面向混合关键性需求的工业无线系统关键技术研究

Industrial wireless systems possess the feature of mixed-criticality, where co-existent communications have different criticalities and share system resources. Comparing with the traditional single-criticality system model, introducing mixed-criticality to system models can improve the utilization of system resources. But the mixed-criticality feature not only makes existing approaches become less effective at optimizing network transmission performance, but also requires more resources to transmit the control data. For this problem, the project investigates the key techniques of mixed-criticality industrial wireless networks by three methods. These methods include the following original achievements: (a) designing the network node based on the mixed-criticality schedulable analysis and the satisfiability modulo judgment; (b) scheduling communications based on the delay upper bound analysis and the multi-mode network calculus; (c) co-designing control schemes and network techniques based on the cooperative game model. These achievements will form a theory system. In addition, the simulation and real experiment platforms will be developed to verify the correctness and effectiveness of the proposed methods.

工业无线系统具有混合关键性特性，不同关键性通信共存于同一系统中，共享系统资源。与传统单关键性系统相比，混合关键性的引入能够改善简易模型下传统方法对资源的不合理利用，但同时也将降低已有方法对网络传输能力的优化效果，以及加剧控制策略为网络带来的负载。针对该问题，本项目拟在基于可调度特性混合分析和可满足性模判定的网络节点设计优化、基于延时上界分析和多模网络演算的通信调度方法、基于合作博弈模型的控制与网络协同设计方面取得原创性成果，形成一套全面的理论体系。在此基础上，设计和发开仿真平台和物理实验平台，验证理论成果的正确性与有效性。

关键性需求普遍存在于工业生产中，其表示的重要性有别于实时性表示的紧急性。因此即使目前工业生产中对多关键性数据的混合传输有应用需求，但已有传统调度和分析方法都无法给出令人满意的解决方案。本项目沿袭多核混合关键性系统的研究思路，充分考虑工业无线网络特性，从节点设计、网络调度和控制与网络协同三个方面展开具体研究，提出了混合关键性工业无线系统设计整体解决方案，改善了简易实时模型下传统方法对无线网络资源的不合理利用，为工业信息化提供了有力的技术支撑。项目在执行过程中取得了如下成果：.(a) 针对节点设计，从收发器数量优化、设备选取、功耗优化等角度展开研究，提出了基于哈密尔顿路径、冲突避免、递归调度等的设计优化策略，从多个角度减少了节点成本和资源消耗；.(b) 针对网络调度，首先解决了多关键性间快速切换的技术问题，之后基于此提出了基于抢占规则的混合关键性调度方法，以及基于供需分析的系统分析方法，为混合关键性网络设计提出了具体而全面的解决方法；.(c) 针对控制与网络协同设计，从控制映射和控制需求两个层面展开研究，提出包含控制任务放置、路由方法、调度策略等多层优化方法相集合的整体解决方案。. 本项目共发表论文17篇（SCI检索13篇，EI检索4篇），其中一区期刊2篇、二区期刊2篇；申请发明专利5项。