摘要：信息物理系统(Cyber-Physical Systems,CPS)是一类综合信息处理、网络传输和物理控制的复杂系统,它通过将信...信息物理系统(Cyber-Physical Systems,CPS)是一类综合信息处理、网络传输和物理控制的复杂系统,它通过将信息技术、通信技术和控制技术的有机结合,实现信息处理和物理过程在空间和时间两个维度上的深度融合,被认为是推动下一次产业革命的核心技术[1]。CPS不但实现信息传递与共享,而且系统部件之间能够通过对话合作完成相应的控制任务。无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)是CPS应用的重点领域之一,将CPS的理论与方法应用于无人机控制系统,可以实现各种异构资源(地面控制系统、无人机本体、传感器、智能设备等)之间的深度融合,基于精确的传感技术、高度可靠的通信技术和信息系统的强大计算能力,达到对无人机准确、高效、实时、智能的一体化控制,改善无人机控制系统中资源利用率低、系统动态可重构性和开放性较差等痼疾,最终获得更高的系统工作效率。无人机信息物理系统(UAV Control Systems Based on Cyber-Physical Systems,UAVCPS)中任务执行的不确定性、网络传输延时、数据丢包等将造成无人机的性能难以满足。首先,由于无人机组件失效或不可访问带来的任务实施失败,需要考虑采取一种组件可替换架构来确保任务的正确执行;其次,由于系统计算资源及网络资源限制给无人机飞行任务带来的不确定性,实现资源合理调度和任务的正确及时执行,进而提高系统控制性能和资源利用率是一个问题;第三,由于资源能力有限,特别需要考虑在极端情况下的系统局部过载的情况;另外,由于CPS具备大量并行计算及网络资源,可将无人机高度智能化的任务分解为多个子任务,如何最优分配这些子任务并且管理任务的有序执行成为一个严峻的问题。因此,灵活有效的资源调度技术成为CPS研究的关键技术之一。本文主要针对UAVCPS计算资源和网络资源调度等进行研究,主要贡献如下:(一)研究UAVCPS系统构成,提出了基于总线的无人机CPS体系架构。通过面向服务的体系架构提高组件的可靠性,屏蔽资源的异构性,封装资源的功能,统一资源的交互接口,为资源的有效调度提供支持。根据面向服务的思想,将UAVCPS分为服务层、中间件层、网络层和物理层。从任务优先级调度、周期优化、任务分配机制等多方面设计了系统资源调度框架,为后续研究提供了架构基础。(二)研究了无人机CPS的计算资源调度问题。在任务随机到达系统以及任务执行时间和通信时间不能精确获取的情况下,本文提出ISMHEFT(An improved HEFTalgorithm for stochastic multi-DAG schedule)算法,综合考虑DAG任务进入顺序及重要性来处理多DAG随机到达系统的情况,构建随机多任务的DAG合并模型,使其子任务能在一个统一的DAG结构中计算优先级值;相比HEFT表调度算法,ISMHEFT算法以标准方差和平均值之和表示时间,能更有效地模拟实际环境中的上行权重和任务执行时间,获取更优的优先级排序和任务分配,提高任务执行效率。(三)针对存在不可预测噪声的复杂不确定性动态环境的系统,本文设计了一个基于改进EDF的模糊反馈两级双层调度策略TLFFIE(Two-levels Fuzzy Feedback improved-EDF Scheduling)。第一级实现总线及各节点计算资源的合理调度,综合考虑响应时间及丢包的影响,动态调节任务优先级,并将优先级映射到计算节点;第二级优化UAVCPS资源,将任务的响应时间和丢包率作为性能指标,采用PI控制调整任务周期以达到重新分配UAVCPS资源的目的。通过Matlab仿真及原型系统实验证明该调度策略能有效减小控制系统丢包,提高了系统资源利用率及控制性能。(四)针对UAVCPS系统中过载及数据包乱序引起的实时性降低及任务失效等问题,研究有效的任务分配机制,实现节点的高效协同及计算节点资源合理分配。本文设计了基于请求划分的负载均衡分配模型,提出了一个PI反馈控制负载均衡策略(dynamic load balancing algorithm based on PI feedback control,PIDLBA),利用增量PI控制思想,由各节点性能的实时反馈值动态调节计算节点的分配权值,并根据分配权值比例的变化,通过虚拟节点转移算法,局部调整虚拟节点的数量,避免了哈希空间的整体重映射,以维护哈希空间的稳定,最终通过虚拟节点数量的改变调整各计算节点的负载量。该方法不仅实现了动态负载均衡的任务分配,还减小了系统资源消耗及远程数据存取的通信开销,提高了系统的实时性。(五)构建无人机植保喷施实验原型系统,并对系统的资源调度,包括任务优先级排序、任务周期优化、UAVCPS资源利用率、任务完成时间和丢包率等方面进行了测试,验证了系统设计的正确性以及调度方法的有效性。总之,本文围绕无人机信息物理系统的架构设计和资源调度问题展开研究,分别对总线任务优先级调度、周期优化和任务分配等资源调度问题进行分析,提出相应的调度算法和策略,研究成果对提高UAVCPS实时性效能和促进UAVCPS资源管理技术的发展具有一定的理论意义和实践意义。更多还原显示全部
