基于SDN的智能车等跳冗余区架构及冗余的调度方法技术

本发明专利技术提供一种基于SDN的智能车等跳冗余区架构及冗余的调度方法，包括中央计算单元和区控制器组，通过Y型以太网主干网和

【技术实现步骤摘要】
基于SDN的智能车等跳冗余区架构及冗余的调度方法


[0001]本专利技术涉及智能电动汽车的
，具体为基于SDN的智能车等跳冗余区架构及冗余的调度方法。

技术介绍

[0002]随着汽车智能化、电动化、网联化趋势的迅速发展，越来越多的电子电气部件引入车辆系统，使得车辆线束的布局越来越复杂；同时异构网络的引入也对整车架构的实时性、安全性与容错性提出了新的挑战，传统的电子电气架构满足不了新的发展需求。
[0003]近年来，基于控制器物理空间布局进行整车架构配置的汽车区架构设计正成为行业热门话题，而区架构的具体配置方案也众说纷纭。区架构的发展使得整车线束大幅减少，架构整体性和融合性大幅提升，同时也能够适应新趋势下异构网络通讯的布局与发展，为汽车架构的发展带来巨大的发展潜力。
[0004]但区架构同样也带来了诸多挑战，一方面，由于区架构的各区控制器按照物理区域进行不同功能的分配与控制，因此区间协同的实时性与同步性需求极高，是其相较于域架构和分布式架构特有的挑战，而架构中控制回路的跳数是影响信息端到端实时性与同步性的重要方面，在多区架构中，因区控制器个数、布置位置、拓扑结构等配置方案多种多样，导致架构上不同的控制回路存在多跳情况，特别是存在冗余设计的架构中，互为冗余的控制回路之间的存在跳数不同的情况，导致冗余方案之间存在明显的时延差异，影响整车控制的稳定性与连续性。
[0005]另一方面，区架构的各区控制器受中央计算单元的控制，中央计算单元相当于汽车区架构中的大脑，尽管当前计算机计算很成熟，高算力计算机的功能性日益强大，但由于车辆芯片的工作环境（如温度、震动、电磁干扰等）恶劣，车载网络中的单控制器节点仍不能解决因单点故障带来的安全性问题，因此面临着在中央计算单元配置失效、宕机或拥塞后，各区控制器间如何及时调整与协同，维持车辆整车运行的问题。
[0006]最后，由于区架构按空间区域进行功能的布局与配置，在不同的工况下，存在各区之间负载不规则，带宽利用不均衡的问题，导致一些时间段某区域有许多信息需要网络传输，而另一些时间段某区域的网络却处于空闲状态。因此，如何针对不同工况、工作负荷及带宽利用的情况，对整车调度策略进行主动或被动切换与动态调整，以充分利用整车网络带宽进行信息调度、避免信息冲突、提高网络资源利用率、使网络负载趋于动态均衡，也是区架构亟待解决的问题之一。

技术实现思路

[0007]在智能电动汽车电子电气架构快速变革及其所带来的同步性、冗余容错性、实时性问题的大背景下，本专利技术的目的是提供基于SDN的智能电动汽车等跳冗余区架构及冗余的调度方法。
[0008]本专利技术技术方案如下：
本专利技术提出了基于SDN的智能车等跳冗余区架构，包括中央计算单元和区控制器组，通过Y型以太网主干网和
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型以太网冗余主干网进行连接，应用等跳原理进行冗余配置，且通过SDN机制进行整车调度及冗余控制。
[0009]所述中央计算单元包括：中央SDN控制器和中央网关。其中中央SDN控制器与中央网关进行连接，并与各区控制器中的区域网关进行连接，负责Y型主干网下，中央计算单元作为整车控制中心时车辆的控制与调度。中央网关负责协议转换与区域支路的流量监控。
[0010]所述区控制器组包括：左前区控制器、右前区控制器和后区控制器。其中右前区控制器中配置边缘SDN控制器作为冗余控制器，负责在中央计算单元失效情况下，根据中央计算单元失效判据进行
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型冗余主干网及整车调度策略的切换，实现
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型主干网下区间的协同控制与调度。车辆控制器与执行器节点根据其所属的物理位置，通过CAN/CAN
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FD总线连接到相应物理分区的区控制器中，区控制器与其所属的传感器、控制器节点及区子网构成一个区控制系统。
[0011]所述等跳原理为：在车辆的区架构中，信号从一个控制器传递给另一个控制器称为“一跳”，信号传递时的跳数与实时性密切相关，等跳原理即：任意控制器之间通讯的跳数相等。基于等跳原理，设计Y型与
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型冗余的以太网主干网，在Y型主干网下，中央计算单元作为整车控制中心，与各区控制器之间为1跳；在
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型冗余主干网下，各区控制器之间通过协同，实现整车的控制，区控制器之间通讯仍为1跳，从而实现冗余网络之间的等效实时转换。
[0012]所述SDN机制包含三个平面：软件定义平面、控制平面和执行平面。其中软件定义平面包括网络资源管理、系统管理、智驾功能管理等软件定义相关的功能及配置；控制平面包括中央SDN控制器及作为冗余控制的边缘SDN控制器，控制器中配置北向接口与南向接口，分别与软件定义平面和执行平面互联；执行平面包括网关、中央控制单元及区控制器等。其中，软件定义平面产生顶层应用管理与调度信号，通过北向接口与控制平面相联，执行平面将车辆通讯相关信息通过南向接口与控制平面相联，控制平面中的控制器综合南北向信息进行调度决策，进行整车调度控制，并通过系统模块的指挥
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哨兵模式配置进行失效判断与控制器唤醒。
[0013]所述SDN机制的控制平面中，包含冗余SDN控制器设计，包括配置在中央计算单元中的中央SDN控制器和配置在右区控制器中的边缘SDN控制器。其中中央SDN控制器包括南向接口、流量监控模块FM（Flow Monitoring）、柔性时分周期调度模块FPS（Flexibility Period Schedule）、主动调度控制模块ASC（Active Schedule Control）、调度决策模块SSD（Scheduling Strategy Decision）、协同模块CM（Collaboration Module）和北向接口。其中边缘SDN控制器包括南向接口、流量监控模块FM（Flow Monitoring）、柔性时分周期调度模块FPS（Flexibility Period Schedule）、主动调度控制模块ASC（Active Schedule Control）、调度决策模块SSD（Scheduling Strategy Decision）、协同模块CM（Collaboration Module）、冗余调度转换模块RSC（Redundant Schedule Converter）、北向接口。
[0014]本专利技术还提出一种基于SDN的调度控制策略，包括调度控制策略流程和中央计算单元失效判据。调度控制策略流程可以描述为：SDN执行平面的网关将各支路流量信息经过
当前处于唤醒状态的SDN控制器的南向接口传入流量监控模块，定义左前区支路流量为，右前区支路流量为，后区支路流量为，则流量监控模块中进行如下流量信号处理：，则流量监控模块中进行如下流量信号处理：其中，分别为左前区与右前区流量差值、左前区与后区流量差值、右前区与后区流量差值；为各支路负载偏差构成的偏差向量；负载波动判据如下：其中，为偏差向量的无穷范数，其值为区间流量偏差的最大值；为流量波动的容忍阈值；为流量负载保险系数；为左前区、右前本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于SDN的智能车等跳冗余区架构，其特征在于：包括中央计算单元和区控制器组，通过Y型以太网主干网和
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型以太网冗余主干网进行连接，应用等跳原理进行冗余配置，且通过SDN机制进行整车调度及冗余控制；所述中央计算单元包括：中央SDN控制器和中央网关；其中中央SDN控制器与中央网关进行连接，并与各区控制器中的区域网关进行连接，负责Y型主干网下，中央计算单元作为整车控制中心时车辆的控制与调度；中央网关负责协议转换与区域支路的流量监控；所述区控制器组包括：左前区控制器、右前区控制器和后区控制器；其中右前区控制器中配置边缘SDN控制器作为冗余控制器，负责在中央计算单元失效情况下，根据中央计算单元失效判据进行
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型冗余主干网及整车调度策略的切换，实现
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型主干网下区间的协同控制与调度；车辆控制器与执行器节点根据其所属的物理位置，通过CAN/CAN
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FD总线连接到相应物理分区的区控制器中，区控制器与其所属的传感器、控制器节点及区子网构成一个区控制系统；所述SDN机制包含三个平面：软件定义平面、控制平面和执行平面；其中软件定义平面包括网络资源管理、系统管理、智驾功能管理软件定义相关的功能及配置；控制平面包括中央SDN控制器及作为冗余控制的边缘SDN控制器，控制器中配置北向接口与南向接口，分别与软件定义平面和执行平面互联；执行平面包括网关、中央控制单元及区控制器；其中，软件定义平面产生顶层应用管理与调度信号，通过北向接口与控制平面相联，执行平面将车辆通讯相关信息通过南向接口与控制平面相联，控制平面中的控制器综合南北向信息进行调度决策，进行整车调度控制，并通过系统模块的指挥
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哨兵模式配置和流量特性进行中央计算单元失效判断及冗余控制器和调度策略的唤醒。2.根据权利要求1所述的基于SDN的智能车等跳冗余区架构，其特征在于：所述SDN机制的控制平面中包含冗余SDN控制器，所述的冗余SDN控制器包括配置在中央计算单元中的中央SDN控制器和配置在右区控制器中的边缘SDN控制器。3.根据权利要求2所述的基于SDN的智能车等跳冗余区架构，其特征在于：所述的中央SDN控制器包括南向接口、流量监控模块、柔性时分周期调度模块、主动调度控制模块、调度决策模块、协同模块、北向接口；所述南向接口与网关、中央控制单元和及区控制器构成的执行平面互联，接受各链路的流量信息，并将SDN控制器做出的调度决策传输给执行平面；所述流量监控模块负责对从南向接口传来的流量信息进行监控，并生成流量信号，传输给柔性时分周期调度模块；所述柔性时分周期调度模块分则接收流量监控模块传来的流量信息，并综合流量信号和应用层软件定义的主动调度信号进行柔性周期调度，并生成调度信号发送给调度决策模块；所述调度决策模块接受柔性时分周期调度模块传来的调度信号，对调度策略进行决策，并将调度决策信号传输给南向接口，发送至执行平面进行调度策略的执行；所述北向接口与应用层软件定义平面相联，接收应用层软件定义的调度及控制信号，发送给主动调度控制模块；所述主动调度控制模块接收北向接口传来的应用层信号，进行主动调度策略控制，并将主动调度信号传输给柔性时分周期调度模块；
所述协同模块工作在中央指挥模式下，产生握手信号通过南向接口与边缘SDN控制器的协同模块进行互联，握手成功时，中央SDN控制器作为整车调度器，边缘SDN控制器被沉默，处于休眠状态。4.根据权利要求2所述的基于SDN的智能车等跳冗余区架构，其特征在于：所述的边缘SDN控制器包括南向接口、流量监控模块、柔性时分周期调度模块、主动调度控制模块、调度决策模块、协同模块、冗余调度转换模块、北向接口；所述南向接口与网关、中央控制单元和及区控制器构成的执行平面互联，接受各链路的流量信息，并将SDN控制器做出的调度决策传输给执行平面；所述流量监控模块负责对从南向接口传来的流量信息进行监控，并生成流量信号，传输给柔性时分周期调度模块和冗余调度转换模块；所述柔性时分周期调度模块分则接收流量监控模块传来的流量信息，并综合流量信号和应用层软件定义的主动调度信号进行柔性周期调度，并生成调度信号发送给调度决策模块；所述冗余调度转换模块接收流量监控模块的流量信号，并在接收到协同模块的激活信号后激活，进行冗余调度策略的转换，并生成调度信号发送给调度决策模块；所述调度决策模块接受柔性时分周期调度模块和冗余调度转换模块传来的调度信号，对调度策略进行决策，并将调度决策信号传输给南向接口，发送至执行平面进行调度策略的执行；所述协同模块工作在边缘哨兵模式下，产生握手信号通过南向接口与中央SDN控制器的协同模块进行互联；握手成功时，边缘SDN控制器被沉默；握手失败且满足中央计算单元失效判据时，产生激活信号传...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹万科，王靖鸿，于雷，王文伟，张峰，
申请(专利权)人：北京理工大学深圳汽车研究院电动车辆国家工程实验室深圳研究院，
类型：发明
国别省市：