随着微机电系统技术,传感器技术,普适计算技术和通信技术的发展进步与相互集成,“3C”(Computing Communication&Control)融合已经成为一种新的技术趋势。因此,伴随着物联网、云计算等新概念的出现,信息物理融合系统(CPS:Cyber-Physical System)也应运而生。CPS是一类综合信息处理、网络传输和物理控制的复杂系统,它通过将信息技术、通信技术和控制技术的有机结合,实现信息处理和物理过程在空间和时间两个维度上的深度融合,被认为是推动下一次产业革命的核心技术。相对于现有的嵌入式实时系统和网络化控制系统,CPS更多地关注信息资源和物理资源的高效协同与优化调度,以便实现对大规模复杂系统的实时感知与动态监控,并为用户提供更为灵活、智能、高效的信息服务和控制服务。CPS中包含了大量结构不同、功能各异的资源,这些资源之间异构性强、状态不断变化、接入退出自由灵活,且系统的拓扑结构实时改变,系统所面对的物理环境难以精确预测,这些都给其资源调度带来了巨大挑战。凭借灵活有效的资源调度技术,应对不确定的物理环境变化和用户任务请求,实现CPS的高效稳定运行,成为CPS研究的关键技术之一。本文以CPS性能需求为牵引,主要针对CPS中资源调度相关问题展开研究,对感知资源、计算资源和移动资源调度问题分类研究,力图突破CPS资源调度几个关键技术。本文的主要贡献如下:(一)研究CPS基本概念和系统构成,提出了面向服务的CPS体系框架。通过面向服务的体统架构屏蔽资源的异构性,简化资源的能力描述,封装资源的功能,统一资源的调度接口,为资源的有效调度提供支持。根据面向服务的思想,将CPS分为节点层、网络层、资源层和服务层。借鉴组织管理中的方法,即在资源使用时系统并不关心其状态和功能而是关心其是否有能力完成任务,提出了基于能力的CPS资源分类描述方法,根据资源提供的能力从信息处理的角度将资源分为感知资源、计算资源和执行资源,为CPS资源管理和调度提供了理论支撑。(二)研究CPS感知资源调度问题,分析了GSS算法在求解传感器选择问题时的有效性和不足,针对GSS算法的初始解随意性提出了两种改进方法。首先,通过实验和理论证明说明了GSS算法在求解SSP时是有效的。但是,当CPS系统状态包含多个分量时该算法初始解因采用随机选择策略而具有随意性。针对这一问题本文提出了两种解决方法,即穷举搜索序贯选择算法(EGSS),和后向贪婪序贯选择算法(BGSS)。并以目标跟踪为仿真案例对算法效果进行了验证,实验结果表明所提算法能够有效的解决初始解随意性问题。当系统状态为向量时,改进算法明显优于原算法。(三)研究了传感器观测模型间相似性与系统状态估计之间的关系,提出了一种基于观测模型聚类的传感器选择策略。通过Fisher信息矩阵构建传感器选择问题的目标函数,利用矩阵行列式的几何解释证明了已选传感器观测模型之间相似度越小则估计精度就越高。该策略主要分为基于观测模型的传感器聚类和从每个类中选择传感器两大步骤。在传感器选择时以观测模型灵敏度和传感器资源剩余能量为依据,提出一种高能效的策略。最后,以目标跟踪为仿真案例,进行了仿真实验分析,实验结果表明所提策略获得的传感器选择结果能够在保持系统状态估计精度的同时使得传感器剩余能量相对均衡。(四)研究了CPS的计算资源调度问题,提出了一种分布式异构计算资源调度算法IHEFT。作为一种典型的分布式异构系统,CPS的单个资源计算能力有限,资源之间通过高速网络连接,在处理复杂计算任务时(如:状态估计)可以采用分布式并行计算技术获得较高的计算性能。因此,通过将CPS计算任务建模为一个有向无环图(DAG:Directed Acyclic Graph),然后将DAG中每个节点所表示的原子任务分配到相应的计算资源上,再调度资源上任务执行的起止时间实现计算资源的调度。在定义新的节点上行权重计算方法和采用插入式调度的基础上提出了调度算法IHEFT,通过算例分析和大量实验说明了所提算法比经典算法HEFT、CPOP、LDCP等性能更好。(五)研究CPS移动资源调度问题,提出了不确定环境下基于状态转移的CPS移动资源调度策略。移动资源是CPS中不可或缺的重要资源,属于执行资源的一种,通过对其空间位置的改变能够有效的提高CPS感知和执行能力。本文研究了移动资源在处理多个任务时如何确定任务执行顺序的决策问题,针对不同的任务类型可以建立移动资源任务调度的状态转移模型,并根据状态转移模型获得移动资源任务调度的最优调度序列。以UAV面临侦察任务和打击任务为案例分别建立了移动资源的状态转移模型,根据任务执行序列的成本和收益计算获得了最任务优调度顺序。通过实验证明了所提策略能够获得最优调度序列。总之,本文围绕CPS资源调度问题展开研究,分别对感知资源调度、计算资源调度和移动资源调度等问题进行分析,提出相应的调度算法和策略,研究成果对提高CPS资源调度效能和促进CPS资源管理技术的发展具有一定的理论意义和实践意义。