【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及工业领域，尤其涉及一种突发计算任务下实时控制系统的安全调度方法。
技术介绍
1、实时控制系统是网络物理系统的关键组成部分，广泛应用于智能电网、智能机器人等工业领域。实时控制系统的安全依赖于传感、计算和执行任务的及时和可靠处理。然而，在工业环境中，紧急情况可能导致优先级更高的突发计算任务，这些任务的特征为随机发生、高优先级，并需在有限的时间内完成。尽管预留资源能确保突发任务的及时处理，但由于这些任务发生的概率低，预留的资源大多数时间处于未使用状态，这导致了整体资源利用率的低下。在有限的计算资源下，常规控制计算任务已占用大部分资源，导致突发计算任务随机抢占常规控制计算任务的资源，进而使关键控制计算任务错过截止时间。因此，无法施加理想的控制输入，导致实际状态轨迹与标称状态轨迹偏离。当这种偏离超过阈值会影响控制系统的安全。例如，工业机器人无法按预期执行任务可能会与其他设备发生碰撞，从而损坏机械臂设备。
2、目前已有相关研究通过设计调度算法来解决上述问题。其中，安全感知调度方案通过限制系统状态轨迹与标称轨迹的最大偏差来限制控制计算任务错过截止日期的影响。针对混合关键系统的调度方案通过牺牲低关键度任务来确保高关键度任务(如突发紧急任务)的完成。窃取优先调度算法将原本分配给常规任务的资源临时分配给紧急任务来确保紧急任务的及时完成，旨在通过最小化调动的资源数量来降低紧急任务的影响。然而，这些方法通常未能区分常规控制计算任务间的优先级差异。其中，混合关键系统的任务关键度通常是预设的，而控制计算任务是否在截止时间之前完成对
3、经对现有文献检索发现，最相近似的实现方案为：中国专利申请号为cn202210825304.6，名称为：一种面向工业数据的任务调度优化方法，其具体做法为：将故障处理工业任务归入紧急优先级就绪队列,其他工业任务一并归入普通优先级就绪队列中。首先完成所有的紧急任务，在资源足够的情况下,直接利用剩余资源处理当前任务；在资源不够的情况下,抢占当前正在执行的任务的资源来执行这一待处理的紧急任务。但是该方案未考虑普通任务不及时完成对系统的影响，可能导致控制系统错过关键任务，破坏其安全；专利申请号为202210495292.5，名称为一种面向应急任务的高可靠卫星自主任务规划方法及系统，其具体做法是，将应急任务与未执行的非应急任务重规划，通过删除部分非应急任务来保证应急任务的完成。但是该方案没有对非应急任务作任何保证。
技术实现思路
1、有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是如何设计应对突发计算任务的调度方案才能在保证突发计算任务及时完成和控制系统安全的前提下，提高控制系统性能。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了一种突发计算任务下实时控制系统的安全调度方法，其特征在于，本方法分析不同常规任务对控制系统安全和性能的影响，设计安全感知调度方法来优化资源分配；通过舍弃对控制系统安全和性能影响较低的常规任务来保证突发任务在截止时间之前完成。
3、进一步地，所述安全感知调度方法是将调度问题建模成混合整数规划问题，从数学上量化每个常规任务完成与否对控制系统安全和性能的具体影响；定义一个二元变量集合，对每个常规任务分配一个变量，其中1表示任务被执行，0表示任务被舍弃；以控制系统的控制二次型代价为目标函数，以此来动态选择让系统控制系统最优的调度方案。
4、进一步地，所述混合整数规划问题通过限制实际轨迹和标称轨迹的偏移来保证控制系统的安全；构建突发任务与常规任务的资源约束，保证舍弃常规任务所释放的资源足够让突发计算任务在截止时间之前完成。
5、进一步地，所述混合整数规划问题首先根据常规任务所属的不同控制系统，对复杂问题解耦，将整个优化问题划分为对应于每个控制系统的子问题，从而降低问题规模，加速求解；对每一个子问题，将原调度问题转化成资源成本与控制性能之间的权衡问题，基于近似动态规划的思想高效求解。
6、进一步地，所述混合整数规划问题的解耦，是将原优化问题中唯一的耦合约束-资源约束，转化成目标函数中的惩罚项。
7、进一步地，在所述混合整数规划问题中，对于每一个子问题，利用近似方法估计每个常规任务的价值函数；所述价值函数反映了是否完成该常规任务所对应的系统控制性能和消耗的资源成本；基于动态规划的思想，按照常规任务执行的时间顺序，依次基于价值函数舍弃相对于资源代价，对控制系统性能提升不大的常规任务，从而为突发任务提供足够的资源来保证其及时完成。
8、进一步地，所述方法包括以下步骤：
9、步骤1、定义应用场景；其中n个控制系统的控制计算任务在边缘服务器上周期执行，属于常规任务；同时，突发计算任务随机触发；计算每个控制系统的标称轨迹，即所有控制计算任务都在截止时间之前完成时的系统轨迹；
10、步骤2、确定突发任务触发时刻到绝对截止时间之间的常规控制计算任务，为这些任务都分配一个0/1变量θi，j，当θi，j＝0，表示该任务被舍弃，此时控制系统采用上一时刻的系统输入；当θi，j＝1，表示该任务正常执行，此时控制系统用当前状态更新输入；因此，根据上述常规控制计算任务是否完成对系统输入的影响，构建系统状态的迭代关系约束；
11、步骤3、根据突发任务和常规控制计算任务所需的执行时间之和不能超过突发任务的截止时间构建资源约束；
12、步骤4、根据系统的实际轨迹与标称轨迹之间的偏移不能超过安全阈值构建安全约束；
13、步骤5、构建控制系统的代价函数，建立所述状态迭代约束、资源约束和安全约束下的资源分配优化问题；
14、步骤6、根据算法adp-opt求解上述调度问题；
15、进一步地，在所述步骤2中，如果突发任务的触发时刻或者绝对截止时刻恰好有常规任务在执行，由于舍弃这些任务只有部分资源能够被突发计算任务利用，所以不考虑这些任务的去留；实际的调度算法考虑的时间段为(tmin，tmax)。
16、进一步地，所述步骤6还包括以下几个步骤：
17、步骤6.1、对所述优化问题进行转化；由于所有的常规控制计算任务同时考虑，问题规模较大，求解困难，因此将原问题解耦，拆分成对应于每个控制系统的子问题；唯一的耦合约束是资源约束，表示所有控制系统的被舍弃的子任务释放的资源不少于突发计算任务及时完成所需要的资源；将资源约束转化成目标函数的惩罚项，分解成每个控制系统τi的计算资源分配优化子问题pi；
18、步骤6.2、基于近似动态规划的思想依次求解子问题pi。
19、进一步地，所述步骤6.2还包括以下几个步骤：
20、步骤6.2.1、将迭代约束写成状态转移方程；构建包本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种突发计算任务下实时控制系统的安全调度方法，其特征在于，本方法分析不同常规任务对控制系统安全和性能的影响，设计安全感知调度方法来优化资源分配；通过舍弃对控制系统安全和性能影响较低的常规任务来保证突发任务在截止时间之前完成。
2.如权利要求1所述的突发计算任务下实时控制系统的安全调度方法，其特征在于，所述安全感知调度方法是将调度问题建模成混合整数规划问题，从数学上量化每个常规任务完成与否对控制系统安全和性能的具体影响；定义一个二元变量集合，对每个常规任务分配一个变量，其中1表示任务被执行，0表示任务被舍弃；以控制系统的控制二次型代价为目标函数，以此来动态选择让系统控制系统最优的调度方案。
3.如权利要求2所述的突发计算任务下实时控制系统的安全调度方法，其特征在于，所述混合整数规划问题通过限制实际轨迹和标称轨迹的偏移来保证控制系统的安全；构建突发任务与常规任务的资源约束，保证舍弃常规任务所释放的资源足够让突发计算任务在截止时间之前完成。
4.如权利要求3所述的突发计算任务下实时控制系统的安全调度方法，其特征在于，所述混合整数规划问题首先根据常
5.如权利要求4所述的突发计算任务下实时控制系统的安全调度方法，其特征在于，所述混合整数规划问题的解耦，是将原优化问题中唯一的耦合约束-资源约束，转化成目标函数中的惩罚项。
6.如权利要求5所述的突发计算任务下实时控制系统的安全调度方法，其特征在于，在所述混合整数规划问题中，对于每一个子问题，利用近似方法估计每个常规任务的价值函数；所述价值函数反映了是否完成该常规任务所对应的系统控制性能和消耗的资源成本；基于动态规划的思想，按照常规任务执行的时间顺序，依次基于价值函数舍弃相对于资源代价，对控制系统性能提升不大的常规任务，从而为突发任务提供足够的资源来保证其及时完成。
7.如权利要求6所述的突发计算任务下实时控制系统的安全调度方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
8.如权利要求7所述的突发计算任务下实时控制系统的安全调度方法，其特征在于，在所述步骤2中，如果突发任务的触发时刻或者绝对截止时刻恰好有常规任务在执行，由于舍弃这些任务只有部分资源能够被突发计算任务利用，所以不考虑这些任务的去留；实际的调度算法考虑的时间段为(tmin,tmax)。
9.如权利要求8所述的突发计算任务下实时控制系统的安全调度方法，其特征在于，所述步骤6还包括以下几个步骤：
10.如权利要求9所述的突发计算任务下实时控制系统的安全调度方法，其特征在于，所述步骤6.2还包括以下几个步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种突发计算任务下实时控制系统的安全调度方法，其特征在于，本方法分析不同常规任务对控制系统安全和性能的影响，设计安全感知调度方法来优化资源分配；通过舍弃对控制系统安全和性能影响较低的常规任务来保证突发任务在截止时间之前完成。
2.如权利要求1所述的突发计算任务下实时控制系统的安全调度方法，其特征在于，所述安全感知调度方法是将调度问题建模成混合整数规划问题，从数学上量化每个常规任务完成与否对控制系统安全和性能的具体影响；定义一个二元变量集合，对每个常规任务分配一个变量，其中1表示任务被执行，0表示任务被舍弃；以控制系统的控制二次型代价为目标函数，以此来动态选择让系统控制系统最优的调度方案。
3.如权利要求2所述的突发计算任务下实时控制系统的安全调度方法，其特征在于，所述混合整数规划问题通过限制实际轨迹和标称轨迹的偏移来保证控制系统的安全；构建突发任务与常规任务的资源约束，保证舍弃常规任务所释放的资源足够让突发计算任务在截止时间之前完成。
4.如权利要求3所述的突发计算任务下实时控制系统的安全调度方法，其特征在于，所述混合整数规划问题首先根据常规任务所属的不同控制系统，对复杂问题解耦，将整个优化问题划分为对应于每个控制系统的子问题，从而降低问题规模，加速求解；对每一个子问题，将原调度问题转化成资源成本与控制性能之间的权衡问题，基于近似动态规划的思想高效求解。
5.如...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱善迎，程婷，梁永辉，卢宣兆，许齐敏，陈彩莲，关新平，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：
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