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刘丽博士答辩公告


论文题目

医疗CPS协同计算模型及相关问题研究

答辩人

      刘丽

指导教师

   李仁发、谢国琪

答辩委员会

主席

      罗娟

学科专业

计算机科学与技术/计算机应用技术

学院

信息科学与工程学院

答辩地点

视频答辩

答辩时间

20200526

下午230

医疗CPS在传统医疗闭环中引入了智能单元,但其知识库的全面性和灵活性不足常常导致对复杂疾病的误诊和误治。同时,医学专科的细化也导致专科医生面对复杂疾病时需要多学科协作。因此,引入协同计算技术,将网络空间的优势资源深度共享和整合,可以减少单一诊疗模式带来的弊端,通过多方协同计算使医疗CPS的医疗精准性得以提高。本文针对医疗CPS协同计算问题,研究了协同计算模型、协同架构等相关问题。主要研究工作和创新点概括如下:


(1)研究医疗CPS协同计算模型。文中分别定义了协同计算节点、医疗CPS交互模式和协同计算网络模型。协同计算节点由医疗CPS聚类和部署在该聚类内的协同控制器组成。协同计算任务由协同计算源节点发出经过协同计算通信节点到达协同计算目标节点,由协同计算目标节点完成任务计算后,计算结果根据网络拓扑情况原路或者根据新的通信路径返回至协同计算源节点。由于医疗CPS协同计算网络具有无标度网络特性,所以结合无标度网络特征和医疗CPS双向闭环的特点定义了协同计算节点的动态方程。


(2)医疗CPS协同网络架构研究。网络是医疗CPS协同计算的基础平台之一,本文提出了医疗CPS协同计算网络架构,网络架构分为三层,分别是基础设备层、控制层和应用层。控制层内部分控制级和决策级二级管理,相对应的基础设备是SDN协同控制器和SDN运维控制器。针对协同控制器的部署,本文提出了HCD算法,针对运维控制器的部署提出了CCD算法。最后,通过模拟实验证明了HCD算法在牺牲了较少的通信时延情况下,却大幅提升了协同控制器的负载均衡。CCD算法在聚类节点较少的情况下,较HCD算法对三个指标的优化效果更好,因此更适合运维控制器的部署。


(3)协同计算目标搜索问题研究。协同计算目标搜索是建立从协同计算源节点到多个协同计算目标节点的通信路径。本文提出了LTS算法用于建立从源节点到多个目标节点的通信路径,并根据通信路径求解了同步稳定分析参数即外耦合矩阵。考虑到网络拓扑的变化,本文提出了一种动态处理策略ECMCP,以确保通信路径及时更新和外耦合矩阵维度一致。实验证明了LTS算法以及LTS&ECMCP策略的有效性和具有资源占用少和通信代价小的优势。


(4)协同计算同步稳定性问题研究。本文以复杂网络视角研究医疗CPS协同计算网络,医疗CPS协同计算网络具有双向多闭环特点,在时钟同步的基础上开展协同计算同步稳定性分析以确保协同计算节点之间的成功交互。文中根据协同计算网络模型中定义的三个节点动态方程,利用李雅普诺夫同步稳定性定理求解了协同计算网络的同步稳定性判据,最后通过实验验证了同步稳定性判据的有效性。


主要学术成果


Li Liu, Guoqi Xie, Renfa Li. A local external coupling matrix solution and dynamic processing in medical cyber-physical cloud systems. Journal of Systems Architecture, 2020, 102:101678(SCI)


Li Liu, Guoqi Xie, Renfa Li. Synchronization Stability Analysis of Medical Cyber Physical Cloud System Considering Multi-Closed-Loops. Journal of Circuits, Systems and Computers, 2019, 28(12):1950198(SCI)

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