CPS网络化实时通信系统中可组合性与模式切换问题研究

Cyber-Physical System need the reliable and efficient networked real-time communication system to connect large amount of physical system componets. In order to fullfill the requirements of high dynamic, large-scale and ditributed CPS, this project focuses on the compositionality for networked real-time communication system so that CPS components can be integrated seamlessly and provide plug-and-play service. At the same time, the project also addresses the mode-change of network transmission problem of real CPS system whose execution mode changes due to the time and circumstance changes. .The research contents in this project include: 1) modeling，verification and optimization of the networked real-time communciation system according to the physical system attributes, which should significantly increase the networking resource utilization. 2) we address the compositionality of CPS, and use the hierachical real-time scheduling framework to realize the time/space partition among the real-time flows. The compositionality enables the independently developed components to be integrated into a large-scale CPS system. 3) Use mode-change approach to enable the CPS to run from one execution mode to another with predictable performance in order to fit the dynamic physical system requirement. The research methods are implemented and verified on an Ethernent based avionic databus, which make the research results have large extendability to various CPS applications.

信息物理融合系统(CPS)需要可靠、高效的网络化实时通信系统连接大量物理信息组件。本课题针对高动态、大规模、分布式CPS系统的要求，研究CPS网络化实时通信系统的可组合性，使大量CPS子系统可以无缝的链接，"即插即用"形成大规模复杂CPS系统；同时,研究动态模式切换问题，满足实际物理系统随时间和环境的变化所产生的动态实时信息传输需求。.主要研究内容包括1）根据物理系统特性建模、验证并优化网络化通信系统的实时性能，根据物理系统事件发生的规律优化网络性能分析方法并提高网络资源利用率。2）研究网络化实时通信的可组合性，利用层次化调度方法实现数据流间的时间空间分离性，能够将独立开发的物理系统组件进行整合进而实现大规模CPS系统。3）利用模式切换方法实现动态CPS系统从一个运行模式转换到另一个模式的可预测行为问题。研究方法将通过基于以太网技术的航空数据总线进行分析和验证，成果具有很高的扩展性。

本项目从信息物理融合系统需要将计算、通信与物理系统一体化设计的需求出发，从复杂分布式系统的数据传输与处理的入手，研究网络化信息系统中的关键科学问题。提出了针对高性能以太网技术、深度融合计算与通信的动态网中断驱动模式和管理方法，实现了具有时间-空间隔离性的可组合性运行时支撑环境；设计了适应不同应用需求和动态模式切换的资源分配方法和任务调度策略。项目成果包括一系列系统性能和效率的优化方法和技术，并构建了多种协同自治、安全共享的应用验证实例。具体的研究成果包括：..1. 建立了网络中断处理开销与应用计算开销间的最佳计算资源配比算法模型，提出了动态中断聚集机制和中断事件替换策略，将外部环境变化抽象为网络通信的中断事件特征，解决了高性能网络通信中的中断高开销问题，实现了在提高网络资源利用率的同时降低系统计算资源开销的效率优化方法。.2. 提出了具有时间、空间、性能隔离特性的高效运行时支撑技术与方法，结合虚拟化技术，提出了基于增量时间片的资源分配策略，实现了可组合性系统构建方法与支撑技术，可以将独立开发的应用系统组件灵活、高效的构建成综合、复杂的信息物理融合系统。.3. 提出了一套实现精确资源分配方法、高效上下文切换机制和具有负载均衡的动态中断重映射的方法，为复杂系统中多样化组件提供的安全交互、高效协作的共生环境，能够动态感知物理环境变化和上层应用行为变化，满足复杂信息物理融合系统多样化运行模式的需求。.4. 基于航空数据总线网络、高性能网络虚拟化与云计算平台建立了多个信息物理融合系统的扩展性应用和成果验证系统，在应用平台上验证了本项目提出的满足信息物理融合系统中动态模式切换与可组合性研究成果，并且有效验证了分布式系统间的安全信息共享、自治协调的各种技术成果。..项目组成果中包括：发表高质量论文13篇，培养硕士研究生9名，申请专利7项，其中4项国内专利已经授权，授权国内专利中2项申请了PCT国际专利并有1项已经授权；项目执行期间，与美国、加拿大、香港等多个著名大学的多位教授进行了多次学术交流，多次参加国内外学术会议；积极与国内的航空领域的研究所与著名企业建立技术交流机制，实现了以实际应用为导向的研究过程，促进了研究成果的应用转化。