以汽车为例的CPS若干问题研究

新一代汽车系统是一个复杂的CPS（Automotive Cyber-Physical Systems，简称ACPS）。以ACPS的观点研究汽车，研发新一代汽车电子系统，是当前嵌入式计算领域研究的热点之一。本项目旨在研究ACPS中的若干关键理论和技术，以实时性和安全可靠性为主线，从模型、设计技术、分析与验证方法等层面开展相应研究，主要内容包括面向ACPS的实时模型、实时分析理论和方法，面向ACPS的嵌入式虚拟机，基于嵌入式虚拟机结构的动态任务分配和任务调度方法，以ACPS为例的大规模CPS构建技术等。通过本项目的研究，将解决以电动汽车为例的一类时间和性能关键的CPS系统中若干理论和关键技术问题，发展嵌入式计算理论与方法；研发新一代汽车电子系统原型，对推动我国汽车电子工业的发展，提升汽车电子自主创新能力，提高我国在汽车电子领域的技术实力和核心竞争力具有重要意义。

新一代汽车电子系统的体系结构的异构性、交互性和分布式使其演化为汽车信息物理融合系统（Automotive Cyber-Physical Systems, ACPS）。ACPS必须处理实时性、可靠性、并行性、关键级、动态性和大规模等所带来的联合挑战。本项目研究了ACPS的若干关键问题，取得了如下重要进展：.1、ACPS实时网络研究。1）提出了面向网关互连的CAN网络中消息的WCRT分析方法。 2) 提出了面向FlexRay 静态段消息调度的可扩展性优化算法。3) 从集成APCS计算和网络系统的角度出发实现功能级实时性优化算法。.2、 ACPS车载网关研究。1) 针对FlexRay-CAN网关互连的异构网络提出了帧的封装算法和实时分析技术。2 ）使用FPGA/SOPC设计支持多总线的汽车网关。3）基于设计的汽车网关，搭建了多总线的ACPS平台。4）分析了CAN集群的汽车网关的WCRT，获得安全紧凑的WCRT上界。.3、 ACPS可靠性研究。1）提出了周期任务集的可靠性模型，基于可靠性模型提出精确量化任务版本的容错算法。 2）针对ACPS的异构性和并行性，提出了考虑故障传播行为的DAG可靠性模型，并对其进行理论和实例验证。3） 基于DAG可靠性模型提出了每个任务需要复制次数的下限值算法，以及经济的和贪婪的版本量化容错算法。.4、ACPS的并行性与动态性研究。1）提出高性能的单DAG任务调度算法，以适应ACPS的计算异构性。2） 提出了高性能的单DAG任务与消息同步调度算法，以适应计算与网络均异构且深度融合的ACPS。3 ）提出了多DAG静态自适应任务调度算法，在满足实时性的基础上提高调度性能。4）提出了混合关键级策略的多DAG动态任务与消息调度算法，在性能与实时上取得合理的平衡。.5、大规模CPS研究。1）提出了一种从离散数据出发建立系统模型的思想，通过反馈控制实现物理事件与计算系统之间的深度融合。2）提出分布式上下文敏感复杂事件处理架构和方法，该方法支持事件的不确定性及模糊事件查询。.以上成果在ACPS模型、计算、网络、网关、以及集成等方面取得了重要进展，并在汽车厂商提供的真实消息集上验证了方法的有效性,为CPS的研究奠定了坚实的理论和实践基础。