信息物理融合系统高度实时性能的保障机制研究

Real-time is one of the important performances of Cyber-Physical Systems (CPSs). First, beginning with the architecture of CPSs, this project analyzes the key factors that affect the real-time performance of CPSs. Then, the safeguard mechanisms of the high real-time performance are proposed from three aspects: (1) According to the safeguard mechanism based on real-time scheduling, the real-time performance is improved by dynamically changing the sampling periods and the sending intervals of sampling data. (2) According to the safeguard mechanism based on real-time network, the real-time performance is improved by adding the new real-time network protocol layer and designing the real-time network processing algorithms. (3) According to the safeguard mechanism based on delay compensation, the real-time performance is improved by compensating for the network delays in controlling units after the delays are predicted based on their continuous hidden Markov models. Finally, the CPS based solving method is presented for the smart grid, and through the computer simulation platform and the actual experimental platform, the safeguard mechanisms proposed in this project are verified and optimized. This project will provide an important theoretical reference for our construction and development of smart grid.

实时性是信息物理融合系统的重要性能指标之一。本项目从信息物理融合系统的体系结构出发，首先分析影响系统实时性的关键因素，然后分别从三个方面研究信息物理融合系统高实时性能的保障机制：1）针对实时任务调度的实时性保障机制，研究如何通过动态调整采样周期以及采样数据的发送间隔来提高系统的实时性；2）针对实时网络的实时性保障机制，研究如何通过增加新的实时网络协议层以及设计实时网络处理算法来提高系统的实时性；3）针对网络延时补偿的实时性保障机制，研究构建网络延时的连续隐马尔可夫模型从而实现对网络延时的预测，并基于该预测值研究控制单元中网络延时的补偿方法来提高系统的实时性。最后，以智能电网为应用对象进行计算机仿真分析和实际实验平台设计，制定智能电网的信息物理融合系统方案，验证并优化本项目提出的实时性保障方案，为我国智能电网的建设与发展提供重要理论参考。

信息物理融合系统（cyber-physical system，CPS）是当今最前沿的交叉研究领域之一，它被普遍认为是计算机信息处理技术史上的下一次革命，将会改变人与现实物理世界之间的交互方式，具有广泛的应用前景。CPS是一种分布式且深度嵌入式的实时系统，实时性是CPS的一个极重要特征和性能要求。本项目从信息物理融合系统的体系结构出发，首先分析影响系统实时性的关键因素，然后分别从三个方面研究信息物理融合系统高实时性能的保障机制：（1）针对实时任务调度的实时性保障机制，研究了如何通过动态调整采样周期以及采样数据的发送间隔来提高系统的实时性；（2）针对实时网络的实时性保障机制，研究了如何通过增加新的实时网络协议层以及设计实时网络处理算法来提高系统的实时性；（3）针对网络延时补偿的实时性保障机制，研究了构建网络延时的半连续隐马尔可夫模型从而实现对网络延时的预测，并基于该预测值设计了控制单元中网络延时的补偿方法来提高系统的实时性。（4）当前热门的IEEE 802.15.4协议所持有的低速、低功耗、低成本等优点，使其有望成为CPS无线传输的通信协议标准。结合CPS所面临的挑战，选择对标准IEEE802.15.4进行改进，突出提高其实时性能，与CPS高度实时性能相呼应。（5）基于信息物理融合系统模型研究了无线传感网的DV-Hop定位算法。最后，以智能电网为应用对象进行了计算机仿真分析和实际实验平台设计，研究了智能电网的信息物理融合系统解决方案，验证并优化了本项目提出的实时性保障方案，为我国智能电网的建设与发展提供了重要理论参考。