一种时间触发以太网通信任务离线调度优化方法与流程

本发明属于机载网络通信技术领域，涉及一种通信任务离线调度优化方法。

背景技术：

由时间触发以太网通信原理可知，在全局统一时间基准下，根据预先设定的通信任务调度表进行有序通信和数据传输。因此，通信任务调度优化算法性能也是影响时间触发以太网通信性能的重要因素。时间触发以太网采用的是交换网结构，网络节点的拓扑关系不像总线式网络一样简单、固定，时间触发以太网的通信任务调度需要同时考虑时间和链路的使用情况，变成一个多维优化问题。除了解决资源冲突外，还要注意通信路径和资源利用率等问题，给通信任务调度问题的建模和求解增大了复杂性和难度。网络通信任务调度问题属于资源受限的项目调度优化问题，本身就是一类难以求解的优化问题，其中还涉及很多约束条件，如链路传输延迟的影响以及并发通信任务的资源冲突等，求解难度更大。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种时间触发以太网通信任务离线调度优化方法，以解决交换式时间触发以太网通信任务离线调度问题。

一种时间触发以太网通信任务离线调度优化方法，其特征在于，包含以下步骤：

s1.初始化设置：根据网络拓扑结构、数据帧信息(帧长度、通信周期、链路传输过程和时序约束条件等)和调度时间单位τ，确定通信任务的集群周期c，物理传输链路数量nl，然后完成以下初始化操作：

生成行数为2×nl，列数为c/τ，初值为0的二维矩阵，称为资源调度矩阵，所述资源调度矩阵每一行对应一个物理传输链路的一个传输方向，所述资源调度矩阵每一列按照先后顺序依次对应集群周期内按照调度时间单位划分的时间片段；

将第i个数据帧(1≤i≤nd，nd为数据帧个数)表征为行数为2×nl，列数为初值为0的二维矩阵，称为消息矩阵，其中，ti为第i个数据帧的发送周期，为第i个数据帧自发送节点到目的节点的传输过程占用的调度时间单位个数；在一个集群周期内，将第i个数据帧的起始发送时刻对应至所述消息矩阵第1列，按照相对时间不变的原则，依次将第i个数据帧传输过程中所占用的链路传输方向和时刻对应的所述消息矩阵元素值置为1；

s2.建立优化目标：假设第i个数据帧(1≤i≤nd，nd为数据帧个数)的起始发送时间相对于集群周期起始时刻的偏移量为φi，其取值范围为区间内的整数，判断以下约束条件是否满足：

根据数据帧起始发送时间相对于集群周期起始时刻的偏移量，判断存在时序约束关系的数据帧是否满足时序约束条件；

根据数据帧的起始发送时间相对于集群周期起始时刻的偏移量和所述消息矩阵，依次将数据帧的所述消息矩阵累加至所述资源调度矩阵，具体方法如下：对于第i个数据帧(1≤i≤nd)，将第i个数据帧对应的所述消息矩阵，累加至所述资源调度矩阵的第φi列至第列；以此类推，将所有数据帧的所述消息矩阵累加至所述资源调度矩阵；计算完成后，判断所述资源调度矩阵每个元素的数值是否大于1，若存在元素值大于1的情况表示数据帧传输过程中存在链路冲突，不满足链路冲突约束条件；

s3.离线调度优化问题求解：以数据帧的起始发送时间相对于集群周期起始时刻的偏移量为待求解变量，以数据帧时序约束和链路冲突约束为优化目标，选取合适的优化方法求解时间触发以太网通信任务离线调度问题。

可选的，所述步骤s1中所述的数据帧自发送节点到目的节点的传输过程占用的调度时间单位个数的具体计算方法如下：认为数据帧的物理链路传输过程在时间上是连续的，没有物理链路等待时间，数据帧自起始发送节点发送后，到达对应交换节点后可直接进行转发，直到数据帧最后到达目的节点，将数据帧传输过程中每个物理链路传输所占用的调度时间单位个数相加结果作为所述的数据帧自发送节点到目的节点的传输过程占用的调度时间单位个数。

本发明采用以上技术方案即可求解交换式时间触发以太网的通信任务离线调度优化问题，提出了将交换式网络通信任务离线调度问题转化为时间-链路二维空间下的数据帧组合排列问题的求解思路，以数据帧起始节点的发送时间偏移量为待求解变量，将数据帧的时间和链路传输过程固定，简化系统中发送时间、链路冲突、传输时序等约束条件，降低了问题的求解复杂程度和难度。本发明所提出的时间触发以太网通信任务离线调度优化方法具有简化问题求解难度、易于实现、提高效率等优点。

附图说明

图1：本发明的原理示意图。

图2：时间触发以太网系统示例。

图3：调度结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明，此处所说明的方案只用来提供对本发明的进一步理解，为本申请的一部分，不构成对本发明方案的限定。

为便于理解时间触发以太网通信任务调度优化问题，此处以图2所示时间触发以太网原型系统为例，介绍一下时间触发消息的通信任务需求及优化问题。

s1.初始化设置：假设系统中存在如表1所示的时间触发通信数据帧，其通信周期、起始节点、目的节点、通信链路、帧长、实时性要求均已给出。根据网络拓扑结构、数据帧信息(帧长度、通信周期、链路传输过程和时序约束条件等)，确定调度任务的集群周期c＝20ms，物理传输链路数量nl＝7和调度时间单位τ＝0.1ms。

表1通信任务列表

生成初始值为零，行数为14，列数为200的资源调度矩阵；

生成消息矩阵，下面分别以数据帧m1、m4、m11为例介绍消息矩阵实现过程中的注意细节：首先，对于数据帧m1，由其起始节点和目的节点可知则其消息矩阵行数为14，列数为153，则其可由式(1)表示(仅列出了元素值非0的行和列)；对于数据帧m4，由于其数据帧长度较大，一个物理传输链路需要占用2个调度时间单位，一共有3个物理传输链路，因此总的传输过程需要6个调度时间单位，为此，则其消息矩阵行数为14，列数为6，可由(2)表示(仅列出了元素值非0的行)；对于数据帧m11，其是一个多播数据帧，在消息矩阵表征时可由式(3)表示(仅列出了元素值非0的行和列)；

s2.建立优化目标：数据帧的起始发送时间相对于集群周期起始时刻的偏移量是待求解变量，由优化算法给出，其初始值可以随机给定或人为设定，假设初值已确定，则判断以下约束条件是否满足：

根据数据帧起始发送时刻，判断存在时序约束关系的数据帧是否满足时序约束条件；

根据数据帧的起始发送时间相对于集群周期起始时刻的偏移量和所述消息矩阵，依次将数据帧的消息矩阵累加至资源调度矩阵，以数据帧m1为例，其起始发送时间相对于集群周期起始时刻的偏移量φ1的取值范围为[0,46]范围内的整数，不失一般性地假设φ1＝5，则将消息m1的消息矩阵加至资源调度矩阵的第5列至157列；以此类推，将所有数据帧的消息矩阵累加至资源调度矩阵；计算完成后，判断资源调度矩阵每个元素的数值是否大于1，若存在元素值大于1的情况表示数据帧传输过程中存在链路冲突，不满足链路冲突约束条件；

s3.离线调度优化问题求解：以数据帧的起始发送时间相对于集群周期起始时刻的偏移量为待求解变量，以数据帧时序约束和链路冲突约束为优化目标，选取合适的优化方法求解时间触发以太网通信任务离线调度问题。

此处选取对组合优化问题求解能力较强的和声搜索算法进行求解，和声搜索算法属于智能随机搜索算法，对于组合优化问题具有求解能力强、收敛速度快、优化精度高等优势。针对时间触发以太网通信任务调度优化问题，将每个消息的偏移量组成的向量设置为和声的组合参数，每个维度的搜索空间由其对应的消息发送时间约束范围决定。将链路资源约束和通信任务时序约束的判断结果按照惩罚函数的形式作为优化目标。利用上述方法即可实现交换式时间触发以太网的通信任务离线调度优化，图3是一种调度结果的示意，图3中矩阵内数字表示数据帧的数字序号。