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关键词： 嵌入式系统   形式化验证   内存管理   文件系统  

摘要： 空间嵌入式操作系统是空间飞行器必备的基础软件,决定了空间飞行器是否能够可靠安全地完成空间飞行任务。目前已经采用多种手段来保证其可靠性和安全性,但是仍然存在一些难以发现的缺陷。形式化验证方法在一些工业领域中得到了很好的应用,被验证过的系统的可靠性和安全性都远远高于未验证的系统。因此,采用形式化方法来验证空间嵌入式操作系统势在必行,保证其正确性,从而使其更加可靠安全。存储子系统是空间嵌入式操作系统的重要组成部分,包括内存管理和文件管理。其中,内存管理是系统运行的基础,保证其可靠安全地运行是空间嵌入式操作系统的内在要求。此外,空间飞行任务产生的数据越来越多,空间嵌入式操作系统亟需文件系统来进行数据处理,因此需要开发可靠安全的面向空间应用的文件系统。本文以空间嵌入式操作系统Space OS2为对象,研究面向空间应用的嵌入式存储子系统,进行了如下三个方面的研究。(1)针对复杂软件在“需求、设计、实现”三层验证框架下具体验证的问题,首先使用数学方法证明了采用“需求-设计-实现”三层验证框架可以显著降低验证的工作量。然后分别针对每一层提出了具体的验证方法:在需求层针对需求文档中的功能需求提出了系统实例化的验证方法;在设计层针对设计流程图提出了基于全局变量性质的验证方法;在实现层针对具体的实现代码提出了面向操作的验证方法。(2)在“需求-设计-实现”三层验证框架下研究了Space OS2内存管理模块的形式化验证。在需求层针对内存状态过于庞大的问题,提出了基于归纳演绎的内存状态形式化验证方法。该方法提炼出内存状态变换过程中不变的性质,利用归纳的数学形式演算内存状态间的变化,证明内存操作的前后满足内存状态的性质,避免逐一验证所有内存状态的正确性,提高了验证效率。针对内存管理模块的设计层和实现层分别采用对应的验证方法完成了形式化验证的工作。(3)针对可靠安全文件系统的开发问题,应用“需求-设计-实现”分层验证框架,采用形式设计方法,实现了一个应用于Space OS2的空间专用闪存文件系统。此外,针对空间闪存文件系统占用内存小的需求,对文件目录提出了基于任务的细粒度文件目录索引方法,对文件数据提出了基于单链表结构的逆向链表索引方法,降低了闪存文件系统对内存的占用量,形成了面向任务的空间专用闪存文件系统。

关键词： 分布式系统   自适应算法   递归最小二乘算法   稀疏系统   均方偏差   超额均方误差  

摘要： 自适应滤波器是目前信号处理领域研究的热门方向,它主要由实体结构和自适应滤波算法组成。这两个组成部分相互影响,不同的自适应算法应用不同的滤波器结构,使自适应滤波器的应用领域也不同。目前,系统辨识是自适应滤波器最热门的应用领域,其主要研究内容是通过相应的自适应算法由自适应滤波器的输入和输出信号估计系统中某些参数的信息。在系统辨识中应用最多的算法是最小均方(LMS)算法和递归最小二乘(RLS)算法以及它们的一些衍生算法。系统的稀疏性是指系统中的少部分系数有比较大的值,其余大部分的系数等于零或接近零。在自然界中,大部分系统都具有稀疏性,例如语音信号和图像信号。所以当我们在辨识一个未知的系统时,通常状况下可以预先假设这个系统是稀疏的。然而系统辨识中通用的LMS算法和RLS算法在辨识这类系统时表现出很差的估计性能和收敛性能,这是因为它们适用于常规系统,在辨识这类系统时不能利用到系统稀疏的特性。近些年来,一些研究者对自适应算法做出了一些改进,以使其适用于辨识稀疏系统,但都存在着一些不足。本论文在分析分布式系统和扩散RLS算法的特点的基础上,借鉴前人的研究经验,根据稀疏系统的特性进行扩散稀疏等比例自适应RLS算法的研究。首先将扩散稀疏LMS算法的优点应用于扩散稀疏RLS算法中,即选择扩散稀疏RLS算法的稀疏惩罚项为正则化的形式即λf(w),以提高算法对系统稀疏性的应用,并在后续的性能分析中将稀疏惩罚函数f(·)选为较为简单的L范数和L范数形式。其次为了提高算法的收敛速度,在上述改进的基础上得到的代价函数和递归公式中加入比例自适应系数。它的作用是让每个节点在当前时刻的递推步长与该节点上一时刻的估计值正相关。最后对算法进行仿真验证。我们使用MATLAB进行实验仿真,仿真结果表明:本论文提出的算法与LMS算法、RLS算法、扩散稀疏RLS算法相比在辨识稀疏系统时具有较快的收敛速度。

关键词： 医院   医疗器械   电子设备   管理   维护  

摘要： 本文对医疗电子设备在医院运作中的重要性进行了分析，研究了现阶段医院医疗电子设备管理与维护工作中存在的问题，如认识不到位、专业知识欠缺、管理制度不完善等。然后从加强医院医疗电子设备管理维护效果的角度，提出了相应的管理维护对策，能够有效延长医疗电子设备的使用周期，促进医院医疗服务水平的提高。

关键词： 工业机器人   分布式系统   关联分析   知识图谱   知识推理  

摘要： 工业机器人作为制造领域内主要生产力的载体,广泛用于自动化生产场景以及众多柔性制造系统中。工业机器人的普及被认为是实现全自动化生产、提高工业智能化水平的有效手段。为使工业机器人适应丰富的应用场景,满足日益增长的社会需求,需高效率研发新的工业机器人产品。现已有的工业机器人设计主要依靠研发人员经验设计以及应用模块化技术设计。但上述设计方法有效率低、研发周期过长等问题,模块化设计在应用中还存在局限性。数据挖掘技术作为工业机器人相关领域的新焦点,应用关联分析技术进行工业机器人设计知识定量挖掘可以解决上述设计方案中存在的问题。本文主要研究了工业机器人设计知识获取与分析方法。首先,分析了工业机器人关键设计参数,为后续大数据挖掘技术中关联分析方法应用奠定数据基础。基于Solid Works实现工业机器人关键设计参数提取与数据整理,并选择关联分析技术对数据进行关联规则挖掘。同时,针对不同分布式大数据处理技术架构的优势,综合部署Hadoop与Spark分布式大数据处理技术系统,完成了对多结构工业机器人关键数据的存储。其次,提出了工业机器人设计知识挖掘总体框架。包括轮廓系数法确定各类参数的标签数、应用聚类算法实现连续型数据离散化即工业机器人数据标签化;考虑到对工业机器人关键设计参数间关联规则挖掘过程中应用的聚类结果具有绝对性,对传统Apriori关联规则挖掘算法进行改进优化,并计算关联规则的准确度。关联关系挖掘为工业机器人设计知识的重用提供了技术支持,提高了工业机器人设计效率。然后,构建了知识图谱分析工业机器人设计知识。分析由工业机器人关键设计参数与改进Apriori算法挖掘得到的工业机器人设计知识构建的两类知识图谱,并以此实行工业机器人关键设计参数及参数间关联规则的可视化表达。同时基于知识图谱进行规则路径学习,合并起始点与终止点相同的规则路径得到新规则作为关联规则集的补集,并基于条件概率相关理论进行规则置信度计算进而筛选高质量规则。最后,设计了工业机器人设计知识推理系统。以案例推理与证据理论推理为核心思想提出工业机器人设计的可行性方案。知识推理系统为重用工业机器人设计知识提供了科学依据。随着知识推理系统的应用会不断输出工业机器人新案例,为适应工业机器人实例库的持续扩增,选择了Spark分布式大数据处理技术架构实现工业机器人关键设计参数间关联规则实时挖掘。

摘要： 《设备管理与维修》杂志是中国科学技术协会主管，中国机械工程学会和北京卓众出版有限公司共同主办的，是中国学术期刊综合评价数据库源泉期刊，1980年创刊，全国发行，发行覆盖广，数量大，是设备工程领域权威专业杂志。

关键词： 非易失性存储   存储系统   文件系统   设备驱动   读写吞吐率  

摘要： 随着物联网时代的到来,计算机所需处理的数据以几何倍数增长,这意味着存储系统对读写吞吐率的要求越来越高。非易失性内存NVM(Non-Volatile Memory),因其具有低延迟与接近内存的读写速度等特性,成为解决计算机系统“存储墙”问题的重要手段。但现有的存储系统软件栈难以有效发挥NVM存储设备高性能的优势,存在I/O(Input/Output)栈过长、锁粒度大、并发程度低等问题,成为影响NVM存储系统性能的重要因素。因此,本文以提高NVM存储系统的读写吞吐率为目标,研究与设计基于NVM的高吞吐存储系统。首先,分析NVM存储系统面临的挑战,从文件系统与设备驱动两方面进行改进,设计融合文件管理功能的高吞吐NVM存储系统的结构,包括融入驱动的高并发文件管理算法模块与高吞吐的NVM存储设备驱动模块,从而发挥NVM存储设备读写速度快的优势,满足Io T(Internet of Things)等应用对海量数据高速并发读写的要求。接着,在分析现有I/O系统软件栈过长影响NVM存储系统I/O性能的基础上,针对Io T等应用对存储系统并发能力要求高和NVM存储设备读写速度快等特点,设计融入驱动的高并发文件管理算法。首先,通过将文件管理功能嵌入到设备驱动,给出了融入驱动的高并发文件管理算法的结构;接着,通过分解I-node节点,构建基于数据块的细粒度锁,并采用奇偶校验的读写正确性保证方式,设计基于奇偶校验的细粒度锁,为提高NVM存储系统中读写操作的并发度提供支撑;其次,改造跳表中的节点,在保证节点之间有序的基础上,在节点内保存多组无序键值对,并将最上层索引转变为缓存,设计基于C-Skiplist的锁管理策略,从而通过提高锁管理的效率,提高NVM存储系统的并发度;最后,在开源的NVM存储设备驱动基础上,实现融入驱动的高并发文件管理算法原型MAGMD,分别使用Filebench、Fio与IOzone作为测试工具进行测试与分析,实验结果表明MAGMD与PMEM上加载的EXT4相比最大能提高19%的I/O吞吐率与22.9%的读写带宽。最后,分析当前NVM存储设备驱动中存在的问题,研究并设计高吞吐的NVM存储设备驱动并给出其结构,包括两阶段的BIO管理策略模块与轻量级的BIO迁移策略模块。设计两阶段的BIO管理策略,对设备驱动程序中的BIO管理流程进行分解,将BIO的接收与执行功能分离,降低请求管理粒度,减少BIO之间的冲突,提高NVM存储设备中BIO管理的并发性;设计一种轻量级的BIO迁移策略,能够将多个接收队列高效地转换为单个执行队列,减少管理时间开销,避免扫描全部请求队列,从而减少对NVM存储设备的访问次数,提高NVM存储系统的读写吞吐率;在开源NVM存储设备驱动的基础上,实现高吞吐的NVM存储设备驱动原型SVTNVM,使用Filebench测试不同线程数量下的读写吞吐率,使用Fio测试顺序与随机读写性能,与当前Linux的NVM存储设备驱动PMEM进行比较,实验结果表明,SVTNVM最高能提升29.3%的读写吞吐率与23.3%的I/O带宽。

关键词： 共识算法   纠删码存储系统   同步   容错  

摘要： 近年来,随着互联网时代的快速发展,用户数据的激增给存储技术带来了极大的挑战。在这些数据中,大部分是不常被访问,它们被称为冷数据。冷数据的存储对系统的读性能要求不高,所以通常使用特殊的低成本设备和纠删码数据容错技术进行存储。然而,目前存储冷数据的方法有的过程繁琐、效率不高,有的则存在一致性问题。因此本文设计了一种冷数据的存储算法,这种算法能够为冷数据存储提供更高的存储效率和一致性保障。冷数据存储往往采用纠删码冗余机制,因为它是一种低存储开销的容错机制。所以本文研究的算法也是基于纠删码数据存储的。传统的纠删码数据存储方式有两种:异步或者同步。对于同步存储方式,数据在写入时就被编码成纠删码片段,只有在这些编码片段都被存储后,本次写入才成功。这种方式在可用性方面表现较差,因为任何失败都会干扰它的写入过程。对于异步存储方式,系统需要先将数据以多副本的形式存储在集群中,然后在异步完成纠删码的编码过程并删除副本形式的数据,这种存储过程会带来不必要的磁盘IO和网络流量开销。一些基于Paxos和Raft的共识算法如RS-Paxos和CRaft可以解决上述问题。然而,RS-Paxos无法达到与Paxos相同的容错能力。CRaft无法实现最低的存储和网络开销。因此,为更好地解决同步和异步方式存在的问题,本文研究并实现了可用于冷数据存储的分布式系统一致性算法ECRaft,该算法基于Raft,它也可以达到与Raft同样的容错能力。存储空间利用率可以达到纠删码存储系统能达到的最佳水平。本文基于ECRaft构建了键值存储系统来评估其性能。与使用完整条目复制的CRaft相比,ECRaft可以节省63%的存储空间,提高28.2%的写吞吐量,减少19%的写延迟。为了在实际系统中验证ECRaft的表现,本文还实现了基于ECRaft的分布式存储系统并提出了 Multi-ECRaft的架构。该系统分为客户端、元数据管理端、存储端三个模块。通过实验证明采用ECRaft的系统在写吞吐、写时延和可用性上优于不使用它的冷存储系统。

关键词： 异构分布式系统   任务复制   分支定界搜索   动态优先级  

摘要： 异构分布式系统中计算应用的调度长度最优化问题备受关注。囿于通信网络的带宽及传输速度等限制,通信开销对调度长度的影响不容忽视,通过减少通信开销优化调度长度是研究的焦点之一。为尽量减少通信开销,基于任务复制的各类调度算法应运而生,其可以通过额外的计算开销来减少通信开销,并取得了极好的效果。然而,任务复制的引入会使调度问题更加难以求解,如何在使用任务复制提供高质量调度方案的同时,减少求解时间是当前面临的一大挑战。针对上述挑战,本文将调度问题进行分解,按序求解分配子问题与排序子问题,并分别进行优化以提高求解效率。提出了一种两阶段的高效调度算法,能够给出允许任务复制下调度长度最短的方案。本文的主要贡献如下:1.分析并定义了基于任务复制的异构分布式系统调度长度最优化问题对任务复制所带来的解空间膨胀、链式反应及复制异常现象等调度算法设计难点进行了分析。并根据异构分布式系统及任务复制的特征进行系统及任务建模,形式化定义了基于任务复制的异构分布式系统调度长度最优化问题。2.设计了一种基于分支定界搜索的任务分配算法为避免链式反应,基于分支定界搜索设计了分配阶段算法,以调度长度上界为优化目标搜索任务的最优分配方案。基于拓扑序设计分支操作以避免搜索重复状态,并减少操作计算量,再在过程中根据已有目标值裁剪状态空间,提高算法的求解效率。3.设计了一种基于松弛区间的动态优先级任务排序算法根据任务的优先关系约束及分配方案,设计基于松弛区间的动态优先级对任务进行排序,以得到最终调度方案。为解决复制异常现象,该算法在任务排序过程中使各任务可以从任意处理单元上的前驱获得输入数据,进一步优化调度长度。4.开发了基于任务复制的异构分布式系统调度工具该工具提供友好的人机交互界面,实现了本文所建立模型及本文所提出调度算法。能够针对不同的系统配置及任务配置,给出基于任务复制的调度长度最优化调度方案。本文针对不同的系统配置与任务配置设计了分析实验,验证了本文所提出算法在不同情景下的有效性。并且在特定的系统配置下对比了先进的启发式调度算法与优化搜索调度算法,实验结果表明,本文所提出算法能够给出质量更高的调度方案,且求解时间较单阶段优化搜索调度算法显著减少。

关键词： 建设工程   检测机构   设备管理  

摘要： 在建筑工程建设过程当中，为了保障建设质量通常都会对工程进行定期检测，了解建设过程当中存在的问题，并针对有关问题快速进行整改。建筑检测设备质量会影响到建筑检测结果的准确性，企业在使用过程当中需要应用合理的管理和保养措施。本文首先阐述了建筑检测设备管理的意义，其次分析建筑检测设备管理与保养中的不足，提出了建筑检测设备管理与保养的优化策略，以期为企业提高建筑检测设备管理和保养水平提供启示和参考。

关键词： 民航气象数据库   数据存储   MySQL  

摘要： 随着气象技术的不断发展,传统的气象数据库系统在存储和管理各类新型数据上出现了可扩展性差、读写效率低的问题。为加强气象信息资料的存储、统计、分析功能,进一步挖掘气象信息的行业价值,本文以MySQL数据库结合智能化大容量文件存储系统,设计实现了气象数据的存储统计和查询系统。通过实际业务运行,能够满足气象数据稳定存储与快速查询的要求,为复杂天气预报提供历史数据支撑。