信息物理融合系统任务调度算法研究

发布时间：2017-05-22 10:22

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【摘要】：信息物理融合系统(Cyber-Physical System, CPS)是一种信息过程和物理过程紧密结合和协作的新型分布式智能系统,它是继云计算、物联网技术之后的新一代的技术产物。CPS以信息为中心,融合计算、通信和控制技术,最终为人们提供灵活、可信、高效地服务。相比传统的分布式系统,CPS更多地关注任务的优化调度与合理分配,以便实现对大型复杂工程系统的实时感知和动态控制,并为用户提供灵活高效地服务。然而,CPS物理环境的复杂性、资源强异构性、网络结构的动态拓扑性都给CPS的任务调度带来了巨大的挑战。由于传统的调度算法无法满足CPS的整体性能需求,本文分别从CPS的感知和计算任务展开研究,针对其复杂的任务提出了合理的调度算法,实现了动态资源高效组织与分配,提升了CPS系统的整体性能。本文主要的研究内容有：(1)综合分析了CPS的基本特征和体系结构,介绍了任务调度相关技术和传统的任务调度算法,为后面研究内容作准备。(2)针对CPS复杂感知任务调度问题,提出了一种基于改进的粒子群的多目标优化调度算法。该调度算法保留粒子群算法收敛速度快、效率高的特点,融入自适应的莱维飞行策略来提高算法的全局寻优能力,在满足传感器任务执行时间最小的前提下,有效地实现了传感器节点的负载均衡,延长了网络生命周期。(3)为了满足任务调度的多个QoS目标约束条件,对于CPS繁杂计算任务调度问题,提出了一种基于多维QoS的混合调度算法。该方法集成了人工蜂群算法鲁棒性强、求解效率高和模拟退火算法全局搜索能力较好的双重优点,并规避了人工蜂群算法容易陷入局部最优的缺陷。仿真表明提出的算法不仅满足了用户任务的多个QoS目标需求,而且能够有效提高任务与资源之间的映射效率。本文最后分别对以上两个算法进行了仿真和性能分析,实验表明,与传统的算法相比较,在任务的执行时间、能量损耗方面有较好的性能,并且能够满足任务调度的多个QoS目标需求,两种算法具有可行性。
【关键词】：信息物理融合系统 任务调度 负载均衡 QoS
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP202
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-13
• 第一章 绪论13-23
• 1.1 研究背景及意义13-15
• 1.2 国内外研究现状15-21
• 1.2.1 CPS研究现状15-17
• 1.2.2 任务调度算法的研究现状17-21
• 1.3 课题来源及本文主要研究内容与结构21-22
• 1.3.1 课题来源21
• 1.3.2 本文研究内容21-22
• 1.4 论文结构22
• 1.5 本章小结22-23
• 第二章 CPS与任务调度概述23-33
• 2.1 CPS概述23-28
• 2.1.1 CPS的基本特征23-26
• 2.1.2 CPS体系结构26-28
• 2.2 CPS任务调度概述28-32
• 2.2.1 任务调度的基本概念28-29
• 2.2.2 任务调度的意义和目的29-31
• 2.2.3 现有任务调度算法介绍31-32
• 2.3 本章小结32-33
• 第三章 基于改进的粒子群多目标优化调度算法33-43
• 3.1 引言33-34
• 3.2 负载均衡介绍34
• 3.3 粒子群算法介绍34-36
• 3.4 传感器网络任务调度模型36-38
• 3.5 算法的提出38-42
• 3.5.1 适应度函数构造38-39
• 3.5.2 自适应莱维飞行策略39-40
• 3.5.3 算法描述40-42
• 3.6 本章小结42-43
• 第四章 基于多维QoS目标约束的混合调度算法43-56
• 4.1 引言43-44
• 4.2 服务质量概述44-45
• 4.3 人工蜂群算法介绍45-49
• 4.4 模拟退火算法介绍49-50
• 4.5 算法的提出50-55
• 4.5.1 多维QoS数学模型51-52
• 4.5.2 路径交换邻域搜索策略52-53
• 4.5.3 模拟退火机制53
• 4.5.4 算法实现步骤53-55
• 4.6 本章小结55-56
• 第五章 实验仿真与性能分析56-66
• 5.1 实验方案56
• 5.2 基于改进的粒子群多目标优化调度算法的实验与分析56-60
• 5.2.1 执行时间分析56-58
• 5.2.2 能耗分析58-59
• 5.2.3 负载均衡分析59-60
• 5.3 基于多维QoS约束混合调度算法的实验与分析60-65
• 5.3.1 执行时间分析61-62
• 5.3.2 截止时间底线违背率分析62-63
• 5.3.3 平均总效益结果分析63-65
• 5.4 本章小结65-66
• 总结与展望66-68
• 参考文献68-73
• 攻读学位期间发表的学术论文73-74
• 攻读学位期间参加的科研项目74-77
• 致谢77

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本文编号：385420