论文摘要：支持事务的大规模设备协同系统研究

伴随着物联网技术的发展，RFID、传感器广泛应用于各类行业中，物品通过传感器感知环境信息，通过网络交换数据，彼此协同工作。物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮，引起了世界各国政府、学术界和产业界的广泛关注。大规模设备协同技术作为物联网的支撑技术，成为物联网技术研究的主要问题和关键挑战之一。物联网环境下的典型应用具有设备数量多，任务规模大、协同流程复杂的特点，因此大规模设备协同技术研究面临的新挑战：第一，设备协同模型中的节点数量众多，使用单一协同流程进行建模，模型结构难以维护，并且在对模型性质进行分析验证时，会引起状态爆炸的问题。因此，“如何实现协同流程的高效建模”是大规模设备协同技术面临的重要挑战。第二，设备协同流程复杂，大量设备操作并行执行或者按照一定的时间间隔依次执行，协同中存在复杂的时间约束关系，潜在的时间冲突难以发现。因此，“如何准确验证协同流程的时间约束”是大规模设备协同技术需要解决的重要问题。第三，由于协同任务规模大，多任务之间竞争设备资源，会产生设备操作冲突，当协同任务失败时，需要恢复设备状态，手工指定补偿操作的方法效率低，且难以验证补偿操作的正确性。因此“如何保证协同的高可靠性”是大规模设备协同中需要解决的问题。为了解决上述问题，本文从协同流程建模阶段和协同流程执行阶段展开研究，主要贡献如下：(1) 提出了基本设备协同网模型。在设备协同流程建模阶段，针对“如何实现协同流程的高效建模”问题，提出了基本设备协同网模型，定义了模型的结构等价和替换操作，并给出了模型构造规则，实现了模型的扩展。该模型支持模型压缩和层次化建模，从而降低了模型节点规模，解决了模型节点过多造成的状态爆炸问题。证明了基本设备协同网模型是可终止的，从而避免了协同流程的可终止性验证问题。在此基础上，给出了验证一个网是否为设备协同网的方法。通过分析表明该模型可以简化大规模设备协同流程建模的复杂度，相比其他模型具有一定优势。(2) 提出了设备协同中的时间预测机制。在设备协同流程建模阶段，针对“如何准确验证协同流程的时间约束”问题，在基本设备协同网模型基础上，通过在操作上附加时间属性，实现对操作耗时属性的建模，通过在连接符上附加时间区间属性，实现对状态维持时间属性的建模，从而完善了现有的时间模型。给出了包含时间属性的设备协同网模型的时间预测方法和可调度同步的判定准则。通过分析表明该模型的时间属性更加丰富，并且支持协同流程的压缩，从而降低了大规模协同流程时间约束验证的难度，而且本文提出的时间预测方法更加准确，可以发现潜在的不满足可调度同步的操作。(3) 提出了设备协同中的事务处理机制。在设备协同流程执行阶段，针对“如何保证协同的高可靠性”问题，将事务机制引入设备协同系统中，提出了设备协同中的事务机制，该机制包括设备操作冲突检测算法、补偿路径计算算法以及补偿操作自动生成算法三部分。设备操作冲突检测算法保证了“共享的隔离性”；补偿路径计算算法保证了“可恢复的一致性”；补偿操作自动生成算法保证了“满足应用及用户需求的原子性”。利用该机制实现了设备操作的自动补偿，在保证了补偿操作正确性的同时降低了流程设计人员的工作量。通过实验分析，表明这一机制可以有效降低补偿操作的数量，并具有较好的性能。在本文主要研究内容的基础上，设计并实现了支持事务的大规模设备协同系统。通过试验表明该系统具有较好的性能，可以有效支持大规模设备协同。论文的研究成果已应用于奥运中心区景观照明控制系统中，验证了本文研究成果的有效性。

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