CN115348298B - 基于sdn的智能车等跳冗余区架构及冗余的调度方法 - Google Patents

基于sdn的智能车等跳冗余区架构及冗余的调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于SDN的智能车等跳冗余区架构及冗余的调度方法，包括中央计算单元和区控制器组，通过Y型以太网主干网和△型以太网冗余主干网进行连接，应用等跳原理进行冗余配置，且通过SDN机制进行整车调度及冗余控制，通过流量监控和中央计算单元失效判据进行整车等跳冗余调度策略的决策与切换，从而在中央计算单元失效的情况下，以最小的实时性代价实现整车控制的安全冗余，提高了整车架构的安全性、稳定性和鲁棒性。基于流量监控和SDN机制，对系统采样周期进行柔性时分周期调度，以降低中央控制的区架构下的负载波动，提高带宽利用率；对区域采样周期进行区间二分周期调度，保证冗余策略切换后，区控制器之间采样和协同的同步调整。

Description

基于SDN的智能车等跳冗余区架构及冗余的调度方法
技术领域
本发明涉及智能电动汽车的技术领域，具体为基于SDN的智能车等跳冗余区架构及冗余的调度方法。
背景技术
随着汽车智能化、电动化、网联化趋势的迅速发展，越来越多的电子电气部件引入车辆系统，使得车辆线束的布局越来越复杂；同时异构网络的引入也对整车架构的实时性、安全性与容错性提出了新的挑战，传统的电子电气架构满足不了新的发展需求。
近年来，基于控制器物理空间布局进行整车架构配置的汽车区架构设计正成为行业热门话题，而区架构的具体配置方案也众说纷纭。区架构的发展使得整车线束大幅减少，架构整体性和融合性大幅提升，同时也能够适应新趋势下异构网络通讯的布局与发展，为汽车架构的发展带来巨大的发展潜力。
但区架构同样也带来了诸多挑战，一方面，由于区架构的各区控制器按照物理区域进行不同功能的分配与控制，因此区间协同的实时性与同步性需求极高，是其相较于域架构和分布式架构特有的挑战，而架构中控制回路的跳数是影响信息端到端实时性与同步性的重要方面，在多区架构中，因区控制器个数、布置位置、拓扑结构等配置方案多种多样，导致架构上不同的控制回路存在多跳情况，特别是存在冗余设计的架构中，互为冗余的控制回路之间的存在跳数不同的情况，导致冗余方案之间存在明显的时延差异，影响整车控制的稳定性与连续性。
另一方面，区架构的各区控制器受中央计算单元的控制，中央计算单元相当于汽车区架构中的大脑，尽管当前计算机计算很成熟，高算力计算机的功能性日益强大，但由于车辆芯片的工作环境（如温度、震动、电磁干扰等）恶劣，车载网络中的单控制器节点仍不能解决因单点故障带来的安全性问题，因此面临着在中央计算单元配置失效、宕机或拥塞后，各区控制器间如何及时调整与协同，维持车辆整车运行的问题。
最后，由于区架构按空间区域进行功能的布局与配置，在不同的工况下，存在各区之间负载不规则，带宽利用不均衡的问题，导致一些时间段某区域有许多信息需要网络传输，而另一些时间段某区域的网络却处于空闲状态。因此，如何针对不同工况、工作负荷及带宽利用的情况，对整车调度策略进行主动或被动切换与动态调整，以充分利用整车网络带宽进行信息调度、避免信息冲突、提高网络资源利用率、使网络负载趋于动态均衡，也是区架构亟待解决的问题之一。
发明内容
在智能电动汽车电子电气架构快速变革及其所带来的同步性、冗余容错性、实时性问题的大背景下，本发明的目的是提供基于SDN的智能电动汽车等跳冗余区架构及冗余的调度方法。
本发明技术方案如下：
本发明提出了基于SDN的智能车等跳冗余区架构，包括中央计算单元和区控制器组，通过Y型以太网主干网和△型以太网冗余主干网进行连接，应用等跳原理进行冗余配置，且通过SDN机制进行整车调度及冗余控制。
所述中央计算单元包括：中央SDN控制器和中央网关。其中中央SDN控制器与中央网关进行连接，并与各区控制器中的区域网关进行连接，负责Y型主干网下，中央计算单元作为整车控制中心时车辆的控制与调度。中央网关负责协议转换与区域支路的流量监控。
所述区控制器组包括：左前区控制器、右前区控制器和后区控制器。其中右前区控制器中配置边缘SDN控制器作为冗余控制器，负责在中央计算单元失效情况下，根据中央计算单元失效判据进行△型冗余主干网及整车调度策略的切换，实现△型主干网下区间的协同控制与调度。车辆控制器与执行器节点根据其所属的物理位置，通过CAN/CAN-FD总线连接到相应物理分区的区控制器中，区控制器与其所属的传感器、控制器节点及区子网构成一个区控制系统。
所述等跳原理为：在车辆的区架构中，信号从一个控制器传递给另一个控制器称为“一跳”，信号传递时的跳数与实时性密切相关，等跳原理即：任意控制器之间通讯的跳数相等。基于等跳原理，设计Y型与△型冗余的以太网主干网，在Y型主干网下，中央计算单元作为整车控制中心，与各区控制器之间为1跳；在△型冗余主干网下，各区控制器之间通过协同，实现整车的控制，区控制器之间通讯仍为1跳，从而实现冗余网络之间的等效实时转换。
所述SDN机制包含三个平面：软件定义平面、控制平面和执行平面。其中软件定义平面包括网络资源管理、系统管理、智驾功能管理等软件定义相关的功能及配置；控制平面包括中央SDN控制器及作为冗余控制的边缘SDN控制器，控制器中配置北向接口与南向接口，分别与软件定义平面和执行平面互联；执行平面包括网关、中央控制单元及区控制器等。其中，软件定义平面产生顶层应用管理与调度信号，通过北向接口与控制平面相联，执行平面将车辆通讯相关信息通过南向接口与控制平面相联，控制平面中的控制器综合南北向信息进行调度决策，进行整车调度控制，并通过系统模块的指挥-哨兵模式配置进行失效判断与控制器唤醒。
所述SDN机制的控制平面中，包含冗余SDN控制器设计，包括配置在中央计算单元中的中央SDN控制器和配置在右区控制器中的边缘SDN控制器。其中中央SDN控制器包括南向接口、流量监控模块FM（Flow Monitoring）、柔性时分周期调度模块FPS（FlexibilityPeriod Schedule）、主动调度控制模块ASC（Active Schedule Control）、调度决策模块SSD（Scheduling Strategy Decision）、协同模块CM（Collaboration Module）和北向接口。其中边缘SDN控制器包括南向接口、流量监控模块FM（Flow Monitoring）、柔性时分周期调度模块FPS（Flexibility Period Schedule）、主动调度控制模块ASC（Active ScheduleControl）、调度决策模块SSD（Scheduling Strategy Decision）、协同模块CM（Collaboration Module）、冗余调度转换模块RSC（Redundant Schedule Converter）、北向接口。
本发明还提出一种基于SDN的调度控制策略，包括调度控制策略流程和中央计算 单元失效判据。调度控制策略流程可以描述为：SDN执行平面的网关将各支路流量信息经过 当前处于唤醒状态的SDN控制器的南向接口传入流量监控模块，定义左前区支路流量为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
， 右前区支路流量为
Figure 164547DEST_PATH_IMAGE002
，后区支路流量为
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，则流量监控模块中进行如下流量信号处理：
Figure 3059DEST_PATH_IMAGE004
Figure DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 953435DEST_PATH_IMAGE006
分别为左前区与右前区流量差值、左前区与后区流量差值、右 前区与后区流量差值；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为各支路负载偏差构成的偏差向量；
负载波动判据如下：
Figure 145382DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为偏差向量的无穷范数，其值为区间流量偏差的最大值；
Figure 507225DEST_PATH_IMAGE010
为流量波动的 容忍阈值；
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为流量负载保险系数；
Figure 240606DEST_PATH_IMAGE012
为左前区、右前区和后区中任意区域支路的流量。
当判据不成立时，系统调度状态保持不变；当判据成立时，若中央SDN控制器与边缘SDN控制器的协同模块握手成功，则进行柔性时分周期调度方法；若握手不成功，则执行冗余策略转换。最终调度策略由调度决策模块进行决策，并经当前唤醒的SDN控制器的南向接口输出到执行平面。同时，在柔性时分周期调度下，SDN软件定义平面的应用层控制及调度信号经SDN控制器的北向接口传入主动调度控制模块，并将主动调度信号输入柔性时分周期调度模块，进行调度策略执行。
中央计算单元失效判据可以描述为：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
其中，所述冗余策略转换逻辑包括边缘SDN控制器唤醒与控制接管、网络拓扑更新、SDN控制器南向接口更新、区间协调与重同步、调度方法切换。
本发明还提出一种冗余的调度方法，在中央计算单元正常工作下，Y型主干网采用柔性时分周期调度方法FPS（Flexibility-Period Schedule）；在中央计算单元失效情况下，△型冗余主干网采用区间二分周期调度方法IHPS（Inter-Zonal Halve-PeriodSchedule）。
其中，柔性时分周期调度方法具体为：为提升各区收发信息的同步性和实时性，将中央计算单元的系统采样周期T划分为三个柔性时分子周期T 1 、T 2 、T 3 ，左前区、右前区、后区的通讯信号分别在T 1 、T 2 、T 3 子周期内执行通讯。其中，每个子周期由时分基本周期和柔性周期两部分构成，即柔性时分子周期的构成为：
Figure 569956DEST_PATH_IMAGE014
其中，T base 为时分基本周期；T为系统采样周期；T Δ_ij 为根据区i、j支路的流量和区间偏差计算得的柔性周期；f()为柔性调度函数；T i 为第i个区支路的柔性时分子周期；
调度设计判据为：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
其中
Figure 50747DEST_PATH_IMAGE016
表示求和运算；
Figure DEST_PATH_IMAGE017
表示第i个区的采样同步信号的长度；
Figure 781943DEST_PATH_IMAGE018
表示第i个区在子周期内传输的单个信号的最大长度；为保证采样的协调性与同步性，每个子周期 头部都有一个采样同步信号SYNC,该采样同步信号由中央SDN控制器生成的调度决策信号 产生，并经过南向接口发送至执行平面的各控制器节点执行。
区间二分周期调度方法具体为：在中央计算单元失效情况下，整车主干网络拓扑切换为△型网，各区之间通过协同进行整车控制，区采样周期由区间二分子周期构成，由如下表达式表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
其中，T i 为第i个区的区采样周期；T为失效前的系统采样周期；T i-j 为区i与区j的区间二分子周期；区间的协作通讯在相应的区间二分子周期内执行。
调度设计判据为：
Figure 86891DEST_PATH_IMAGE020
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE021
表示求和运算；
Figure 637958DEST_PATH_IMAGE022
表示区i与区j之间的采样同步信号sync的长度，由 边缘SDN控制器生成的调度决策信号产生，并经过南向接口发送至执行平面的各控制器节 点进行同步；
Figure DEST_PATH_IMAGE023
表示区i与区j之间在子周期内传输的单个协作信号的最大长度；为保 证采样的协调性与同步性，每个子周期头部都有一个采样同步信号SYNC,该采样同步信号 由中央SDN控制器生成的调度决策信号产生，并经过南向接口发送至执行平面的各控制器 节点执行。
调度方法所带来的信息流回路延时表示为：
Figure 188020DEST_PATH_IMAGE024
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE025
表示整个区架构车载网络化控制系统信息流传递的回路延时；n表示对系 统/区域采样周期划分的子周期个数；T sample 表示系统/区域单次采样周期长度；
Figure 773722DEST_PATH_IMAGE026
表示采用 柔性时分周期调度产生的柔性周期调整；
Figure DEST_PATH_IMAGE027
表示区域控制系统内传感器节点产生的延时；
Figure 515150DEST_PATH_IMAGE028
表示区域控制系统内执行器节点产生的延时。
本发明的有益效果：
1、本发明提出了基于SDN的智能车等跳冗余区架构及冗余的调度方法，采用等跳原理，构建Y型和△型冗余的区架构主干网络，并应用于基于SDN的整车冗余调度控制中，从系统级架构拓扑设计到软件定义的调度判据及实现逻辑，保证了车辆区间通讯的实时同步性、整车安全性和冗余策略切换的稳定性。
2、本发明提出在基于SDN机制的基础上，对SDN控制器进行冗余设计，提出在中央计算单元设置中央SDN控制器，在左区控制器中设置边缘SDN控制器，保证在正常情况及中央计算单元失效情况下，整车的冗余控制与切换，提升整车架构的鲁棒性与安全性。
3、本发明提出一种基于SDN的调度控制策略，并应用于基于SDN的等跳冗余区架构中，综合考虑不同工况下的流量状况、负载情况及调度控制，对各区的调度策略进行决策，并依据所提出的中央计算单元失效判据进行故障判定和冗余调度策略切换，在中央计算单元失效情况下，使冗余策略及时接管整车控制，维持车辆的正常运行。
4、本发明提出一种冗余的调度方法，在正常情况下采用柔性时分周期调度，在保证各区传输实时性的情况下，充分利用带宽资源，对各区数据的传输周期进行动态调整，使网络资源得到合理分配；在中央计算单元失效情况下采用区间二分周期调度，使调度方法匹配冗余网络拓扑及调度策略，使各区之间进行协同配合，维持车辆的正常运行。
附图说明
图1为实施例采用的智能电动汽车等跳冗余区架构物理拓扑示意图；
图2为实施例采用的Y型主干网示意图；
图3为实施例采用的△型冗余主干网示意图；
图4为实施例采用的SDN机制示意图；
图5为实施例采用的中央SDN控制器配置示意图；
图6为实施例采用的边缘SDN控制器配置示意图；
图7为实施例采用的基于SDN的调度控制流程图；
图8为实施例采用的冗余调度转换模块运行逻辑框架图；
图9为实施例采用的柔性时分周期调度方法示意图；
图10为实施例采用的区间二分周期调度方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
本发明提出了基于SDN的智能车等跳冗余区架构及冗余的调度方法，如图1~10所示。
图1为实施例采用的智能电动汽车等跳冗余区架构物理拓扑示意图，包括中央计算单元和区控制器组，通过Y型以太网主干网和△型以太网冗余主干网进行连接，基于等跳原理进行冗余配置，当中央计算单元处于正常状态时，主干网采用Y型主干网拓扑，中央计算单元作为整车控制中心进行决策，并协调各区控制器的行为；当中央计算单元失效或宕机时，主干网采用△型冗余主干网拓扑，各区之间通过协同配合和分布式决策，对车辆进行控制。其中，中央计算单元中包含中央网关和中央SDN控制器；区控制器中包含区域网关，进行子网CAN/CAN-FD与主干网Ethernet间异构网络的协议转换；右前区控制器中配置边缘SDN控制器；中央SDN控制器和边缘SDN控制器构成了SDN机制的控制平面，负责进行整车调度及冗余控制。
图2为实施例采用的Y型主干网示意图，包括中央计算单元、区控制器组和Y型主干网。当中央计算单元处于正常状态时，主干网采用该Y型拓扑进行通讯协调，中央计算单元作为整车控制中心进行决策，并由中央SDN控制器进行调度决策，协调各区控制器的行为，此时边缘SDN控制器处于休眠状态；
图3为实施例采用的△型冗余主干网示意图，包括区控制器组和△型冗余主干网。当中央计算单元失效或宕机时，主干网采用该△型拓扑进行通讯协调。其中，各区控制器分布式决策，同时根据中央计算单元失效判据和冗余调度转换逻辑进行边缘SDN控制器唤醒，并接管整车控制，进行调度决策和协调区控制器行为。
图4为实施例采用的SDN机制示意图，所述SDN机制包含三个平面：软件定义平面、控制平面和执行平面。其中软件定义平面包括网络资源管理、系统管理、智驾功能管理等软件定义相关的功能及配置；控制平面包括中央SDN控制器及作为冗余控制的边缘SDN控制器，控制器中配置北向接口与南向接口，分别与软件定义平面和执行平面互联；执行平面包括网关、中央控制单元及区控制器等。其中，软件定义平面产生顶层应用管理与调度信号，通过北向接口与控制平面相联，执行平面将车辆通讯相关信息通过南向接口与控制平面相联，控制平面中的控制器综合南北向信息进行调度决策，进行整车调度控制，并通过系统模块的指挥-哨兵模式配置进行失效判断与控制器唤醒。其中，控制平面层包含冗余SDN控制器设计，包括配置在中央计算单元中的中央SDN控制器和配置在右区控制器中的边缘SDN控制器。
图5为实施例采用的中央SDN控制器配置示意图，包括南向接口、流量监控模块FM（Flow Monitoring）、柔性时分周期调度模块FPS（Flexibility Period Schedule）、主动调度控制模块ASC（Active Schedule Control）、调度决策模块SSD（Scheduling StrategyDecision）、协同模块CM（Collaboration Module）和北向接口。其中，南向接口与网关、中央控制单元和及区控制器构成的执行平面互联，接受各链路的流量信息，并将SDN控制器做出的调度决策传输给执行平面；流量监控模块负责对从南向接口传来的流量信息进行监控，并生成流量信号，传输给调度柔性时分周期调度模块；柔性时分周期调度模块分则接收流量监控模块传来的流量信息，并综合流量信号和应用层软件定义的主动调度信号进行柔性周期调度，并生成调度信号发送给调度决策模块；调度决策模块接受柔性时分周期调度模块传来的调度信号，对调度策略进行决策，并将调度决策信号传输给南向接口，发送至执行平面进行调度策略的执行。北向接口与应用层软件定义平面相联，接收应用层软件定义的调度及控制信号，发送给主动调度控制模块；主动调度控制模块接收北向接口传来的应用层信号，进行主动调度策略控制，并将主动调度信号传输给柔性时分周期调度模块；协同模块工作在中央指挥模式下，产生握手信号通过南向接口与边缘SDN控制器的协同模块进行互联，握手成功时，中央SDN控制器作为整车调度器，边缘SDN控制器被沉默，处于休眠状态。
图6为实施例采用的边缘SDN控制器配置示意图，包括南向接口、流量监控模块FM（Flow Monitoring）、柔性时分周期调度模块FPS（Flexibility Period Schedule）、主动调度控制模块ASC（Active Schedule Control）、调度决策模块SSD（Scheduling StrategyDecision）、协同模块CM（Collaboration Module）、冗余调度转换模块RSC（RedundantSchedule Converter）和北向接口。其中，南向接口与网关、中央控制单元和及区控制器构成的执行平面互联，接受各链路的流量信息，并将SDN控制器做出的调度决策传输给执行平面；流量监控模块负责对从南向接口传来的流量信息进行监控，并生成流量信号，传输给柔性时分周期调度模块和冗余调度转换模块；柔性时分周期调度模块分则接收流量监控模块传来的流量信息，并综合流量信号和应用层软件定义的主动调度信号进行柔性周期调度，并生成调度信号发送给调度决策模块；冗余调度转换模块接收流量监控模块的流量信号，并在接收到协同模块的激活信号后激活，进行冗余调度策略的转换，并生成调度信号发送给调度决策模块；调度决策模块接受柔性时分周期调度模块和冗余调度转换模块传来的调度信号，对调度策略进行决策，并将调度决策信号传输给南向接口，发送至执行平面进行调度策略的执行。协同模块工作在边缘哨兵模式下，产生握手信号通过南向接口与中央SDN控制器的协同模块进行互联。握手成功时，边缘SDN控制器被沉默；握手失败且满足中央计算单元失效判据时，产生激活信号传递给冗余调度转换模块，执行冗余调度策略的转换，并将边缘SDN控制器激活；
图7为实施例采用的基于SDN的调度控制流程图，控制流程可以描述为：SDN执行平 面的网关将各支路流量信息经过当前处于唤醒状态的SDN控制器的南向接口传入流量监控 模块，定义左前区支路流量为
Figure 350251DEST_PATH_IMAGE001
，右前区支路流量为
Figure 94216DEST_PATH_IMAGE002
，后区支路流量为
Figure 816316DEST_PATH_IMAGE003
，则流量监控模块 中进行如下流量信号处理：
Figure 213799DEST_PATH_IMAGE004
Figure 785464DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 333120DEST_PATH_IMAGE006
分别为左前区与右前区流量差值、左前区与后区流量差值、右 前区与后区流量差值；
Figure 424572DEST_PATH_IMAGE007
为各支路负载偏差构成的偏差向量；
负载波动判据如下：
Figure 665061DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 959907DEST_PATH_IMAGE009
为偏差向量的无穷范数，其值为区间流量偏差的最大值；
Figure 576833DEST_PATH_IMAGE010
为流量波动的 容忍阈值；
Figure 398159DEST_PATH_IMAGE011
为流量负载保险系数；
Figure 934182DEST_PATH_IMAGE012
为左前区、右前区和后区中任意区域支路的流量。
当判据不成立时，系统调度状态保持不变；当判据成立时，若中央SDN控制器与边缘SDN控制器的协同模块握手成功，则进行柔性时分周期调度方法；若握手不成功，则执行冗余策略转换。最终调度策略由调度决策模块进行决策，并经当前唤醒的SDN控制器的南向接口输出到执行平面。同时，在柔性时分周期调度下，SDN软件定义平面的应用层控制及调度信号经SDN控制器的北向接口传入主动调度控制模块，并将主动调度信号输入柔性时分周期调度模块，进行调度策略执行。
中央计算单元失效判据可以描述为：
Figure DEST_PATH_IMAGE029
图8为实施例采用的冗余调度转换模块运行逻辑框架图，冗余调度转换模块逻辑包括：边缘SDN控制器唤醒与控制接管、网络拓扑更新、SDN控制器南向接口更新、区间协调与重同步、调度方法切换。当中央计算单元失效判据成立时，进入冗余策略转换流程，唤醒边缘SDN控制器，并接管车辆控制，由于此时中央计算单元处于失效状态，此时采用△型主干网拓扑，进行网络拓扑更新，并更新南向接口。根据边缘SDN控制器发布的区间同步信号sync进行区间协调和重同步，并将调度策略由柔性时分周期调度转为区间二分周期调度，并通过边缘SDN控制器的调度决策模块将调度决策信号经南向接口输出到执行平面，对整车进行控制。
图9为实施例采用的柔性时分周期调度方法示意图，具体为：为提升各区收发信息的同步性和实时性，将中央计算单元的系统采样周期T划分为三个柔性时分子周期T 1 、T 2 、 T 3 ，左前区、右前区、后区的通讯信号分别在T 1 、T 2 、T 3 子周期内执行通讯。其中，每个子周期由时分基本周期和柔性周期两部分构成，即：柔性时分子周期的构成为：
Figure 435700DEST_PATH_IMAGE030
其中，T base 为时分基本周期；T为系统采样周期；T Δ_ij 为根据区i、j支路的流量和区间偏差计算得的柔性周期；f()为柔性调度函数；T i 为第i个区支路的柔性时分子周期；
调度设计判据为：
Figure DEST_PATH_IMAGE031
其中
Figure 918634DEST_PATH_IMAGE016
表示求和运算；
Figure 735412DEST_PATH_IMAGE017
表示第i个区的采样同步信号的长度；
Figure 317703DEST_PATH_IMAGE018
表示第i 个区在子周期内传输的单个信号的最大长度；为保证采样的协调性与同步性，每个子周期 头部都有一个采样同步信号SYNC,该采样同步信号由中央SDN控制器生成的调度决策信号 产生，并经过南向接口发送至执行平面的各控制器节点执行。
图10为实施例采用的区间二分周期调度方法示意图，具体为：各区之间通过协同进行整车控制，区采样周期由区间二分子周期构成，具体为：
Figure 570829DEST_PATH_IMAGE032
其中，T i 为第i个区的区采样周期；T为失效前的系统采样周期；T i-j 为区i与区j的区间二分子周期；区间的协作通讯在相应的区间二分子周期内执行。
调度设计判据为：
Figure DEST_PATH_IMAGE033
其中
Figure 106722DEST_PATH_IMAGE021
表示求和运算；
Figure 496115DEST_PATH_IMAGE022
表示区i与区j之间的采样同步信号sync的长度，由 边缘SDN控制器生成的调度决策信号产生，并经过南向接口发送至执行平面的各控制器节 点进行同步；
Figure 983728DEST_PATH_IMAGE023
表示区i与区j之间在子周期内传输的单个协作信号的最大长度；为保 证采样的协调性与同步性，每个子周期头部都有一个采样同步信号SYNC,该采样同步信号 由中央SDN控制器生成的调度决策信号产生，并经过南向接口发送至执行平面的各控制器 节点执行。
调度方法所带来的信息流回路延时表示为：
Figure 474883DEST_PATH_IMAGE024
其中
Figure 96358DEST_PATH_IMAGE025
表示整个区架构车载网络化控制系统信息流传递的回路延时；n表示对系 统/区域采样周期划分的子周期个数；T sample 表示系统/区域单次采样周期长度；
Figure 746782DEST_PATH_IMAGE026
表示采用 柔性时分周期调度产生的柔性周期调整；
Figure 779198DEST_PATH_IMAGE027
表示区域控制系统内传感器节点产生的延时；
Figure 147862DEST_PATH_IMAGE028
表示区域控制系统内执行器节点产生的延时。
综上，所提出的智能电动汽车区架构车载网络化控制系统及调度方法提高了应用区架构车载网络化控制系统的智能电动汽车的同步性、确定性以及实时性，以及设计时的灵活性，为智能电动汽车的区架构车载网络化控制系统设计提供了先进的技术支持。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于SDN的调度控制方法，采用基于SDN的智能车等跳冗余区系统，包括中央计算单元和区控制器组，通过Y型以太网主干网和△型以太网冗余主干网进行连接，应用等跳原理进行冗余配置，且通过SDN机制进行整车调度及冗余控制；
所述中央计算单元包括：中央SDN控制器和中央网关；其中中央SDN控制器与中央网关进行连接，并与各区控制器中的区域网关进行连接，负责Y型主干网下，中央计算单元作为整车控制中心时车辆的控制与调度；中央网关负责协议转换与区域支路的流量监控；
所述区控制器组包括：左前区控制器、右前区控制器和后区控制器；其中右前区控制器中配置边缘SDN控制器作为冗余控制器，负责在中央计算单元失效情况下，根据中央计算单元失效判据进行△型以太网冗余主干网及整车调度策略的切换，实现△型以太网冗余主干网下区间的协同控制与调度；车辆控制器与执行器节点根据其所属的物理位置，通过CAN/CAN-FD总线连接到相应物理分区的区控制器中，区控制器与其所属的传感器、控制器节点及区子网构成一个区控制系统；
所述SDN机制包含三个平面：软件定义平面、控制平面和执行平面；其中软件定义平面包括网络资源管理、系统管理、智驾功能管理软件定义相关的功能及配置；控制平面包括中央SDN控制器及作为冗余控制的边缘SDN控制器，控制器中配置北向接口与南向接口，分别与软件定义平面和执行平面互联；执行平面包括网关、中央控制单元及区控制器；其中，软件定义平面产生顶层应用管理与调度信号，通过北向接口与控制平面相联，执行平面将车辆通讯相关信息通过南向接口与控制平面相联，控制平面中的控制器综合南北向信息进行调度决策，进行整车调度控制，并通过系统模块的指挥-哨兵模式配置和流量特性进行中央计算单元失效判断及冗余控制器和调度策略的唤醒；
所述SDN机制的控制平面中包含互为冗余的SDN控制器，所述的互为冗余的SDN控制器包括配置在中央计算单元中的中央SDN控制器和配置在右区控制器中的边缘SDN控制器；
所述的中央SDN控制器包括南向接口、流量监控模块、柔性时分周期调度模块、主动调度控制模块、调度决策模块、协同模块、北向接口；
所述南向接口与由网关、中央控制单元及区控制器构成的执行平面互联，接收各链路的流量信息，并将SDN控制器做出的调度决策传输给执行平面；
所述流量监控模块负责对从南向接口传来的流量信息进行监控，并生成流量信号，传输给柔性时分周期调度模块；
所述柔性时分周期调度模块负责接收流量监控模块传来的流量信息，并综合流量信号和应用层软件定义的主动调度信号进行柔性周期调度，并生成调度信号发送给调度决策模块；
所述调度决策模块接收柔性时分周期调度模块传来的调度信号，对调度策略进行决策，并将调度决策信号传输给南向接口，发送至执行平面进行调度策略的执行；
所述北向接口与应用层软件定义平面相联，接收应用层软件定义的调度及控制信号，发送给主动调度控制模块；
所述主动调度控制模块接收北向接口传来的应用层信号，进行主动调度策略控制，并将主动调度信号传输给柔性时分周期调度模块；
所述协同模块工作在中央指挥模式下，产生握手信号，并通过南向接口与边缘SDN控制器的协同模块进行互联，握手成功时，中央SDN控制器作为整车调度器，边缘SDN控制器被沉默，处于休眠状态；
所述的边缘SDN控制器包括南向接口、流量监控模块、柔性时分周期调度模块、主动调度控制模块、调度决策模块、协同模块、冗余调度转换模块、北向接口；
所述南向接口与由网关、中央控制单元及区控制器构成的执行平面互联，接收各链路的流量信息，并将SDN控制器做出的调度决策传输给执行平面；
所述流量监控模块负责对从南向接口传来的流量信息进行监控，并生成流量信号，传输给柔性时分周期调度模块和冗余调度转换模块；
所述柔性时分周期调度模块负责接收流量监控模块传来的流量信息，并综合流量信号和应用层软件定义的主动调度信号进行柔性周期调度，并生成调度信号发送给调度决策模块；
所述冗余调度转换模块接收流量监控模块的流量信号，并在接收到协同模块的激活信号后激活，进行冗余调度策略的转换，并生成调度信号发送给调度决策模块；
所述调度决策模块接收柔性时分周期调度模块和冗余调度转换模块传来的调度信号，对调度策略进行决策，并将调度决策信号传输给南向接口，发送至执行平面进行调度策略的执行；
所述协同模块工作在边缘哨兵模式下，产生握手信号，并通过南向接口与中央SDN控制器的协同模块进行互联；握手成功时，边缘SDN控制器被沉默；握手失败且满足中央计算单元失效判据时，产生激活信号传递给冗余调度转换模块，执行冗余调度策略的转换，并将边缘SDN控制器激活；
其特征在于，所述方法包括调度控制策略流程和中央计算单元失效判据；
调度控制策略流程描述为：SDN执行平面的网关将各支路流量信息经过当前处于唤醒状态的SDN控制器的南向接口传入流量监控模块，定义左前区支路流量为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，右前区支路流量为
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，后区支路流量为
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，则流量监控模块中进行如下流量信号处理：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
Figure DEST_PATH_IMAGE010
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
分别为左前区与右前区流量差值、左前区与后区流量差值、右前区与后区流量差值；
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为各支路负载偏差构成的偏差向量；
负载波动判据如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为偏差向量的无穷范数，其值为区间流量偏差的最大值；
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为流量波动的容忍阈值；
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为流量负载保险系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为左前区、右前区和后区中任意区域支路的流量；
当判据不成立时，系统调度状态保持不变；当判据成立时，若中央SDN控制器与边缘SDN控制器的协同模块握手成功，则进行柔性时分周期调度方法；若握手不成功，则执行冗余策略转换；最终调度策略由调度决策模块进行决策，并经当前唤醒的SDN控制器的南向接口输出到执行平面；同时，在柔性时分周期调度下，SDN软件定义平面的应用层控制及调度信号经SDN控制器的北向接口传入主动调度控制模块，并将主动调度信号输入柔性时分周期调度模块，进行调度策略执行；
中央计算单元失效判据描述为：
Figure DEST_PATH_IMAGE026
。
2.根据权利要求1所述的基于SDN的调度控制方法，其特征在于：还包括边缘SDN控制器唤醒与控制接管、网络拓扑更新、SDN控制器南向接口更新、区间协调与重同步、调度方法切换，所述的调度方法切换为柔性时分周期调度方法转换为区间二分周期调度方法。
3.一种冗余的调度方法，其特征在于：应用于权利要求1~2任意一项所述的基于SDN的调度控制方法，所述冗余的调度方法包括：在中央计算单元正常工作下，Y型主干网采用的柔性时分周期调度方法FPS和在中央计算单元失效情况下，△型以太网冗余主干网采用的区间二分周期调度方法IHPS。
4.根据权利要求3所述的一种冗余的调度方法，其特征在于：在中央计算单元正常工作下，整车主干网络拓扑为Y型网，采用柔性时分周期调度方法，具体为：为提升各区收发信息的同步性和实时性，将中央计算单元的系统采样周期T划分为三个柔性时分子周期T 1 、T 2 、 T 3 ，左前区、右前区、后区的通讯信号分别在T 1 、T 2 、T 3 子周期内执行通讯；其中，每个子周期由时分基本周期和柔性周期两部分构成，即：柔性时分子周期的构成为：
Figure DEST_PATH_IMAGE028
其中，T base 为时分基本周期；T为系统采样周期；T Δ_ij 为根据区i、j支路的流量和区间偏差计算得的柔性周期；f()为柔性调度函数；T i 为第i个区支路的柔性时分子周期；
Figure DEST_PATH_IMAGE030
表示采用柔性时分周期调度产生的柔性周期调整；
调度设计判据为：
Figure DEST_PATH_IMAGE032
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE034
表示求和运算；
Figure DEST_PATH_IMAGE036
表示第i个区的采样同步信号的长度；
Figure DEST_PATH_IMAGE038
表示第i个区在子周期内传输的单个信号的最大长度；为保证采样的协调性与同步性，每个子周期头部都有一个采样同步信号SYNC，该采样同步信号由中央SDN控制器生成的调度决策信号产生，并经过南向接口发送至执行平面的各控制器节点执行。
5.根据权利要求3所述的一种冗余的调度方法，其特征在于：在中央计算单元失效情况下，整车主干网络拓扑切换为△型以太网冗余主干网，采用区间二分周期调度方法，具体为：各区之间通过协同进行整车控制，区采样周期由区间二分子周期构成，具体为：
Figure DEST_PATH_IMAGE040
其中，T i 为第i个区的区采样周期；T为失效前的系统采样周期；T i-j 为区i与区j的区间二分子周期；区间的协作通讯在相应的区间二分子周期内执行；
调度设计判据为：
Figure DEST_PATH_IMAGE042
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE044
表示求和运算；
Figure DEST_PATH_IMAGE046
表示区i与区j之间的采样同步信号sync的长度，由边缘SDN控制器生成的调度决策信号产生，并经过南向接口发送至执行平面的各控制器节点进行同步；
Figure DEST_PATH_IMAGE048
表示区i与区j之间在子周期内传输的单个协作信号的最大长度；为保证采样的协调性与同步性，每个子周期头部都有一个采样同步信号SYNC,该采样同步信号由中央SDN控制器生成的调度决策信号产生，并经过南向接口发送至执行平面的各控制器节点执行。
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