面向信息物理融合系统的软件动态配置模型研究

论文摘要

随着计算技术、嵌入式计算技术、传感器技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展,信息物理融合系统（Cyber-Physical Systems, CPS）应运而生。2006年,美国国家科学基金会（National Science Foundation, NSF）在嵌入式系统的基础上提出了CPS的概念。CPS是在嵌入式系统的基础上融入了智能性、控制性等其他功能的新一代智能系统,是计算和物理设备系统发展的新趋势。CPS的规模和复杂度远大于目前的物理设备系统,但是从软件体系结构的角度出发,所有的系统都可视为由构件根据一定的规则连接而成。构件是用来构建系统的可复用的软件元素,是系统功能实现的载体。组成系统的构件、构件的物理分布及构件间的连接关系等构成了系统的配置,在系统运行期间对系统配置更改的技术就是动态配置。动态配置技术对CPS自适应性提供了有效支持,从而使之能够紧跟技术的发展,满足需求的变化和适应复杂而不断变化的环境。本文旨在从CPS的软件体系结构的角度出发,以构件的动态配置为基础,采用建模的方法来研究CPS的软件动态配置,提出了基于反射的CPS软件动态配置模型,并对其进行了分析和设计。本文完成的主要工作有:（1）本文首先分析了软件构件、CPS的软件体系结构与基于构件的CPS软件系统动态配置实施相关的技术,在动态配置过程、配置描述、系统一致性和动态配置算法四个方面对CPS的软件动态配置机制进行了论述,为接下来CPS的软件动态配置模型的建立和分析提供了指导。（2）反射机制和反射体系是系统动态配置的基础。本文建立了包含反射机制和反射体系的CPS反射式软件动态配置模型CPSRDRM。CPSRDRM刻画了CPS中动态配置系统的反射本质,描绘了动态配置的工作原理及过程,指出了动态配置的各构成要素,为分析和评价CPS动态配置提供了统一框架。针对CPSRDRM模型,本文分析了其元数据和元协议包括的具体内容,研究了元协议中调控协议的正确性约束,为元数据和元协议的设计提供了基础。（3）针对CPSRDRM模型的元数据,本文设计了其中的构件、连接件、连接关系和环境的描述规则,并使用XML对其分别进行了描述,为构件的开发、部署以及系统配置的描述提供了依据。针对CPSRDRM模型的调控协议,本文设计了其中的动态配置算法,提出了支持构件删除、构件添加、构件替换、连接建立、连接删除和构件属性设置六种基本动态配置意图的动态配置算法,为配置复杂、功能强大的复合动态配置意图的实施奠定了基础。（4）本文最后通过一个CPS中负载均衡子系统的分析和设计来详细阐述前面提出的动态配置模型,分析了负载均衡子系统的系统需求、系统结构以及基本流程,并通过其在CPSRDRM模型上的映射来对CPSRDRM模型产生更直观的了解。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 信息物理融合系统
• 1.1.1 CPS的概念
• 1.1.2 CPS的软件特性
• 1.1.3 CPS的研究现状
• 1.2 动态配置
• 1.2.1 动态配置的概念
• 1.2.2 动态配置对CPS自适应性的支持
• 1.2.3 动态配置的研究现状
• 1.3 问题描述
• 1.4 选题的意义
• 1.5 本文的研究工作
• 1.6 论文结构
• 第二章 CPS的软件动态配置框架
• 2.1 基于构件的CPS软件系统
• 2.1.1 构件和连接件
• 2.1.2 基于构件的CPS体系结构
• 2.1.3 软件体系结构与动态配置
• 2.2 基于构件的CPS软件动态配置机制
• 2.2.1 动态配置过程
• 2.2.2 系统配置描述
• 2.2.3 一致性约束
• 2.2.4 动态配置算法
• 2.3 本章小结
• 第三章 CPS的反射式软件动态配置模型CPSRDRM
• 3.1 反射理论基础
• 3.1.1 反射、反射系统及相关概念
• 3.1.2 反射系统模型
• 3.2 基于反射理论的CPS软件动态配置模型
• 3.2.1 CPS动态配置系统反射体系
• 3.2.2 CPS的反射式软件动态配置模型CPSRDRM
• 3.2.3 CPSRDRM与Jeff动态配置模型的比较
• 3.2.4 CPSRDRM能解决的相关问题
• 3.3 本章小结
• 第四章 CPSRDRM中元数据和调控协议的分析和设计
• 4.1 CPSRDRM模型的元数据
• 4.1.1 元结构数据
• 4.1.2 元语义数据
• 4.2 元数据的设计
• 4.2.1 设计描述规则
• 4.2.2 基于XML的元数据描述
• 4.3 CPSRDRM模型的元协议
• 4.3.1 系统一致性约束
• 4.3.2 元协议
• 4.4 调控协议的设计
• 4.4.1 构件动态配置算法
• 4.4.2 连接动态配置算法
• 4.5 本章小结
• 第五章 实例分析
• 5.1 系统需求
• 5.2 系统结构
• 5.3 系统分析
• 5.4 系统在CPSRDRM上的映射
• 5.4.1 示例系统的元结构
• 5.4.2 示例系统的元数据
• 5.4.3 示例系统的元协议
• 5.5 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 进一步工作
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果