事件驱动的无线CPS实时消息调度与并行优化研究

Event-driven wireless CPS (Cyber-Physical Systems, CPS) is a new and sophisticated real-time computing model. The event messages in CPS have a lot of features, such as hard real-time, burstiness, multi-hop, and so on. In addition, there may be interference or parallelism between messages. The above characteristics increase the difficulty for real-time guarantee of messages. How to guarantee the messages to transmit in real-time and reliably is a key problem to restrict the development and application of CPS. Current research on real-time message scheduling does not consider the above characteristics comprehensively, and cannot meet the real-time requirements in event-driven wireless CPS. In view of the above characteristics and the limitations of the current study, we will mainly study three aspect contents in this project. The first is the real-time model of the messages in event-driven wireless CPS. The second is the real-time message scheduling mechanism and policies. And the last is the parallel optimization for real-time message scheduling. In this project, we will apply the theories including advanced petri-net, bin packing problem and graph coloring, etc., and the methods such as Aspect-Oriented, Taboo Search, heuristic, and so on. The main purpose is to meet the real-time requirements of the messages in event-driven wireless CPS. An efficient real-time scheduling framework and time slot division policy will be presented so as to avoid channel contention and collision and provide real-time and reliable message transmission. Parallel optimization model for real-time message scheduling will also be proposed to improve channel utilization and real-time guarantee ability. This study will play a positive role for the development and application of CPS.

事件驱动的无线CPS是一种新的复杂实时计算模型，系统中事件消息具有硬实时、突发性以及多跳等特征，消息之间还可能存在干扰性和并行性。上述特征增加了消息的实时保证难度，如何保证实时可靠的消息传输成为制约CPS发展及应用的关键问题之一。当前有关实时消息调度方面的研究没有充分考虑上述特征，无法满足事件驱动的无线CPS消息的实时要求。针对上述特征和当前研究的不足，本项目主要研究：事件驱动的无线CPS消息实时模型；实时消息调度机制与策略；实时消息调度的并行优化。本项目拟采用高级Petri网、装箱问题、图论着色等理论及面向方面的、禁忌搜索、启发式等方法，以保证事件驱动的无线CPS消息的实时性为目标，提出有效的实时调度架构、调度周期时隙划分策略及并行优化模型，避免信道竞争和消息的相互干扰，提供实时可靠的消息传输，并提高信道利用率。本研究将对CPS的发展及应用起到积极的推动作用。

事件驱动的无线CPS通常是由无线传感网络、数据与控制中心以及无线执行器网络等部分构成的大规模多跳无线自组织网络实时系统，具有严格的实时QoS (Quality of Service)要求。其中，传感节点周期性地采集被控对象的信息，当感知异常时向中心实时返回异常事件消息，经控制中心处理后产生控制事件消息，并实时地传给执行器网络相应的执行节点，执行具体控制任务，以便改变物理对象。系统行为由事件消息驱动，其中突发的异常事件消息和控制事件消息具有很强的实时性，必须在截止期限之前到达目的节点，否则可能会产生灾难性后果。提供实时可靠的消息传输是事件驱动的无线CPS的一个极为重要的要求，保证消息的实时性是保证系统实时性的关键，对CPS的发展和应用具有重大影响。. 事件驱动的无线CPS是一种新的实时计算模型，系统中事件消息具有实时性、突发性、多跳性、干扰性及并发性等特征，这些特征增加了消息的实时保证难度，遇到诸多挑战。比如：如何建立具有复杂特征的事件消息的实时模型？如何及时发现具有突发性的事件消息？由谁负责实时消息调度？如何避免消息之间的相互干扰？如何提供无冲突的实时并行消息传输？上述问题是实现实时可靠的消息传输，保证CPS实时QoS的关键问题，是制约CPS发展和应用的瓶颈。然而当前有关研究没有全面考虑上述特征，不能全面有效地解决上述问题。. 为弥补当前研究的不足，有效地解决上述问题，本项目在总结前人研究的基础上，以满足CPS实时消息端到端的时限要求为目标，研究事件驱动的无线CPS实时消息调度与并行优化，包括消息实时模型、实时消息调度机制与策略、实时消息调度的并行优化模型与求解算法等。提出了提出了一种基于混成时空Petri网的CPS实时事件模型、一种事件驱动的无线传感器网络实时MAC协议、一种混合实时消息的自适应帧长TDMA调度算法、一种事件驱动的无线CPS实时消息并行调度方法、一种基于时间自动机的医疗信息物理系统建模方法。这些研究成果为今后进一步研发CPS奠定了坚实基础。