CPS: Breakthrough: Analysis, Identification and Mitigation of Delay Performance Bottlenecks of Network Infrastructure in Cyber-Physical Systems

CPS:突破:网络物理系统中网络基础设施延迟性能瓶颈的分析、识别和缓解

基本信息

  • 批准号:
    2146968
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 49.94万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-07-01 至 2023-09-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Modern societies are witnessing the prevalence of a wide assortment of distributed cyber-physical systems (CPS) built upon network infrastructure. International standards for mission-critical CPS applications, such as industrial process control systems and avionics, require their network infrastructure to provide deterministic delay performance. However, the problem of integrating CPS theoretical concepts with real-world network performance remains largely unexplored. This project addresses this open problem so that feedback control CPS in network-challenged spaces can be analyzed formally. The project result can be applied to many other CPS application domains involving real-time control and adaptation, such as vehicular control and communication systems, industrial process control, and network-on-chip systems. Broader impacts include developing publicly-available open-source software for the research community and educating a wide spectrum of audience, from high-school and undergraduate students to academic and industry researchers, by offering seminars and tutorials and organizing a workshop with strategies to maximize the participation of under-represented groups.The main goal of this project is to establish a systematic approach to the design, characterization, and refinement of network infrastructure in CPS as a breakthrough result for designing and implementing CPS with time-critical tasks. Different from existing studies relying on predefined or presumed device/system specifications, the new approach balances theoretical analyses with empirical evaluations by exploring network-calculus-based modeling of networking devices and traffic sources from measurements. This project also focuses on non-feedforward networks, in contrast to state-of-the-art methods targeting feedforward networks, and includes investigation of compositional, algebraic, and optimization-based approaches to delay performance analysis of non-feedforward networks and research on identification and mitigation of delay performance bottlenecks in networked CPS. This project will use PLC (Programmable Logic Controller)-based industrial automation systems for case studies, not only demonstrating the usage and capabilities of the systematic approach but also providing reference implementation of related algorithms.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
现代社会目睹了基于网络基础设施建立的各种分布式网络物理系统(CPS)的普遍存在。关键任务CPS应用程序的国际标准,例如工业过程控制系统和航空电子产品,要求其网络基础架构提供确定性的延迟性能。但是,将CPS理论概念与现实世界网络性能集成的问题在很大程度上尚未探索。该项目解决了这个开放问题,因此可以正式分析网络挑战空间中的反馈控制CP。该项目结果可以应用于许多其他CPS应用领域,包括实时控制和适应,例如车辆控制和通信系统,工业过程控制以及芯片上的网络系统。更广泛的影响包括为研究社区开发公开开放的开源软件,并通过提供研讨会和教程组织和组织讲习班,并通过策略来最大程度地提高该项目的主要范围,从而建立系统的范围,从而建立了一个系统,从而建立了系统,从而建立了系统,从而建立了系统,从而建立了系统,从而建立了一个系统,从而建立了系统,从而建立了系统,从而建立了系统,从而建立了系统,从而建立了系统,从而,从高中和学术研究人员到学术和行业研究人员进行了教育。 CPS中的基础架构是设计和实施CPS使用时间关键任务的突破性结果。与依赖于预定义或推测的设备/系统规范的现有研究不同,新方法通过探索基于网络库的网络设备的建模,从测量值探索了基于网络库的建模,从而使理论分析与经验评估之间进行了平衡。该项目还集中在非馈线网络上,与针对前馈网络的最新方法相反,包括研究构图,代数和基于优化的方法,以延迟对非馈送网络的性能分析以及对网络CPS中延迟性能的识别和缓解延迟性能的研究。该项目将使用基于PLC(可编程逻辑控制器)的工业自动化系统进行案例研究,不仅证明了系统方法的使用和能力,而且还提供了相关算法的参考实施。该奖项反映了NSF的法定任务,并且认为通过基金会的知识优点和广泛的crietia crietia criperia criperia criperia criperia criperia criperia criperia criperia criperia criperia criperia cribitia criperia criperia均值得通过评估。

项目成果

期刊论文数量(12)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
A Survey on Network Calculus Tools for Network Infrastructure in Real-Time Systems
实时系统中网络基础设施的网络演算工具综述
  • DOI:
    10.1109/access.2020.3043600
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Zhou, Boyang;Howenstine, Isaac;Limprapaipong, Siraphob;Cheng, Liang
  • 通讯作者:
    Cheng, Liang
Analysis and Design of an Edge Computing Enabled Real-Time Object Detection Platform for Drone-as-a-Service Using Network Calculus
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  • DOI:
    10.1007/s42045-020-00031-0
  • 发表时间:
    2020-07
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Chuwen Zhang;Yi Wang;Ruyi Yao;Boyang Zhou;Liang Cheng;Yang Xu;Xiaoguang Li;Jian Cheng;Bin Liu
  • 通讯作者:
    Bin Liu
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    Continuing Grant

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    10639961
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 49.94万
  • 项目类别:
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作者:{{ showInfoDetail.author }}

知道了