一种变采样周期调度器及其控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种变采样周期调度器及其控制方法，包括网络状态监测模块、网络状态控制模块、SVM预测模块和采样周期调节模块，其中，所述网络状态监测模块通讯连接至网络状态控制模块，并用于周期性地监测网络状态；所述网络状态控制模块通讯连接至SVM预测模块，并用于利用每一时刻的数据包传输时间和每一时刻的采样周期计算出每一时刻的网络利用率；所述SVM预测模块通讯连接至采样周期调节模块，并用于在线预测出下一采样周期的可适用网络利用率；所述采样周期调节模块用于根据预测的网络利用率得到控制回路的下一采样周期。本发明避免了数据包在网络传输时，随网络负荷和介质访问控制机制的不同而造成传输时间不确定性，通过动态的改变各回路的采样周期来分配有限的网络资源，具有广泛的适应性。
【专利说明】一种变采样周期调度器及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于网络控制系统的【技术领域】，涉及网络资源调度的方法，具体涉及一种 变采样周期调度器及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 网络化控制系统（Networked Control System, NCS)是一种完全网络化的、分布化 的控制系统，是通过网络构成的闭环的反馈控制系统。网络化控制系统的闭环中，网络作 为传输介质，实现着传感器、控制器、执行器和其他网络节点间的数据传输，从而实现资源 的共享、远程检测和控制。现代网络技术的不断发展可以使得网络化控制系统能够可以利 用有线网络和无线网络实现复杂环境下的系统的远程控制，并且具有交互性好、减少系统 布线、易于扩展和维护等诸多优点，这些都是传统控制系统无法比拟的。但是计算机网络介 入传统的控制系统使得网络化控制系统的分析和设计变得更加的复杂，这主要表现在两方 面：第一，空间分布的器件通过网络的接入对控制系统的动态行为必然产生重大的影响，如 网络资源的共享、不同的介质访问控制方式导致的时延和数据包的丢失、无线网络产生的 信道衰落和时变的吞吐量等。第二，分布式控制系统（Distributed Control System, DCS) 设计时涉及的重点发生了转移，如涉及调度和路由的通信协议对系统的稳定性及可靠性的 重要影响、算法的实时性、长时间无信息反馈时系统的自治性等。
[0003] 传统计算机控制系统中，控制算法的优劣决定了个控制回路的性能。对于网络化 控制系统，各个控制回路的性能不仅取决于控制算法，而且还还依赖于对共享系统资源的 分配。网络化控制系统的系统资源包括CPU计算资源和网络资源两部分。网络化控制系 统的调度是指在网络化控制系统中，各个控制回路和其他应用节点对共享系统资源的一种 分配策略，尤其是对网络资源的分配成为了网络化控制系统的一个研究热点方向。网络化 控制系统中的网络调度的思想和实时调度思想类似，他们都是需要为并发任务分配共享信 道资源、周期性激发任务以及满足任务截止期要求等。因此网络化控制系统中优先级调度 方法大都是由相关的实时调度方法发展而来的。Liu和Layland提出了单调速率调度算法 (Rate Monotonic，RM)和最早截止期限优先调度算法（Earliest Deadline First, EDF)。在 实际的实时系统中，RM和EDF算法由于具备了优良的性能，也得到广泛的应用。与此同时， 随着网络化控制系统越来越复杂以及各种智能设备空间分布越来越广，导致数据与信息传 输量增加，网络诱导时间以及网络丢包等加剧，在这些不确定因素的影响下，EM和EDF等基 于固定采样周期的网络控制策略并不能充分适应越来越复杂的时变环境。由此提出一种能 够动态的适应网络环境变化的网络控制系统，通过动态的改变传感器采样周期的方法来提 升网络化控制系统的性能。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种变采样周期调度器及其控制方法，避免数据包在网络 传输时，随网络负荷和介质访问控制机制的不同而造成传输时间不确定性，通过动态的改 变各回路的采样周期来分配有限的网络资源，具体技术方案如下：
[0005] -种变采样周期调度器，包括网络状态监测模块、网络状态控制模块、SVM预测模 块和采样周期调节模块，其中，
[0006] 所述网络状态监测模块通讯连接至网络状态控制模块，并用于周期性地监测网络 状态；
[0007] 所述网络状态控制模块通讯连接至SVM预测模块，并用于利用每一时刻的数据包 传输时间和每一时刻的采样周期计算出每一时刻的网络利用率；
[0008] 所述SVM预测模块通讯连接至采样周期调节模块，并用于在线预测出下一采样周 期的可适用网络利用率；
[0009] 所述采样周期调节模块用于根据预测的网络利用率得到控制回路的下一采样周 期。
[0010] 进一步地，还包括缓冲区，其设置在网络状态监测模块和网络状态控制模块之间， 且连接至SVM预测模块。
[0011] 进一步地，网络状态监测模块通讯连接至网络。
[0012] 进一步地，还包括传感器，其通讯连接至网络，且采样周期调节模块通讯连接至该 传感器。
[0013] 进一步地，所述采样周期调节模块采用插值法得到控制回路的下一采样周期。
[0014] 上述变采样周期调度器模型的控制方法，包括如下步骤：
[0015] (1)构建变采样周期的调度器或调度器模型；
[0016] (2)根据所描述变采样周期调度器或调度器模型，变采样周期调度器的网络状态 监测模块采集样本数据，并将采集的网络状态样本离散化；
[0017] (3)保存网络状态监测器采集的历史数据和当前的网络状态数据；
[0018] (4)网络状态控制模块利用每一时刻的数据包传输时间C1 (j)和每一时刻的米样 周期T1 (j)，计算出每一时刻的网络利用率U1 (j);
[0019] (5)构建SVM预测模块或模型；
[0020] (6)采样周期调节模块实现采样周期的调节功能。
[0021] 进一步地，步骤（1)中根据网络控制系统（NCS)变采样周期调度问题的特性及对 NCS的数学描述构建变采样周期的调度器或调度器模型。
[0022] 进一步地，步骤（2)中NCS中变采样周期调度器的网络状态监测模块采集样本数 据，并基于粗糙集理论将采集的网络状态样本离散化。
[0023] 进一步地，步骤（3)中设定缓存区用于保存网络状态监测器采集的历史数据和当 前的网络状态数据。
[0024] 进一步地，步骤￠)中采样周期调节模块利用插值法来实现采样周期的调节功 能。
[0025] 与目前现有技术相比，本发明避免了数据包在网络传输时，随网络负荷和介质访 问控制机制的不同而造成传输时间不确定性。本发明通过动态的改变各回路的采样周期来 分配有限的网络资源，具有广泛的适应性。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 图1为变采样周期动态调度器一般结构；
[0027] 图2为本发明实施的主要的步骤；
【具体实施方式】
[0028] 下面根据附图对本发明进行详细描述，其为本发明多种实施方式中的一种优选实 施例。
[0029] 以图1建立变采样周期调度器模型。变采样周期调度器由网络状态监测模块、网 络状态控制模块、SVM预测模块、采样周期调节模块四部分组成。网络状态监测模块周期性 地监测网络状态，通过SVM模型在线的预测出下一采样周期的可适用网络利用率，采样周 期调节模块根据预测的网络利用率采用插值法得到控制回路的下一采样周期，从而实现系 统资源的动态分配。
[0030] 一种基于变采样周期的网络控制系统调度方法，其步骤如下：
[0031] 步骤1 :根据网络控制系统（NCS)变采样周期调度问题的特性及对NCS的数学描 述构建变采样周期的调度器模型。
[0032] 步骤2 :根据所描述变采样周期调度器模型，NCS中变采样周期调度器的网络状态 监测模块采集样本数据，并基于粗糙集理论将采集的网络状态样本离散化。
[0033] 步骤3 :设定缓存区用于保存网络状态监测器采集的历史数据和当前网络状态数 据。
[0034] 步骤4 :网络状态控制模块利用每一时刻的数据包传输时间Ci(j)和每一时刻的 采样周期Ti (j)，计算出每一时刻的网络利用率Ui (j)。
[0035] 步骤5 :构建SVM预测模型。
[0036] 步骤6 :采样周期调节模块利用插值法来实现采样周期的调节功能。
[0037] 如图1、图2所示的本发明的技术方案，为一种基于变采样周期的网络控制系统调 度方法。图1给出了变采样周期动态调度器的一般结构，图2给出了本发明实施的主要的 步骤。
[0038] 本发明所提出的网络控制系统调度方法不依赖与现有的网络资源调度机制，为网 络的服务优化提供了依据。网络控制系统一般包含至少一个控制回路，每个控制回路由传 感器、控制器、执行器和被控对象组成，用于完成一系列控制任务。多个相互独立的控制回 路通过中间共享的网络形成了各自的闭环回路，传感器与控制器之间和控制器与执行器之 间的数据均通过共享的网络来传递。由于共享网络的资源有限，因此系统在运行过程中不 可避免地会存在信息时延、丢失和时序错乱等问题。
[0039] 网络控制系统的调度所解决的本质问题就是合理分配有限的网络资源（如带宽、 缓冲区等）。如何有限地分配有限的网络资源，进而最大限度地实现资源的潜在价值，这正 是本发明所研究的重点问题，进而提出一种基于变采样周期的网络控制系统调度方法。
[0040] 本发明所涉及的方法以模块化规划，其描述如下：
[0041] 本发明中变采样周期调度器由网络状态监测器、网络状态控制模块、SVM预测模 块、采样周期调节模块组成，其中网络状态监测器采用时间驱动方式进行激活，周期性的获 得当前时间的网络状态，其他模块均采用事件驱动的方式，提高对实时的网络环境的适应 力。
[0042] 本发明【具体实施方式】如下步骤所述：
[0043] 步骤1 :网络状态监测模块采集样本数据并作预处理。样本数据补齐，去掉不完全 数据，使余下的样本都是具有属性值的样本，采用基于粗糙集理论将采集的网络状态样本 离散化，得{χ: (/). .f; . V (/). β: . G 0). (；). r (；) }。
[0044] 步骤2 :设定缓存区用于保存网络状态监测器采集的历史数据和当前的网络状态 数据。
[0045] 步骤3 :网络状态控制模块利用每一时刻的数据包传输时间Ci(j)和每一时刻的 采样周期Ti (j)，计算出每一时刻的网络利用率Ui (j)，其计算方法如下：
[0046]
【权利要求】
1. 一种变采样周期调度器，其特征在于，包括网络状态监测模块、网络状态控制模块、 SVM预测模块和采样周期调节模块，其中， 所述网络状态监测模块通讯连接至网络状态控制模块，并用于周期性地监测网络状 态； 所述网络状态控制模块通讯连接至SVM预测模块，并用于利用每一时刻的数据包传输 时间和每一时刻的采样周期计算出每一时刻的网络利用率； 所述SVM预测模块通讯连接至采样周期调节模块，并用于在线预测出下一采样周期的 可适用网络利用率； 所述采样周期调节模块用于根据预测的网络利用率得到控制回路的下一采样周期。
2. 如权利要求1所述的变采样周期调度器，其特征在于，还包括缓冲区，其设置在网络 状态监测模块和网络状态控制模块之间，且连接至SVM预测模块。
3. 如权利要求1或2所述的变采样周期调度器，其特征在于，网络状态监测模块通讯连 接至网络。
4. 如权利要求1-3中任一项所述的变采样周期调度器，其特征在于，还包括传感器，其 通讯连接至网络，且采样周期调节模块通讯连接至该传感器。
5. 如权利要求1-4中任一项所述的变采样周期调度器，其特征在于，所述采样周期调 节模块采用插值法得到控制回路的下一采样周期。
6. 如权利要求1-5所述变采样周期调度器模型的控制方法，其特征在于，包括如下步 骤： (1) 构建变采样周期的调度器或调度器模型； (2) 根据所描述变采样周期调度器或调度器模型，变采样周期调度器的网络状态监测 模块采集样本数据，并将采集的网络状态样本离散化； (3) 保存网络状态监测器采集的历史数据和当前的网络状态数据； (4) 网络状态控制模块利用每一时刻的数据包传输时间6〇)和每一时刻的采样周期 Ti(j)，计算出每一时刻的网络利用率亇(」_); (5) 构建SVM预测模块或模型； (6) 采样周期调节模块实现采样周期的调节功能。
7. 如权利要求6所述的变采样周期调度器模型的控制方法，其特征在于，步骤（1)中根 据网络控制系统（NCS)变采样周期调度问题的特性及对NCS的数学描述构建变采样周期的 调度器或调度器模型。
8. 如权利要求6或7所述的变采样周期调度器模型的控制方法，其特征在于，步骤（2) 中NCS中变采样周期调度器的网络状态监测模块采集样本数据，并基于粗糙集理论将采集 的网络状态样本离散化。
9. 如权利要求6-8中任一项所述的变采样周期调度器模型的控制方法，其特征在于， 步骤（3)中设定缓存区用于保存网络状态监测器采集的历史数据和当前的网络状态数据。
10. 如权利要求6-9中任一项所述的变采样周期调度器模型的控制方法，其特征在于， 步骤￠)中采样周期调节模块利用插值法来实现采样周期的调节功能。
【文档编号】H04L12/26GK104065719SQ201410276205
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月19日 优先权日:2014年6月19日
【发明者】江明 申请人:安徽工程大学