面向网络化控制的自适应中间件研究

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1、学校代码10699分类号TP311.5密级无学号2009100217题目面向网络化控制的自适应中间件研究作者徐飞学科、专业兵器科学与技术指导教师刘明雍教授申请学位日期2017年4月西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：面向网络化控制的自适应中间件研究作者：徐飞学科专业：兵器科学与技术指导教师：刘明雍（教授）2017年4月Title:ResearchofAdaptiveMiddlewareforNetworkedControlByXuFeiUndertheSupervisionofProfessorLiuMing-yongAD

2、issertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofArmamentScienceandTechnologyXi’anP.R.ChinaApril2017西北工业大学博士学位论文摘要随着分布式计算和网络通信技术水平的不断提高，网络化控制系统（NetworkedControlSystem，NCS）正朝着控制功能现场化、结构分布式化、系统开放化和产品集成化发展

3、。网络化控制系统除了要解决信息调度、传送时延、通信资源优化和故障检测等基本问题外，还要处理被控对象的多样性、业务复杂性、环境的不可预知性、多种通信协议标准共存等学科交叉产生的新问题。这对网络化控制系统中间件平台的自适应性提出了更高的要求。中间件作为一种软件复用技术，能够处理底层环境的复杂性和异构性带来的问题，为上层应用提供高质量的开发和运行环境，具有动态重配置、可扩展、上下文敏感等特征，实现了节点间的协同处理及系统资源的共享。面向网络化控制系统的自适应中间件能够将控制系统从多种协议的透明处理、异质数据的复制、网络故障的辨识与处理、

4、轻量化部署等问题中独立出来，屏蔽网络环境上下文的复杂性和异构性，使网络化控制领域应用可以专注于领域问题的建模、控制算法的设计、功能部件的封装，更好的支持网络化控制系统的节点重构、功能重构和协议栈的重构。本文从软件工程和自适应体系结构的方法入手，研究了面向网络化控制系统的自适应中间件基础理论和关键技术，包括其自适应构件模型、支持重构的微内核设计、QoS管理框架和面向服务的动态配置框架等，具体研究成果和创新点有：（1）提出了一种自适应中间件构件模型对高阶Pi演算语法进行了扩展，构建了一类面向网络化控制的自适应构件模型（Networke

5、dControlOrientedAdaptiveComponentModel，NCOACM）；提出了分布式资源边界的概念并增加了自适应语义要素和行为要素，利用Pi演算中的进程元素来描述构件的计算功能，使得构件的功能描述独立于编程语言的实现。NCOACM构件模型支持构件结构和行为的动态重配置，可以对上下文环境要素的变化进行辨识，使构件实体具有适应开放、动态和多变环境的感知能力，满足差异化的业务需求并支持对多种网络协议的自适应。（2）设计了支持可重构的构件化微内核利用反转控制和切面分离的思想设计了中间件的微内核（NCOACMbased

6、AdaptiveMiddlewareMicro-Kernel，NBMMK），实现对NCOACM构件实例的生命周期管理；设计了构件演化决策、演化事务性包装、演化一致性分析和演化完整性分析等算法；结合网络化控制系统的领域特征对“构件容器”和“连接子”的语义内涵进行了扩展，更好的支持构件的主动重构；将构件管理框架设计为NBMMK的内核服务，其它的资源管摘要理功能设计为插件式的非内核服务，使NBMMK具有较低的实时资源消耗和较好的可扩展性与自适应性。（3）提出了面向构件的QoS管理框架对NCS的环境上下文因素进行抽象，利用关注点分离的方法

7、，建立面向领域的QoS概念模型，设计了支持跨域的QoS策略封装机制；通过扩展OMG接口定义语言来构造面向构件的QoS策略管理框架，实现了网络资源的优化配置，使网络化控制应用可以更加便捷的实现对多种网络协议栈的自适应；最后，在QoS构件的资源满足及构件部署仿真等实验中验证了多层QoS策略框架的合理性及相关算法的有效性。（4）设计了中间件的业务层服务化架构及其相关算法设计了面向服务（Service-OrientedArchitecture，SOA）的中间件业务层架构，将该层的核心事务、调用逻辑和过程约束抽象为服务，将网络化控制应用视为

8、若干服务组成的有机体；设计了服务发现、服务调用、服务配置等相关算法，使得业务层能适应领域上下文的变化并可对组成结构、行为功能进行在线的动态配置，使中间件具有外省式的自适应能力，最后在QoS目标优化的服务组合仿真中验证了服务化架构的合理性和相关算法的