面向轧制产线异构设备实时协同的确定性资源调度方法技术

本发明专利技术公开了面向轧制产线异构设备实时协同的确定性资源调度方法，属于工业物联网时间敏感网络技术领域，步骤包括：基于有向图的网络拓扑模型的构建；综合节点参数的混合流量模型的构建；基于数据包长度可变的漏桶算法计算混合流量的延迟边界；基于广播形式传输的混合流量路由约束的构建；防止混合流相互干扰、对流分配的网络资源限制和满足流的截止时间的要求的综合调度约束的构建；综合路由和流延迟边界的目标函数构建以及多路径下混合流量优先级分配问题的求解。本发明专利技术在保证混合流量延时的前提下，使得整个网络流量的延时之和最小，提升了网络的整体性能，解决混合流量在异步流量整形器所构成的复杂网络下的多路径动态优先级分配问题。态优先级分配问题。态优先级分配问题。

【技术实现步骤摘要】
面向轧制产线异构设备实时协同的确定性资源调度方法


[0001]本专利技术涉及工业物联网时间敏感网络
，尤其是一种面向轧制产线异构设备实时协同的确定性资源调度方法。

技术介绍

[0002]面对热轧产线上日益增长的业务需求，例如产品种类不断扩展、产品规格不断扩展、产品强度不断提高和产品质量要求不断提高等，传统的热轧产线各个子系统相互独立的网络环境已经不能很好满足生产控制的需求，这些动态业务需求的增长对热轧产线上原有的轧制设备和自动化控制系统都提出了更高的要求，不仅要求热轧产线提供更精确的轧制温度、冷却速度等控制，还需要热轧产线各个设备的协同通信。在热轧产线中存在着大量智能仪表、传感器、控制器、执行设备等，这些设备组成了热轧产线控制系统和监控系统，实现了热轧产线复杂的生产过程。由于各个系统之间没有实现有效的协同通信，导致通信网络相互隔离使得各个系统形成了信息孤岛。热轧生产线的全过程的网络协同通信系统，对于提高产线控制水平，实现一定范围的柔性制造控制，降低控制成本，实现可持续稳定的控制系统，具有重要的意义。为了实现热轧产线的多元性、相关性、整体性，热轧产线的数据协同管理、高度集成智能化是必不可少的。
[0003]热轧生产线的全过程的网络协同通信系统的需求使得热轧产线大量智能仪表、传感器、控制器等设备在同一网络环境下大量部署，导致带宽需求的增加，以及在这些大量的数据中还有着复杂的数据传输优先级的需求。这不仅要求通信网络需要充分利用通信带宽，还要求通信网络提供关键数据可靠性的保障。尽管在时间敏感网络中存在一些时间驱动的方法，如时间感知整形器，对于周期性流量拥有更低的传输时延，但是时间感知整形器不仅存在保护带宽使得带宽利用率较低，而且依赖在网络中所有交换机、终端设备和应用软件之间进行全局时间同步。这种依靠全局时钟同步的通信方法的最大限制是对全局时钟可用性的强烈依赖，例如，时间同步信号的丢失或同步失败将导致数据通信异常甚至可能导致整个通信网络的崩溃。交换机之间要求进行严格的时间同步，因此时间感知整形器在热轧产线复杂的网络环境中难以进行部署。
[0004]基于紧急程度调度器的异步流量整形器是一种新的保证数据实时性的途径，不依赖全局时间同步来进行流量的调度决策。异步流量整形器基于紧急度的调度器，这是一种异步排队算法，结合了交错整形和严格优先级队列，不仅能够提供低延迟的网络传输服务，而且在处理混合业务流方面具有较好的灵活性。异步流量整形器使用本地时间运行使其有着更高的可扩展性，使用的是高流量的漏桶约束流量模型，即比周期性流量模型更具备复杂网络环境的适应性，提供实时性的同时保证带宽利用率。这些特性使异步流量整形器能够适用于分布式应用环境。
[0005]在热轧生产线全过程网络协同通信系统的底层使用异步流量整形器提高网络的灵活性和可靠性。在热轧生产线全过程网络协同通信系统这种复杂网络中，混合流量的路由选择与流量的调度是密切关联的，因为流量的路由选择会影响流量的调度，反之亦然。因
此有必要同时考虑混合流量的路由和调度以提升网络整体性能。

技术实现思路

[0006]本专利技术需要解决的技术问题是提供一种面向轧制产线异构设备实时协同的确定性资源调度方法，综合考虑了路由和流量的延迟边界，进行优化整个网络，在保证混合流量延时的前提下，使得整个网络流量的延时之和最小，提升了网络的整体性能，解决混合流量在异步流量整形器所构成的复杂网络下的多路径动态优先级分配问题。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：
[0008]一种面向轧制产线异构设备实时协同的确定性资源调度方法，包括以下步骤：
[0009]步骤一，基于有向图的网络拓扑模型的构建；
[0010]步骤二，综合节点参数的混合流量模型的构建；
[0011]步骤三，基于数据包长度可变的漏桶算法计算混合流量的延迟边界；
[0012]步骤四，基于广播形式传输的混合流量路由约束的构建；
[0013]步骤五，防止混合流相互干扰、对流分配的网络资源限制和满足流的截止时间的要求的综合调度约束的构建；
[0014]步骤六，综合路由和流延迟边界的目标函数构建以及多路径下混合流量优先级分配问题的求解。
[0015]本专利技术技术方案的进一步改进在于：步骤一中，时间敏感网络拓扑建模为有向图G(V,E)，V＝SW∪ES，E＝{(v
i
,v
j
)|v
i
,v
j
∈V}；
[0016]其中，V是节点集合，由交换机节点集合SW和终端节点集合ES构成，E是网络链路集合，v
i
和v
j
分别为节点集合V中任意节点。
[0017]本专利技术技术方案的进一步改进在于：步骤二中，混合流量模型中混合流量由五元组表示，其中，s
k
表示流f
k
的源节点、d
k
表示流f
k
的目的节点、l
k
表示流f
k
的最大帧长度、r
k
表示流f
k
的流速、表示流f
k
的截止时间；
[0018]混合流量模型中节点参数由二元组<r
i
,q
i
>表示，其中，r
i
表示节点v
i
端口速度、q
i
表示节点v
i
共享队列数量；
[0019]混合流量模型中为一个布尔变量，当流f
k
经过(v
i
,v
j
)时值为1，当流f
k
没有经过(v
i
,v
j
)时值为0。
[0020]本专利技术技术方案的进一步改进在于：步骤三中，在基于数据包长度可变的漏桶算法的异步流量整形器所构成的网络中流f
k
的延迟边界计算公式如下：
[0021]流f
k
除最后一跳以外的每一跳延迟边界计算为：
[0022][0023]流f
k
最后一跳延迟边界计算为：
[0024][0025]其中，表示在节点v
i
中流f
k
的优先级，F为流的集合,为链路传输延迟，表示优先级与相等的流的集合不包括f
k
，表示优先级比高的流的集合为优先级比低的流的最大帧长度，l
min
(f
k
)为流f
k
的最小帧长度。
[0026]本专利技术技术方案的进一步改进在于：步骤四中，路由约束的构建如下：
[0027]对于流f
k
没有流入源节点的路径约束：
[0028][0029]其中，为布尔变量，当流f
k
经过(v
i
,s
k
)时值为1，反之值为0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向轧制产线异构设备实时协同的确定性资源调度方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一，基于有向图的网络拓扑模型的构建；步骤二，综合节点参数的混合流量模型的构建；步骤三，基于数据包长度可变的漏桶算法计算混合流量的延迟边界；步骤四，基于广播形式传输的混合流量路由约束的构建；步骤五，防止混合流相互干扰、对流分配的网络资源限制和满足流的截止时间的要求的综合调度约束的构建；步骤六，综合路由和流延迟边界的目标函数构建以及多路径下混合流量优先级分配问题的求解。2.根据权利要求1所述的面向轧制产线异构设备实时协同的确定性资源调度方法，其特征在于：步骤一中，时间敏感网络拓扑建模为有向图G(V,E)，V＝SW∪ES，E＝{(v
i
,v
j
)|v
i
,v
j
∈V}；其中，V是节点集合，由交换机节点集合SW和终端节点集合ES构成，E是网络链路集合，v
i
和v
j
分别为节点集合V中任意节点。3.根据权利要求1所述的面向轧制产线异构设备实时协同的确定性资源调度方法，其特征在于：步骤二中，混合流量模型中混合流量由五元组表示，其中，s
k
表示流f
k
的源节点、d
k
表示流f
k
的目的节点、l
k
表示流f
k
的最大帧长度、r
k
表示流f
k
的流速、表示流f
k
的截止时间；混合流量模型中节点参数由二元组<r
i
,q
i
>表示，其中，r
i
表示节点v
i
端口速度、q
i
表示节点v
i
共享队列数量；混合流量模型中为一个布尔变量，当流f
k
经过(v
i
,v
j
)时值为1，当流f
k
没有经过(v
i
,v
j
)时值为0。4.根据权利要求1所述的面向轧制产线异构设备实时协同的确定性资源调度方法，其特征在于：步骤三中，在基于数据包长度可变的漏桶算法的异步流量整形器所构成的网络中流f
k
的延迟边界计算公式如下：流f
k
除最后一跳以外的每一跳延迟边界计算为：流f
k
最后一跳延迟边界计算为：
其中，表示在节点v
i
中流f
k
的优先级，F为流的集合,d为链路传输延迟，表示优先级与相等的流的集合不包括f
k
，表示优先级比高的流的集合为优先级比低的流的最大帧长度，l
min
(f
k
)为流f
k
的最小帧长度。5.根据权利要求1所述的面向轧制产线异构设备实时协同的确定性资源调度方法，其特征在于：步骤四中，路由约束的构建如下：对于流f
k
没有流入源节点的路径约束：其中，为布尔变量，当流f
k
经过(v
i
,s
k
)时值为1，反之值为0；对于流f
k
至少有一条流出源节点的路径约束：其中，为布尔变量，当流f
k
经过(s
k
,v
j
)时值为1，反之...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁亚洲，李文凯，刘成，关新平，张群亮，马锴，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：