黑板共享方式的分布式控制网BSR链路控制方法与流程

本发明涉及自动控制系统和网络传输技术，尤其涉及一种黑板共享方式的分布式控制网bsr链路控制方法，也即bsr(blackboardsharingring)协议，适用于实现自动控制，尤其适用于大型分布式控制系统(distributedcontrolsystem，dcs)中，实现先进的多智能体控制系统，多控制器或多智能体设备之间的控制数据自主性、平等性、共享性交互、传输时间确定性，以及分布式网络带宽及收发缓存资源高效性利用的环形控制网。

背景技术：

目前大型自动控制系统，如dcs控制系统，尤其高智能的控制系统，在电力、冶金、化工、新能源等各行各业正在被广泛的使用着。而其控制功能分散、监控操作集中、兼顾分而自治和综合协调的的技术特点，关键的依赖于实现控制数据传输的控制网。

当今世界上实现多控制器之间控制数据传输的控制网技术多达百种，成为国际标准的有profinet、modbustcp/ip、ethernetip、ethercat等，我国的eap标准也是其中之一。还有大量非国际标准的控制网技术。这些技术各有特点，基本能满足各自控制数据传输需求，并在各自控制系统中起着重要作用。但是综观目前的控制网技术还有不足，很多方面需要继续努力去完善。

在大型dcs控制系统中，尤其是先进的多智能体智能控制系统中，要求控制数据具备发送的高度自主性和平等性、接收的高效共享性，传输时间确定性、分布式网络带宽及收发缓存资源利用的高效性。

而目前控制网技术绝大多数依赖于iec802.3协议的以太网技术实现。现有以太网技术并不是专门针对控制系统控制数据传输而设计的，其采用集中存储集中交换转发机制，以及采用载波监听多路访问/冲突检测(csma/cd)冲突退让机制解决发送冲突，本质上影响了了控制数据传输的自主性、平等性，和时间确定性性，网络物理拓扑的安全性，以及传输数据的分布式网络带宽及缓存资源的有效性利用。无法解决大负荷数据的确定性可靠性传输，无法解决网络风暴以及导致的网络拥塞以至瘫痪的问题，不能提高网络资源使用的高效性。

另外集中式网络物理链路，其可靠性依赖于交换机而无法彻底解决。虽然一些控制网技术采用iec802.5令牌环网来提高链路的可靠性，但是令牌的分时特征，导致网络节点无法高度自主性的使用环网来发送数据。而且复杂的令牌仲裁算法，分段网络上的传输带宽及收发缓存无法得到充分利用，也导致了低效数据传输，无法满足控制数据的高效传输。

虽然环网结构的ethercat能解决集中存储集中集中交换转发机制和csma/cd的不确定性，令牌环的低效性问题，但其一主多从的主从通讯方式，更加无法实现网络节点自主、平等的数据传输和共享，以及分布式网络带宽及收发缓存资源的高效利用。

iec802.17标准的环网结构弹性分组环机制最接近解决该问题，但是其数据链路收发方式、数据帧格式，以及传输的数据依旧面向传统的tcp/ip协议数据传输服务理念，加之缺乏市场产品的支持，依旧无法满足专门面向控制领域，为实现控制器或智能体设备协同工作，而对数据传输的自主性、平等性，传输时间确定性要求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种支持黑板模式交互的智能控制网hardcnet链路传输方法，以实现控制数据交互的自主性、平等性、共享性，及传输时间的确定性性，分布式的网络带宽以及收发缓存资源利用的高效性，以支持各种先进复杂的协调控制策略的实施，实现系统更高的智能化控制。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种黑板共享方式的分布式控制网bsr链路控制方法，包括：

a、采用hardcnet链路层技术结合标准工业以太网物理层技术，将相邻控制器或智能体设备作为网络节点，构建首尾相连组成环形结构控制网络；

b、每一个节点，通过向环网相邻节点，自主平等的发送数据实现黑板写数据的自发过程；

c、每一个节点，通过向环网相邻节点，转发其它网络节点数据实现子黑板数据以及动态数据黑板集维持的转发过程；

d、每一个节点，通过读取转发数据中自身需要的数据实现黑板数据的读的共享过程；

e、通过将转发数据帧中生命周期结束的属于某一环网节点的位流数据截除操作，实现的生命周期结束数据擦除的黑板数据擦除过程；

f、采用自发数据同时双向转发，并在重合的环网节点上将该自发数据位流从转发帧中截除操作，实现的双向转发、重合擦除的黑板数据擦除过程。

其中：所述hardcnet链路层，链路数据帧格式，即子数据黑板数据结构。

所述hardcnet链路层，环网节点将发送缓存中的自主性发送的数据比特位流，通过采用“汇流转发，错期发新”的机制实现的，向环网相邻节点，自主、平等的发送数据写黑板过程。

通过在环网节点转发数据时，本节点将自发数据按照比特位流的方式，无缝隙衔接到转发数据位流尾部，与转发帧同步尾字段之前，构成新的完整的转发数据帧，按照原转发方向连续转发的“汇流转发”过程。

本地节点自发数据在等待子数据黑板做“汇流转发”时，即将导致“同步错期”时，被该节点作为新的转发数据即新分布式子数据黑板，直接向环网物理层发送的“错期发新”过程。

其中：所述“错期发新”是指，网络节点在等待转发数据去做“汇流转发”操作时，等待时间超过了为保证控制周期准确而设定的最小设定的等待时间，必须直接将自发数据，当作新的转发数据向网络双向转发的操作。在hardcnet链路层，环网节点将接收到的环网上其他节点的自发数据，向比特位流传输原方向上做物理层转发，从而实现向环网相邻节点，转发其他网络节点数据的数据黑板传递维持的过程。

在hardcnet链路层，网络节点通过将共享地址池中记录的其它网络节点地址，分别和被其接收到的转发数据中各节点自发数据段中所含地址信息进行匹配，再将接收到的转发数据中地址匹配成功的节点的自发数据比特位流，备份到本节点接收缓存中，实现从环网上自主备份所转发数据的读和分享黑板的过程。

在hardcnet链路层，通过在网络节点自主发送的数据中设置最大转发次数，也即生命周期mtc字段，并使mtc每转发一次减1，且减为0时，转发节点将该数据位流从转发数据中截除，从而实现的生命周期结束数据擦除的黑板数据的擦除。

在hardcnet链路层，环网节点将自发数据在环网拓扑相反两个方向上同时转发，并在转发重合的环网节点处，将其从转发数据中截除，从而实现的双向转发、重合擦除的黑板数据的擦除。

在hardcnet链路层，环网节点通过在自发数据中设置发送次序编号，在内存区设立与共享地址池中地址对应的自发数据的发送次序存储表，并对双向转发数据中共享的自发数据的发送次序编号，与发送次序存储表中次序编号做匹配，不匹配则更新次序存储表，匹配则判别为转发重合的过程。

本发明的黑板共享方式的分布式控制网bsr链路控制方法，具有如下有益效果：

本发明采用黑板模式进行信息传递的方式，是多智能体自动控制理论中，多智能体或控制器之间实现协作数据共享与同步的典型的方式。采用本发明实现的控制网链路层，辅以标准成熟的工业以太网物理层技术手段，将相邻控制器或多智能体设备手拉手的连接，使其形成一个环形结构的控制网。而作为环网节点的控制器或智能体设备所发送的自主数据，也即自发数据，被沿着环网节点上依次转发，而成为网络节点的共享数据，也即转发数据。转发数据被需要它并转发它的网络节点备份读取，就是对协同数据的共享。使得每一帧转发数据被实现成辗转在环网节点上的某一个子数据黑板，整个环网连同转发数据被实现成一个全数据结构黑板。该黑板数据系统所记录数据在生命周期结束后要擦除。

这种黑板模式的环形控制网链路机制，对于先进的dcs控制系统，尤其是多智能体控制系统来说，是对其控制器或智能体设备自主发送数据，自主共享外界数据，实现传输时间确定性，分布式的网络带宽及收发缓存资源利用的高效性的数据交互需求的一种客观而恰当的技术实践。采用本发明实现的环网链路技术，目前已经在核电安全级dcs控制系统、配电系统网络式自愈保护等关键系统控制网络中得到应用，它解决了系统的复杂控制数据的传输要求，保证了先进控制策略的实施，得到用户的认可，今后必将在自动控制系统中，大型dcs系统，尤其是多智能体智能控制系统中得到广泛应用。

附图说明

图1为本发明实施例环形结构控制网络结构示意图；

图2为本发明实施例控制网链路数据传输机制示意图；

图3为本发明实施例控制网的子数据黑板结构示意图；

图4为本发明实现的环网节点数据“汇流转发”方式的黑板写入方法示意图；

图5为本发明实现的环网节点数据“同步错期”方式的黑板写入方法示意图；

图6为本发明的环网黑板数据读取的方法示意图；

图7为本发明的生命周期结束的黑板数据擦除方法示意图；

图8为本发明的双向转发、重合擦除的黑板擦除方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明作进一步详细的说明。

本发明的核心思想在于：为了实现本发明黑板共享方式的分布式控制网bsr链路控制方法：

首先，采用了控制系统环形控制网hardcnet链路层技术，辅以标准的工业以太网物理层技术，将相邻控制器或智能体设备首尾相连(即手拉手连接)，组成环形结构的控制网络。

其次，为了实现环网节点数据黑板写入，在环形控制网链路层上，任意控制器节点，采用“汇流转发，错期发新”的机制，从而不受其他节点约束的使用所连接的相邻环网物理层，也即是自主、平等性的，向网络物理层发送自身数据，该数据也被称作“自发数据”，该发送操作正是黑板写入操作。“汇流转发，错期发新”机制的自发数据的黑板写入操作包括如下操作：

其一，汇流转发，即自发数据汇入转发数据的子数据黑板写入操作。在环网节点转发数据时，也即是传递子数据黑板时，将本节点发送缓存中的自发数据，按照比特位流的方式，无缝隙衔接到转发数据位流尾部，和转发帧同步尾字段之前，构成新的完整的转发数据帧，按照原转发方向连续转发，实现在子黑板上的写入操作。

其二，错期发新，错期是指同步错期，发新是指自发数据成为新子数据黑板的写入操作。自发数据在等待转发数据，也即子数据黑板时，导致“同步错期”，将被该节点当作新的转发数据，也即新子数据黑板，直接向环网物理层发送。

其三，同步错期，即任何环网节点自发数据延迟发送时间，超过了为保证控制周期确定性要求而设立的周期同步偏差临界限值后，所处的发送状态。该周期同步偏差临界限值设定范围公式：

δtmin(最小帧间隔)＜δt(临界限值)＜δtmax(容许周期偏差)

其中，δtmin表示环网上两帧之间最小的时间间隔，δtmax表示节点上控制数据发送周期所容许的最大误差，取发送周期的1‰。

再次，实现子数据黑板传递和维持的方法。环形控制网链路层，环网节点将接收到的环网上含有其他节点的自发数据的子数据黑板，以数据比特位流方式沿原转发方向环网物理层转发，该子数据黑板也被称作“转发数据”，该过程正是黑板数据传递和维持的方法。

第四，实现黑板数据读取或共享的方法。环形控制网链路层，网络节点采用黑板数据节点地址匹配机制，将接收到的子黑板数据中地址匹配成功的节点的自发数据比特位流，备份到本节点接收缓存中，从而实现的黑板数据读取或共享方法。该方法中还含有以下两个环节：

其一，本节点设置内存区，将要共享的其他节点数据的节点地址给予存储，从而实现的共享节点地址池方法。

其二，本节点在接收到子黑板数据时，将黑板数据中每一个自发数据的节点地址，分别与共享地址池中的每一个地址进行比较，地址相同的认为匹配上，从而实现的黑板数据节点地址匹配机制。

第五，实现黑板数据擦除的方法。在环形控制网链路层，网络节点将子数据黑板中，也即是转发数据中，将过期的节点自发数据对应的比特位流从转发帧比特位流中截除，之后形成新的转发数据帧转发，实现的黑板数据擦除操作方法。黑板数据擦除包含两种方式：

其一，生命周期结束的数据擦除。网络节点在自主发送的数据中设置最大转发次数，也即生命周期mtc字段，并使mtc每转发一次减1，在mtc减为0时，判定生命周期结束，转发节点立即将该数据位流从转发数据中截除，截除后的数据位流形成新的转发数据，也即新的子数据黑板。

其二，双向转发、重合擦除。环网节点在自发数据中设置发送次序编号字段，并将自发数据在环网物理拓扑相反两个方向上同时转发。同时，环网其它节点在本地设置与共享节点地址对应的发送次序编号表，并将双向收到的子数据黑板中，也即转发数据中，每一个共享节点对应的自发数据的发送次序编码，与该发送次序编号表表记录的发送次序编号做比较，相同的认为重合，不相同则用新的发送次序编号给予更新。对于重合的转发数据，转发节点立即将该数据位流从转发数据中截除，截除后的数据位流形成新的转发数据，也即新的子数据黑板。

最后，子数据黑板数据结构。环形控制网链路层，由环网节点自发数据长度字段、fc域、节点地址字段、生命周期字段、自发次序编号字段、自发应用数据字段，和crc字段组成的自发数据；以及由链路帧同步头字段、多个节点的以比特位衔接的自发数据、和链路帧同步尾字段组成的转发数据帧格式及数据，即是子数据黑板结构。

图1为本发明实施例环形结构控制网络结构示意图。

如图1所示，该环形结构控制网络，包括如下环节：

1、控制网的物理层直接采用标准工业以太网物理层协议，如图中①所标识的采用100/1000mbps电缆或光纤、phy芯片技术的物理层传输介质；

2、控制器采用asic芯片或fpga芯片，如图中②所标识，实现本发明的黑板模式的环形控制网hardcnet链路层机制。这样的芯片统称hardcnet控制器，提供双物理层接口接入能力；

3、控制器采用的hardcnet控制器以及双物理层接口，无重复的与相邻控制器手拉手相连接，使所有控制器构成一个环形链接，实现一个环形的控制网，并在环路内部实现正反双向双环数据传输。

图2为本发明实施例控制网链路数据传输机制示意图。

如图2所示，该控制网链路数据传输机制，包括以下环节：

1、图中①②标识在环网物理链路上传递并存在的所有子数据黑板，亦即转发数据。

2、通过③标识的左侧phy芯片，并采用⑤标识的位流接收操作，将⑥标识的子黑板数据，转发到到hardcnet链路上。

3、通过⑦标识的自发数据汇流转发操作，将⑩标识的链路层发送缓存区的自主数据，向子数据黑板做汇流转发操作。

4、通过⑧标识的转发数据读取共享操作，将本地需要的转发数据读取存储到⑨标识链路层接收缓存区。

5、通过⑩标识的位流转发操作，将汇入自发数据后的的子数据黑板，向右侧的phy芯片转发。

图3为本发明实施例控制网的子数据黑板结构示意图。

如图3所示，该控制网的子数据黑板结构，具体包括以下环节：

1、子黑板数据结构采用任意个自发数据依次无缝衔接到转发数据末尾的方式，从而生成弹性集总帧方式组织和转发自发数据；

2、弹性集总帧共用同步帧头及同步帧尾；

3、自发数据由le、fc、地址、seq、mtc、控制数据、crc组成，具体如下：

le字段：长度为2bytes，指自发数据的第一个le字段至crc字段全部字节数；

fc域字段：长度为1bytes，指自发数据传输控制字节

目标地址字段：长度为1bytes，指自发数据目的环网控制器节点地址源地址字段：长度为1bytes，指自发数据所属的环网控制器节点地址

mtc字段：长度为1bytes，指自发数据最大转发次数；

seq字段：长度为2bytes，指本自发数据发送次序；

crc字段：长度为4bytes，指计算le至crc字段全部字节crc值；

数据字段：指存储本地自主发送控制数据，长度为le。

图4为本发明实现的环网节点数据“汇流转发”方式的黑板写入方法示意图。

如图4所示，该环网节点数据汇流转发方式的黑板写入方法，包括以下步骤：

步骤41：当hardcnet控制器收到子数据黑板时，且本地有自发数据时，采用汇流转发方式，将自发数据写入子数据黑板；

步骤42：所采用的汇流转发方式即是：将由自主数据汇流生成的数据(即②标识的自发数据)，按照每一数据字节对应的比特位，按位连续的衔接，在自发数据比特位流(即③标识的转发数据)的最后一比特位之后，以及同步尾位流之前的，自主数据汇流生成的数据(即②标识的自发数据)位流处，形成新的转发数据帧，也即新的子数据黑板，向物理层做位流转发。

图5为本发明实现的环网节点数据“同步错期”方式的黑板写入方法示意图。

如图5所示，该环网节点数据同步错期方式的黑板写入方法，包括以下步骤：

步骤51：当hardcnet控制器，没检测到子数据黑板时，且本地自发数据面临同步错期，则采用同步错期方式，将自发数据写入子数据黑板；

步骤52：所采用的同步错期转发方式即是：将①标识的同步错期自发数据，按照每一数据字节对应的比特位，占据②标识的自发数据位流处，形成独立的转发数据帧，也即新的子数据黑板，向物理层做位流转发。

图6为本发明的环网黑板数据读取的方法示意图；

如图6所示，该环网黑板数据读取的方法，包括如下步骤：

步骤61：当hardcnet控制器收到子数据黑板后，对所有如①③标识的自发数据的地址字段，做共享地址池地址匹配操作；

步骤62：对于地址匹配的①标识的转发数据，进行位流备份操作，并存储于②标识的hardcnet控制器接收缓存中，从而实现需要的数据共享备份，完成黑板的读。

图7为本发明的生命周期结束的黑板数据擦除方法示意图。

如图7所示，该生命周期结束的黑板数据擦除方法，包括如下步骤：

步骤71：hardcnet控制器，对子数据黑板中任意自发数据中所含④标识的mtc字段，均做mtc数值做减1处理，计算等于0后，该自发数据被判断为生命周期结束。

步骤72：生命周期结束后，由②标识的剪切环节，将①标识的生命周期结束的转发数据，从子数据黑板中剪切，并将⑤⑥标识的转发数据按比特位流衔接，生成新的子数据黑板向物理层转发，从而实现自发数据黑板的擦出工作。

图8为本发明的双向转发、重合擦除的黑板擦除方法示意图。

如图8所示，该双向转发、重合擦除的黑板擦除方法，包括如下步骤：

步骤81：hardcnet控制器，对子数据黑板中任意自发数据中所含⑤标识的地址字段作共享地址匹配；

步骤82：hardcnet控制器，对子数据黑板中任意自发数据中所含⑤标识的地址字段作发送序号做匹配，相等则匹配正确，否则用新的seq字段更新存储发送次序记录；

步骤83：对于共享地址匹配、发送序号做匹配成功的①标识的转发数据，做②标识的剪切操作，并对⑥⑦标识的转发数据按比特位流衔接，生成新的子数据黑板向物理层转发，从而实现自数据黑板的擦出工作；

最后，可见本发明先进性，实现了节点自主、平等、共享、传输时间确定性、分布式的网络带宽及收发缓存资源利用的高效性特点的控制数据交互。为大型控制系统，dcs系统，尤其是多智能体控制系统，实施复杂先进的控制策略，提供了有力支持。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。