【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于工业物联网，具体涉及一种基于时间敏感技术的资源调度传输方法。
技术介绍
1、新一代信息技术促使工业物联网被广泛应用于制造业中，支撑制造业的数字化转型。随着智能时代的到来，多传感器融合的智能系统越来越多，在这种智能系统需要在支持多种业务的同时，也要对某些业务做到低延时确定性的传输。因此时间敏感网络应运而生。时间敏感网络允许周期性和非周期性数据在同一网络中传输，使得标准以太网具有确定性传输的优势。其中流量调度是时间敏感网络技术中的核心机制。在工业场景下由于不同终端所产生的数据流对端到端的传输时延和带宽都有不同的要求，所以要确保数据流满足延时、抖动等要求的情况下，尽可能的减少数据流传输总时间，从而使网络可以接入更多的数据。这样就需要一定的调度算法，使数据流通过调度方案在交换机出端口处确定每个数据帧的传输顺序和时间，从而保证所有帧在出口链路上依次传输且不会发生冲突。
2、目前针对工业物联网下资源调度传输方法的解决方案尚不完善，基于时间敏感技术的资源调度传输方法成为研究热点。对于调度方案的生成，传统的方法主要为整数规划、启发式算法等，但是存在如求解空间过大或者求解质量较差的问题，从而导致耗时过长或者浪费带宽的现象。
技术实现思路
1、针对工业物联网中同批采样数据在网络中传输时出现拥挤情况，使数据流无法在规定时间内传输到控制终端，从而导致出现丢包等问题，本专利技术设计了一种基于时间敏感技术的资源调度传输方法，根据集中用户配置设备和集中网络配置设备获取的数据流信息和网络
2、本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：
3、一种基于时间敏感技术的资源调度传输方法，包括以下步骤：
4、步骤1：通过集中用户配置设备和集中网络配置设备分别获取数据流信息和网络拓扑；
5、步骤1.1：通过集中用户配置设备获取工业现场由智能仪表、传感器、执行设备、摄像头所产生的数据信息，其中包括数据流的大小、数据开始发送的时间、端到端的最大延时、数据流的周期；
6、步骤1.2：通过集中网络配置设备获取工业现场中网络拓扑，其中包括终端设备和时间敏感交换设备的连接情况、不同时间敏感交换设备之间的连接情况；
7、步骤2：将步骤1获取得到的网络拓扑和数据流信息通过路径规划和调度算法生成每个数据流的调度方案；
8、步骤2.1：将所有的现场设备看作终端节点，将所有时间敏感交换设备看作交换节点；
9、步骤2.2：通过集中用户配置设备和集中网络配置设备获取的信息，对网络拓扑和数据流信息进行建立数学模型；
10、所述数学模型以数据流传输总时长作为优化目标，并在帧约束、链路约束、流传输约束、延时约束、抖动约束和帧间隔约束下进行最小化寻优；具体公式如下所示：
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18、上述公式中参数f表示为被调度的数据流i，表示为数据流i的第j的帧在[va,vb]链路上的信息，表示为这个帧在该链路上相对于出端口门控周期的传输时刻，α、β为任意周期数，表示为这个帧在该链路上的传输时间，表示为这个帧在该链路上的周期长度；表示为数据流i在[va,vb]链路上的调度，da,b是[va,vb]链路上的的传播时延，pa是在节点a处的处理时延，δ是全网时钟的最大偏差，li表示为数据流i的最大端到端延时，di是第(ni-1)个帧的传输时长与第ni个帧从第一跳到最后一跳的传输时长与最后帧的传播时长与最后帧的处理调度时长的和，wi表示从发送端到最后一跳之前的理想等待时间之和；公式(1)表示最小化数据流传输总时长；公式(2)表示每个帧的偏移量在一个对应数据流的周期范围内；公式(3)表示不同数据流的帧在同一链路传输时没有重叠；公式(4)表示数据流传输的路径顺序是不可变的；公式(5)表示数据流中第一个帧在第一个节点的开始传输时刻到最后一个帧在最后节点的到达时刻，要小于最大延时时间；公式(6)表示数据流的最后一帧的最后一跳的开始时刻与第一帧在发送端的开始传输时刻的差值，即数据流传输的实际时延，要小于等于理论上的总延时、理想的等待时间与规定最大抖动的和；公式(7)每个队列在同一时刻只能存储一条数据流；
19、步骤2.3：基于上述数学模型，通过dijkstra算法生成单条数据流的一条最优路径；从起始点开始，采用贪心算法的策略，每次遍历到始点距离最近且未访问过的顶点的邻接节点，将已经距离最近的邻接节点作为中间节点，并将更新其他节点通过这个中间节点到达起点的距离，不断选择到达起点最近的节点，直到扩展到终点为止，最终生成第一条最优的可调度路径；
20、步骤2.4：将上述步骤2.3路径上每一个链路分别删除，并分别以此网络拓扑通过dijkstra算法获取当前的最短路径，最终将所有的路径代价进行比较，选择其中最短的路径作为第二条可调度路径；并以此来进行重复计算，直至计算出约定的路径数量，从而生成一条数据流的可调度路径集；
21、步骤2.5：重复步骤2.3-2.4对每一个数据流都进行重复路径生成过程，最终生成全网的可调度路径集；
22、步骤2.6：基于上述可调度路径集，生成最优调度路径方案；计算每个数据流的可调度路径的代价矩阵，其中包括路径的跳数、路径的传输时长、传输后的剩余带宽；
23、步骤2.7：对路径的代价矩阵进行加权计算，具体公式如下：
24、
25、α+β+γ＝1 (9)
26、其中p(i)为路径i的加权和，h(i)为路径i的跳数，dl(i)路径i的传输时长，sbw(i)传输后的剩余带宽，α、β、γ分别为路径i的跳数、路径i的传输时长、传输后的剩余带宽的加权系数；通过比较所有可调度路径集的加权和，得到每条数据流最优调度路径；
27、步骤2.8：采用遗传算法生成具体调度方案；初始化参数，参数包括：迭代次数，种群数量，交叉因子、变异因子；
28、步骤2.9：通过计算数据流传输总时间作为种群各个个体的适应度函数；
29、步骤2.10：对种群进行选择、交叉和变异的遗传操作；
30、步骤2.11：根据数学模型的约束条件，判断当前种群是否满足其约束，若不满足，则不进行适应度函数比较，若满足，则进行适应度函数比较；
31、步骤2.12：判断是否到达最大迭代次数，若没有到达最大迭代次数，则继续进行更新迭代，若到达最大迭代次数，则输出适应度函数最小的调度方案；
32、步骤3：通过集中网络配置设备将步骤2中所生成的调度方案配置到时间敏感交换设备；
33、步骤3.1：基于调度方案找到数据流冲突的时间敏感交换设备；
34、步骤3.2：通过集中网络配置设备对数据流冲突的时间敏感交本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于时间敏感技术的资源调度传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于时间敏感技术的资源调度传输方法，其特征在于，步骤1具体为：
3.根据权利要求2所述的一种基于时间敏感技术的资源调度传输方法，其特征在于，所述数据信息包括数据流的大小、数据开始发送的时间、端到端的最大延时、数据流的周期。
4.根据权利要求2所述的一种基于时间敏感技术的资源调度传输方法，其特征在于，所述网络拓扑包括终端设备和时间敏感交换设备的连接情况、不同时间敏感交换设备之间的连接情况。
5.根据权利要求1所述的一种基于时间敏感技术的资源调度传输方法，其特征在于，步骤2具体为：
6.根据权利要求5所述的一种基于时间敏感技术的资源调度传输方法，其特征在于，所述数学模型以数据流传输总时长作为优化目标，并在帧约束、链路约束、流传输约束、延时约束、抖动约束和帧间隔约束下进行最小化寻优；具体公式如下所示：
7.根据权利要求1所述的一种基于时间敏感技术的资源调度传输方法，其特征在于，步骤3具体为：
【技术特征摘要】
1.一种基于时间敏感技术的资源调度传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于时间敏感技术的资源调度传输方法，其特征在于，步骤1具体为：
3.根据权利要求2所述的一种基于时间敏感技术的资源调度传输方法，其特征在于，所述数据信息包括数据流的大小、数据开始发送的时间、端到端的最大延时、数据流的周期。
4.根据权利要求2所述的一种基于时间敏感技术的资源调度传输方法，其特征在于，所述网络拓扑包括终端设备和时间敏感交换设备的连接...
【专利技术属性】
技术研发人员：张晓玲，杨亮，姚菊梅，于洪霞，薛百华，
申请(专利权)人：沈阳工业大学，
类型：发明
国别省市：
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