无线多信道信息物理融合系统中调度与控制的分布式协同设计

In cyber-physical systems (CPS), the quality of networked communications is a bottleneck issue for high control performance. Although this problem can be mitigated by recent communication and networking technologies based on wireless multi-channel networks, the introduction of such networks in CPS will incur the problem of joint stability between control and network subsystems. How to design scheduling mechanisms of network resources and feedback control, in order to achieve joint stability and performance optimization of CPS, is a new challenge. This proposal digs into the coupling relationship between multi-channel network and control subsystems in CPS, strives to break through traditional CPS stability analysis and optimization by conducting research on distributed co-design of network scheduling and feedback control. The main research topics are: joint stability theory between control and network subsystems of CPS, including joint stability region and stability criteria; joint optimization framework of control and network subsystems, and, based on wireless channel conditions, decompose the original framework vertically and horizontally. Specifically, we will design off-line co-design approaches based on cross-layer decomposition, and online adaptive co-design approaches based on random scheduling and priority-based scheduling. The proposed research will promote the integration of control theories and wireless networking technologies, and provide basic theories and design guidelines for practical CPS applications.

信息物理融合系统（CPS）中网络通信质量是制约控制性能的瓶颈因素之一，而基于无线多信道网络的新兴技术有利于从根本上缓解这一难题。然而，无线多信道网络引入CPS中，引发了控制系统与网络协同稳定性问题，如何设计网络资源调度和反馈控制，使CPS实现协同稳定和整体性能的优化，成为新的挑战性课题。本项目深入挖掘CPS中网络与控制的耦合关系，力争突破传统CPS稳定性分析和优化设计体系，开展网络调度和反馈控制的分布式协同设计研究。主要研究内容有：控制系统与无线多信道网络协同稳定性理论，CPS协同稳定域及稳定性判据；研究控制与网络协同优化框架，通过纵向和横向两种思路对原始优化问题进行分解，分别设计基于跨层分解的离线协同设计方法，和基于随机调度和优先级调度的在线自适应的分布式协同设计方法。本项目的研究有助于推动控制理论与无线网络技术的进一步融合，为CPS面向实际应用提供基础理论和方法指导。

信息物理系统中通信网络与控制系统深度融合，使得系统整体控制性能的优化面临很大挑战。对此，本项目开展了网络调度与控制的协同分析与设计的研究。主要包括：针对面向实时应用的工业无线多信道网络，提出了网络端到端传输时延优化的离散数据包传输调度方法和多跳—多射频—多信道复杂无线网络时延优化的连续数据流传输控制方法，给出了网络稳定性条件；针对无线信息物理系统调度与控制的分布式协同优化，分别提出了面向远程状态估计的重传调度、传输能量与估计性能的协同分析与优化方法，多智能体系统中分布式一致性控制与网络通信协议的协同分析与设计，以及网络化控制系统中移动多执行器的调度与控制分布式协同设计；针对无线信息物理系统信道拥塞攻击的分析与防御问题，分析了攻击的最优调度策略和攻击性能，在此基础上，提出了攻击实时检测方法、攻防博弈策略以及系统状态隐私保护的传输调度方法，有效保障了系统的安全性和隐私性；最后，我们还研究了多智能体系统中鲁棒、安全的通信与控制分布式设计问题，分别提出了扰动下多智能体系统鲁棒分布式控制方法，以及针对异常节点的信息加密和分布式协同攻击检测方法，在保证计算准确性的情况下使得系统能够检测异常行为节点。本项目研究对于促进网络与控制在信息物理系统框架下的深度融合具有重要意义，对于推动工业无线网络融入高实时高可靠的过程控制应用中具有现实意义，同时本项目在系统安全方面的成果有助于应对网络攻击下工业物联网的安全问题。