CN115001896B - 一种冗余通道的自适应切换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种冗余通道的自适应切换方法:S1定时检查所有通道的工作状态,当可用通道的数量小于1时,跳转至步骤S2,若只有一个可用通道,跳转至步骤S3,若有N个可用通道,跳转至步骤S4;S2上报故障后,并监测所有通道的工作状态,然后至跳转S1;S3用唯一可用通道进行数据传输,运行预设时间后监测所有通道的工作状态,跳转至步骤S1;S4进行自适应冗余通道切换,运行预设时间后,跳转至步骤S1。冗余通道切换兼顾可靠性和服务质量,保证可靠性的同时,充分利用多通道传输资源;采用在线学习的方式进行冗余通道切换,可适应实时变化的通信环境。
Description
技术领域
本发明涉及工业网络技术领域,尤其是涉及一种冗余通道的自适应切换方法。
背景技术
CAN(Controller Area Network)总线是一种广泛应用于工业现场的总线标准,目前有CAN2.0A和CAN2.0B两种标准。相应对于其他工业总线,具有结构简单、支持多主工作方式、提供非破坏性总线仲裁机制等优势。在汽车电子、船舶、航空航天等领域获得了广泛的应用。然而,实际使用过程中,采用单条CAN总线进行通信会存在网络失效、服务质量难以保证等潜在隐患。一方面,CAN总线运行环境一般较为恶劣,硬件电路接口不牢或者传输介质受损会造成总线失效,数据无法传输;另一方面,网络中数据较多时,由于CAN总线采用的非破坏性总线仲裁机制会使得高优先级的报文获得更多占用总线的机会,使得低优先级报文时延较长,无法满足服务质量需求。因此,工业应用中的CAN总线往往采用双通道(或三通道)的冗余通道设计。
为了有效地利用冗余通道完成数据传输,需要设计冗余通道切换机制。目前冗余通道的切换方式主要分为三类:一是多通道同时传输,二是冷冗余切换,三是热冗余切换。多通道同时传输的主要思路就是所有通道传输相同的数据,只要有一个通道正常工作,就能完成数据传输。这种方式数据传输冗余度高,不需要数据切换,但资源利用率低且会消耗额外的CPU处理资源。冷冗余切换方法的主要思路是:将两路CAN通道分为工作通道和备用通道,正常情况下备用通道处于关闭状态,只有在工作通道故障失效的情况下才会开启并使用。这种方式存在切换效率低、且备用通道的闲置也会造成资源浪费。热冗余切换方法的主要思路是:两路CAN通道同时启动,每个CAN节点设置其中一路CAN通道为工作通道,另一路为备用通道。当检测到工作通道故障时,可直接将备用通道设为工作通道。这种方式切换效率高,可以根据需要充分利用冗余通道的资源。
然而,现有的热冗余切换方法存在诸多的问题。第一,现有方法主要是围绕如何提高系统可靠性展开,未考虑服务质量,比如时延、负载均衡等。在工作通道正常工作时,备用通道不进行资源调度,相对于冷冗余切换的方式优势不大,比如专利CN101908974A。第二,现有的冗余切换方法是用静态配置策略,无法适应动态变化的通信环境,比如专利CN106302064A。
发明内容
为了克服上述技术缺陷,本发明提供一种冗余通道的自适应切换方法。
本申请提供的一种冗余通道的自适应切换方法具体过程为:
S1:定时检查所有通道的工作状态,当可用通道的数量小于1时,跳转至步骤S2,若只有一个可用通道,跳转至步骤S3,若有N>1个可用通道,跳转至步骤S4;
S2:上报故障后,并监测所有通道的工作状态,然后至跳转S1;
S3:用唯一可用通道进行数据传输,运行预设时间后监测所有通道的工作状态,跳转至步骤S1;
S4:进行自适应冗余通道切换,运行预设时间后,跳转至步骤S1。
进一步地,所述步骤S4的具体过程为:
S41:参数初始化
每个可用通道设置一组Beta函数的超参数(αi,βi),其中,i表示可用通道编号,1≤i≤N;并对每组超参数进行初始化;
Beta函数为:
式中,α和β均为超参数,Γ(·)表示伽马函数;wi为服从参数α和β的beta分布的独立变量;
S42:选择传输通道
根据每个可用通道对应的超参数值(αi,βi),使用Beta函数生成随机数θi~Beta(αi,βi);此时,N个可用通道共生成N个随机数{θi,1≤i≤N};选择具有最大随机数数值的可用通道j作为本次的传输通道;
S43:采集传输通道的奖励值
根据奖励函数R(t)=f(x1,x2,...)采集奖励函数的影响因素作为输入参数计算奖励值R(t);其中,t表示获得奖励的时刻,(x1,x2,...)表示影响因素,根据奖励函数获得R(t)的最大值记为R*;
S44:更新步骤S42中所选传输通道使用的Beta函数的超参数(αj,βj),更新规则为:αj←αj+R(t),βj←βj+(R*-R(t)),跳转到步骤S42,R*为奖励函数R(t)的最大值。
进一步地所述步骤S41中,在对通信环境没有任何先验知识时,将各组超参数进行相同的初始化;若有先验知识,采用历史数据或者运行数据进行初始化。
本发明引入在线学习方法,通过与动态环境交互过程中实时采集测量传输通道的综合表现,并将结果反馈给控制器,进而计算得到最佳的数据传输通道。在评价传输通道表现时,综合考虑可靠性、服务质量等因素,保证高可靠通信的同时,兼顾总线网络的服务质量。
综上所述,本申请包括以下至少有益技术效果:1)冗余通道切换兼顾可靠性和服务质量,保证可靠性的同时,充分利用多通道传输资源;2)采用在线学习的方式进行冗余通道切换,可适应实时变化的通信环境;3)自适应切换机制软件实现,不改变硬件结构。
附图说明
图1为CAN总线双冗余通道连接示意图;
图2为本发明冗余通道的自适应切换方法流程示意图;
图3为本发明基于在线学习的切换算法流程示意图。
具体实施方式
在一个CAN总线网络中,所有的通信节点通过一定的拓扑连接,同一个总线网络中的所有通信节点共享网络通信资源。通信节点的控制器可通过读取其CAN收发器的工作状态,从而判断该通道是否可用。如果可用的通道不止一个,则进行自适应通道切换。在通道切换过程中,通信节点会根据一定的规则对传输通进行质量评估。在此之前,需要测量并采集数据帧发送和接受过程中的一些重要指标,比如时延、帧错误率等。
在冗余通道选择的起始阶段,对各个通道的通信状况、负载情况信息掌握较少,控制器可随机选择传输通道。在经历多轮通道切换以及对传输通道的监测数据采样后,每个通信节点都会对其多个冗余通道进行综合评估。此时,控制器会以较大概率的选择最优的通道进行传输,而以较小的概率使用非最优的通道传输。须说明的是,选择非最优传输通道的目的是为了适应动态环境的变化。
图1为CAN总线双冗余通道连接示意图。这里展示的是CAN总线冗余通道的一种常见的工程实现——双冗余通道。每个通信节点有一个控制器和两个CAN收发器,CAN1和CAN2。CAN收发器中包含CAN控制器和CAN驱动器。控制器与CAN1和CAN2相连接,CAN1和CAN2独立工作,互不干扰,与其他总线节点组成两个独立的总线网络。
图2是冗余通道自适应切换流程示意图,具体过程为:
S1:定时检查所有通道的工作状态,当可用通道的数量小于1时,跳转至步骤S2,若只有一个可用通道,跳转至步骤S3,若有N>1个可用通道,跳转至步骤S4;
S2:上报故障后,并监测所有通道的工作状态,然后至跳转S1;
S3:用唯一可用通道进行数据传输,运行预设时间后监测所有通道的工作状态,跳转至步骤S1;
S4:进行自适应冗余通道切换,运行预设时间后,跳转至步骤S1。
图3是基于在线学习的切换算法流程示意图,不失一般性,假设有两个冗余通道。
在开始自适应冗余切换流程之前,需要设定奖励函数。假设系统的通信目标为:满足可靠性要求的情况下,优先选择传输时延较短的通道。可设定奖励函数为:
其中,x1表示帧错误率,用于表征可靠性指标;x2表示传输时延;/>表示期望的帧错误率,为常数;k为常数。sgn(x)为符号函数,当x≥0时,sgn(x)=1,当x<0,sgn(x)=0。在本示例中,假设系统期望的帧错误率为/>k=1000。
S41:参数初始化
对两个传输通道设置Beta函数的超参数(αi,βi),假设有两个传输通道没有先验知识,则初始化两组超参数为:(α1=1,β1=1),(α2=1,β2=1);
S42:选择传输通道
根据两个传输通道对应的超参数值,使用Beta函数生成随机数,Beta(α1,β1)=Beta(1,1)生成的随机数θ1=0.2,Beta(α2,β2)=Beta(1,1)生成的随机数θ2=0.7,由于θ1<θ2,所以选择第二个传输通道为本次的传输通道;
S43:采集传输通道的奖励值
使用第二个传输通道传输完成数据后,计算本次数据发送的传输时延和帧错误率。此次发送成功且近10000次发送过程中均为未丢帧,则当前帧错误率=0/10000=0,本次传输时延=数据入队列的时间-发送成功的时间=600us,本次是第一次发送数据,记为时刻t1,则本次传输的奖励值:
根据奖励函数获得R(t)的最大值记为R*:通过历史数据统计得到,所有通道的传输时延最小值为500us。则,R(t)的最大值R*=2。计算过程如下:当通道的帧错误率x1>10-4时,当x1≤10-4时,/>考虑到传输时延最小值为500us,即x2≥500,则当x1≤10-4时,/>所以R(t)的最大值R*=2。
S44:更新步骤S42中第二个传输通道使用的Beta函数的超参数值:
更新后第二个冗余通道的超参数值为/>跳转到步骤S42。
Claims (2)
1.一种冗余通道的自适应切换方法,其特征在于:具体过程为:
S1:定时检查所有通道的工作状态,当可用通道的数量小于1时,跳转至步骤S2,若只有一个可用通道,跳转至步骤S3,若有N个可用通道,跳转至步骤S4;
S2:上报故障后,并监测所有通道的工作状态,然后至跳转S1;
S3:用唯一可用通道进行数据传输,运行预设时间后监测所有通道的工作状态,跳转至步骤S1;
S4:进行自适应冗余通道切换,运行预设时间后,跳转至步骤S1;
所述步骤S4的具体过程为:
S41:参数初始化
每个可用通道设置一组Beta函数的超参数(αi,βi),其中,i表示可用通道编号,1≤i≤N;并对每组超参数进行初始化;
Beta函数为:
式中,α和β均为超参数,Γ(·)表示伽马函数;wi为服从参数α和β的beta分布的独立变量;
S42:选择传输通道
根据每个可用通道对应的超参数值(αi,βi),使用Beta函数生成随机数θi~Beta(αi,βi);此时,N个可用通道共生成N个随机数{θi,1≤i≤N};选择具有最大随机数数值的可用通道j作为本次的传输通道;
S43:采集传输通道的奖励值
根据奖励函数R(t)=f(x1,x2,...)采集奖励函数的影响因素作为输入参数计算奖励值R(t);其中,t表示获得奖励的时刻,(x1,x2,...)表示影响因素,根据奖励函数获得R(t)的最大值记为R*;
S44:更新步骤S42中所选传输通道使用的Beta函数的超参数(αj,βj),更新规则为:αj←αj+R(t),βj←βj+(R*-R(t)),跳转到步骤S42,R*为奖励函数R(t)的最大值。
2.根据权利要求1所述冗余通道的自适应切换方法,其特征在于:所述步骤S41中,在对通信环境没有任何先验知识时,将各组超参数进行相同的初始化;若有先验知识,采用历史数据或者运行数据进行初始化。
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