CN110689262A - 天基信息系统任务调度方法、装置和电子设备 - Google Patents

天基信息系统任务调度方法、装置和电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种天基信息系统任务调度方法、装置和电子设备；其中，该方法包括：获取目标任务以及目标任务的任务约束条件和时间约束条件；构建目标任务对应的有向无环任务调度模型；确定天基信息系统当前的可用资源集；确定目标任务的可执行时间，并根据可执行时间从可用资源集中选择目标任务对应的资源；通过选择的资源对目标任务按照有向无环任务调度模型进行调度。该方法根据目标任务、任务约束条件、时间约束条件构建有向无环任务调度模型，确定目标任务的可执行时间后从可用资源集中选择对应的资源，根据该资源对目标任务按照有向无环任务调度模型进行调度，可以提高任务调度系统的灵活性，促进天基信息系统的资源整合和作战应用。

Description

天基信息系统任务调度方法、装置和电子设备
技术领域
本发明涉及信号传输技术领域，尤其是涉及一种天基信息系统任务调度方法、装置和电子设备。
背景技术
相关技术中，在天基信息系统中一般采用独立任务调度的方法，即针对一个任务采用独立的调度计划，然而这种调度方法难以有效地描述任务之间的约束关系，无法解决多个具有约束关系的多样化任务构成的复合任务调度问题，导致调度系统的灵活性较差，并且天基信息系统的资源整合能力较差。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种天基信息系统任务调度方法、装置和电子设备，以提高任务调度系统的灵活性，促进天基信息系统的资源整合和作战应用。
第一方面，本发明实施例提供了一种天基信息系统任务调度方法，应用于天基信息系统，包括：获取目标任务以及目标任务的任务约束条件和时间约束条件；根据目标任务、任务约束条件、时间约束条件构建目标任务对应的有向无环任务调度模型；有向无环任务调度模型包括有效路径搜索、异类队列构建和并行活动选择；确定天基信息系统当前的可用资源集；基于目标任务、任务约束条件、时间约束条件和可用资源集确定目标任务的可执行时间，并根据可执行时间从可用资源集中选择目标任务对应的资源；通过选择的资源对目标任务按照有向无环任务调度模型进行调度。
在本发明较佳的实施例中，上述目标任务包括多个活动事项；任务约束条件包括每个活动事项的需求类型；上述根据目标任务、任务约束条件、时间约束条件构建目标任务对应的有向无环任务调度模型的步骤，包括：确定目标任务对应的多个有效路径；按照每个活动事项对应的需求类型构建有效路径中的异类队列；根据时间约束条件确定每个活动事项的向上权值；根据向上权值选择异类队列的活动并行关系；将活动并行关系选择后的异类队列作为目标任务对应的有向无环任务调度模型。
在本发明较佳的实施例中，上述确定目标任务对应的多个有效路径的步骤，包括：确定目标任务的每个活动事项的入度和出度；将入度为0或出度为0的活动事项作为有效路径的端点；从端点中选择两个端点作为有效路径的起点和终点，得到一个有效路径。
在本发明较佳的实施例中，上述按照每个活动事项对应的需求类型构建有效路径中的异类队列的步骤，包括：从多个需求类型中选择一个目标需求类型；将目标需求类型对应的多个活动事项构建为一个异类队列。
在本发明较佳的实施例中，上述根据向上权值选择异类队列的活动并行关系的步骤，包括：将向上权值由大到小排序，得到排序结果；根据排序结果依次选择向上权值对应的活动事项的并行关系。
在本发明较佳的实施例中，上述可执行时间包括：最早开始时间和最早完成时间；上述基于目标任务、任务约束条件、时间约束条件和可用资源集确定目标任务的可执行时间，并根据可执行时间从可用资源集中选择目标任务对应的资源的步骤，包括：根据时间约束条件构建资源的可用时间区间集合、资源对目标任务包括的活动事项的可见时间窗口集合，以及资源对活动事项的可服务区间集合；根据任务约束条件和时间约束条件确定目标任务的最早开始时间和最早完成时间；根据可用时间区间集合、可见时间窗口集合、可服务区间集合、最早开始时间和最早完成时间选择活动事项对应的资源。
在本发明较佳的实施例中，上述根据可用时间区间集合、可见时间窗口集合、可服务区间集合、最早开始时间和最早完成时间选择活动事项对应的资源的步骤，包括：根据可用时间区间集合、可见时间窗口集合和可服务区间集合确定可用资源集中可执行活动事项的资源集合；根据最早开始时间和最早完成时间确定资源集合中每一个资源完成活动事项的时间；将完成活动事项的时间最早的资源作为活动事项对应的资源。
第二方面，本发明实施例还提供一种天基信息系统任务调度装置，应用于天基信息系统，包括：任务获取模块，用于获取目标任务以及目标任务的任务约束条件和时间约束条件；模型构建模块，用于根据目标任务、任务约束条件、时间约束条件构建目标任务对应的有向无环任务调度模型；有向无环任务调度模型包括有效路径搜索、异类队列构建和并行活动选择；可用资源模块，用于确定天基信息系统当前的可用资源集；资源选择模块，用于基于目标任务、任务约束条件、时间约束条件和可用资源集确定目标任务的可执行时间，并根据可执行时间从可用资源集中选择目标任务对应的资源；任务调度模块，用于通过选择的资源对目标任务按照有向无环任务调度模型进行调度。
第三方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括处理器和存储器，存储器存储有能够被处理器执行的计算机可执行指令，处理器执行计算机可执行指令以实现上述天基信息系统任务调度方法的步骤。
第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质该计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令在被处理器调用和执行时，计算机可执行指令促使处理器实现上述天基信息系统任务调度方法的步骤。
本发明实施例带来了以下有益效果：
本发明实施例提供的天基信息系统任务调度方法、装置和电子设备，根据目标任务、任务约束条件、时间约束条件构建有向无环任务调度模型，确定目标任务的可执行时间后从可用资源集中选择对应的资源，根据该资源对目标任务按照有向无环任务调度模型进行调度，可以提高任务调度系统的灵活性，促进天基信息系统的资源整合和作战应用。
本公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本公开的上述技术即可得知。
为使本公开的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种天基信息系统任务调度方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的另一种天基信息系统任务调度方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的一种有向无环任务图；
图4为本发明实施例提供的一种天基信息系统任务调度方法的流程示意图；
图5为本发明实施例提供的一种天基信息系统任务调度装置的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
天基信息系统是联合作战行动中天基信息支援服务的提供者，主要包括天基侦察系统、天基预警系统、卫星通信系统、卫星导航系统、卫星中继系统等不同功能、不同类型的系统资源。随着各类作战行动对天基信息的依赖性将越来越强，天基信息系统所执行的任务也日趋复杂。而相比之下作为信息支援服务提供者的天基信息系统，其可用资源却是有限的。面对作战进程中大量随机到来的可能存在潜在冲突的任务需求时，天基信息系统如何合理而有效地应对，是其能否高效完成任务的关键。开展天基信息系统任务调度方法研究，解决如何在多任务需求下有效地调度系统资源，将任务合理地分配给它们，以充分利用星上和地面有限资源，为更多的地面作战力量提供所需服务，是提高天基信息系统作战效能，保证作战进程顺利推进的客观要求。
当前天基信息系统任务调度技术研究集中存在于天基信息获取系统和天基信息传输系统，且多为功能类型单一系统的独立任务调度。天基信息获取系统的任务调度主要包括光学侦察卫星、电子侦察卫星、雷达成像卫星、遥感卫星、海洋监视卫星等对地观测卫星系统的任务调度，以及预警卫星系统任务调度，研究的核心问题在于：在卫星数量固定、传感器能力有限，而任务之间存在冲突的情况下，如何合理地制定任务的执行顺序以及其与资源、时间的对应关系，从而排除不同任务之间的冲突，并最大化满足用户的需求。在模型方面，天基信息获取系统任务调度主要采用CSP(Constraint Satisfaction Problem，约束满足问题模型)来描述。约束满足问题是任务规划研究的核心问题之一。约束满足问题的任务就是在各变量的值域范围内，为所有变量找到一个赋值，使其尽量满足所有约束。模型求解方面，天基信息获取系统任务调度的求解原理是按照一定的算法在解空间搜索，所采用的算法从本质上可分为：完全搜索算法、规则启发式搜索算法、随机搜索算法三大类。目前，天基信息传输系统的任务调度研究主要集中于中继卫星系统的任务调度。中继卫星系统任务调度就是由地面管控系统为数据中继任务合理地分配卫星资源及执行时间，以尽可能满足用户服务需求，提高任务成功率与资源利用率。天基信息传输系统的任务调度所采用的思路与天基信息获取系统任务调度比较相似，即考虑可见时间窗口、用户任务属性、前向资源受限等对卫星约束条件进行抽象，建立恰当的任务规划模型(最常用的为约束满足模型)，并采用非完全搜索算法(启发式搜索算法或随机搜索算法)进行求解。
目前，现有天基信息获取系统和天基信息传输系统的任务调度问题研究思路，在单一功能卫星系统的独立任务调度研究中较为适用，但应用于天基信息系统任务调度研究则存在一定的局限性，体现在：一是对于由多个具有约束关系的多样化子任务构成的复合任务，其调度过程不仅需要为每个子任务生成满足其自身约束条件的执行计划，还要保证子任务之间的所有约束关系(资源约束和时间约束)得到满足；二是需要调度多种类型、不同功能的系统资源。当前，普遍的研究思路大多针对独立任务调度问题，所建立的模型难以有效地描述子任务之间的约束关系，尤其当不同具有时间约束和冲突的子任务对异构资源类型具有不同需求时，针对这些资源类型所建立的调度模型之间如何协调是一个难以解决的问题，会导致调度系统的灵活性较差，并且天基信息系统的资源整合能力较差。基于此，本发明实施例提供的一种天基信息系统任务调度方法、装置和电子设备，该技术应用于信号传输的技术领域，采用有向无环图任务调度领域的有效方法，尤其可以适用于异构资源和时间约束条件下的天基信息系统任务调度方法。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种天基信息系统任务调度方法进行详细介绍。
实施例1
参见图1所示的一种天基信息系统任务调度方法的流程图，该方法应用于天基信息系统，包括如下步骤：
步骤S102，获取目标任务以及目标任务的任务约束条件和时间约束条件。
目标任务是指待调度的任务，目标任务可以是目标观测、卫星通信、数据中继、导航定位等多样化的天基信息支援任务。目标任务的任务约束条件是任务使用资源的约束关系，例如：任务A需要类型为X的资源才可以使用。目标任务的时间约束是指时间上的约束关系。例如：任务A需要在任务B之后进行，任务A需要在某一时刻进行等。
步骤S104，根据目标任务、任务约束条件、时间约束条件构建目标任务对应的有向无环任务调度模型；该有向无环任务调度模型包括有效路径搜索、异类队列构建和并行活动选择。
有向无环任务调度模型是指基于有向无环图(Directed acyclic graph，DAG)的任务调度模型，DAG指的是一个无回路的有向图。将目标任务的所有活动事项组成一个DAG，然后根据DAG构建对应的模型，该模型就是有向无环任务调度模型。组成DAG的过程包括：有效路径搜索、异类队列构建和并行活动选择。有效路径搜索就是画出DAG的所有有效路径，异类队列构建是指在有效路径的基础上构建异类队列，并行活动选择指的是在每一条异类队列中的活动事项进行并行排序。
步骤S106，确定天基信息系统当前的可用资源集。
可用资源集是指是指天基信息系统中所有可以执行任务的资源的集合，对于一个目标任务，需要从可用资源集中挑选合适的资源以执行该目标任务。
步骤S108，基于目标任务、任务约束条件、时间约束条件和可用资源集确定目标任务的可执行时间，并根据该可执行时间从可用资源集中选择目标任务对应的资源。
目标任务的可执行时间是指一个任务执行该目标任务所需要的时间，可执行时间由任务约束条件、时间约束条件确定。资源集的不同资源对应该目标任务的可执行时间可能存在不同，即不同资源执行同样任务的时间并不相同。因此需要选择合适的目标任务对应的资源以执行该目标任务，以减少该可执行时间。
步骤S110，通过选择的资源对目标任务按照有向无环任务调度模型进行调度。
步骤S108已经从可用资源集中选择了目标任务对应的资源，使用该资源执行目标任务，执行的依据是步骤S104构建的有向无环任务调度模型。
本发明实施例提供的一种天基信息系统任务调度方法，根据目标任务、任务约束条件、时间约束条件构建有向无环任务调度模型，确定目标任务的可执行时间后从可用资源集中选择对应的资源，根据该资源对目标任务按照有向无环任务调度模型进行调度，可以提高任务调度系统的灵活性，促进天基信息系统的资源整合和作战应用。
实施例2
本发明实施例还提供另一种天基信息系统任务调度方法；该方法在上述实施例方法的基础上实现；该方法重点描述根据目标任务、任务约束条件、时间约束条件构建目标任务对应的有向无环任务调度模型的具体实现方式。
如图2所示的另一种天基信息系统任务调度方法的流程图，该方法包括如下步骤：
步骤S202，获取目标任务以及目标任务的任务约束条件和时间约束条件。该目标任务包括多个活动事项，该任务约束条件包括每个活动事项的需求类型。
任务约束条件也可以称作异构资源条件，体现在：1)组成复合任务的每个活动都具有特定的功能需求，而天基信息系统内的资源具有固定的功能类型，资源能够执行活动首先必须满足：资源的功能类型可以匹配活动的功能需求，上述功能需求也就是需求类型；2)要使活动执行成功必须完成相应的任务量，而资源自身的能力是有限的，在条件1)的前提下，资源能够执行活动还必须满足：资源当前能力必须高于活动所需的任务量。
时间约束条件也可以称作时间区间限制，体现在：1)在由作战行动所产生的任务需求，对于任务的完成时间通常规定了一定的完成期限，即截止期，因此任务中最后一个执行完成的活动的结束时间必须在截止期之前；2)资源具有特定的可用时间窗口限制，因此资源能够执行活动必须满足：活动的执行时段必须处于资源的可用时间窗口范围内；3)由于活动目标(或服务对象)与资源之间存在可见时间窗口限制，因此资源能够执行活动必须满足：活动的执行时段必须处于活动目标(或服务对象)与资源的可见时间窗口范围内。
基于上述特点，天基信息系统任务g的调度可以抽象为一个具有时间区间约束的异构资源条件下的DAG任务调度问题，描述如下：
(1)天基信息系统SS中共包含H(H≥1)个资源集合。其中，第h(1≤h≤H)个集合Rh中资源的数量为mh，资源功能类型为fh。
Figure BDA0002214969690000091
为Rh中的第k个资源，其当前能力为任务执行速率为
Figure BDA0002214969690000093
可用时间窗口为集合为AWk，状态切换时间为
Figure BDA0002214969690000094
(2)任务g可以用有向无环图G＝(V,E)来描述。其中，V＝{a1,a2,...,an}为组成g的活动事项，可以成为活动，E＝{ei,j|1≤i≤n,1≤j≤n,i≠j}为各活动之间的约束关系。其中，活动ai(1≤i≤n)的功能需求为pi，任务量为di，在任务需求中规定的完成期限为ELi。ai在资源
Figure BDA0002214969690000101
上的执行时间为
Figure BDA0002214969690000102
ai的目标与
Figure BDA0002214969690000103
的可见创建窗口集合为
Figure BDA0002214969690000104
(3)对g的调度需要完成：将a1,a2,...,an分配到资源r1,r2,...,rm上，满足：1)任意ai∈V均可找到可用资源，2)ei,j∈E任意均可以满足，3)最后一个活动的完成时间早于ELi。其中，资源
Figure BDA0002214969690000105
为活动ai的可用资源的条件为：1)fk与pi匹配，2)
Figure BDA0002214969690000106
3)AWk与的交叠区间长度大于
Figure BDA0002214969690000108
异构资源和时间约束条件下的DAG任务调度实现方法，是指构建异构资源条件对活动选择方法、时间区间约束对资源选择方法及任务调度实现算法，实现了具有时间窗口约束的异构资源天基信息系统任务调度。
天基信息系统是由多个资源子系统构成的体系，每种资源具有固定的功能类型，而作战行动是由多个具有约束关系的活动组成的流程，每个活动具有特定的功能需求。假设天基信息系统SS共包含H(H≥1)个资源子集R1,R2,...,RH，其中第h(1≤k≤mh)个集合Rh包含mh个资源，这些资源的功能类型为fh。
Figure BDA0002214969690000109
为Rh中的第k个资源，当前能力为活动执行速率为
Figure BDA00022149696900001011
作战任务g所对应的天基信息系统资源活动集gra的有向无环图表示为G＝(V,E)，其中活动集合V＝{a1,a2,...,an}，活动约束关系集合E＝{ej,l|1≤j≤n,1≤l≤n,j≠l}，任一活动aj(1≤j≤n)的需求类型为pj，任务量为dj。
要获得作战任务g对应的资源调度方案，首先应计算a1,a2,...,an的向上权值。算法中活动aj的向上权值为两部分数值相加，一是aj在各资源上的平均执行时间
Figure BDA00022149696900001012
二是aj到后继活动的平均通信时间
Figure BDA00022149696900001013
与后继活动的向上权值之和的最大值，故向上权值计算的核心在于活动执行时间及其与后继活动的通信时间。在天基信息系统中，活动的需求类型决定了其只能由功能类型匹配的资源执行，故若aj的需求类型pj与集合Rh中资源的功能类型fh匹配，则aj只能由Rh中的资源
Figure BDA0002214969690000111
执行。在此基础上，aj还具有任务量要求dj，而
Figure BDA0002214969690000112
能力
Figure BDA0002214969690000113
有限，而aj只能由
Figure BDA0002214969690000114
中能力大于dj的资源执行。假设满足上述需求类型和任务量要求的资源为
Figure BDA0002214969690000115
则aj的平均执行时间为其在
Figure BDA0002214969690000116
上的执行时间的平均值：
作为信息交互的桥梁，通信和数据中继资源是天基信息系统必不可少的组成部分，故信息传输本身就是作战任务中的一类活动，故在天基信息系统的服务资源调度中，活动向上权值的第二部分中将不包含活动之间的通信时间，则aj的向上权值为：
由于活动aj的需求类型pj与fh匹配，根据式(1-2)计算得到的向上权值，仅反映了所有需求类型同为pj的活动(同类活动)调度优先级，故DAG任务中的同类活动可以直接根据向上权值确定选择顺序。在作战任务中，活动需求类型通常不止一种，当多个需求类型不同的活动(异类活动)具有同一个直接后继时，根据式(1-2)的计算方法，它们的向上权值第二部分相同，而第一部分会由于可用资源类型不同而无法比较，故若在活动选择中无法确定它们的顺序。因此本方法在活动选择过程中采取并行选择的方法。
在一个DAG中，路径可描述为由多条连续有向边及这些边所连接的活动组成的集合。显然，同一条路径上的任意两个活动之间具有明确的顺序关系。如果一条路径同时包含一个入度为0的节点和一个出度为0的节点，则称该路径为DAG的一条有效路径。基于以上概念，在此给出与异构资源条件下与DAG调度任务活动有关两个定义：
定义1异类活动与同类活动在一个DAG任务内，若两个活动具有不同资源需求类型，则它们互为异类活动，反之为同类活动。很显然，在DAG调度任务中，异类活动在对系统资源的占用上不可能存在冲突。
定义2并行活动与非并行活动在一个DAG调度任务内，若两个活动不在同一条有效路径上，则它们互为并行活动，反之为非并行活动。很显然，并行活动之间不存在明确的顺序关系。
在上述定义的基础上，服务资源活动集gra中的任意两个活动aj与al之间有四种可能关系：①aj与al为同类非并行活动，②aj与al为同类并行活动，③aj与al为异类非并行活动，④aj与al为异类并行活动。其中，在关系①、②下，aj与al的调度顺序根据以式(1-2)计算的向上权值确定，在关系③下，aj与al必须符合所在有效路径的顺序，而在关系④下，aj与al既无明确顺序关系，又不可能存在资源占用冲突。因此，在这四种关系并存的异构资源条件下DAG调度任务中，活动选择可以采用并行方式，基本步骤包括：有效路径搜索、异类队列构建、活动并行选择。
步骤S204，确定目标任务对应的多个有效路径。
通过遍历当前DAG活动结构，找到其全部有效路径，并将路径的编号加入活动的特征，作为活动并行性的判断依据，可以通过以下步骤执行：确定目标任务的每个活动事项的入度和出度；将入度为0或出度为0的活动事项作为有效路径的端点；从端点中选择两个端点作为有效路径的起点和终点，得到一个有效路径。有效路径搜索的过程如表1所示。
表1有效路径搜索算法
如表1所示，有效路径搜索的基本思路是首先根据DAG调度任务内部活动的入度(直接前驱活动的数目)和出度(直接后继活动的数目)找到有效路径的端点(入度为0的节点和一个出度为0的节点)(过程P-1第1至11行)，而后找出已知端点的全部有效路径(过程P-1第12至20行)
步骤S206，按照每个活动事项对应的需求类型构建有效路径中的异类队列。
根据天基信息服务资源功能类型，建立对应各功能类型的活动队列，而后将所有活动按照需求类型与资源功能类型的匹配关系，放入相应的活动队列，这个活动队列就是异类队列。异类队列可以通过以下方式构建：从多个需求类型中选择一个目标需求类型；将目标需求类型对应的多个活动事项构建为一个异类队列。异类队列的构建过程如表2所示：
Figure BDA0002214969690000141
表2异类队列构建算法
如表2所示，异类队列构建的基本思路是：首先根据天基信息服务资源功能类型，建立对应各功能类型的初始化活动队列(过程P-2第1至5行)，其次按照需求类型与资源功能类型的匹配关系将待调度任务加入相应的活动队列(过程P-2第6至13行)，然后针对同一队列中的活动，故按照式(1-2)所计算的向上权值的高低进行排列，作为相同队列中活动选择顺序的依据(过程P-2第14至17行)。
步骤S208，根据时间约束条件确定每个活动事项的向上权值。
向上权值用来判断每个活动事项的重要程度，根据上文提到的式(1-2)所计算的向上权值，一个活动事项的向上权值越高，则该活动事项的优先度就越高，越需要优先调度。
步骤S210，根据向上权值选择异类队列的活动并行关系。
选择异类队列的活动并行关系，就是针对异类队列里的所有活动事项，为所有活动事项的顺序进行排序，可以通过以下步骤执行：将向上权值由大到小排序，得到排序结果；根据排序结果依次选择向上权值对应的活动事项的并行关系。并行关系的选择过程如表3所示：
Figure BDA0002214969690000151
表3并行关系选择算法
如表3所示，并行关系选择的基本思路是：从所有异类队列中选出向上权值最高的活动(过程P-3第1至4行)，通过有效路径匹配判断所选活动之间的并行关系(过程P-3第5至12行)，然后将其中的并行活动选出同步进入资源调度阶段(过程P-3第13至17行)，如过程P-3所示。
步骤S212，将活动并行关系选择后的异类队列作为目标任务对应的有向无环任务调度模型。
参见图3所示的一种有向无环任务图，图3为请求的天基信息系统任务活动DAG。图3中的每一个圆圈代表一个活动事项，图3中的活动事项的需求类型有地面目标观测、数据中继、态势评估、卫星通信和导航定位。作战任务天基信息系统任务具有的DAG特征如图3所示，但在任务调度方面与其他领域中的DAG任务相比，还存在明显的差异性，主要体现在任务内部各活动需要满足的条件更多，原因在于天基信息系统任务调度处于异构资源条件下，同时具有时间区间限制。
步骤S214，确定天基信息系统当前的可用资源集。
步骤S216，基于目标任务、任务约束条件、时间约束条件和可用资源集确定目标任务的可执行时间，并根据该可执行时间从可用资源集中选择目标任务对应的资源。
在活动选择完成后，进一步为所选出的活动分配合适的资源，主要以最早完成时间作为依据，即在所有能够支持活动执行的资源可用时间窗口中选择能够使活动最早完成的窗口。资源选择可以通过以下步骤执行：
(1)根据时间约束条件构建资源的可用时间区间集合、资源对目标任务包括的活动事项的可见时间窗口集合，以及资源对活动事项的可服务区间集合；(2)根据任务约束条件和时间约束条件确定目标任务的最早开始时间和最早完成时间；(3)根据可用时间区间集合、可见时间窗口集合、可服务区间集合、最早开始时间和最早完成时间选择活动事项对应的资源。
其中，可执行时间包括最早开始时间和最早完成时间，最早开始时间是指一个资源开始该活动事项的最早时间，最早完成时间是指一个资源完成该活动事项的最早时间。
活动aj在资源rk上的最早完成时间计算方法为：
EFT(aj,rk)＝ωj,k+EST(aj,rk) (1-3)
其中，ωj,k为aj在rk上的执行成本，EST(aj,rk)为aj在rk上的最早开始时间，可由下式递归计算：
其中，avail[rk]为rk的最早可用时间，pred(aj)为aj的直接前驱活动集合，AFT(al)为aj的某前驱活动al的实际完成时间，
Figure BDA0002214969690000172
为aj与al之间的平均通信时间。上式递归计算起点为任务的入口活动(记为aB)，则EST(aB,rk)＝0。
由式(1-4)可知，活动aj在资源rk上的最早完成时间为从aj在rk上的最早开始时间起算，加aj在rk上的执行时间，其中aj在rk上的最早开始时间取决于rk的最早可用时间和aj直接前驱活动完成时间(含数据传输时间)。
(1)活动的可执行时间
在本实施例中，除被已承担活动所占用的时段外，各资源均处于可用的空闲状态，故每个活动都有极大的可调度空间；而天基信息系统中的服务资源，受制于载荷能力，在整个任务调度周期期间无法保持恒定的可用状态，只能在一定的时间区间内发挥作用，这限制了活动的可调度空间。此外，不同于商业活动中的业务流程与分布式计算机系统中的工作流，在实际作战任务中，活动不仅仅是一种抽象操作，而是围绕切实存在于作战环境中的目标对象展开的任务(如对地观测活动的对象为具体的地面目标)，故活动对象与可用资源之间的可见时间窗口进一步限制了活动的可调度空间。因此，在对aj进行资源调度时，rk的最早可用时间将取决于rk可用时间区间和aj对象与rk的可见时间窗口。
假设与aj的类型需求匹配，且能够满足aj任务量要求的资源构成集合R′＝{r1,r2,...,rm′}，其中，第k个资源rk的可用时间区间集合为
Figure BDA0002214969690000173
其中第l个子区间为
Figure BDA0002214969690000174
Figure BDA0002214969690000181
而
Figure BDA0002214969690000182
和
Figure BDA0002214969690000183
分别为该子区间的开始时刻与结束时刻；rk对aj对象的可见时间窗口集合为
Figure BDA0002214969690000184
其中第p个子窗口为
Figure BDA0002214969690000185
Figure BDA0002214969690000186
和
Figure BDA0002214969690000187
分别为该子窗口的开始时刻与结束时刻。在活动aj的资源调度中，资源rk成为活动aj的候选执行者必须满足以下两个条件：
条件1：在AWk和VWk,j中分别存在
Figure BDA0002214969690000188
和
Figure BDA0002214969690000189
满足
Figure BDA00022149696900001810
与
Figure BDA00022149696900001811
存在重叠部分，即下式成立：
Figure BDA00022149696900001812
将AWk和VWk,j的重叠部分称为rk对aj的一个可服务区间，该区间的开始时间为结束时间为
Figure BDA00022149696900001814
rk对aj的全部可服务区间构成的集合记为
Figure BDA00022149696900001815
其中
Figure BDA00022149696900001816
Figure BDA00022149696900001817
为第q个子区间，
Figure BDA00022149696900001818
和
Figure BDA00022149696900001819
分别为
Figure BDA00022149696900001820
的开始时刻与结束时刻。
条件2：在rk对aj的可服务区间集合SWk,j中，至少存在一个子区间
Figure BDA00022149696900001821
满足其长度足以支持ai的执行过程和rj的状态切换，即下式条件成立：
Figure BDA00022149696900001822
其中，stk为rj的状态切换时间。将满足上式(1-6)的区间
Figure BDA00022149696900001823
称为aj在rk上的一个可执行区间。aj在rk上的所有可执行区间构成的集合记为
Figure BDA00022149696900001824
其中
Figure BDA00022149696900001825
为第u个子区间，
Figure BDA00022149696900001826
和
Figure BDA00022149696900001827
分别为
Figure BDA00022149696900001828
的开始时间和结束时间。
根据式(1-4)中活动最早开始时间计算方法，EWk,j中最早的可执行区间
Figure BDA00022149696900001829
的开始时间即为rk的最早可用时间，即
Figure BDA00022149696900001830
(2)资源选择过程描述
在活动可执行区间的约束下，rk的最早可用时间为
Figure BDA0002214969690000191
数据传输为信息支援任务中的一类活动，aj直接前驱活动完成后无需考虑数据传输时间，故aj在rk上的最早开始时间为：
通过式(1-3)可计算aj的rk上的最早完成时间EFT(aj,rk)，而后通过比较aj在R′中所有资源上的最早完成时间，选择使aj完成时间最早的资源为aj的执行者。
举例来说，可以通过以下方式选择活动事项对应的资源：根据可用时间区间集合、可见时间窗口集合和可服务区间集合确定可用资源集中可执行活动事项的资源集合；根据最早开始时间和最早完成时间确定资源集合中每一个资源完成活动事项的时间；将完成活动事项的时间最早的资源作为活动事项对应的资源。活动事项对应的资源的选择过程如表4所示：
Figure BDA0002214969690000193
Figure BDA0002214969690000201
表4活动事项对应的资源选择算法
如表4所示，活动事项对应的资源选择的基本思路是：首先根据活动可执行区间约束，构建rk的可用时间区间集合、rk对aj对象的可见时间窗口集合和rk对aj的可服务区间集合(过程P-4第1至12行)，其次计算aj在rk上的最早开始时间和aj在rk上的最早完成时间(过程P-4第13-39行)，然后通过比较aj在可执行资源的最早完成时间的早晚，选择执行活动的资源(过程P-4第40-46行)。
步骤S218，通过选择的资源对目标任务按照有向无环任务调度模型进行调度。
集成上述异构资源条件下的活动选择，以及时间区间约束下的资源选择，天基信息系统任务调度的基本步骤如表5所示：
Figure BDA0002214969690000211
表5天基信息系统任务调度算法
如表5所示，天基信息系统任务调度算法A-1主要实现了过程P-1(第1至2行)、过程P-2(第3至4行)、过程P-3(第5至7行)和过程P-4(第8至15行)，最终输出调度方案。
具体地说，本实施例提供的天基信息系统任务调度方法的流程可以参见图4所示的一种天基信息系统任务调度方法的流程示意图。如图4所示，本发明实施例中的天基信息系统任务指面向各军兵种联合作战的目标观测、卫星通信、数据中继、导航定位等多样化的天基信息支援任务。联合作战实际上是由一系列多样化、具有一定的约束关系的作战行动所组成的流程，当完成该流程的作战行动集需要天基信息支援时，将产生一系列具有约束关系的信息需求(即一系列多样化的天基信息系统任务活动)，需要考虑任务的协同调度，调度本质上是对该任务中各个活动的调度。本发明的技术方案主要包括异构资源和时间约束条件下的天基信息系统任务调度模型和实现方法两个方面。
Step1：异构资源和时间约束条件下的DAG任务调度模型构建。在分析各军兵种联合作战的目标观测、卫星通信、数据中继、导航定位等多样化的天基信息支援任务需求的基础上，构建面向任务需求天基信息系统资源集合R1,R2,...,RH，建立任务g的有向无环图G＝(V,E)模型，并对任务g的可用资源和执行时间进行分析。本阶段输出的是天基信息系统任务调度的任务集、可用资源集以及任务约束和时间约束等。
Step2：天基信息系统任务调度实现。本环节包括异构资源条件下的活动选择、时间区间约束下的资源选择和任务调度算法实现三个步骤。
Step2.1：异构资源条件下的活动选择。在计算任务活动a1,a2,...,an的向上权值的基础上，进行有效路径搜索、异类队列构建、活动并行选择，形成需要调度的各类异类和并行活动。
Step2.2：时间区间约束下的资源选择。根据任务集、可用资源集以及任务约束和时间约束，计算活动的可执行时间
Figure BDA0002214969690000231
以此对活动资源进行选择。
Step2.3：针对DAG任务调度模型，综合异构资源条件下的活动选择、时间区间约束下的资源选择方法过程，设计并实现了天基信息系统任务调度算法。算法的运行结果即为天基信息系统任务调度方案。
上述方式中，通过有效路径搜索、异类队列构建和并行活动选择构建有向无环任务调度模型，对其中的步骤进行了具体的说明，介绍了从可用资源集中选择目标任务对应的资源的步骤；可以提高任务调度系统的灵活性，促进天基信息系统的资源整合和作战应用，解决了天基信息系统任务调度中异构资源条件、子任务的多样性和子任务之间的时间约束关系给调度求解带来的技术难题，能够为一体化的天基信息系统资源管控系统建设提供技术支持。
需要说明的是，上述各方法实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
实施例3
对应于上述方法实施例，本发明实施例提供了一种天基信息系统任务调度装置，如图5所示的一种天基信息系统任务调度装置的结构示意图，该装置应用于天基信息系统，包括：
任务获取模块51，用于获取目标任务以及目标任务的任务约束条件和时间约束条件；
模型构建模块52，用于根据目标任务、任务约束条件、时间约束条件构建目标任务对应的有向无环任务调度模型；有向无环任务调度模型包括有效路径搜索、异类队列构建和并行活动选择；
可用资源模块53，用于确定天基信息系统当前的可用资源集；
资源选择模块54，用于基于目标任务、任务约束条件、时间约束条件和可用资源集确定目标任务的可执行时间，并根据可执行时间从可用资源集中选择目标任务对应的资源；
任务调度模块55，用于通过选择的资源对目标任务按照有向无环任务调度模型进行调度。
本发明实施例提供的一种天基信息系统任务调度装置，根据目标任务、任务约束条件、时间约束条件构建有向无环任务调度模型，确定目标任务的可执行时间后从可用资源集中选择对应的资源，根据该资源对目标任务按照有向无环任务调度模型进行调度，可以提高任务调度系统的灵活性，促进天基信息系统的资源整合和作战应用。
在一些实施例中，目标任务包括多个活动事项；任务约束条件包括每个活动事项的需求类型；模型构建模块，用于：确定目标任务对应的多个有效路径；按照每个活动事项对应的需求类型构建有效路径中的异类队列；根据时间约束条件确定每个活动事项的向上权值；根据向上权值选择异类队列的活动并行关系；将活动并行关系选择后的异类队列作为目标任务对应的有向无环任务调度模型。
在一些实施例中，模型构建模块，用于：确定目标任务的每个活动事项的入度和出度；将入度为0或出度为0的活动事项作为有效路径的端点；从端点中选择两个端点作为有效路径的起点和终点，得到一个有效路径。
在一些实施例中，模型构建模块，用于：从多个需求类型中选择一个目标需求类型；将目标需求类型对应的多个活动事项构建为一个异类队列。
在一些实施例中，模型构建模块，用于：将向上权值由大到小排序，得到排序结果；根据排序结果依次选择向上权值对应的活动事项的并行关系。
在一些实施例中，可执行时间包括：最早开始时间和最早完成时间；资源选择模块，用于：根据时间约束条件构建资源的可用时间区间集合、资源对目标任务包括的活动事项的可见时间窗口集合，以及资源对活动事项的可服务区间集合；根据任务约束条件和时间约束条件确定目标任务的最早开始时间和最早完成时间；根据可用时间区间集合、可见时间窗口集合、可服务区间集合、最早开始时间和最早完成时间选择活动事项对应的资源。
在一些实施例中，资源选择模块，用于：根据可用时间区间集合、可见时间窗口集合和可服务区间集合确定可用资源集中可执行活动事项的资源集合；根据最早开始时间和最早完成时间确定资源集合中每一个资源完成活动事项的时间；将完成活动事项的时间最早的资源作为活动事项对应的资源。
本发明实施例提供的天基信息系统任务调度装置，与上述实施例提供的天基信息系统任务调度方法具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
实施例4
本发明实施例还提供了一种电子设备，用于运行上述天基信息系统任务调度方法；参见图6所示的一种电子设备的结构示意图，该电子设备包括存储器100和处理器101，其中，存储器100用于存储一条或多条计算机指令，一条或多条计算机指令被处理器101执行，以实现上述天基信息系统任务调度方法。
进一步地，图6所示的电子设备还包括总线102和通信接口103，处理器101、通信接口103和存储器100通过总线102连接。
其中，存储器100可能包含高速随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口103(可以是有线或者无线)实现该系统网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网，广域网，本地网，城域网等。总线102可以是ISA总线、PCI总线或EISA总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图6中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
处理器101可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器101中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器101可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DigitalSignal Processor，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器100，处理器101读取存储器100中的信息，结合其硬件完成前述实施例的方法的步骤。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令在被处理器调用和执行时，计算机可执行指令促使处理器实现上述天基信息系统任务调度方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
本发明实施例所提供的天基信息系统任务调度方法、装置和电子设备的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置和/或电子设备的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种天基信息系统任务调度方法，其特征在于，应用于天基信息系统，包括：
获取目标任务以及所述目标任务的任务约束条件和时间约束条件；
根据所述目标任务、所述任务约束条件、所述时间约束条件构建所述目标任务对应的有向无环任务调度模型；所述有向无环任务调度模型包括有效路径搜索、异类队列构建和并行活动选择；
确定所述天基信息系统当前的可用资源集；
基于所述目标任务、所述任务约束条件、所述时间约束条件和所述可用资源集确定所述目标任务的可执行时间，并根据所述可执行时间从所述可用资源集中选择所述目标任务对应的资源；
通过选择的所述资源对所述目标任务按照所述有向无环任务调度模型进行调度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标任务包括多个活动事项；所述任务约束条件包括每个所述活动事项的需求类型；
根据所述目标任务、所述任务约束条件、所述时间约束条件构建所述目标任务对应的有向无环任务调度模型的步骤，包括：
确定所述目标任务对应的多个有效路径；
按照每个所述活动事项对应的需求类型构建所述有效路径中的异类队列；
根据所述时间约束条件确定每个所述活动事项的向上权值；
根据所述向上权值选择所述异类队列的活动并行关系；
将所述活动并行关系选择后的所述异类队列作为所述目标任务对应的有向无环任务调度模型。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，确定所述目标任务对应的多个有效路径的步骤，包括：
确定所述目标任务的每个所述活动事项的入度和出度；
将所述入度为0或所述出度为0的活动事项作为有效路径的端点；
从所述端点中选择两个端点作为所述有效路径的起点和终点，得到一个所述有效路径。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，按照每个所述活动事项对应的需求类型构建所述有效路径中的异类队列的步骤，包括：
从多个所述需求类型中选择一个目标需求类型；
将所述目标需求类型对应的多个所述活动事项构建为一个异类队列。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述向上权值选择所述异类队列的活动并行关系的步骤，包括：
将所述向上权值由大到小排序，得到排序结果；
根据所述排序结果依次选择所述向上权值对应的活动事项的并行关系。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可执行时间包括：最早开始时间和最早完成时间；
基于所述目标任务、所述任务约束条件、所述时间约束条件和所述可用资源集确定所述目标任务的可执行时间，并根据所述可执行时间从所述可用资源集中选择所述目标任务对应的资源的步骤，包括：
根据所述时间约束条件构建所述资源的可用时间区间集合、所述资源对所述目标任务包括的活动事项的可见时间窗口集合，以及所述资源对所述活动事项的可服务区间集合；
根据所述任务约束条件和所述时间约束条件确定所述目标任务的最早开始时间和最早完成时间；
根据所述可用时间区间集合、所述可见时间窗口集合、所述可服务区间集合、所述最早开始时间和所述最早完成时间选择所述活动事项对应的资源。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述可用时间区间集合、所述可见时间窗口集合、所述可服务区间集合、所述最早开始时间和所述最早完成时间选择所述活动事项对应的资源的步骤，包括：
根据所述可用时间区间集合、所述可见时间窗口集合和所述可服务区间集合确定所述可用资源集中可执行所述活动事项的资源集合；
根据所述最早开始时间和所述最早完成时间确定所述资源集合中每一个资源完成所述活动事项的时间；
将完成所述活动事项的时间最早的资源作为所述活动事项对应的资源。
8.一种天基信息系统任务调度装置，其特征在于，应用于天基信息系统，包括：
任务获取模块，用于获取目标任务以及所述目标任务的任务约束条件和时间约束条件；
模型构建模块，用于根据所述目标任务、所述任务约束条件、所述时间约束条件构建所述目标任务对应的有向无环任务调度模型；所述有向无环任务调度模型包括有效路径搜索、异类队列构建和并行活动选择；
可用资源模块，用于确定所述天基信息系统当前的可用资源集；
资源选择模块，用于基于所述目标任务、所述任务约束条件、所述时间约束条件和所述可用资源集确定所述目标任务的可执行时间，并根据所述可执行时间从所述可用资源集中选择所述目标任务对应的资源；
任务调度模块，用于通过选择的所述资源对所述目标任务按照所述有向无环任务调度模型进行调度。
9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的计算机可执行指令，所述处理器执行所述计算机可执行指令以实现权利要求1至7任一项所述的天基信息系统任务调度方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被处理器调用和执行时，所述计算机可执行指令促使处理器实现权利要求1至7任一项所述的天基信息系统任务调度方法的步骤。
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