一种铁路机车运行操纵系统的混合任务调度方法及模型技术方案

本发明专利技术提供了一种铁路机车运行操纵系统的混合任务调度方法及模型。本发明专利技术的调度方法以一个帧周期作为基本调度单元，包括预处理；针对周期性实时任务基于表驱动的二级优先级规则进行调度序列排序；针对非周期性实时任务应用基于启发式搜索策略和模糊控制的方法进行排列；然后进行时间片的回收以及调度结果和反馈数据的采集工作，并判断剩余执行时间；如果周期时间未用完，则执行非实时任务。本发明专利技术的混合任务调度方法和模型能够极大地减小系统开销，又能够比较灵活地处理系统执行过程中的各种变化情况，并且可以降低系统不确定性对调度的影响。

Hybrid task scheduling method and model for railway locomotive operation control system

The invention provides a mixed task scheduling method and a model for a railway locomotive operation control system. The method takes one frame period as the basic scheduling unit, including pretreatment; scheduling sequences for periodic real-time tasks two priority rules based on table driven; for non periodic real-time task application method based on heuristic search strategy and fuzzy control are arranged; and then recovery time slice and the scheduling results and feedback data collection, and determine the remaining execution time; if the unused cycle time, execute non real time tasks. Hybrid task scheduling model and the method of the invention can reduce the system cost greatly, and can change more flexible processing system in the implementation process, and can reduce the impact of uncertainty on the scheduling system.

【技术实现步骤摘要】
一种铁路机车运行操纵系统的混合任务调度方法及模型
本专利技术涉及铁路机车运行操纵系统领域，尤其涉及一种铁路机车运行操纵系统的混合任务调度方法及模型。
技术介绍
铁路机车运行操纵系统是以列车节能操纵机理及运行模型为基础，集成了LKJ通信，机车牵引计算和运动学方程，优化计算，油耗计算，自适应控制，显示及其他一些辅助功能的嵌入式计算机系统。它能够对列车运行的动态过程进行模拟，根据LKJ输入参数感知列车、线路和环境等变化，计算出适用于机车的速度-距离曲线和档位-距离最优节能操纵策略，并在很短的时间间隔内给出优化控制。由于系统运行在实时控车的环境中，所以系统任务必须要实时、准确地得到完成。对于任务的合理调度，降低系统延迟对保障系统正常稳定运行有着至关重要的作用。铁路机车运行操纵系统是一个典型的复杂优化控制系统，其任务模型是由周期性实时任务、非周期性实时任务和非实时任务共同构成的混合任务集。虽然目前计算机和嵌入式开发技术发展快速，硬件设备的处理能力越来越强，但计算资源依旧是十分宝贵的，优化控制系统的实时任务调度问题一直是计算机领域研究的热点和难点。现有的混合任务集的调度方法按照驱动方式的不同，可分为：表驱动、优先级驱动、搜索驱动等。表驱动的实时调度方案是以静态调度表算法为基础的调度方案，在航天飞机软件系统、导弹导航系统等高精度系统中有着广泛应用。这种调度方案调度开销小，运行精度高，对于硬实时任务的调度具有强有力的保障。但是其缺点是不够灵活，仅能够完成对周期性任务的调度，且需要精确位在一个周期内每个任务的到达时间，就绪时间以及最坏执行时间。在铁路机车运行操纵系统的任务调度模型中同时存在着周期性和非周期性实时任务，非周期性任务是随机到达的，周期性任务也会随着系统状态变化而动态改变。所以这种调度方案无法胜任这种不确定的调度环境。优先级驱动的实时调度方案又可细分为静态优先级调度和动态优先级调度。它是一种十分常见的调度方案，应用于经典的实时操作系统VxWorks，μC/OS中，调度方案具有较强的灵活性。但是其灵活性是建立在频繁任务切换的基础之上的，需要消耗大量系统资源。而铁路机车运行操纵系统中，控制任务的优先级要明显高于优化任务，周期性地完成控制过程是系统最根本的需求。如果采用优先级抢占的调度方案，会造成：第一，周期性控制任务由于优先级倒置等原因无法按时完成；第二，上下文的频繁切换导致资源利用率低，在高负载条件下系统不稳定。所以，基于优先级驱动的调度方案无法解决铁路机车运行操纵系统的调度问题。搜索驱动的实时调度方案常见的有近视算法和节约算法。该调度方案具有较强的灵活性，但是缺点是搜索过程的开销较大，对于铁路机车运行操纵系统来说，采用搜索的方式同时调度周期性任务和非周期性任务会大幅降低周期性任务调度的成功率，从而严重影响系统性能。所以，目前现有各种调度方案都无法适应复杂优化控制系统当中的调度需求。设计出一个能够同时满足控制的实时性和优化的稳定性并能充分发挥处理器最大性能的调度方案至关重要。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种铁路机车运行操纵系统的混合任务调度方法及模型。铁路机车系统的任务集是由周期性任务、非周期性任务和非实时任务共同构成的混合任务集。其中周期性任务是整个控制过程的核心，具有最严格的时限约束，执行周期多样化，时序性强，资源共享与互斥情况多；非周期性任务是维护系统稳定，提高系统性能和系统优化的重要组成部分，具有随机到达，任务种类和形式丰富，优先级变化范围大的特点；非实时任务是系统维护和调试的保障，不具有实时处理的要求，但计算耗时最大。本专利技术考虑到不同类型任务的调度需求，能够清晰地描述任务本身的时间约束，任务间的时序约束和资源约束，准确地体现出实际场景中任务执行的特点，实现混合任务的合理调度。本专利技术通过如下技术方案实现：一种铁路机车运行操纵系统的混合任务调度方法，其特征在于，所述混合任务包括：周期性实时任务、非周期性实时任务以及非实时任务；所述混合任务调度方法以一个帧周期作为基本调度单元，所述混合任务调度方法包括下述步骤：(1)帧周期开始时，所述混合任务调度方法进行调度准备，所述调度准备至少包括任务切换和资源检查；(2)针对周期性实时任务，应用基于表驱动的二级优先级规则进行调度序列排序，并按照该序列调度周期性实时任务；(3)针对非周期性实时任务，应用基于启发式搜索策略和模糊控制的方法，对非周期性实时任务进行排列，并按照该序列调度非周期性实时任务；(4)对当前周期内未使用的时间片进行回收并且进行调度结果和反馈数据的采集，判断剩余执行时间；(5)如果当前周期时间未用完，则执行非实时任务；(6)在帧周期结束时，如果非周期性实时任务或非实时任务还未执行结束，则在下一帧周期开始时执行周期性实时任务，封存未执行完成的非周期性实时任务或非实时任务，确保周期性实时任务的实时性。进一步地，所述的基于表驱动的二级优先级规则是针对周期性实时任务在机车运行操纵系统中的可预测性提出的一种非抢占调度方法，所述的二级优先级分为组优先级和实例优先级，在所述步骤(2)中先按组优先级排序，再按实例优先级排序，最终生成调度表。进一步地，所述的基于启发式搜索策略引入了模糊控制的方法，提出了一种新的估价函数：H(n,t)＝h(n,t)*nstnst＝(nd-t)-(nc-e(n,t))其中H(n,t)是估价函数，h(n,t)是非周期性实时任务n在时刻t的动态阈值系数，nst是非周期性实时任务n在时刻t的剩余空闲时间，nd是任务n的截止期，nc是最坏执行时间，e(n,t)是任务n在时刻t已经执行过的时间。进一步地，在所述基于表驱动的二级优先级规则中，所述组优先级的设计规则为：先按照任务集中周期性实时任务的截止期由小到大的顺序，设置若干个任务组，然后根据任务间的时序约束，判定每个周期性任务的前驱任务并调整相应的任务组优先级；所述的实例优先级为任务组内部任务的排序规则，排序采用最小最坏执行时间规则。进一步地，在所述估价函数中，非周期性实时任务的完成率也作为模糊输入参数，输入参数与阈值系数对应关系表如下表所示：任务完成率定义如下：ncr(t)＝e(n,t)/nc。进一步地，在所述步骤(5)中，对于非实时任务，调度顺序按照FIFO规则进行调度。另一方面，本专利技术提供一种铁路机车运行操纵系统的混合任务调度模型，其特征在于，所述的调度模型分为两部分，分别为调度单元和执行单元，所述调度单元采用权利要求1-6中任意一项所述的方法对混合任务进行调度。进一步地，所述的调度单元包括任务收集器、实时调度器和任务整合单元，在机车运行操纵系统的运行过程中，不断有实时任务产生，所述任务收集器用于对所产生的任务进行集中处理，在每个时钟信号到来时，提交给实时调度器；所述实时调度器在下一个周期到来前，针对不同类型任务分别调用周期性实时任务调度算法和非周期性实时任务调度算法，对应生成周期性实时任务调度序列和非周期性实时任务调度序列；最后通过所述任务整合单元将两个序列合并生成一个统一调度序列，提交给所述任务执行单元；所述执行单元根据调度序列执行任务调度，并将调度结果和中间状态信息反馈给所述实时调度器，由所述实时调度器进行采集和保存。本专利技术中所提到的动态阈值系数指的是本专利技术中通过模糊控制方法，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铁路机车运行操纵系统的混合任务调度方法，其特征在于，所述混合任务包括：周期性实时任务、非周期性实时任务以及非实时任务；所述混合任务调度方法以一个帧周期作为基本调度单元，所述混合任务调度方法包括下述步骤：(1)帧周期开始时，所述混合任务调度方法进行调度准备，所述调度准备至少包括任务切换和资源检查；(2)针对周期性实时任务，应用基于表驱动的二级优先级规则进行调度序列排序，并按照该序列调度周期性实时任务；(3)针对非周期性实时任务，应用基于启发式搜索策略和模糊控制的方法，对非周期性实时任务进行排列，并按照该序列调度非周期性实时任务；(4)对当前周期内未使用的时间片进行回收并且进行调度结果和反馈数据的采集，判断剩余执行时间；(5)如果当前周期时间未用完，则执行非实时任务；(6)在帧周期结束时，如果非周期性实时任务或非实时任务还未执行结束，则在下一帧周期开始时执行周期性实时任务，封存未执行完成的非周期性实时任务或非实时任务，确保周期性实时任务的实时性。

【技术特征摘要】
1.一种铁路机车运行操纵系统的混合任务调度方法，其特征在于，所述混合任务包括：周期性实时任务、非周期性实时任务以及非实时任务；所述混合任务调度方法以一个帧周期作为基本调度单元，所述混合任务调度方法包括下述步骤：(1)帧周期开始时，所述混合任务调度方法进行调度准备，所述调度准备至少包括任务切换和资源检查；(2)针对周期性实时任务，应用基于表驱动的二级优先级规则进行调度序列排序，并按照该序列调度周期性实时任务；(3)针对非周期性实时任务，应用基于启发式搜索策略和模糊控制的方法，对非周期性实时任务进行排列，并按照该序列调度非周期性实时任务；(4)对当前周期内未使用的时间片进行回收并且进行调度结果和反馈数据的采集，判断剩余执行时间；(5)如果当前周期时间未用完，则执行非实时任务；(6)在帧周期结束时，如果非周期性实时任务或非实时任务还未执行结束，则在下一帧周期开始时执行周期性实时任务，封存未执行完成的非周期性实时任务或非实时任务，确保周期性实时任务的实时性。2.根据权利要求1所述的一种铁路机车运行操纵系统的混合任务调度方法，其特征在于，所述的基于表驱动的二级优先级规则是针对周期性实时任务在机车运行操纵系统中的可预测性提出的一种非抢占调度方法，所述的二级优先级分为组优先级和实例优先级，在所述步骤(2)中先按组优先级排序，再按实例优先级排序，最终生成调度表。3.根据权利要求1所述的一种铁路机车运行操纵系统的混合任务调度方法，其特征在于，所述的基于启发式搜索策略引入了模糊控制的方法，提出了一种新的估价函数：H(n,t)＝h(n,t)*nstnst＝(nd-t)-(nc-e(n,t))其中H(n,t)是估价函数，h(n,t)是非周期性实时任务n在时刻t的动态阈值系数，nst是非周期性实时任务n在时刻t的剩余空闲时间，nd是任务n的截止期，nc是最坏执行时间，e(n,t)是任务n在时刻t...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄晋，黄思光，杨帆，赵曦滨，顾明，孙家广，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11