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网格技术作为近年来的研究热点,已有不少基于网格环境的应用空间模型、任务调度、资源管理的研究文献发表和相关著作出版,但上述成果多立足于网格计算的目标,以并行理论为基础,研究海量数据处理、高速运算及存储空间等计算领域问题,涉及多为计算相关软硬件资源,鲜少有针对工业领域的应用研究。
本论文从控制的角度,研究在网格环境下如何建立、运行和管理分布式控制系统的重要问题,国、内外在此方面鲜有研究前例。网格技术给控制实现带来了大量可供选择调配的资源,从而使控制性能有机会大幅提升,但网格的动态性,也带给控制许多不可确定的随机因素,如何有效地利用资源,并且保证任务执行的生命周期,便成为实现高性能控制系统的关键因素。因此,本文研究了基于网格环境下的分布式控制系统GDCS(Grid-based distributed control system)的任务分解、任务调度、资源部署及动态管理的理论方法和算法,主要取得以下成果:
(1)在现有的分布控制技术基础上,结合网格中间件技术,提出了GDCS的系统框架,并通过示例阐述了组建GDCS的原则、方法、步骤,以及所涉及的相关技术,并归纳了系统运行的关键技术问题;
(2)作为任务提交网格之前的先行步骤,任务分解讨论如何利用网格特性,将GDCS的任务分解成为性质相似,又各具特定个性的子任务。通过对GDCS工作过程及在网格环境下系统不同的连接架构的分析,研究了任务的分解原则以及静态分解算法,并以实例阐述算法的实施过程;
(3)分解的子任务上交网格后,交由任务调度器进行子任务的选择、派发及进程管理。通过对任务的特性分析,确定了GDCS的分级任务调度框架,以随机Petri Nets作为分析工具,建立了GDCS的两级任务调度模型,并分别就子任务独立及非独立两方面,研究了具有容错机制的局域调度模型,讨论了相应的任务选择、分配策略;
(4)在工业应用的角度,提出了与属性无关资源与受限于属性的资源两种资源分类,基于前人研究成果,确立了P2P技术与MDS相结合的分层分布式资源发现模型;
(5)以Qos性能指标建立目标函数,深入研究了任务对不同属性、不同功能的资源请求下,GDCS资源的部署策略。着重研究了资源充足时的完全分配策略,以及资源不足时的共享与冲突机制,并给出了相应的数学模型及相关算法;
(6)研究了任务进程中的动态管理,主要就容错机制及负载平衡两方面进行分析和讨论,提出了一种GDCS的容错机制实行方案,并对负载平衡做了初步的尝试,并提出一种对资源运行状态数据进行处理的基于阀值的启发式算法,以减少动态管理过程中资源管理器数据分析的计算量,提高管理效率;
(7)以WSN作为GDCS的连接实例,从WSN的基本特性出发,研究了两者相连的通信机制、数据采集、存储及共享方式,并以实例阐述静态及动态两种数据采集算法。