信息物理融合系統(tǒng)(Cyber Physical Systems,CPSs)是一個(gè)綜合計(jì)算系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的多維度復(fù)雜系統(tǒng),其核心是通過(guò)計(jì)算、通信與控制能力的深度融合與緊密協(xié)作,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化物理設(shè)備系統(tǒng)的高效、可靠、精確的管理與調(diào)控。在當(dāng)今萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代,其具有廣泛的應(yīng)用前景。但是CPS本質(zhì)上的復(fù)雜性使得其設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)遇到了不少挑戰(zhàn)。首先,CPS中存在著數(shù)量龐大、種類(lèi)繁多、異構(gòu)性很強(qiáng)的物理實(shí)體,使得統(tǒng)一管理CPS中的所有物理實(shí)體變得非常困難。其次,CPS應(yīng)用任務(wù)往往都是難以提前確定的,必須提供相應(yīng)的運(yùn)行時(shí)環(huán)境以支持CPS動(dòng)態(tài)使命任務(wù)的完成。再次,當(dāng)前物理實(shí)體的計(jì)算能力普遍不強(qiáng),難以有效提升物理實(shí)體的智能化水平以應(yīng)對(duì)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境、未知環(huán)境。這些挑戰(zhàn)的出現(xiàn)使得采用傳統(tǒng)上的“從零開(kāi)始(from scratch)”的系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行CPS設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的效率明顯降低。論文針對(duì)多智能機(jī)器人協(xié)同工作系統(tǒng)的特點(diǎn)及需求,提出設(shè)計(jì)一種CPS-Service運(yùn)行支撐平臺(tái),以提高此類(lèi)CPS應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)效率。CPS-Service運(yùn)行支撐平臺(tái)利用CPS-Service統(tǒng)一管理物理實(shí)體(即將物理實(shí)體的能力抽象為CPS-Service);通過(guò)組合不同的CPS-Service完成不同的CPS應(yīng)用任務(wù);利用云計(jì)算技術(shù)提升物理實(shí)體計(jì)算能力、增強(qiáng)CPS-Service的服務(wù)效果以應(yīng)對(duì)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境、未知環(huán)境。論文圍繞著CPS-Service運(yùn)行支撐平臺(tái)結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究,主要工作與貢獻(xiàn)如下:1)研究了CPS-Service運(yùn)行支撐平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。深入分析了目前CPS運(yùn)行支撐平臺(tái)的主流體系結(jié)構(gòu)及其相關(guān)實(shí)現(xiàn)技術(shù),從CPS應(yīng)用任務(wù)構(gòu)造方法和適用場(chǎng)景兩個(gè)方面對(duì)目前CPS運(yùn)行支撐平臺(tái)的主流體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入比較。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種基于實(shí)時(shí)云的CPS-Service運(yùn)行支撐平臺(tái)。2)構(gòu)造了一種基于本體的CPS-Service模型,并提出了相應(yīng)的快速CPS-Service匹配方法。為了統(tǒng)一管理數(shù)量龐大、種類(lèi)繁多、異構(gòu)性很強(qiáng)的物理實(shí)體,提出將物理實(shí)體的能力抽象為CPS-Service。針對(duì)當(dāng)前服務(wù)模型難以有效表達(dá)CPS-Service特有的信息物理融合屬性的問(wèn)題,構(gòu)造了一種基于本體的CPS-Service模型。與現(xiàn)有服務(wù)模型相比,該CPS-Service模型更加完善,其在核心要素CPS-Service基礎(chǔ)上,增加了物理實(shí)體、物理空間位置和物理環(huán)境等信息物理融合要素。此外,CPS-Service運(yùn)行支撐平臺(tái)通常管理著大量CPS-Service,而CPS應(yīng)用任務(wù)的完成一般只需要其中一部分CPS-Service的參與。因此,如何從CPS-Service集合中快速找到所需的CPS-Service子集成為一個(gè)重要問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題,提出了基于概率聚類(lèi)和R樹(shù)的快速CPS-Service匹配方法。該方法利用一種混合索引結(jié)構(gòu)在在線(xiàn)匹配階段快速排除不可能滿(mǎn)足需求的CPS-Service。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,通過(guò)引入這種混合索引結(jié)構(gòu),該方法大幅提升了CPS-Service匹配速度。3)提出了物理位置與環(huán)境敏感的CPS-Service組合方法。CPS-Service運(yùn)行支撐平臺(tái)通過(guò)組合不同的CPS-Service完成不同的CPS應(yīng)用任務(wù)。CPS-Service特有的物理位置與環(huán)境敏感性使得當(dāng)前的軟件服務(wù)組合方法難以直接用于解決CPS-Service組合問(wèn)題,為此需要研究面向CPS的服務(wù)組合方法。首先針對(duì)CPS-Service具有明顯物理位置敏感性的特點(diǎn),研究了考慮物理位置敏感性的CPS-Service組合問(wèn)題。進(jìn)而針對(duì)在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境、未知環(huán)境下CPS-Service易受環(huán)境影響的特點(diǎn),研究了考慮執(zhí)行可靠性的CPS-Service組合問(wèn)題。為了求解這兩個(gè)問(wèn)題,分別提出了基于改進(jìn)量子遺傳算法的CPS-Service組合方法和基于退火Pareto湯普森采樣的超啟發(fā)式CPS-Service組合方法。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,兩種方法可在多種不同的場(chǎng)合下大幅提升現(xiàn)有CPS-Service組合方案的質(zhì)量。4)提出了CPS-Service云基增強(qiáng)方法。為了應(yīng)對(duì)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境、未知環(huán)境,CPSService需要引入復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)以增強(qiáng)其服務(wù)效果,然而當(dāng)前物理實(shí)體的計(jì)算能力有限。針對(duì)這一問(wèn)題,提出利用云計(jì)算技術(shù)提升物理實(shí)體計(jì)算能力以支持復(fù)雜計(jì)算任務(wù)的運(yùn)行,從而增強(qiáng)CPS-Service效果。CPS-Service云基增強(qiáng)的主要思想是把CPS-Service中的復(fù)雜計(jì)算任務(wù)遷移到云上執(zhí)行。盡管計(jì)算任務(wù)遷移使得利用云增強(qiáng)CPS-Service成為可能,但是由于通信資源與云端(如私有云、邊緣云)計(jì)算資源是有限的,如何獲取最好的CPS-Service增強(qiáng)方案成為一個(gè)重要問(wèn)題。為了解決該問(wèn)題,提出了兩種CPS-Service云基增強(qiáng)方法,分別是基于貪婪選擇和基于個(gè)體稀疏的CPS-Service增強(qiáng)方法。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明兩種方法都可獲取很好的CPS-Service增強(qiáng)方案,基于貪婪選擇的CPS-Service增強(qiáng)方法甚至可以獲取近似最優(yōu)的CPS-Service增強(qiáng)方案。5)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了CPS-Service運(yùn)行支撐平臺(tái)原型及相關(guān)軟件工具原型。以上述研究成果為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了CPS-Service運(yùn)行支撐平臺(tái)原型的主要功能模塊(其包括基于云的CPS-Service增強(qiáng)框架、CPS-Service匹配框架、CPS任務(wù)執(zhí)行引擎),并開(kāi)發(fā)了相關(guān)的CPS-Service描述工具原型、CPS應(yīng)用任務(wù)流程構(gòu)造工具原型。
【學(xué)位單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TP311.52;TP242
【部分圖文】：

智能制造系統(tǒng)

智能應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)

applications, and libraries)A工業(yè)裝備 智能嵌入式設(shè)備圖 2-2 一種典型的基于服務(wù)的 CPS 運(yùn)行支撐平臺(tái)能、服務(wù)注冊(cè)與發(fā)現(xiàn)和 CPS 任務(wù)執(zhí)行。服務(wù)使能機(jī)制為 CPS-S境；服務(wù)注冊(cè)與發(fā)現(xiàn)機(jī)制為 CPS-Service 的發(fā)布與檢索提供支

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