面向信息物理系统的实时数据一致性维护策略研究

An important feature of data management in Cyber-Physical System (CPS) is real-time. In order to make CPS always detect and respond to physical devices changes in a real-time manner, providing efficient and reliable temporal consistency maintenance strategies for real-time data objects is an important topic to be studied. Although the same problem has been extensively studied in traditional Real-Time DataBase System (RTDBS) area, the CPS has its own distinguish features and requirements, which make the current methods or techniques not suitable. In this project, we study how to maintain temporal consistency of real-time data objects in CPS. In view of the dynamic nature of CPS, we study the real-time update task-scheduling problem by considering software-based mode-changes and hardware-based mode changes respectively, as well as the problem of searching proper mode-change point, with the objective of guaranteeing temporal consistency of real-time objects in the scenario of dynamic mode changes. We also consider the distribution character of CPS by taking network latency into consideration to design new real-time update task scheduling algorithms, so as to improve the schedulability of the update task set. Last but not the least, we consider the high reliability requirement of CPS by taking both mixed-criticality control tasks and update tasks into consideration. Specifically, we study a hybrid real-time task scheduling policy that can guarantee the schedulability of mixed-criticality real-time control tasks, while at the same time, schedule real-time update tasks to achieve the maximum data freshness, with the objective of raising the quality of data service.

实时性是信息物理系统（CPS）数据管理中的一个重要特性，为了使CPS总是能够实时地检测和响应物理设备的变化，提供高效可靠的实时数据一致性维护策略是亟待研究的关键问题。尽管传统实时数据库中相关问题已得到了广泛研究，产生了大量成果，但CPS有其自身独特的特点与要求，已有方法在应用到CPS中时存在诸多不足和不适应之处。本项目研究面向CPS的实时数据一致性维护策略，针对CPS动态性、分布性和高可靠性的特点与要求，从软件和硬件切换两方面研究更新任务调度算法，探索模式切换点设置策略，保证动态模式切换下的数据时序一致性；充分考虑网络传输延迟，优化更新任务调度算法以提高分布式环境下更新任务集的可调度性；充分考虑控制任务的关键级，并以此为基础从优化数据质量和控制性能两方面研究CPS中混合关键级控制任务与更新任务的协同调度算法，在保证CPS可靠性的前提下尽可能满足实时数据的时序一致性，提高数据服务质量。

实时性是信息物理系统（CPS）数据管理中的一个重要特性，为了使CPS总是能够实时地检测和响应物理设备的变化，提供高效可靠的实时数据一致性维护策略是亟待研究的关键问题。尽管传统实时数据库中相关问题已得到了广泛研究，产生了大量成果，但CPS有其自身独特的特点与要求，已有方法在应用到CPS中时存在诸多不足和不适应之处。本项目针对CPS面临的动态性、分布性和高可靠性等特点与要求，研究面向CPS的实时数据一致性维护策略。具体研究成果如下：针对CPS动态性特点，研究了可变速处理器下保证更新任务保证实时数据时序一致性的更新任务分派调度问题，设计实现了更新任务集分派算法TCBM，能在保证数据对象时序有效性的同时有效降低系统能耗；针对CPS分布式特性，研究了信息物理系统中考虑网络延迟（Jitter）的实时更新任务调度问题，基于动态优先级实时调度理论提出了JB-EDF和JB-EDF*算法，通过合理利用网络传输的空闲以保障系统实时数据对象处理的可靠性和时效性；针对CPS中如何保证控制任务服务质量进而提高可靠性这一问题，研究了考虑控制任务服务质量的混合任务调度方法，提出了两种更新任务截止期与周期分派算法，minD*-SLG和DPR-SLG，可以在保证所有控制任务所访问数据都是在其生命周期内前提下，最大化控制任务服务质量；此外，还研究提出了多核Global调度下更高效执行的任务最坏情况响应时间分析方法以及考虑任务存在固定抢占点时更精确的最坏情况响应时间分析方法，能为多核调度下混合实时任务集可调度性分析提供支撑。经过进四年的潜心研究，本项目工作进展顺利，较好完成了预期的研究内容和目标，并取得了一定的研究成果，共发表论文14篇，其中IEEE/ACM Transactions期刊论文6篇（其中CCF A类论文5篇），中国计算机学会规定的CCF B类会议论文2篇，CCF C类会议论文1篇。发表论文中，SCI检索10篇，EI检索11篇。协助培养博士研究生3名（已毕业2名，在读1名），已毕业硕士研究生3名。2017年以部分本研究内容为成果的项目《绿色高效健壮嵌入式软件开发平台关键技术及应用》获湖北省科技进步一等奖（项目负责人排名2）。