面向工业CPS应用的成本优化与设计研究

发布时间：2023-05-07 02:25

　　信息物理系统(Cyber-Physical Systems,CPS)的兴起打破了传统的工业自动化和控制系统生产固定化的瓶颈,并促进了工业CPS的发展。由传感器、执行器、处理器和异构网络搭建的嵌入式系统对复杂、大型的工业生产线提供广泛灵活的支持。与此同时,工业CPS高度集成的特性和规模庞大的生产线使得可靠性、成本等问题日益突出。降低成本、保障可靠性是工业CPS应用设计和生产时的重要指标之一。本文针对工业CPS应用的成本优化与设计展开研究,实现从面向工业CPS应用的资源成本和硬件成本优化,到面向汽车信息物理系统(Automotive CyberPhysical Systems,ACPS)应用的开发成本优化,最后到面向信息物理云系统(Cyber-Physical Cloud Systems,CPCS)应用的冗余优化和面向预算约束CPCS应用的成本设计。本文主要工作和创新点概括如下:1、研究面向可靠的工业CPS应用的资源成本优化问题。本文提出了一种高效且时间复杂度低的资源消耗成本优化算法MRCRG。MRCRG通过预分配技术将并行应用的可靠性目标转移到每个任务的可靠性需求简化问题的复杂性。然后通...

【文章页数】：147 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 研究动机
    1.3 本文主要工作
    1.4 本文组织结构
第2章 相关研究
    2.1 可靠性相关问题研究
        2.1.1 基于任务调度的时间与可靠性优化调度
        2.1.2 基于复制的存在冗余任务的容错调度优化
    2.2 成本相关问题研究
        2.2.1 资源成本优化
        2.2.2 硬件成本优化
        2.2.3 开发成本优化
        2.2.4 成本设计
    2.3 本章小结
第3章 面向可靠的工业CPS应用的资源成本优化
    3.1 引言
    3.2 系统模型
        3.2.1 应用模型
        3.2.2 可靠性模型
        3.2.3 资源消耗成本模型
        3.2.4 可靠性需求
    3.3 可靠工业CPS应用的资源成本优化算法
        3.3.1 问题陈述
        3.3.2 任务优先级
        3.3.3 已有的成本优化算法
        3.3.4 满足可靠性需求
        3.3.5 资源消耗成本优化算法MRCRG
        3.3.6 MRCRG算法示例
    3.4实验
        3.4.1 评价指标
        3.4.2 真实的工业CPS应用
        3.4.3 随机产生的工业CPS应用
        3.4.4 真实的汽车应用
    3.5 本章小结
第4章 面向可靠的工业CPS应用的硬件成本优化
    4.1 引言
    4.2 系统模型
        4.2.1 硬件成本模型
        4.2.2 可靠性模型
    4.3 可靠的工业CPS应用的硬件成本优化算法
        4.3.1 问题描述
        4.3.2 实时下界需求评估
        4.3.3 IHCO算法
        4.3.4 EHCO算法
        4.3.5 使用IHCO和EHCO的示例结果
        4.3.6 EEHCO算法
        4.3.7 RE算法
        4.3.8 任务的实时需求
        4.3.9 任务的可靠性需求
        4.3.10 使用EEHCO的例子结果
        4.3.11 SEEHCO算法
    4.4实验
        4.4.1 评价指标
        4.4.2 实际的工业CPS应用
        4.4.3 随机产生的工业CPS应用
        4.4.4 真实的汽车应用
    4.5 本章小结
第5章 面向可靠的ACPS应用的开发成本优化
    5.1 引言
    5.2 汽车功能安全
        5.2.1 功能安全属性
        5.2.2 ASIL分解
        5.2.3 暴露率和可靠性需求
    5.3 系统模型
        5.3.1 应用模型
        5.3.2 示例
    5.4 可靠的ACPS应用开发成本优化算法
        5.4.1 问题陈述
        5.4.2 可靠性与任务复制
        5.4.3 可靠性计算
        5.4.4 RCS算法
        5.4.5 满足可靠性需求限制下优化开发成本
        5.4.6 任务优先级
        5.4.7 满足可靠性需求
        5.4.8 MDCRG算法
        5.4.9 MDCRG算法的例子
    5.5实验
        5.5.1 评价指标
        5.5.2 真实的汽车应用
        5.5.3 具有真实参数值的模拟应用
    5.6 本章小结
第6章 面向可靠的CPCS应用的冗余优化
    6.1 引言
    6.2 系统模型
        6.2.1 可靠性模型
    6.3 可靠的CPCS应用的冗余优化算法
        6.3.1 问题描述
        6.3.2 任务优先级
        6.3.3 MaxRe算法
        6.3.4 RR算法
    6.4 充足复制冗余优化算法ERRM
        6.4.1 冗余下界
        6.4.2 LBR算法
        6.4.3 LBR算法实例
        6.4.4 充足复制方法
        6.4.5 ERRM算法
        6.4.6 ERRM算法的时间复杂度
        6.4.7 ERRM算法的实例
    6.5 启发式复制冗余优化算法HRRM
        6.5.1 可靠性需求上界
        6.5.2 HRRM算法
        6.5.3 HRRM的时间复杂度
        6.5.4 HRRM算法实例
    6.6实验
        6.6.1 实验指标
        6.6.2 快速傅里叶变换应用
        6.6.3 高斯消除应用
        6.6.4 随机产生的CPCS应用
        6.6.5 实验总结
    6.7 本章小结
第7章 面向预算约束CPCS应用的成本设计
    7.1 引言
    7.2 系统模型
        7.2.1 能量模型
        7.2.2 成本模型
    7.3 成本预算的CPCS应用的能耗优化算法
        7.3.1 问题描述
        7.3.2 成本预算范围
        7.3.3 已存在的成本预算调度
        7.3.4 可用预算预分配公式
        7.3.5 降低能耗
        7.3.6 MECABP 算法
        7.3.7 算法示例
        7.3.8 算法总结
    7.4实验
        7.4.1 评价指标
        7.4.2 高斯消除应用
        7.4.3 线性代数应用
        7.4.4 快速傅里叶变换应用
    7.5 本章小结
结论
参考文献
附录A 发表论文和参加科研情况说明
致谢



本文编号：3810059