随着计算机系统的发展,特别是网络技术的发展,计算机集成制造系统的实现形式从集中型向以系统应用平台化,系统结构开放化,制造资源服务化,管理决策智能化和绿色化制造方向发展。高档数控机床作为高端装备制造业的工作母机,无疑在信息物理生产系统(Cyber-Physical Production Systems)中起着独特和重要的作用。将机床推进到符合工业4.0理念的必要性得到了人们的认可。信息物理数控机床(CPMT)以及信息物理数控系统(CPMTS)的发展成为工业4.0发展的一个重要方向。信息物理机床是机床、实时操作系统、加工过程、计算和传感器网络的集成,它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现物理组件和信息的深度融合和实时交互,从而优化数控机床的加工过程。信息物理数控系统(CPMTS)基于信息物理机床,它们一脉相承相互促进。但CPMTS更强调系统化、网络化、数字化和智能化。本文以信息物理数控系统为研究对象,在现有实时调度理论的基础上,研究了适用于数控机床的信息物理框架和调度算法,提出本地远程一体化信息物理数控系统的框架。并以此设计并实现了适用于信息物理数控系统的多类型任务低功耗和可靠性实时调度算法。此外,本论文在分析信息物理数控系统的实际任务调度需求的基础上,对物理组件和信息模型的数据融合以及清洗算法进行了研究。并通过实验验证了方法的可行性及有效性。并通过实验验证了方法的可行性及有效性。论文主要研究内容包含以下几个方面:第一,基于实时系统中零星任务调度需求,提出利用空闲时间动态调节零星任务算法。该算法根据零星任务随机到达时间的特点,将处理器速度调节推迟到任务到达那一刻,在任务执行完成后利用任务提前完成剩下的空余时间调节后续任务执行速度。并且考虑处理器通用模型,既考虑处理器的动态功耗又考虑处理器静态功耗。此外为了平衡数控系统偶发任务的动态功耗和静态功耗,在低功耗算法中采用动态电压调节技术和关键速度,同时结合动态电源管理技术,进一步减少系统功耗。研究发现,在关键速度和传统DVS调度策略之间存在一个平衡因子。为了更好降低实时系统的功耗,提出一种基于平衡因子的动态偶发任务低能耗调度算法LP-DSAFST。实验表明,新算法比目前已存在的DVSST和DSTLPSA算法相比节能效果更好。第二,基于信息物理数控系统中对功耗和可靠性的需求,通过优化空闲时间分配策略,实现在保证信息物理数控系统可靠性前提下最小化系统能耗。提出基于滑动窗口的低功耗调度算法LPRSW,LPRSW算法分为LPRSW-H算法和LPRSW-A算法,前者以最高速度恢复出错任务,后者恢复出错任务采用动态电压节技术调节后的速度。在此基础上,提出一种基于滑动窗口的低功耗与可靠性协同优化调度算法COSALPRSW,该算法通过分配全局共享空闲时间给备份任务代替给每一个任务都分配一个备份任务的方法,获得更多空闲时间用于降低系统功耗,同时利用空闲时间的能耗因子将空闲时间合理分配给后续任务,实现可靠性和低功耗之间协同优化。最后,通过算法的可调度性分析以及仿真实验对这两种调度算法的可行性及有效性进行了验证。第三,为了充分利用多核处理器的并行能力,同时在保证信息物理数控系统可靠性前提下实现系统低功耗。基于粗粒度任务级软件流水线技术。首先提出非依赖有向无环图算法将周期性依赖任务转换为基于重定时的一组独立任务,通过任务并发执行和动态电压调节技术降低系统能耗。其次在确保系统可靠性上,算法包括两个阶段:无错阶段和容错阶段。在无错阶段,一个任务的多个副本同时运行,采用投票的办法确定任务是否执行正确。当执行结果出现不一致时,任务进入容错模式。在容错模式下,剩余副本采用独占处理器模式以最高速度完成容错。实验测试显示,DPDAGA算法在实现信息物理数控系统可靠性前提下,可以降低系统能耗,相比已有算法不仅具有更高的可靠性而且能耗更低。第四,提出一种高性能开放式信息物理数控系统的平台框架。数控系统正在向开放架构转变,具有更好的灵活性,适应性,多功能性和可扩展性。现有的数控系统往往具有较高的功耗。通过使用国际标准和开放式软硬件开发一种新的开放式,高性能的OHP-CNC信息物理数控系统平台。使用OHP-CNC,可以将开放的CNC系统迁移到其他平台。基于MCU的多处理器之间的桥接互连结构,将支持动态电压调节的处理器可用于数控系统。实时系统API的封装允许CNC软件在不同的操作系统上执行,这使得设计的低功耗高可靠数控系统能够进行双向扩展。为了测试信息物理数控系统的平台框架性能,所提出一种低功耗调度算法对混合任务进行调度包括周期性和非周期性任务。算法分为两个阶段。首先,在每个处理器上计算空闲时间和利用率,并根据负载将任务分配给处理器。其次,由于节能与非周期性任务的响应时间之间存在竞争,采用调度服务器调度非周期性任务,以满足非周期任务的响应时间约束。最后,通过实验验证了所提出的信息物理数控系统平台的性能,不仅满足低功耗数控系统的实时要求,而且保证任务对响应时间的要求。第五,提出基于信息物理数控系统的低功耗数据清洗算法模型。信息物理数控系统通常使用无线传感器网络进行监测和控制。然而,无线传感器网络的数据由于电池电量限制和噪声等其他因素,采集的数据往往不准确不可靠。为了实现可靠准确的数据采集,同时保证传感器的低能耗和长寿命,提出了节能数据清洗算法。数据清洗算法首先在局部传感器中进行数据清洗。采用动态电压调节和动态电源管理,在不影响系统的性能前提下,在任务调度层级上降低传感器功耗。此外,在网络层面提出了一种用于汇聚节点通信的低功耗协议。基于以上技术,开发并实现了基于信息物理机床的健康监测系统。并进行了实验验证,证明所提出的算法有效性和科学性。