一種變采樣周期調(diào)度器及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種變采樣周期調(diào)度器及其控制方法，包括網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)測模塊、網(wǎng)絡狀態(tài)控制模塊、SVM預測模塊和采樣周期調(diào)節(jié)模塊，其中，所述網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)測模塊通訊連接至網(wǎng)絡狀態(tài)控制模塊，并用于周期性地監(jiān)測網(wǎng)絡狀態(tài)；所述網(wǎng)絡狀態(tài)控制模塊通訊連接至SVM預測模塊，并用于利用每一時刻的數(shù)據(jù)包傳輸時間和每一時刻的采樣周期計算出每一時刻的網(wǎng)絡利用率；所述SVM預測模塊通訊連接至采樣周期調(diào)節(jié)模塊，并用于在線預測出下一采樣周期的可適用網(wǎng)絡利用率；所述采樣周期調(diào)節(jié)模塊用于根據(jù)預測的網(wǎng)絡利用率得到控制回路的下一采樣周期。本發(fā)明避免了數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡傳輸時，隨網(wǎng)絡負荷和介質(zhì)訪問控制機制的不同而造成傳輸時間不確定性，通過動態(tài)的改變各回路的采樣周期來分配有限的網(wǎng)絡資源，具有廣泛的適應性。
【專利說明】一種變采樣周期調(diào)度器及其控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的【技術領域】，涉及網(wǎng)絡資源調(diào)度的方法，具體涉及一種 變采樣周期調(diào)度器及其控制方法。
【背景技術】
[0002] 網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)（Networked Control System, NCS)是一種完全網(wǎng)絡化的、分布化 的控制系統(tǒng)，是通過網(wǎng)絡構成的閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)的閉環(huán)中，網(wǎng)絡作 為傳輸介質(zhì)，實現(xiàn)著傳感器、控制器、執(zhí)行器和其他網(wǎng)絡節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)資源 的共享、遠程檢測和控制。現(xiàn)代網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展可以使得網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)能夠可以利 用有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡實現(xiàn)復雜環(huán)境下的系統(tǒng)的遠程控制，并且具有交互性好、減少系統(tǒng) 布線、易于擴展和維護等諸多優(yōu)點，這些都是傳統(tǒng)控制系統(tǒng)無法比擬的。但是計算機網(wǎng)絡介 入傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)使得網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)的分析和設計變得更加的復雜，這主要表現(xiàn)在兩方 面：第一，空間分布的器件通過網(wǎng)絡的接入對控制系統(tǒng)的動態(tài)行為必然產(chǎn)生重大的影響，如 網(wǎng)絡資源的共享、不同的介質(zhì)訪問控制方式導致的時延和數(shù)據(jù)包的丟失、無線網(wǎng)絡產(chǎn)生的 信道衰落和時變的吞吐量等。第二，分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System, DCS) 設計時涉及的重點發(fā)生了轉移，如涉及調(diào)度和路由的通信協(xié)議對系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性的 重要影響、算法的實時性、長時間無信息反饋時系統(tǒng)的自治性等。
[0003] 傳統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)中，控制算法的優(yōu)劣決定了個控制回路的性能。對于網(wǎng)絡化 控制系統(tǒng)，各個控制回路的性能不僅取決于控制算法，而且還還依賴于對共享系統(tǒng)資源的 分配。網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)的系統(tǒng)資源包括CPU計算資源和網(wǎng)絡資源兩部分。網(wǎng)絡化控制系 統(tǒng)的調(diào)度是指在網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)中，各個控制回路和其他應用節(jié)點對共享系統(tǒng)資源的一種 分配策略，尤其是對網(wǎng)絡資源的分配成為了網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)的一個研究熱點方向。網(wǎng)絡化 控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡調(diào)度的思想和實時調(diào)度思想類似，他們都是需要為并發(fā)任務分配共享信 道資源、周期性激發(fā)任務以及滿足任務截止期要求等。因此網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)中優(yōu)先級調(diào)度 方法大都是由相關的實時調(diào)度方法發(fā)展而來的。Liu和Layland提出了單調(diào)速率調(diào)度算法 (Rate Monotonic，RM)和最早截止期限優(yōu)先調(diào)度算法（Earliest Deadline First, EDF)。在 實際的實時系統(tǒng)中，RM和EDF算法由于具備了優(yōu)良的性能，也得到廣泛的應用。與此同時， 隨著網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)越來越復雜以及各種智能設備空間分布越來越廣，導致數(shù)據(jù)與信息傳 輸量增加，網(wǎng)絡誘導時間以及網(wǎng)絡丟包等加劇，在這些不確定因素的影響下，EM和EDF等基 于固定采樣周期的網(wǎng)絡控制策略并不能充分適應越來越復雜的時變環(huán)境。由此提出一種能 夠動態(tài)的適應網(wǎng)絡環(huán)境變化的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，通過動態(tài)的改變傳感器采樣周期的方法來提 升網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)的性能。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種變采樣周期調(diào)度器及其控制方法，避免數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡 傳輸時，隨網(wǎng)絡負荷和介質(zhì)訪問控制機制的不同而造成傳輸時間不確定性，通過動態(tài)的改 變各回路的采樣周期來分配有限的網(wǎng)絡資源，具體技術方案如下：
[0005] -種變采樣周期調(diào)度器，包括網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)測模塊、網(wǎng)絡狀態(tài)控制模塊、SVM預測模 塊和采樣周期調(diào)節(jié)模塊，其中，
[0006] 所述網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)測模塊通訊連接至網(wǎng)絡狀態(tài)控制模塊，并用于周期性地監(jiān)測網(wǎng)絡 狀態(tài)；
[0007] 所述網(wǎng)絡狀態(tài)控制模塊通訊連接至SVM預測模塊，并用于利用每一時刻的數(shù)據(jù)包 傳輸時間和每一時刻的采樣周期計算出每一時刻的網(wǎng)絡利用率；
[0008] 所述SVM預測模塊通訊連接至采樣周期調(diào)節(jié)模塊，并用于在線預測出下一采樣周 期的可適用網(wǎng)絡利用率；
[0009] 所述采樣周期調(diào)節(jié)模塊用于根據(jù)預測的網(wǎng)絡利用率得到控制回路的下一采樣周 期。
[0010] 進一步地，還包括緩沖區(qū)，其設置在網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)測模塊和網(wǎng)絡狀態(tài)控制模塊之間， 且連接至SVM預測模塊。
[0011] 進一步地，網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)測模塊通訊連接至網(wǎng)絡。
[0012] 進一步地，還包括傳感器，其通訊連接至網(wǎng)絡，且采樣周期調(diào)節(jié)模塊通訊連接至該 傳感器。
[0013] 進一步地，所述采樣周期調(diào)節(jié)模塊采用插值法得到控制回路的下一采樣周期。
[0014] 上述變采樣周期調(diào)度器模型的控制方法，包括如下步驟：
[0015] (1)構建變采樣周期的調(diào)度器或調(diào)度器模型；
[0016] (2)根據(jù)所描述變采樣周期調(diào)度器或調(diào)度器模型，變采樣周期調(diào)度器的網(wǎng)絡狀態(tài) 監(jiān)測模塊采集樣本數(shù)據(jù)，并將采集的網(wǎng)絡狀態(tài)樣本離散化；
[0017] (3)保存網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)測器采集的歷史數(shù)據(jù)和當前的網(wǎng)絡狀態(tài)數(shù)據(jù)；
[0018] (4)網(wǎng)絡狀態(tài)控制模塊利用每一時刻的數(shù)據(jù)包傳輸時間C1 (j)和每一時刻的米樣 周期T1 (j)，計算出每一時刻的網(wǎng)絡利用率U1 (j);
[0019] (5)構建SVM預測模塊或模型；
[0020] (6)采樣周期調(diào)節(jié)模塊實現(xiàn)采樣周期的調(diào)節(jié)功能。
[0021] 進一步地，步驟（1)中根據(jù)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（NCS)變采樣周期調(diào)度問題的特性及對 NCS的數(shù)學描述構建變采樣周期的調(diào)度器或調(diào)度器模型。
[0022] 進一步地，步驟（2)中NCS中變采樣周期調(diào)度器的網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)測模塊采集樣本數(shù) 據(jù)，并基于粗糙集理論將采集的網(wǎng)絡狀態(tài)樣本離散化。
[0023] 進一步地，步驟（3)中設定緩存區(qū)用于保存網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)測器采集的歷史數(shù)據(jù)和當 前的網(wǎng)絡狀態(tài)數(shù)據(jù)。
[0024] 進一步地，步驟￠)中采樣周期調(diào)節(jié)模塊利用插值法來實現(xiàn)采樣周期的調(diào)節(jié)功 能。
[0025] 與目前現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明避免了數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡傳輸時，隨網(wǎng)絡負荷和介質(zhì)訪 問控制機制的不同而造成傳輸時間不確定性。本發(fā)明通過動態(tài)的改變各回路的采樣周期來 分配有限的網(wǎng)絡資源，具有廣泛的適應性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026] 圖1為變采樣周期動態(tài)調(diào)度器一般結構；
[0027] 圖2為本發(fā)明實施的主要的步驟；
【具體實施方式】
[0028] 下面根據(jù)附圖對本發(fā)明進行詳細描述，其為本發(fā)明多種實施方式中的一種優(yōu)選實 施例。
[0029] 以圖1建立變采樣周期調(diào)度器模型。變采樣周期調(diào)度器由網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)測模塊、網(wǎng) 絡狀態(tài)控制模塊、SVM預測模塊、采樣周期調(diào)節(jié)模塊四部分組成。網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)測模塊周期性 地監(jiān)測網(wǎng)絡狀態(tài)，通過SVM模型在線的預測出下一采樣周期的可適用網(wǎng)絡利用率，采樣周 期調(diào)節(jié)模塊根據(jù)預測的網(wǎng)絡利用率采用插值法得到控制回路的下一采樣周期，從而實現(xiàn)系 統(tǒng)資源的動態(tài)分配。
[0030] 一種基于變采樣周期的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)調(diào)度方法，其步驟如下：
[0031] 步驟1 :根據(jù)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（NCS)變采樣周期調(diào)度問題的特性及對NCS的數(shù)學描 述構建變采樣周期的調(diào)度器模型。
[0032] 步驟2 :根據(jù)所描述變采樣周期調(diào)度器模型，NCS中變采樣周期調(diào)度器的網(wǎng)絡狀態(tài) 監(jiān)測模塊采集樣本數(shù)據(jù)，并基于粗糙集理論將采集的網(wǎng)絡狀態(tài)樣本離散化。
[0033] 步驟3 :設定緩存區(qū)用于保存網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)測器采集的歷史數(shù)據(jù)和當前網(wǎng)絡狀態(tài)數(shù) 據(jù)。
[0034] 步驟4 :網(wǎng)絡狀態(tài)控制模塊利用每一時刻的數(shù)據(jù)包傳輸時間Ci(j)和每一時刻的 采樣周期Ti (j)，計算出每一時刻的網(wǎng)絡利用率Ui (j)。
[0035] 步驟5 :構建SVM預測模型。
[0036] 步驟6 :采樣周期調(diào)節(jié)模塊利用插值法來實現(xiàn)采樣周期的調(diào)節(jié)功能。
[0037] 如圖1、圖2所示的本發(fā)明的技術方案，為一種基于變采樣周期的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)調(diào) 度方法。圖1給出了變采樣周期動態(tài)調(diào)度器的一般結構，圖2給出了本發(fā)明實施的主要的 步驟。
[0038] 本發(fā)明所提出的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)調(diào)度方法不依賴與現(xiàn)有的網(wǎng)絡資源調(diào)度機制，為網(wǎng) 絡的服務優(yōu)化提供了依據(jù)。網(wǎng)絡控制系統(tǒng)一般包含至少一個控制回路，每個控制回路由傳 感器、控制器、執(zhí)行器和被控對象組成，用于完成一系列控制任務。多個相互獨立的控制回 路通過中間共享的網(wǎng)絡形成了各自的閉環(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)絡來傳遞。由于共享網(wǎng)絡的資源有限，因此系統(tǒng)在運行過程中不 可避免地會存在信息時延、丟失和時序錯亂等問題。
[0039] 網(wǎng)絡控制系統(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)絡資源（如帶寬、 緩沖區(qū)等）。如何有限地分配有限的網(wǎng)絡資源，進而最大限度地實現(xiàn)資源的潛在價值，這正 是本發(fā)明所研究的重點問題，進而提出一種基于變采樣周期的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)調(diào)度方法。
[0040] 本發(fā)明所涉及的方法以模塊化規(guī)劃，其描述如下：
[0041] 本發(fā)明中變采樣周期調(diào)度器由網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)測器、網(wǎng)絡狀態(tài)控制模塊、SVM預測模 塊、采樣周期調(diào)節(jié)模塊組成，其中網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)測器采用時間驅動方式進行激活，周期性的獲 得當前時間的網(wǎng)絡狀態(tài)，其他模塊均采用事件驅動的方式，提高對實時的網(wǎng)絡環(huán)境的適應 力。
[0042] 本發(fā)明【具體實施方式】如下步驟所述：
[0043] 步驟1 :網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)測模塊采集樣本數(shù)據(jù)并作預處理。樣本數(shù)據(jù)補齊，去掉不完全 數(shù)據(jù)，使余下的樣本都是具有屬性值的樣本，采用基于粗糙集理論將采集的網(wǎng)絡狀態(tài)樣本 離散化，得{χ: (/). .f; . V (/). β: . G 0). (；). r (；) }。
[0044] 步驟2 :設定緩存區(qū)用于保存網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)測器采集的歷史數(shù)據(jù)和當前的網(wǎng)絡狀態(tài) 數(shù)據(jù)。
[0045] 步驟3 :網(wǎng)絡狀態(tài)控制模塊利用每一時刻的數(shù)據(jù)包傳輸時間Ci(j)和每一時刻的 采樣周期Ti (j)，計算出每一時刻的網(wǎng)絡利用率Ui (j)，其計算方法如下：
[0046]
【權利要求】
1. 一種變采樣周期調(diào)度器，其特征在于，包括網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)測模塊、網(wǎng)絡狀態(tài)控制模塊、 SVM預測模塊和采樣周期調(diào)節(jié)模塊，其中， 所述網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)測模塊通訊連接至網(wǎng)絡狀態(tài)控制模塊，并用于周期性地監(jiān)測網(wǎng)絡狀 態(tài)； 所述網(wǎng)絡狀態(tài)控制模塊通訊連接至SVM預測模塊，并用于利用每一時刻的數(shù)據(jù)包傳輸 時間和每一時刻的采樣周期計算出每一時刻的網(wǎng)絡利用率； 所述SVM預測模塊通訊連接至采樣周期調(diào)節(jié)模塊，并用于在線預測出下一采樣周期的 可適用網(wǎng)絡利用率； 所述采樣周期調(diào)節(jié)模塊用于根據(jù)預測的網(wǎng)絡利用率得到控制回路的下一采樣周期。
2. 如權利要求1所述的變采樣周期調(diào)度器，其特征在于，還包括緩沖區(qū)，其設置在網(wǎng)絡 狀態(tài)監(jiān)測模塊和網(wǎng)絡狀態(tài)控制模塊之間，且連接至SVM預測模塊。
3. 如權利要求1或2所述的變采樣周期調(diào)度器，其特征在于，網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)測模塊通訊連 接至網(wǎng)絡。
4. 如權利要求1-3中任一項所述的變采樣周期調(diào)度器，其特征在于，還包括傳感器，其 通訊連接至網(wǎng)絡，且采樣周期調(diào)節(jié)模塊通訊連接至該傳感器。
5. 如權利要求1-4中任一項所述的變采樣周期調(diào)度器，其特征在于，所述采樣周期調(diào) 節(jié)模塊采用插值法得到控制回路的下一采樣周期。
6. 如權利要求1-5所述變采樣周期調(diào)度器模型的控制方法，其特征在于，包括如下步 驟： (1) 構建變采樣周期的調(diào)度器或調(diào)度器模型； (2) 根據(jù)所描述變采樣周期調(diào)度器或調(diào)度器模型，變采樣周期調(diào)度器的網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)測 模塊采集樣本數(shù)據(jù)，并將采集的網(wǎng)絡狀態(tài)樣本離散化； (3) 保存網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)測器采集的歷史數(shù)據(jù)和當前的網(wǎng)絡狀態(tài)數(shù)據(jù)； (4) 網(wǎng)絡狀態(tài)控制模塊利用每一時刻的數(shù)據(jù)包傳輸時間6〇)和每一時刻的采樣周期 Ti(j)，計算出每一時刻的網(wǎng)絡利用率亇(」_); (5) 構建SVM預測模塊或模型； (6) 采樣周期調(diào)節(jié)模塊實現(xiàn)采樣周期的調(diào)節(jié)功能。
7. 如權利要求6所述的變采樣周期調(diào)度器模型的控制方法，其特征在于，步驟（1)中根 據(jù)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（NCS)變采樣周期調(diào)度問題的特性及對NCS的數(shù)學描述構建變采樣周期的 調(diào)度器或調(diào)度器模型。
8. 如權利要求6或7所述的變采樣周期調(diào)度器模型的控制方法，其特征在于，步驟（2) 中NCS中變采樣周期調(diào)度器的網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)測模塊采集樣本數(shù)據(jù)，并基于粗糙集理論將采集 的網(wǎng)絡狀態(tài)樣本離散化。
9. 如權利要求6-8中任一項所述的變采樣周期調(diào)度器模型的控制方法，其特征在于， 步驟（3)中設定緩存區(qū)用于保存網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)測器采集的歷史數(shù)據(jù)和當前的網(wǎng)絡狀態(tài)數(shù)據(jù)。
10. 如權利要求6-9中任一項所述的變采樣周期調(diào)度器模型的控制方法，其特征在于， 步驟￠)中采樣周期調(diào)節(jié)模塊利用插值法來實現(xiàn)采樣周期的調(diào)節(jié)功能。
【文檔編號】H04L12/26GK104065719SQ201410276205
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月19日 優(yōu)先權日:2014年6月19日
【發(fā)明者】江明 申請人:安徽工程大學