling of CPS with multidisciplinary fusions, and the reducing method of delay and jitter for real-time tasks, and 3) the spatio-temporal model for performance analysis and implementation verification of CPS prototype platform. Through this research, the influence of task spatio-temporal model, resource allocation, delay and jitter and any other aspects are revealed, and the real-time performance for critical task is ensured. Consequently, the CPS optimized resource management methods from the standpoint of multiple disciplines are achieved, which may provide the theoretical and technological foundation for CPS design.

融合计算、通信与控制于一体的信息物理融合系统（Cyber-Physical Systems,CPS）成为当今最前沿的交叉研究领域之一。CPS 的任务特性复杂、系统分布式、资源受约束、网络异构等特点是制约CPS 推广应用的主要瓶颈，从多学科融合角度优化系统资源是解决该问题的有效方法。本项目以CPS 的时空建模与资源优化分配为研究对象，采用模型仿真和CPS 原型平台验证两种手段，建立提高CPS 性能的理论与方法，实现CPS系统性能的优化。研究内容包括：1.CPS 中任务特征与任务时空建模；2.融合多学科的CPS 任务优化调度管理与实时任务的延迟抖动减小方法；3.CPS 性能分析时空模型与原型平台实施验证。本项目的实施，可揭示任务时空模型、资源分配策略、任务延迟抖动等对系统性能的影响规律，保证关键实时任务的确定性，从多学科融合角度建立CPS 资源优化管理方法，为CPS系统设计提供理论基础。

集物理环境、通信和计算的信息物理系统（CPS）的应用越来越广泛，本课题主要研究：1）CPS 的任务特征与时空建模；2）融合多学科的CPS 任务优化调度管理；3）CPS 原型平台实施验证。研究了CPS体系结构，CPS的安全威胁及采取的措施，工业信息物理融合系统（ICPS）的面向服务的ICPS模型和关键技术；构建了车联网环境下的云计算体系架构方案。开发了面向产业集群的云制造服务系统的架构，以及云制造服务系统的相关实现技术及工程应用案例。对车载自组网中最先进的路由协议进行详细的比较，分析了适合于高度动态、快速变化的网络拓扑结构的混合路由协议。研究了基于移动群体感知的实时路况的预测方法，建立动态的路线选择并进行了实验验证。创建一种信息物理机器人语言（CPRL）的专用语言，以综合和快速的方式支持信息物理机器人系统（CPRS）设计和实现。在工业4.0的背景下，将移动服务和云计算技术融入智能制造环境。构建旨在满足个性化需求和灵活的生产机制的制造系统，搭建了CPS应用系统。构建了一套基于时空模型和资源分配的CPS性能优化理论与方法，为CPS 系统设计与应用提供理论基础。