物联网平台感知层建模与快速调度方法研究及应用

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物联网感知层处于物联网体系架构的基础底层,占据着重要地位。论文研究物联网平台感知层建模与快速调度方法研究及应用,对促进制造信息化技术、网络化智能测控技术的发展与应用,具有重要的学术价值和实际意义。研究得到广东省高层次人才项目(粤教师函[2010]79号)、广东省科技攻关项目(2009B010900045)、2012年粤港关键领域重点项目(2012A090200005)资助。论文首先从混合逻辑系统MLD建模、求解调度问题算法、调度死锁问题等综述论文相关内容的国内外研究进展,确定论文研究内容。论文首先研究物联网平台感知层MLD建模方法,利用物联网感知层感测节点、受控节点、协调器节点三类基本节点对系统应用场景进行描述,采用自动机对节点内部信息流运行机制进行抽象,实现物联网感知层在多类终端、多重任务、多种模式下物联网感知层整体结构体系的清晰表达,及感知层结构和动态行为的形象化、规范化描述;采用MLD建模方法,将物联网感知层整个测控行为在信息获取、调度决策、执行决策三状态中任两个状态之间自动演变模型转换为MLD模型,推出物联网感知层测控过程行为表达式,把物联网感知层测控过程行为用包含状态变量、输入变量和辅助变量来描述,将物联网感知层测控过程行为中连续动态特性、逻辑规则及操作约束集成为带有混合整数不等式约束的状态方程,可在宏观上把握系统过程行为,考虑系统操作约束、定性知识等因素,为测控系统协调优化奠定重要基础。在MLD建模基础上,论文研究物联网感知层信息快速调度规划与性能优化策略。通过基于物联网感知层MLD模型与自动机调度模型转换分析,实现整个物联网感知层MLD模型与自动机调度模型转换;研究基于层次化自动机物联网感知层快速调度机制,研究机制中的全局任务调度与控制自动机模型、局部调度自动机模型,对不同层级系统,均可使用独立调度策略,保证感知层系统既有序、可靠又快速运行。借助UPPAAL仿真工具,结果表明,VOSM系统按照经典串行工作机制未采用调度器则性能指标较差并可能发生死锁,若采用层次化自动机调度策略,性能指标可得到明显提升。此外还研究基于死锁问题的感知层性能优化方法,推导感知层发生死锁时任务与资源分配情况数学特征表达方法,建立包括全局死锁、数据获取局部死锁、参数运算局部死锁等多个检测器的时间约束及数学表达式,应用遗传算法GA解决感知层中n任务陷入死锁快速解除死锁及保证解锁代价最小等问题。考虑到感知层中任务调度动态适应性问题,论文研究物联网感知层信息动态调度策略。提出数据优先下感知层信息动态调度方法(DP-PIDSM)实现构架,应用基于DPQ-EDF的信息服务分类方法,实现传感数据按其优先级紧急程度先后将传感数据发送到协调器。提出数据优先下基于PP-WRR的信息服务调度方法,使高优先级队列得到高概率服务,低优先级队列服务得到保障。开展能耗约束下感知层节点信息调度方法(EL-PSISM)研究,针对节点在满足更新率下节能问题,采用决策系数Cs_i对节点休眠进行调度,并用MLD方法构建唤醒状态传感节点信息智能调度模型。基于OPNET的DP-PIDSM、EL-PIDSM仿真平台,分别对30、48个传感节点并行调度,结果表明基于DPQ-EDF信息服务分类与PP-WRR信息服务调度,可有效提高性能指标;相对于SP算法、WRR算法,PP-WRR算法在包调度处理平均延迟相差0.03s、0.01s情况下,截止期满足指标分别提高了23.2%、7.3%;EL-PIDSM休眠调度与信息通信调度策略,与未采取EL-PIDSM相比,在信息损失系数为0.148时可节能50.4%,体现EL-PIDSM模型应用的可行性、有效性。为了检验提出方法的应用效果,论文论述物联网感知层调度方法在机动车运行安全状态监测(VOSM)平台的应用,从基于物联网的VOSM系统构架入手,研究系统信息调度优化模型,建立各调度模块时间约束并讨论分析其物理意义,在VOSM平台上开展快速调度、数据优先实验表明了基于物联网感知层快速调度技术的实用性、有效性。
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