信息物理融合系统的网络控制抽象与算法研究

Control is one of the key concepts of CPS (Cyber-Physical System). The traditional control system design does not consider the computing and communication, thus can not meet the requirement of controlling CPS physical objects in large scale. This project is proposing a data middleware based CPS network control method, which integrates the discrete event driven, time and space independent computing technology and network communication technology with the continuous process driven, time and space related control technology.This proposal firstly study the abstraction of the CPS network system application base on the data middleware, and decouple the controlling algorithm from the networked control system implementation.It then implement the loose couple of controlling theory development and application by controlling the acquiring mechanism, design the local implementation and provisioning mechanism to reduce the negative impact of computing and communication, research the control algorithm of CPS networked control technology. Finally it will establish the simulation experiment platform of mobile small vechicle, upon which to verify the proposed algorithm and theory.The purpose of this proposal is to find the networked control method that fits the CPS natural characteritics, and achieve the deep integration of control, computing and communication, so that provide the technical support for national CPS industry.

控制是信息物理融合系统（Cyber-Physical Systems,CPS）的核心概念之一。传统控制系统设计忽略了计算与通信，不满足CPS海量物理实体的控制需求。本项目拟提出基于数据中间件的CPS网络化控制方法，将已有的、处理离散事件的、不关心时间和空间参数的计算技术、网络通信技术，与现有的、处理连续过程的、注重时间和空间参数的控制技术整合起来。首先基于数据中间件研究CPS网络化系统应用抽象，将控制算法与网络化控制系统实现进行分离；通过控制获取机制实现控制理论开发与应用时的松散耦合，设计本地控制实施机制降低应用时通信与计算对控制的消极影响，研究适用于CPS网络化控制实现技术的控制算法，最后拟搭架移动小车实验仿真平台，将所提出的理论方法与算法在实验中进行验证。力图找到适合CPS自然特性的网络化控制方法，实现控制与计算、通信的深度集成，为我国CPS产业化实现提供技术支撑。

作为计算元素与物理实体紧密结合的信息物理融合系统（Cyber-Physical Systems,CPS），实现控制与计算、通信的深度集成是其目前面临的一个具有挑战性的难题。本项目以一直遵循“信息（cyber）”要素与“物理（physical）”要素结合思想的天基系统为背景，开展了天基CPS网络化抽象与算法研究，主要取得如下成果。.1.在应用抽象与实现机制方面。为实现天基CPS应用开发与使用分离，提出了基于Sandroid的天基CPS体系架构与开源实现框架，在硬件平台与应用层之间形成一个可复用层次,通过屏蔽各种复杂的技术细节,实现低成本快速开发需求。在该架构下允许天基CPS各部分分别开发，也易于重复利用，同时允许系统在线演化。将控制软件抽象为Agent，研究了基于Sandroid平台的主动迁移策略，设计了合同网协议来协商需要软件迁移的对象，解决在天基CPS分布式环境下，没有主控节点可以存储所有其它节点的信息的问题。提出了天基CPS多属性决策算法选择合适的APP迁移目的地。搭建了协同观测实验平台验证了该方法。.2.在CPS控制算法方面。针对空间环境复杂性以及其他各种不确定性，包括测量误差、计算模型误差、环境噪声、无线通信的不稳定性等因素，设计天基CPS多模态网络化控制模型。研究了手机传感器与传统卫星传感器融合的姿态确定卡尔曼滤波算法，其结果优于已有Cubesat平台。为了解决传统卫星姿态控制系统存在的各种不确定因素（执行器的动态不确定性、传感器的参数不确定性以及量化不确定性等），提高系统的智能化程度，研究了面向天基CPS姿态控制强化学习算法。基于变结构控制理论中的滑模控制方法，结合传统时序差分算法收敛速度快的特点和新型时序差分算法收敛精度高的特点，设计了同时具有高收敛速度和高收敛精度的算法，并且在随机游走仿真实验与乐高小车实验中验证了算法的效果。.项目实施过程中，课题组在国际期刊和本领域重要国际会议上发表相关学术论文16篇，培养博士1名，硕士4名，获省部级科学技术进步奖2项。参加国际学术会议分组报告2人次，与相关领域专家开展了广泛深入的学术交流与技术合作。