專利名稱：一種基于博弈論的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)調(diào)度方法
一種基于博弈論的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)調(diào)度方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域，涉及網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度方法，更具體地說，本發(fā)明涉及一種基于博弈論的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)調(diào)度方法。
背景技術(shù)：
隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域，一種新的網(wǎng)絡(luò)化、節(jié)點(diǎn)智能化、信息綜合化、分布式的控制系統(tǒng)-網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(Networked Control Systems,NCSs)便應(yīng)運(yùn)而生了。網(wǎng)絡(luò)化控制滿足了復(fù)雜大系統(tǒng)控制和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的客觀需求，是未來控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。由于NCSs是由控制和網(wǎng)絡(luò)組成的系統(tǒng)，其性能不僅依賴于所使用的控制策略，還依賴于網(wǎng)絡(luò)中信息的調(diào)度策略。NCSs的調(diào)度是用于規(guī)定系統(tǒng)中通過共享通信網(wǎng)絡(luò)所傳送的各種數(shù)據(jù)的次序和發(fā)送時(shí)刻以及時(shí)間間隔。合理的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度能有效避免網(wǎng)絡(luò)中各信息之間產(chǎn)生沖突和擁塞現(xiàn)象，減小網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延，降低數(shù)據(jù)丟包率，進(jìn)一步改善系統(tǒng)控制性能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
綜合研究現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的研究成果，從網(wǎng)絡(luò)層次的角度可分為協(xié)議層調(diào)度和應(yīng)用層調(diào)度兩類
協(xié)議層調(diào)度一般是通過特定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來實(shí)現(xiàn)某些調(diào)度策略，因而只適用于具有調(diào)度數(shù)據(jù)包功能的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，且算法的靈活性較差。
網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層上的調(diào)度按其側(cè)重點(diǎn)不同又可具體劃分為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級(jí)調(diào)度與采樣周期和采樣時(shí)刻的調(diào)度。網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級(jí)調(diào)度就是規(guī)定通過網(wǎng)絡(luò)連接的各智能節(jié)點(diǎn)(控制器節(jié)點(diǎn)、 傳感器節(jié)點(diǎn))發(fā)送數(shù)據(jù)的次序，其雖然與具體的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議無關(guān)，但是必須在具有優(yōu)先權(quán)的網(wǎng)絡(luò)(如CAN'DeviceNet等)上實(shí)現(xiàn)?？紤]到系統(tǒng)的控制性能的優(yōu)劣直接受到NCSs中各控制回路的采樣周期的影響，同時(shí)各控制回路的采樣時(shí)刻也會(huì)影響到數(shù)據(jù)包對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的爭(zhēng)用， 由此便產(chǎn)生了相關(guān)的采樣周期和采樣時(shí)刻的調(diào)度策略。基于時(shí)間窗口的環(huán)路采樣時(shí)間調(diào)度方法是對(duì)系統(tǒng)中每個(gè)控制回路的采樣時(shí)間進(jìn)行調(diào)整并應(yīng)用于周期性服務(wù)網(wǎng)絡(luò)；基于帶寬管理的控制回路采樣時(shí)間調(diào)度方法是動(dòng)態(tài)地計(jì)算各控制回路的采樣周期，采樣周期將隨狀態(tài)變量的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，且其帶寬也隨即動(dòng)態(tài)更新分配。此外，基于先進(jìn)控制理論(如模糊控制、預(yù)測(cè)控制、自適應(yīng)控制等)的反饋調(diào)度方法雖能夠使控制系統(tǒng)具有較高的控制性能，但其網(wǎng)絡(luò)資源利用率往往都較低。
在設(shè)計(jì)NCSs的資源調(diào)度方法時(shí)，目前大多數(shù)的研究雖然結(jié)合了控制效果和共享資源利用情況并在這方面也取得了一定的成果，但是這些成果仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以解決NCSs在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題，因此仍需要結(jié)合新的理論知識(shí)來探索網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度問題的解決方法。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種基于博弈論的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)調(diào)度方法，其目的是合理分配有限的網(wǎng)絡(luò)資源(如帶寬、緩沖區(qū)、頻帶寬度等)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為
本發(fā)明所提供的基于博弈論的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)調(diào)度方法，其特征在于所述的該方法包括如下步驟
步驟1:根據(jù)NCSs調(diào)度問題的特性及對(duì)NCSs的數(shù)學(xué)描述，構(gòu)建NCSs調(diào)度方法的非合作博弈模型；
步驟2 :根據(jù)所述的非合作博弈模型并結(jié)合NCSs自身特性和相關(guān)的調(diào)度參數(shù)，確定NCSs中各控制回路的效用函數(shù)；
步驟3 :尋找最優(yōu)調(diào)度策略，等價(jià)于查找博弈模型的Nash均衡點(diǎn)；根據(jù)所定義的效用函數(shù)，結(jié)合Nash均衡存在性的判定條件，分析Nash均衡點(diǎn)的存在性和唯一性；
步驟4 :在明確NCSs調(diào)度非合作博弈模型存在唯一的Nash均衡點(diǎn)后，運(yùn)用混合自適應(yīng)遺傳算法求解該Nash均衡點(diǎn)；
步驟5 :NCSs中的調(diào)度器按照Nash均衡點(diǎn)處的最優(yōu)調(diào)度策略重新為每個(gè)控制回路分配網(wǎng)絡(luò)資源。
本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，不依賴于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度機(jī)制，為網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)優(yōu)化提供了依據(jù)；所構(gòu)建的NCSs調(diào)度非合作博弈模型能夠很好地反映NCSs中各控制回路的動(dòng)態(tài)運(yùn)行特征與相互競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系；在Nash均衡點(diǎn)處分配網(wǎng)絡(luò)資源可保證網(wǎng)絡(luò)資源能夠得到充分利用，而且也能夠確保各個(gè)控制回路之間公平合理的競(jìng)爭(zhēng)，避免資源分配出現(xiàn)過多或過少的現(xiàn)象，從而在一定程度上提高了網(wǎng)絡(luò)資源利用率。


下面是對(duì)本說明書附圖作簡(jiǎn)要說明
圖1為含調(diào)度器的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)；
圖2為Nash均衡的混合自適應(yīng)遺傳算法求解流程。
具體實(shí)施方式
下面對(duì)照附圖，通過對(duì)實(shí)施例的描述，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，以幫助本領(lǐng)域的技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思、技術(shù)方案有更完整、準(zhǔn)確和深入的理解。
如圖1、圖2所示的本發(fā)明的技術(shù)方案，為一種基于博弈論的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)調(diào)度方法。圖1給出了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)。
網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的調(diào)度所解決的本質(zhì)問題就是合理分配有限的網(wǎng)絡(luò)資源(如帶寬、 緩沖區(qū)、頻帶寬度等)。如何有效地分配有限的網(wǎng)絡(luò)資源，進(jìn)而最大限度地實(shí)現(xiàn)資源的潛在價(jià)值，這正是經(jīng)濟(jì)學(xué)研究得比較成熟的問題。
NCSs中包含有多個(gè)控制回路，每個(gè)控制回路都是相對(duì)獨(dú)立地共享一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)， 即每個(gè)控制回路不知道網(wǎng)絡(luò)中是否存在其他控制回路，也無法獲得其他控制回路的狀態(tài)信息。各個(gè)控制回路在執(zhí)行任務(wù)時(shí)都將按照自己的需求占用網(wǎng)絡(luò)資源，并盡可能地使自身達(dá)到最佳狀態(tài)。在網(wǎng)絡(luò)資源受限的情況下，各個(gè)控制回路之間是通過競(jìng)爭(zhēng)來?yè)寠Z網(wǎng)絡(luò)資源，特別是帶寬資源；因此，NCSs中的各個(gè)控制回路之間就存在一個(gè)非合作博弈過程。
為了實(shí)現(xiàn)合理分配有限的網(wǎng)絡(luò)資源的發(fā)明目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為
將微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)中的博弈理論引入到網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度中，提出一種基于博弈論的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)調(diào)度方法。
本發(fā)明的基于博弈論的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)調(diào)度方法，包括如下步驟
步驟1:根據(jù)NCSs調(diào)度問題的特性及對(duì)NCSs的數(shù)學(xué)描述，構(gòu)建NCSs調(diào)度方法的非合作博弈模型；
步驟2 :根據(jù)所述的非合作博弈模型并結(jié)合NCSs自身特性和相關(guān)的調(diào)度參數(shù)，確定NCSs中各控制回路的效用函數(shù)；
根據(jù)步驟I中構(gòu)建的NCSs調(diào)度中的非合作博弈模型并結(jié)合NCSs自身特性和相關(guān)的調(diào)度參數(shù)，定義NCSs中各控制回路的效用函數(shù)；
步驟3 :尋找最優(yōu)調(diào)度策略，等價(jià)于查找博弈模型的Nash均衡點(diǎn)；根據(jù)所定義的效用函數(shù)，結(jié)合Nash均衡存在性的判定條件，分析Nash均衡點(diǎn)的存在性和唯一性；
Nash均衡是博弈論中描述非合作博弈結(jié)果的重要手段，因此尋找最優(yōu)調(diào)度策略可等價(jià)于查找博弈模型的Nash均衡點(diǎn)。根據(jù)所定義的效用函數(shù)結(jié)合Nash均衡存在性的判定條件分析Nash均衡點(diǎn)的存在性和唯一性。
步驟4 :在明確NCSs調(diào)度非合作博弈模型存在唯一的Nash均衡點(diǎn)后，運(yùn)用混合自適應(yīng)遺傳算法求解該Nash均衡點(diǎn)；
在步驟3中明確了 NCSs調(diào)度非合作博弈模型存在唯一的Nash均衡點(diǎn)后，運(yùn)用混合自適應(yīng)遺傳算法求解該Nash均衡點(diǎn)；
步驟5 :NCSs中的調(diào)度器按照Nash均衡點(diǎn)處的最優(yōu)調(diào)度策略重新為每個(gè)控制回路分配網(wǎng)絡(luò)資源。
本發(fā)明所提出的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)調(diào)度方法不依賴于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度機(jī)制，為網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)優(yōu)化提供了依據(jù)。所構(gòu)建的NCSs調(diào)度非合作博弈模型能夠很好地反映NCSs中各控制回路的動(dòng)態(tài)運(yùn)行特征與相互競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系；在Nash均衡點(diǎn)處分配網(wǎng)絡(luò)資源可保證網(wǎng)絡(luò)資源能夠得到充分利用，而且也能夠確保各個(gè)控制回路之間公平合理的競(jìng)爭(zhēng)，避免資源分配出現(xiàn)過多或過少的現(xiàn)象，從而在一定程度上提高了網(wǎng)絡(luò)資源利用率。
網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)一般包含有至少一個(gè)控制回路，每個(gè)控制回路由傳感器、控制器、執(zhí)行器和被控對(duì)象組成，用于完成一系列的任務(wù)。多個(gè)相互獨(dú)立的控制回路通過中間共享的網(wǎng)絡(luò)形成了各自的閉環(huán)回路，傳感器與控制器之間和控制器與執(zhí)行器之間的數(shù)據(jù)均通過共享的網(wǎng)絡(luò)來傳遞。網(wǎng)絡(luò)中的工^和Ts。分別表示控制器與執(zhí)行器之間的傳輸時(shí)延、傳感器與控制器之間的傳輸時(shí)延。由于共享網(wǎng)絡(luò)的資源有限，因此系統(tǒng)在運(yùn)行過程中不可避免地會(huì)存在信息時(shí)延、丟失和時(shí)序錯(cuò)亂等問題。為了保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地運(yùn)行，就要對(duì)網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行調(diào)度。調(diào)度器用于分析系統(tǒng)信息，制定相應(yīng)的決策，為各控制回路提供調(diào)度信息，從而保證整個(gè)NCSs能夠穩(wěn)定高效地運(yùn)行。
本發(fā)明提出的基于博弈論的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)調(diào)度方法，其具體實(shí)施步驟如下
首先，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)調(diào)度方法的非合作博弈模型。所述的構(gòu)建NCSs調(diào)度方法的非合作博弈模型的方法是
設(shè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中共有η個(gè)控制回路，需要調(diào)度的回路集合為N= (Ii |i e [I, η]}；
則NCSs網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的非合作博弈模型可定義為一個(gè)三元組，即G= {N，S，Uj，其中S 是所有參與調(diào)度的控制回路的可行方案集S= (Si I Si = (Ppbi), I ^ i ^ N} ,Pi e [pi；min, pi；max]是控制回路li (以下內(nèi)容中涉及控制回路li時(shí)均簡(jiǎn)寫為li)可用的數(shù)據(jù)傳輸速率，Pl是 保證li能夠正常工作的最低數(shù)據(jù)傳輸速率，Pi,fflax是li最佳的數(shù)據(jù)傳輸速率； [pi；min, B]是調(diào)度器預(yù)分配給h的帶寬，B是NCSs的總帶寬，顯然Pi，max ( B
和
權(quán)利要求
1.一種基于博弈論的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)調(diào)度方法，其特征在于所述的該方法包括如下步驟步驟1:根據(jù)NCSs調(diào)度問題的特性及對(duì)NCSs的數(shù)學(xué)描述，構(gòu)建NCSs調(diào)度方法的非合作博弈模型；步驟2 :根據(jù)所述的非合作博弈模型并結(jié)合NCSs自身特性和相關(guān)的調(diào)度參數(shù)，確定NCSs中各控制回路的效用函數(shù)；步驟3 :尋找最優(yōu)調(diào)度策略，等價(jià)于查找博弈模型的Nash均衡點(diǎn)；根據(jù)所定義的效用函數(shù)，結(jié)合Nash均衡存在性的判定條件，分析Nash均衡點(diǎn)的存在性和唯一性；步驟4 :在明確NCSs調(diào)度非合作博弈模型存在唯一的Nash均衡點(diǎn)后，運(yùn)用混合自適應(yīng)遺傳算法求解該Nash均衡點(diǎn)；步驟5 :NCSs中的調(diào)度器按照Nash均衡點(diǎn)處的最優(yōu)調(diào)度策略重新為每個(gè)控制回路分配網(wǎng)絡(luò)資源。
2.按照權(quán)利要求1所述的基于博弈論的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)調(diào)度方法，其特征在于所述的構(gòu)建NCSs調(diào)度方法的非合作博弈模型的方法是設(shè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中共有η個(gè)控制回路，需要調(diào)度的回路集合為N=Ui |i e [i,n]}；則NCSs網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的非合作博弈模型可定義為一個(gè)三元組，即G= {N，S，UJ，其中S是所有參與調(diào)度的控制回路的可燈方案集S=(SiIsi=(P^t)i), I ^ i ^ N}，Pi E [Pi，min，Pijlllax]是控制回路Ii (以下內(nèi)容中涉及控制回路Ii時(shí)均簡(jiǎn)寫為Ii)可用的數(shù)據(jù)傳輸速率，Pi，min是保證Ii能夠正常工作的最低數(shù)據(jù)傳輸速率，Pi,max是Ii最佳的數(shù)據(jù)傳輸速率；bj e [Pi min，B]是調(diào)度器預(yù)分配給Ii的帶寬，B是NCSs的總帶寬，顯然Pi，max彡B和
3.按照權(quán)利要求1所述的基于博弈論的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)調(diào)度方法，其特征在于所述的確定NCSs中各控制回路的效用函數(shù)的形式基于所建的非合作博弈模型，各控制回路的效用函數(shù)U1可表示如下
4.按照權(quán)利要求1所述的基于博弈論的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)調(diào)度方法，其特征在于所述的尋找最優(yōu)調(diào)度策略，或查找非合作博弈模型的Nash均衡點(diǎn)的存在性和唯一性的方法為基于非合作博弈模型的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度問題實(shí)際是一個(gè)滿足一定約束的最優(yōu)η化問題，即max丨",(/),，/),)丨滿足條
5.按照權(quán)利要求1所述的基于博弈論的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)調(diào)度方法，其特征在于所述的運(yùn)用混合自適應(yīng)遺傳算法求解該Nash均衡點(diǎn)的方法是依據(jù)所建的非合作博弈模型確定遺傳算法中的種群大小為m和個(gè)體的遺傳基因數(shù)為n，遺傳基因?qū)⒂脤?shí)數(shù)表示，數(shù)值與NCSs中各控制回路中所分配的帶寬值對(duì)應(yīng)，則種群中所有個(gè)體的遺傳基因組為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于博弈論的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)調(diào)度方法，步驟為構(gòu)建NCSs調(diào)度方法的非合作博弈模型；確定NCSs中各控制回路的效用函數(shù)；尋找最優(yōu)調(diào)度策略；分析Nash均衡點(diǎn)的存在性和唯一性；運(yùn)用混合自適應(yīng)遺傳算法求解該Nash均衡點(diǎn)；NCSs中的調(diào)度器按照Nash均衡點(diǎn)處的最優(yōu)調(diào)度策略重新為每個(gè)控制回路分配網(wǎng)絡(luò)資源。采用上述技術(shù)方案，不依賴于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度機(jī)制，為網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)優(yōu)化提供了依據(jù)；可保證網(wǎng)絡(luò)資源能夠得到充分利用，而且也能夠確保各個(gè)控制回路之間公平合理的競(jìng)爭(zhēng)，避免資源分配出現(xiàn)過多或過少的現(xiàn)象，從而在一定程度上提高了網(wǎng)絡(luò)資源利用率。
文檔編號(hào)H04L29/08GK103036982SQ20121054396
公開日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月15日
發(fā)明者陳其工, 張海艷, 高文根, 李祖松, 鮑學(xué)禮, 王俊杰, 邵可可 申請(qǐng)人:安徽工程大學(xué)