基于控制理論的嵌入式軟件自適應方法研究

賈婷婷

摘 要：隨著對計算機技術的不斷深入發展，近年來軟件自適應已經成為研究人員的研究熱點，軟件自適應是軟件系統根據環境狀態的變化而進行自身調整的一種能力，由于其余控制理論有著非常相似的處理過程，所以控制理論也已經成為研究軟件自適應方法的重要手段，這里我們對基于控制理論的嵌入式軟件的自適應方法進行了研究分析，了解軟件自適應的基本原理和方法，也發現了目前的研究還存在許多的不足，也說明軟件的自適應研究在未來還有很大的探索空間。

關鍵詞：控制理論;嵌入式軟件;軟件自適應;自適應環

中圖分類號：TP311.53 ? 文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1001-5922（2020）10-0188-05

Abstract：With the continuous in-depth development of computer technology， software self-adaptive has become a research hotspot of researchers in recent years. Software self-adaptive is a kind of ability of software system to adjust itself according to the change of environment state. Because other control theories have unusual similar processing process， so the control theory has also become an important method for studying software adaptation methods. Theoretical embedded software adaptive method has been researched and analyzed， understand the basic principle and method of software adaptive， and find out many deficiencies in the current research， which also shows that the adaptive research of software still has a lot of exploration space in the future.

Key words：control theory; embedded software; software adaptation; adaptive loop

0 引言

現今社會計算機技術在不斷的發展進步，網絡計算和移動計算也成為了我們日常生活中重要的組成部分。隨著人們的日常生活工作需求不斷提高，對計算設備的要求也越來越高，尤其是某些計算設備需要用于移動環境，這就對設備的便捷性和安全性有很高的要求。但是這些普適計算設備的局限性就在于它的安全性較低以及資源有限性。因為終端在設計方面有重量輕，能耗低以及尺寸小的要求，導致了其資源有限性，根據這些要求科研人員設計出了相應的設備，但是這里設備有許多的缺陷，例如磁盤容量過小，緩存不大，其物理內存也不夠充足，設備的處理能力較低以及設備屏幕過小等，雖然制造技術在不斷發展，但是這也中端的資源還是很難得到提升。此外，由于某些終端設備的移動性，其安全性也較低，這些終端無法安全可靠的尋訪存放數據。總結來說，就是資源的有限性導致其無法儲存所需要的內容，如若把數據長期存放在終端上面也不太安全。所以，具有較高安全性，豐富資源的服務器才是儲存數據的最佳位置，移動設備可以作為客戶端設備的形式存在，并且能夠訪問和維護服務器上面的數據。此外終端設備還會受到其所在網絡環境的限制，對于終端來說，遠程資源進而網絡的連接性都是動態變化的。并且大部分情況下，終端設備都是使用無限網絡，其相較于有線網絡，具有高延遲和抵寬帶的特點，同時依據現有的網絡基站覆蓋率而言，高質量的網絡服務是無法在移動環境中得以保證的。結合這些緣由，不難發現多數情況下計算終端都是在不斷變化的，也就是說它所獲得的資源也會隨著發生變化，且是動態變化的，無法進行預期，因此為了應對這種動態變化需要計算機終端自身具備良好的自適應處理能力，也及時終端自身可以由環境的變化和資源的變化來改變自身狀態。我們研究了基于嵌入式操作系統的終端自適應系統的體系結構，對其自適應性方法進行了分析。

1 軟件自適應

自適應，這一概念在生物學領域是用來對生物為了適應新的生存環境而改變自身習性的一種特征的描述[1]。漸漸地人們發現這種自適應特征具有十分優良的系統品質，于是越來越多的科學技術領域應用這以概念，其主要是用來構造各類自適應系統，諸如自適應巡航，自適應濾波，系適應控制等等[1]。在軟件工程領域中，軟件系統越來越復雜，其所面臨的外部需求變化也越來越頻繁，面對這些新的挑戰，我們需要研發一種新的機制來應對，使得軟件具有自適應的能力，繼而形成一種自適應軟件，這也正是人們所需要的一種軟件心態。

軟件自適應，關于這一概念并沒有一個統一的定義，因為它的定義可以從許多方面來看，比如說行性能和功能的改進方面，或者從它應對環境變化的方面來定義，因為闡釋的較多不同所以其定義的內容也就不同[2]。這里我們可以將軟件的自適應功能理解為軟件系統的一個能力屬性，又能夠將其理解為一個過程，也就是說因為它具有典型的目的性和動態性特征，也就是說當外界環境因素發生變化時，軟件系統能夠進行自我調整[3]，以適應環境變化，從而達到動態快速的接近自適應目標，根據這些理論我們就可以總結出軟件自適應的定義，即當軟件系統受到外界變化的干擾時，為了防止整個系統變為失效狀態，軟件系統自發啟動自適應功能，在線進行自我調整，通過這種調整快速動態地逼近任務目標，具體可以描述為在：用a表示軟件系統的運行狀態，它也是系統時間的函數，系統時間用t表示，軟件系統可接受狀態空間用A表示，當a∈A時，軟件的服務質量處于用戶的可接受范圍，軟件系統失效狀態空間用B表示，當a∈B時，則代表軟件的關鍵性指標已經被損壞了，并且不能再給系統提供可用的功能和性能，軟件系統面臨的所有變化集合用C表示，用D表示自適應平衡狀態集合，這種狀態的系統不會再發生很大的變化，其性能和功能也已達到用戶的目標，這里我們假設t=t0時，軟件的系統狀態穩定的處于區域D里面，也就是說a（t）∈D，當t=t1時，這里t1>t0，外部環境變化用δ表示，δ∈C，由于外界環境因素的變化使得軟件系統的運行狀態遭到干擾、偏離平衡，在此過程中軟件系統也由平衡狀態空間向可接受狀態空間轉變，但是還沒有進入失效狀態空間，用公式（1）表達：

這時，由于自適應機制的啟動，使軟系統快速的感知到了系統狀態的改變趨勢，進而進行自我調整，軟件系統從可接受狀態空間又會重新進入到目標區域里面，這段時間用表示，則有：

也有一些其他領域的研究與軟件自適應研究相近，典型的就有自管理系統和自治計算系統[4]。一般情況下，自治和自管理系統會很回家側重于整個計算機系統，而自適應軟件則更關注軟件系統的自適應。其實在對這三者進行研究時，在技術和研究方法上面是很難區分的，所以很多學者在研究時，并不區分它們的說法，并且常常互換著使用。

軟件的自適應過程所經歷的各個環節構成自適應環，經過上面的介紹可以了解到，通常自適應過成中需要最少經歷三個核心的環節，也就是感知環節，評價環節和施動環節。對用戶需求以及環境信息的收集主要是靠感知環節來完成，同時在此環節中還要獲取到相應的需求和環境的變化;然后根據所獲取的信息變化和目標預定并對其進行推理評價則是由評價環節來實現，評價機制作出判斷后才能決定軟件系統要如何調整自身來應對環境變化。講評價環節得出的結論施加到軟件系統上是在是由施動環節來完成，這個環境確保系統完成自身調整過程，這3個基本環節就能夠構成一個完整的自適應環。目前比較知名的自適應環就是IBM的MAPE-K環，它將自適應的過程分為了4個階段和一個知識庫，四個階段即監視階段，分析階段，規劃階段以及執行階段。也有很多研究人員有許多不同的關于自適應環的理解，如有學者將其概括為評估與監視環節，規劃改變環節，部署變化描述環節，實施變化和采集觀測信息環節。也有學者認為其應該理解為采集階段，分析階段，決策階段以及施動階段等幾個階段。還有的認為應該包括監視環節，探測環境，決策環節以及施動環節。由此可見不同的研究人員有著不同的關于自適應環的表達方式，但是究其本質其實都是一樣的，也就是先對環境以及需求的變化進行感知，再針對所獲取的信息進行一定的分析處理，最后獲得相應的結論，將其施加到軟件系統，從這些表達方式也可以看出軟件自適應過程事實上是循環往復的過程，它也是一個和軟件系統運行具有相互作用的循環過程。

為了實現軟件自適應的整個過程，基本設施是必不可少的，通過對軟件自適應過程的理解分析，要完成軟件的自適應過程，就需要一定的軟件設施作為支撐，在軟件自適應的每個環節都需要與其相對應的軟件設施，如我們需要有感知器設施來識別和感知變化，需要自適應器設施用來對變化進行決策，同時也需要執行器設施來將自適應結果是加到目標軟件系統上。許多研究人員也根據自己的理解而給這些軟件設施進行了許多不同的命名，例如IBM的MAPE-K將自適應的不同環節用到的軟件設施命名為感知器以及自治管理器進而效應器。也有學者將其名命名為探針和自適應管理器進而效應器[5]，同樣雖然這些設施的命名不同，但是它們的功能都是一樣的，都是為了完成自適應過程的各個環節，也就是首先對環境和需求變化進行感知，然后對獲取的信息進行分析處理，最終將結果施加到軟件系統完成自適應過程。這里自適應器、執行器和感知器組成了整個軟件系統的自適應邏輯。與之相對應的是軟系統的功能邏輯和應用邏輯，自適應邏輯又包括了2個方面，及軟件的自適應機制和軟件設施，軟件的正常業務功能主要靠應用軟件來實現，根據控制理論，自適應邏輯控制應用邏輯，所以某些時候講應用邏輯稱為目標軟件。

2 控制理論

控制，它表示的是一種面向目標的動作[6]，與另一個動作相關聯，需要一個執行這個動作的主體以及承受這個動作的對象，該主體被稱為控制器，也被認為是控制算法的執行器，對象被稱為被控對象。現今社會控制已經成為一種廣泛應用的基本活動，諸如汽車自動控制，發電機組控制等等。我們必須將控制器和被控制的對象，根據一定的方法連接構成1個有機整體，以保證各種復雜的控制任務的實現。這樣就形成了1個控制系統。控制系統最基本的核心是反饋或者閉環控制，通過取自被控量的反饋信息，然后對被控量和控制目標之間的偏差進行不斷的修正，最后達到對被控對象進行控制的功能。下圖1展示了反饋控制系統的結構示意圖。

控制器，執行器，傳感器以及被控對象一起組成了反饋控制系統，上面示意圖中的r表示設定值或者參考輸入值，它指的是期望的輸出，y表示被控對象的輸出，e代表控制誤差，e=r-y，它表示期望的系統輸出同世紀測量輸出的差值，u表示控制輸出，它的得出是根據控制誤差采用一定的控制算法經過運算獲得的。將輸出控制利用執行器施加到被控對象，然后使系統輸出值盡可能地逼近期望輸出值，總體來看，反饋控制過程是一個動態過程，它的最終目標是使控制誤差e等于0，也就是讓系統輸出y逼近或者等于期望的輸出r。

前饋控制，也稱為開環控制，它與反饋控制相對應，該控制形式是直接利用參考輸入來決定控制輸出的，而不需要系統的輸出來對控制輸出進行調控。前饋控制的優勢就是其結構簡單，但是也存在缺陷，其抗干擾能力差，系統的穩定性無法得到保證，所以該控制形式并不會單獨被使用。

一個控制系統的設計與實現都是為了達到某個目標，該目標只要表現在[7]：首先是調節控制，也就是要保證系統輸出與參考輸入接近甚至是相等。調節控制的重點是參考輸入，參考輸入的變化會直接導致系統輸入的變化，當參考輸入的變化頻率變得非常快時，這種控制方式我們通常稱為跟蹤控制。此外，還需要使控制系統具有足夠的抗干擾能力，這樣才能確保系統所收到的外界干擾不會對系統的輸出造成太大影響，最后一點就是要進行優化處理，保證能夠取得系統輸出的最佳值。

使用不用的控制器，不論被控制的對象是不是相同，能有可能產生不同的控制效果。控制系統的好壞是需要1個統一的標準來判斷的，一般情況下是通過4個指標來評判的，即準確性，穩定性，超調量以及調節時間。控制系統的準確性指的就是系統在穩定狀態時其系統輸出能夠與參考輸入無限逼近。控制系統的穩定性指的就是針對任意的限制內的輸入，系統的輸出都能夠確保穩定在一定的范圍內的能力。超調量指的是系統輸出的最大的偏差值與穩態值之間的差值。調節時間則表示系統輸出從最開始的初始值到接近穩態值所需要的時間。

綜上所述，深究控制的本質其實就是以變制變，它依據一種計算邏輯，利用實際值與期望值的差值，計算產生控制輸出，最終以達到被控制的對象性能無限逼近與期望值的目的。以變制變也是自適應的本質，根據外部的環境變化，通過調節自身來應對這種變化，整個自適應過程也就是對自身軟件系統的控制過程，也就是這種自身的控制過程使得其可以適應外界環境因素的變化。因而該控制理論，是一種非常有效的實現動態軟件系統自適應的工具。

3 嵌入式軟件自適應體系

3.1 具有自適應性功能的操作系統

Delta OS是一種具有自適應功能嵌入式實時操作系統，它的主要內核有內存管理，任務管理，中斷管理，任務間通信以及時鐘管理等模塊，同時也含有瀏覽器，GUI，晚間系統以及網絡等組件。

我們需要添加1個自適應處理模塊在操作系統Delta OS中，來實現計算終端對環境及資源變化作出相應的自適應處理。在Delta OS的基礎上，再加上資源監控模塊，事件管理模塊和事件通道注冊模塊3個模塊就構成了具有自適應能力的嵌入式操作系統Delta? a-OS體系結構。這3個模塊共同工作能夠很好的完成系統的自適應過程，資源監控模板檢測到計算終端的資源變化時，由事件通道注冊模塊會很快獲取時間通道的引用，然后這些引用就會作為事件對象直接發送到事件管理模塊，然后通過事件傳送機制將反應終端資源變化的時間對象傳送給應用程序，最后由應用完成自適應響應。這種體系結構非常靈活，它能夠將傳送機制和環境監控模塊分離開來，對應用和監控模塊進行有效的隔離，使得應用程序可以在對事件信息進行接收時采用一種新的監控方式，而不需要利用系統提供的方式獲取環境的狀態變化。該體系結構是一種系統和應用共同協作的自適應模型[8]，系統可以對資源的可用性進行監控，對資源進行合理分配，與此同時還將對資源進行適當的優化。將自身的特性與系統所提供的資源信息進行結合，應用程序就能夠很好的進行決策。

3.2 事件管理模塊

多個事件通道組成事件管理模塊，并且每一系列的事件類型都會對應一個時間通道，事件處理模塊和時間傳送模塊共同構成了事件通道，為事件通道提供通道信息是時間處理模塊的主要功能，同時還要對事件日志進行維護，處理一些事件，通道信息指的是通道類型等方面的內容。根據系統應用的具體情況，事件管理模塊會對相應的資源進行分配決策，對于特定的應用也會給予相應的資源分配，與此同時會對實時應用的資源作預留準備。

系統中事件對象的事件日志會由時間處理模塊進行定期的日常維護，此保存移動環境的狀態。針對每一個類型的事件，會將近期的時間對象進行保存，等待與之相同類型的事件出現。前期保存的事件對象，根據事件發生的時間順序，應用程序注冊到通道時就會傳送到應用，進而使系統適應相對應時間的環境狀態。在這整個才做過程中，事件處理模塊是與事件傳送模塊交互進行的，為實現事件傳送提供框架結構是事件傳送模塊的主要任務，在傳送模塊中，應用能夠獲取自適應處理模塊的引用序列，根據這些引用序列，事件傳送模塊可以將事件對象傳送到引用。

3.3 事件通道注冊管理模塊

每一個事件通道都會有一個與之對應的名字，而這個名字會應用到通道的引用上，在對事件通道進行創建時，需要經由事件通道注冊模塊進行注冊，同時還要保證事件通道名字的唯一性，以便后續將引用提供給其他檢索模塊。事件對象有資源監控模塊傳遞到事件通道時，會有注冊管理模塊獲得事件通道的引用。

3.4 資源監控模塊

為了實現對終端移動環境的實時監控需要用到資源監控模塊，資源監控模塊通過通道引用會將事件對象傳送到事件通道。監控模塊一旦監控到環境狀態發生變化時，就會建立一個新的事件對象，同時將這個事件傳送給事件通道。另外，資源監控模塊還能夠使系統保持穩定的狀態，即它可以抑制環境狀態發生的瞬時變化，很好避免系統的抖動現象。

3.5 具備自適應處理功能的應用

系統自適應策略的實現是由自適應處理模塊完成的，它可以為應用提供穩定的服務，是應用獲取與系統資源情況一致的信息。在自適應體系的整個結構中，事件最終都會傳送到自適應處理模塊，某些應用需要獲取資源信息，那么可以針對性的建立與之相適應的自適應模塊，同時生成這個模塊的引用，并注冊到事件通道，如果資源狀態發生變化時，資源的狀態信息就可以從資源監控模塊和事件通道獲取。當獲取到事件對象時，應用的自適應模塊就會根據事件對象代表的事件類型而作出相應的變化。

3.6 自適應系統的工作工程簡介

這里以計算終端的網絡寬帶產生變化來進行說明，下面圖2所示為UML序列圖。

圖中顯示了6個對象，并且這6個對象分別對應著六個不同的模塊，Network Bandwidth表示網絡寬帶資源，Network Monitor表示網絡事件監控模塊，Network Event Manager表示網絡事件處理模塊，Network Delivery Module表示網絡事件傳送模塊，Registrar表示事件通道注冊管理模塊，Browser表示網絡相關的瀏覽器應用。圖中箭頭表示信息的傳遞，而箭頭的方向則代表事件發生的先后順序。

4 結語

嵌入式軟件所對應的計算終端所處的環境總是在不斷變化中的，那么自然獲得的資源也在不斷變化，同時這些變化都是不可預期的，屬于動態變化。所以日常生活中，我們對軟件的自適應功能是由一定的要求的，當軟件具備自適應的能力就能個根據環境以及資源變化作出自我調整以適應新的環境和資源。這里我們系統忽和應用的自適應模型進行了研究，了解了整個結構體系中各個組成部分的功能以及原理，也了解了控制理論的基本內容，軟件自適應與控制理論的關聯，通過研究這些理論與原理是我們更加清楚的明白了嵌入式軟件的自適應方法。

參考文獻

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