本發(fā)明涉及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)調(diào)度技術(shù)，尤其涉及一種基于兩階段多種群遺傳算法的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實時調(diào)度方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、隨著工業(yè)自動化的迅速推進，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能制造領(lǐng)域變得日益重要。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通過連接各種類型的工業(yè)設(shè)備，創(chuàng)建了一個復雜的異構(gòu)環(huán)境，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制和設(shè)備間的通信。然而，隨著設(shè)備信息的不斷增加和數(shù)據(jù)量的激增，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度方法在處理數(shù)據(jù)的時延敏感性和實時性方面面臨挑戰(zhàn)。在這種情況下，設(shè)備緊急信息的實時傳輸受限，導致時延敏感數(shù)據(jù)的實時性下降，設(shè)備故障率和損壞率上升。在這種復雜的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中，現(xiàn)有的通信調(diào)度策略往往無法有效保證通信效率，因此提升數(shù)據(jù)分類服務效率并確保時延敏感數(shù)據(jù)的可靠實時傳輸成為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信領(lǐng)域亟待解決的問題。

2、通常，工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)的傳輸需遵循工業(yè)數(shù)據(jù)交換標準，以支持設(shè)備間的通信以及從現(xiàn)場設(shè)備到高級控制層的縱向數(shù)據(jù)傳輸。目前的數(shù)據(jù)調(diào)度方法存在許多挑戰(zhàn)，尤其是在無線網(wǎng)絡環(huán)境中。現(xiàn)有的實時與非實時數(shù)據(jù)混合傳輸策略主要適用于有線網(wǎng)絡環(huán)境，當應用于無線網(wǎng)絡時，其功能兼容性和數(shù)據(jù)識別能力不足，導致網(wǎng)絡丟包率和時延增加，難以滿足工業(yè)無線網(wǎng)絡中各種設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明就是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種基于兩階段多種群遺傳算法的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實時調(diào)度方法及裝置。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，一種基于兩階段多種群遺傳算法的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實時調(diào)度裝置，包括：

3、數(shù)據(jù)流處理子單元，用于采集和處理工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡中的各種數(shù)據(jù)流，為臨界性分類子單元的分類及兩階段多種群遺傳算法調(diào)度子單元的調(diào)度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4、臨界性分類子單元，用于將數(shù)據(jù)流處理子單元處理后的數(shù)據(jù)流分為兩類：高臨界性數(shù)據(jù)流(關(guān)鍵數(shù)據(jù)流)和低臨界性數(shù)據(jù)流(非關(guān)鍵數(shù)據(jù)流)，確保在調(diào)度過程中對不同類型的數(shù)據(jù)流進行合理區(qū)分和優(yōu)先級設(shè)定。

5、兩階段多種群遺傳算法調(diào)度子單元，用于接收并處理高臨界性數(shù)據(jù)流及低臨界性數(shù)據(jù)流，并通過兩階段優(yōu)化過程提升調(diào)度效果。

6、第一階段通過多種群遺傳算法并行探索不同的數(shù)據(jù)流調(diào)度方案，各個種群獨立進化，通過選擇、交叉和變異操作生成初步的路由分配方案和數(shù)據(jù)流調(diào)度順序c＝{1，0，0，1．．．，1；f3，f7，f2，fl...，f8}，其中前半部分用于表示數(shù)據(jù)流的路由選擇(0表示源路由，1表示圖路由)，后半部分用于表示數(shù)據(jù)流的調(diào)度順序；廣泛搜索解空間，確保全局范圍內(nèi)滿足數(shù)據(jù)流的傳輸需求。

7、第二階段則基于第一階段篩選出的候選方案，通過種群間的信息交換和協(xié)同進化，利用舒適度函數(shù)選出舒適度值最高的調(diào)度方案，最終輸出適應網(wǎng)絡動態(tài)變化的最優(yōu)調(diào)度方案。

8、整個過程中，舒適度函數(shù)起到了核心作用，用于評估調(diào)度方案的優(yōu)劣，綜合考慮傳輸成功率和路由選擇與數(shù)據(jù)流臨界性的匹配度等關(guān)鍵指標，進而引導算法選擇優(yōu)異方案、淘汰較差方案，確保調(diào)度結(jié)果不斷優(yōu)化并逐步接近全局最優(yōu)。

9、路徑選擇子單元，用于根據(jù)兩階段多種群遺傳算法調(diào)度子單元的調(diào)度結(jié)果及當前網(wǎng)絡拓撲信息，為高臨界性數(shù)據(jù)流選擇可靠性最高的路徑，為低臨界性數(shù)據(jù)流選擇資源消耗最小的路徑；確保數(shù)據(jù)能夠在復雜的工業(yè)環(huán)境中高效傳輸，減少延遲和丟包率。

10、傳輸優(yōu)化子單元，實時監(jiān)控數(shù)據(jù)流的傳輸過程，并根據(jù)實際網(wǎng)絡狀態(tài)動態(tài)調(diào)整傳輸參數(shù)。

11、進一步地，所述各種數(shù)據(jù)流包括周期性數(shù)據(jù)流、事件驅(qū)動數(shù)據(jù)流、控制指令數(shù)據(jù)流、實時控制數(shù)據(jù)流、常規(guī)狀態(tài)數(shù)據(jù)流、多媒體數(shù)據(jù)流。

12、進一步地，所述數(shù)據(jù)流處理子單元還包括預處理模塊，用于對采集到的數(shù)據(jù)流進行數(shù)據(jù)清洗、編碼和加密，以確保數(shù)據(jù)的安全性和完整性。

13、進一步地，所述臨界性分類子單元依據(jù)數(shù)據(jù)流的實時性ri、任務重要性hi和傳輸需求ti來計算數(shù)據(jù)流fi的臨界性ci，基于公式：

14、ci＝αri+βhi+γti

15、其中，α、β、γ為權(quán)重系數(shù)，分別對應數(shù)據(jù)流的實時性、任務重要性和傳輸需求；

16、實時性ri評分為：實時性評分用于衡量數(shù)據(jù)流對處理時間的要求；評分范圍為1到3分，具體定義如下：

17、1：能夠容忍10ms及以上的延遲；

18、2：能夠容忍5ms～10ms的延遲；

19、3：必須在5ms內(nèi)完成處理，幾乎不容忍延遲；

20、任務重要性hi評分為：任務重要性評分用于評估數(shù)據(jù)流在業(yè)務流程中的關(guān)鍵性任務；帶寬需求越高，任務的重要性越大；評分范圍為1到3分，具體定義如下：

21、1：低帶寬需求(小于20mbps)；

22、2：中等帶寬需求(50mbps～100mbps)；

23、3：高帶寬需求(大于100mbps)；

24、傳輸需求ti評分為：傳輸需求評分用于衡量數(shù)據(jù)流在傳輸過程中的質(zhì)量要求；評分范圍為1到3分，具體定義如下：

25、1：允許0.05％的數(shù)據(jù)丟失或錯誤；

26、2：允許0.01％的數(shù)據(jù)丟失或錯誤；

27、3：允許0.001％的數(shù)據(jù)丟失或錯誤；

28、α通過測量性能指標(包括端到端延遲、數(shù)據(jù)流嚴格的截止日期要求)評估數(shù)據(jù)流的實時性，β根據(jù)數(shù)據(jù)流的帶寬需求確定數(shù)據(jù)流的重要性，γ通過分析數(shù)據(jù)流的傳輸可靠性來評估傳輸需求；權(quán)重系數(shù)的設(shè)置依據(jù)業(yè)務需求的優(yōu)先級來動態(tài)調(diào)整：

29、實時性：當數(shù)據(jù)流的端到端延遲要求在1ms～5ms范圍內(nèi)時，權(quán)重系數(shù)α設(shè)為0.6至0.7；

30、當端到端延遲要求在10ms～50ms范圍內(nèi)時，權(quán)重系數(shù)α設(shè)為0.3至0.4；

31、任務重要性：當寬帶需求大于100mbps時，權(quán)重系數(shù)β設(shè)為0.6至0.7；

32、當寬帶需求大于10mbps～50mbps時，權(quán)重系數(shù)β設(shè)為0.3至0.4；

33、傳輸需求：要求數(shù)據(jù)丟失率低于0.001％時，權(quán)重系數(shù)γ設(shè)為0.6至0.7；

34、要求數(shù)據(jù)丟失率在0.1％～0.01％時，權(quán)重系數(shù)γ設(shè)為0.3至0.4；

35、根據(jù)各維度評分和對應權(quán)重系數(shù)計算出的綜合臨界性評分ci，將數(shù)據(jù)流劃分為高臨界性和低臨界性數(shù)據(jù)流；

36、若ci為3.5～6.0：高臨界性(需要優(yōu)先處理)；

37、若ci為1.0～2.9：低臨界性(可以延后處理)。

38、進一步地，在第一階段，算法根據(jù)高臨界性和低臨界性數(shù)據(jù)流對染色體進行編碼，假設(shè)有i條數(shù)據(jù)流，一條染色體即代表一個調(diào)度方案，染色體的前半部分用于表示數(shù)據(jù)流的路由選擇，后半部分用于表示流的調(diào)度順序；每個個體(也稱染色體)c＝{f1，f2，...，fi；fi+1，fi+2，...，f2l}包含2i個基因；{f1，f2，...，fl}表示分配給數(shù)據(jù)流的路由選擇(0表示源路由，1表示圖路由)，{fi+1，fi+2，...，f2i}表示數(shù)據(jù)流的調(diào)度順序，具體來說，fi∈{1，...，n}(i＝1，...，i)表示分配給數(shù)據(jù)流fi的路由類型的索引，其中f1＝0表示數(shù)據(jù)流f1選擇了源路由，f2＝1表示數(shù)據(jù)流f2選擇了圖路由；fl+i(i＝1，...i)表示第i個調(diào)度的數(shù)據(jù)流的索引；例如，若fl+1＝2，則表示數(shù)據(jù)流f2是調(diào)度順序中的第一個被調(diào)度的數(shù)據(jù)流；通過遺傳算法的交叉，變異操作生成初步調(diào)度方案，初步方案為c＝{1，0，0，...，1；f5，f2，f1，fi...，f3}，前半部分用于表示數(shù)據(jù)流的路由選擇，后半部分用于表示數(shù)據(jù)流的調(diào)度順序，對于高臨界性數(shù)據(jù)流會優(yōu)先分配含多路徑的圖路由，確保實時數(shù)據(jù)的高可靠傳輸。

39、第二階段，對第一階段產(chǎn)牛的初步調(diào)度方案再進行交叉和變異操作，經(jīng)過多代交叉和變異操作之后，利用舒適度函數(shù)選出舒適度值最高的調(diào)度方案，即全局最優(yōu)調(diào)度方案c＝{1，0，1，...，1；f8，f2，f5，fi...，f3}，這個方案里包含了全局最優(yōu)的路由分配和數(shù)據(jù)流調(diào)度順序。

40、更進一步地，兩階段多種群遺傳算法調(diào)度子單元中，還包括通過適應度函數(shù)來評估調(diào)度方案的適應度；

41、適應度函數(shù)綜合考慮了傳輸成功率、路由選擇與數(shù)據(jù)流臨界性的匹配度；適應度函數(shù)的核心指標是傳輸成功率，即成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流數(shù)量與總數(shù)據(jù)流數(shù)量的比率；傳輸成功率越高，表示染色體對應的調(diào)度方案越優(yōu)；除此之外，適應度函數(shù)還會根據(jù)路由選擇是否符合數(shù)據(jù)流的臨界性要求進行加權(quán)；因此，通過選擇適應度值較高的染色體，來優(yōu)化系統(tǒng)的傳輸效率和整體可靠性；

42、用以下公式來定義舒適度fitness函數(shù)：

43、fitness＝accep?tancerate+misma?tch_penalty

44、

45、其中，acceptancerate為數(shù)據(jù)流的接受率，successfultransmissions為成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流數(shù)量，totaltransmissions為總數(shù)據(jù)流數(shù)量，mismatch_penalty為路由選擇與數(shù)據(jù)流臨界性的匹配度加權(quán)，若某個調(diào)度方案中，高臨界性數(shù)據(jù)流分配了圖路由，低臨界性數(shù)據(jù)流分配了源路由，則這個方案賦予更高的加權(quán)分；

46、具體如下：

47、當20％的數(shù)據(jù)流分配了與之相匹配的路由，即高臨界性數(shù)據(jù)流分配了圖路由，低臨界性數(shù)據(jù)流分配了源路由，則mismatch_penalty為1分；

48、當20％-50％的數(shù)據(jù)流分配了與之相匹配的路由，則mismatch_penalty為2分；

49、當50％-80％的數(shù)據(jù)流分配了與之相匹配的路由，則mismatch_penalty為3分；

50、當80％-100％的數(shù)據(jù)流分配了與之相匹配的路由，則mismatch_penalty為4分；

51、在兩階段多種群遺傳算法中，適應度函數(shù)以數(shù)據(jù)流的接受率作為評價指標；

52、接受率即成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流數(shù)量與總數(shù)據(jù)流數(shù)量之比，反映了調(diào)度方案的有效性；

53、適應度函數(shù)通過優(yōu)化接受率來評估和選擇最佳調(diào)度方案，從而確保選出的方案能夠最大化數(shù)據(jù)流的成功傳輸率，提高系統(tǒng)的整體調(diào)度效率。

54、進一步地，所述路徑選擇子單元還考慮了網(wǎng)絡拓撲、節(jié)點負載和鏈路狀態(tài)，以確保數(shù)據(jù)流能夠通過最優(yōu)路徑進行傳輸。

55、進一步地，所述路徑選擇子單元包括步驟：

56、當高臨界性數(shù)據(jù)流在路由的主路徑上傳輸失敗時，啟用共享路徑作為備用傳輸路徑，確保數(shù)據(jù)流在高優(yōu)先級下仍能實現(xiàn)可靠傳輸，避免主路徑故障導致的延遲或數(shù)據(jù)丟失；同時，低臨界性數(shù)據(jù)流在資源允許的情況下繼續(xù)通過源路由進行傳輸，以減少整體資源的消耗。

57、進一步地，所述傳輸優(yōu)化子單元包括：在運行過程中持續(xù)監(jiān)控各數(shù)據(jù)流的傳輸狀態(tài)，并根據(jù)網(wǎng)絡狀況實時調(diào)整傳輸策略，確保高臨界性數(shù)據(jù)流始終優(yōu)先占用網(wǎng)絡資源，而低臨界性數(shù)據(jù)流則在網(wǎng)絡負載較低時獲得傳輸機會，最終實現(xiàn)資源的動態(tài)調(diào)配與優(yōu)化，從而進一步提升整體系統(tǒng)的傳輸效率和可靠性。

58、基于調(diào)度裝置的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實時調(diào)度方法，包括步驟：

59、s1數(shù)據(jù)流采集與預處理：由數(shù)據(jù)流處理子單元對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的各種數(shù)據(jù)進行實時采集，并對這些數(shù)據(jù)流進行預處理，包括對采集到的數(shù)據(jù)流進行數(shù)據(jù)清洗、編碼和加密，以確保數(shù)據(jù)的安全性和完整性；

60、s2數(shù)據(jù)流臨界性分類：臨界性分類子單元對采集到的數(shù)據(jù)流進行分析，根據(jù)數(shù)據(jù)的實時性、任務重要性和傳輸需求，將數(shù)據(jù)流分類為高臨界性數(shù)據(jù)流和低臨界性數(shù)據(jù)流；

61、s3調(diào)度方案生成與優(yōu)化：兩階段多種群遺傳算法調(diào)度子單元首先通過多種群遺傳算法生成初步的調(diào)度方案，并在此基礎(chǔ)上進一步優(yōu)化調(diào)度方案；

62、s4最優(yōu)路徑選擇：路徑選擇子單元根據(jù)優(yōu)化后的調(diào)度方案，為每個數(shù)據(jù)流選擇最優(yōu)的傳輸路徑；

63、s5傳輸過程動態(tài)優(yōu)化：傳輸優(yōu)化子單元實時監(jiān)控數(shù)據(jù)流的傳輸過程，并根據(jù)實際網(wǎng)絡狀態(tài)動態(tài)調(diào)整傳輸參數(shù)。

64、進一步地，s2中，包括步驟：

65、依據(jù)數(shù)據(jù)流的實時性ri、任務重要性hi和傳輸需求ti來計算數(shù)據(jù)流fi的臨界性ci，基于公式：

66、ci＝αri+βhi+γti

67、其中，α、β、γ為權(quán)重系數(shù)，分別對應數(shù)據(jù)流的實時性、任務重要性和傳輸需求；

68、實時性ri評分為：實時性評分用于衡量數(shù)據(jù)流對處理時間的要求；評分范圍為1到3分，具體定義如下：

69、1：能夠容忍10ms及以上的延遲；

70、2：能夠容忍5ms～10ms的延遲；

71、3：必須在5ms內(nèi)完成處理，幾乎不容忍延遲；

72、任務重要性hi評分為：任務重要性評分用于評估數(shù)據(jù)流在業(yè)務流程中的關(guān)鍵性任務；帶寬需求越高，任務的重要性越大；評分范圍為1到3分，具體定義如下：

73、1：低帶寬需求，小于20mbps；

74、2：中等帶寬需求，50mbps～100mbps；

75、3：高帶寬需求，大于100mbps；

76、傳輸需求ti評分為：傳輸需求評分用于衡量數(shù)據(jù)流在傳輸過程中的質(zhì)量要求；評分范圍為1到3分，具體定義如下：

77、1：允許0.05％的數(shù)據(jù)丟失或錯誤；

78、2：允許0.01％的數(shù)據(jù)丟失或錯誤；

79、3：允許0.001％的數(shù)據(jù)丟失或錯誤；

80、α通過測量性能指標評估數(shù)據(jù)流的實時性，β根據(jù)數(shù)據(jù)流的帶寬需求確定數(shù)據(jù)流的重要性，γ通過分析數(shù)據(jù)流的傳輸可靠性來評估傳輸需求；權(quán)重系數(shù)的設(shè)置依據(jù)業(yè)務需求的優(yōu)先級來動態(tài)調(diào)整：

81、實時性：當數(shù)據(jù)流的端到端延遲要求在1ms～5ms范圍內(nèi)時，權(quán)重系數(shù)α設(shè)為0.6至0.7；

82、當端到端延遲要求在10ms～50ms范圍內(nèi)時，權(quán)重系數(shù)α設(shè)為0.3至0.4；

83、任務重要性：當寬帶需求大于100mbps時，權(quán)重系數(shù)β設(shè)為0.6至0.7；

84、當寬帶需求大于10mbps～50mbps時，權(quán)重系數(shù)β設(shè)為0.3至0.4；

85、傳輸需求：要求數(shù)據(jù)丟失率低于0.001％時，權(quán)重系數(shù)γ設(shè)為0.6至0.7；

86、要求數(shù)據(jù)丟失率在0.1％～0.01％時，權(quán)重系數(shù)γ設(shè)為0.3至0.4；

87、根據(jù)各維度評分和對應權(quán)重系數(shù)計算出的綜合臨界性評分ci，將數(shù)據(jù)流劃分為高臨界性和低臨界性數(shù)據(jù)流；

88、若ci為3.5～δ.0：高臨界性數(shù)據(jù)流；

89、若ci為1.0～2.9：低臨界性數(shù)據(jù)流。

90、進一步地，s3中，所述通過兩階段優(yōu)化過程提升調(diào)度效果包括：

91、在第一階段，根據(jù)高臨界性和低臨界性數(shù)據(jù)流對染色體進行編碼，假設(shè)有i條數(shù)據(jù)流，一條染色體即代表一個調(diào)度方案，染色體的前半部分用于表示數(shù)據(jù)流的路由選擇，后半部分用于表示流的調(diào)度順序；每個個體c＝{f1，f2，...，fi；fi+1，fi+2，...，f2i}包含2i個基因。

92、{f1，f2，...，fi}表示分配給數(shù)據(jù)流的路由選擇，其中，0表示源路由，1表示圖路由，{fl+1，fl+2，...，f2i}表示數(shù)據(jù)流的調(diào)度順序。

93、具體來說，fi∈{1，...，n}(i＝1，....i)表示分配給數(shù)據(jù)流fi的路由類型的索引，其中f1＝0表示數(shù)據(jù)流f1選擇了源路由，f2＝1表示數(shù)據(jù)流f2選擇了圖路由；fi+i(i＝1，...i)表示第i個調(diào)度的數(shù)據(jù)流的索引。

94、例如，若fi+1＝2，則表示數(shù)據(jù)流f2是調(diào)度順序中的第一個被調(diào)度的數(shù)據(jù)流；通過遺傳算法的交叉，變異操作生成初步調(diào)度方案，初步方案為c＝{1，0，0，...，1；f5，f2，f1，fi...，f3}，前半部分用于表示數(shù)據(jù)流的路由選擇，后半部分用于表示數(shù)據(jù)流的調(diào)度順序，對于高臨界性數(shù)據(jù)流會優(yōu)先分配含多路徑的圖路由，確保實時數(shù)據(jù)的高可靠傳輸。

95、第二階段，對第一階段產(chǎn)生的初步調(diào)度方案再進行交叉和變異操作，經(jīng)過多代交叉和變異操作之后，利用舒適度函數(shù)選出舒適度值最高的調(diào)度方案，即全局最優(yōu)調(diào)度方案c＝{1，0，1，...，1；f8，f2，f5，fi...，f3}，方案里包含了全局最優(yōu)的路由分配和數(shù)據(jù)流調(diào)度順序。

96、與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明有益效果。

97、1.本發(fā)明提出了基于兩階段多種群遺傳算法的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實時調(diào)度裝置，能夠高效處理工業(yè)網(wǎng)絡中不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)流，并精準適應復雜多變的網(wǎng)絡環(huán)境。該裝置通過先進的分類和調(diào)度策略，有效區(qū)分關(guān)鍵數(shù)據(jù)流和非關(guān)鍵數(shù)據(jù)流，確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)在傳輸中的高可靠性和低延遲，同時優(yōu)化非關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳輸效率，顯著提升了系統(tǒng)的整體性能。

98、2.本發(fā)明通過對現(xiàn)有調(diào)度方法的改進，建立了基于兩階段多種群遺傳算法的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實時調(diào)度方法及裝置，充分發(fā)揮了網(wǎng)絡資源的利用潛力。該方法通過兩階段的協(xié)同優(yōu)化策略，不僅保障了時間敏感數(shù)據(jù)的傳輸成功率，還提高了非關(guān)鍵數(shù)據(jù)流的傳輸效率，從而有效提升了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在復雜環(huán)境下的調(diào)度精度和穩(wěn)定性。