基于计算与通信协同设计的可组合多安全级别CPS研究

Cyber-Physical Systems (CPS) integrate mixed-criticality tasks into the same platform of computation and communication so as to efficiently utilize the physical resources. This project exerts the mixed time-triggered/event -triggered operating mode, uses co-design of computation and communication, and studies how to build a safe, efficient, compositional and scalable mixed-criticality integrated architecture based on the new hybrid communication protocol. The main contents include: the dynamic compositional and efficient integration architecture for mixed-criticality applications in CPS; the strong real-time enhancement mechanism for time-triggered tasks through co-design of computation and communication; the timing quantitative analysis for compositional scheduler of mixed-criticality tasks; the high safety and reliability enhancement for distributed CPS through fault tolerant mechanism. The proposed new mixed-criticality tasks integration mode in CPS will optimize the resources of computation and communication, coordinate the system running process, and provide the high safety and reliability assurance. The study on the compositional mixed-criticality CPS has important theoretical significance and broad application prospects.

信息物理融合系统（Cyber-Physical Systems，CPS）将不同安全级别任务集成于同一计算与通信平台,以达到物理资源的高效利用。本课题拟基于时间触发/事件触发混合工作模式，应用新型混合通信协议，采用计算与通信协同设计的思想，研究如何构建安全、高效、可组合与可扩展的多安全级别任务集成系统。主要研究内容包括：动态可组合多安全级别CPS高效集成架构；计算与通信协同工作的时间触发强实时保障机制；可组合多安全级别任务时间特性定量分析；高安全性与高可靠性的分布式CPS主动容错方法。通过本课题的研究，使得所提出的多安全级别任务集成模式能够优化系统计算与通信资源，协同系统工作过程，且保障系统安全性与可靠性。对于可组合多安全级别CPS的研究，不仅具有重要的理论意义，而且有着广泛的应用前景。

可组合多安全级别系统集成技术是当前CPS的重要研究方向和关键技术之一。本项目的基本思路为：从时间触发与事件触发混合工作模式入手，将“时间”看作为分布式CPS运行的主线，采用计算与通信协同设计的思想，以保证时间触发性任务的强实时要求，同时达到多安全级别系统计算与通信资源的可组合性与高效集成。在可组合多安全级别CPS的研究过程中，主要成果有：提出了基于时间/事件触发组合的CPS高效集成架构，实现了多安全级别任务的动态可组合；提出了计算与通信协同工作的时间触发任务强实时保障机制，大大减少了应用级任务的时延；提出了基于时间窗口分析的时间触发数据传输机制，为安全关键任务提高了可靠性；提出了面向事件触发机制的安全关键任务端到端延时优化方法，为事件触发机制提供了无冲突调度；提出了基于网络微积分的数据流延迟定量分析方法，为安全关键系统的时间定量分析提供了支持；提出并实现了在嵌入式平台上利用虚拟化技术实现ARINC 653 分区的方案，为计算任务提供了新的实时环境；提出了基于共享内存的网络交换机架构，对交换机所有输入和输出端口共享的内存采用空间分离技术；提出并实现了在嵌入式平台上利用中断聚合的网络IO优化方法，为计算与通信的协同提供支持；提出了基于Simplex架构的分布式CPS主动容错方法，定量地实现了高安全性与高可靠性保证。本课题的研究成果使得所提出的多安全级别任务集成模式能够优化系统计算、通信等多维度资源，从而协同系统工作过程、保障系统安全性与可靠性。本项目共发表高水平学术论文14篇（SCI引用9篇，影响因子总和27.097），其中包括Proceedings of IEEE论文1篇，ACM/IEEE汇刊论文6篇，INFOCOM、ICPADS、GLOBALCOM国际会议论文4篇，学术专著章节1篇。研究成果理论联系实际，部分技术应用于小型直升机飞控系统中。