CN115604200B - 面向轧制产线异构设备实时协同的确定性资源调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了面向轧制产线异构设备实时协同的确定性资源调度方法，属于工业物联网时间敏感网络技术领域，步骤包括：基于有向图的网络拓扑模型的构建；综合节点参数的混合流量模型的构建；基于数据包长度可变的漏桶算法计算混合流量的延迟边界；基于广播形式传输的混合流量路由约束的构建；防止混合流相互干扰、对流分配的网络资源限制和满足流的截止时间的要求的综合调度约束的构建；综合路由和流延迟边界的目标函数构建以及多路径下混合流量优先级分配问题的求解。本发明在保证混合流量延时的前提下，使得整个网络流量的延时之和最小，提升了网络的整体性能，解决混合流量在异步流量整形器所构成的复杂网络下的多路径动态优先级分配问题。

Description

面向轧制产线异构设备实时协同的确定性资源调度方法
技术领域
本发明涉及工业物联网时间敏感网络技术领域，尤其是一种面向轧制产线异构设备实时协同的确定性资源调度方法。
背景技术
面对热轧产线上日益增长的业务需求，例如产品种类不断扩展、产品规格不断扩展、产品强度不断提高和产品质量要求不断提高等，传统的热轧产线各个子系统相互独立的网络环境已经不能很好满足生产控制的需求，这些动态业务需求的增长对热轧产线上原有的轧制设备和自动化控制系统都提出了更高的要求，不仅要求热轧产线提供更精确的轧制温度、冷却速度等控制，还需要热轧产线各个设备的协同通信。在热轧产线中存在着大量智能仪表、传感器、控制器、执行设备等，这些设备组成了热轧产线控制系统和监控系统，实现了热轧产线复杂的生产过程。由于各个系统之间没有实现有效的协同通信，导致通信网络相互隔离使得各个系统形成了信息孤岛。热轧生产线的全过程的网络协同通信系统，对于提高产线控制水平，实现一定范围的柔性制造控制，降低控制成本，实现可持续稳定的控制系统，具有重要的意义。为了实现热轧产线的多元性、相关性、整体性，热轧产线的数据协同管理、高度集成智能化是必不可少的。
热轧生产线的全过程的网络协同通信系统的需求使得热轧产线大量智能仪表、传感器、控制器等设备在同一网络环境下大量部署，导致带宽需求的增加，以及在这些大量的数据中还有着复杂的数据传输优先级的需求。这不仅要求通信网络需要充分利用通信带宽，还要求通信网络提供关键数据可靠性的保障。尽管在时间敏感网络中存在一些时间驱动的方法，如时间感知整形器，对于周期性流量拥有更低的传输时延，但是时间感知整形器不仅存在保护带宽使得带宽利用率较低，而且依赖在网络中所有交换机、终端设备和应用软件之间进行全局时间同步。这种依靠全局时钟同步的通信方法的最大限制是对全局时钟可用性的强烈依赖，例如，时间同步信号的丢失或同步失败将导致数据通信异常甚至可能导致整个通信网络的崩溃。交换机之间要求进行严格的时间同步，因此时间感知整形器在热轧产线复杂的网络环境中难以进行部署。
基于紧急程度调度器的异步流量整形器是一种新的保证数据实时性的途径，不依赖全局时间同步来进行流量的调度决策。异步流量整形器基于紧急度的调度器，这是一种异步排队算法，结合了交错整形和严格优先级队列，不仅能够提供低延迟的网络传输服务，而且在处理混合业务流方面具有较好的灵活性。异步流量整形器使用本地时间运行使其有着更高的可扩展性，使用的是高流量的漏桶约束流量模型，即比周期性流量模型更具备复杂网络环境的适应性，提供实时性的同时保证带宽利用率。这些特性使异步流量整形器能够适用于分布式应用环境。
在热轧生产线全过程网络协同通信系统的底层使用异步流量整形器提高网络的灵活性和可靠性。在热轧生产线全过程网络协同通信系统这种复杂网络中，混合流量的路由选择与流量的调度是密切关联的，因为流量的路由选择会影响流量的调度，反之亦然。因此有必要同时考虑混合流量的路由和调度以提升网络整体性能。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种面向轧制产线异构设备实时协同的确定性资源调度方法，综合考虑了路由和流量的延迟边界，进行优化整个网络，在保证混合流量延时的前提下，使得整个网络流量的延时之和最小，提升了网络的整体性能，解决混合流量在异步流量整形器所构成的复杂网络下的多路径动态优先级分配问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种面向轧制产线异构设备实时协同的确定性资源调度方法，包括以下步骤：
步骤一，基于有向图的网络拓扑模型的构建；
步骤二，综合节点参数的混合流量模型的构建；
步骤三，基于数据包长度可变的漏桶算法计算混合流量的延迟边界；
步骤四，基于广播形式传输的混合流量路由约束的构建；
步骤五，防止混合流相互干扰、对流分配的网络资源限制和满足流的截止时间的要求的综合调度约束的构建；
步骤六，综合路由和流延迟边界的目标函数构建以及多路径下混合流量优先级分配问题的求解。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤一中，时间敏感网络拓扑建模为有向图G(V,E)，V＝SW∪ES，E＝{(vi,vj)|vi,vj∈V}；
其中，V是节点集合，由交换机节点集合SW和终端节点集合ES构成，E是网络链路集合，vi和vj分别为节点集合V中任意节点。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤二中，混合流量模型中混合流量由五元组表示，其中，sk表示流fk的源节点、dk表示流fk的目的节点、lk表示流fk的最大帧长度、rk表示流fk的流速、/>表示流fk的截止时间；
混合流量模型中节点参数由二元组＜ri,qi＞表示，其中，ri表示节点vi端口速度、qi表示节点vi共享队列数量；
混合流量模型中为一个布尔变量，当流fk经过(vi,vj)时/>值为1，当流fk没有经过(vi,vj)时/>值为0。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤三中，在基于数据包长度可变的漏桶算法的异步流量整形器所构成的网络中流fk的延迟边界计算公式如下：
流fk除最后一跳以外的每一跳延迟边界计算为：
流fk最后一跳延迟边界计算为：
其中，表示在节点vi中流fk的优先级，/>F为流的集合,d为链路传输延迟，/>表示优先级与/>相等的流的集合不包括fk，/>表示优先级比/>高的流的集合/>为优先级比/>低的流的最大帧长度，lmin(fk)为流fk的最小帧长度。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤四中，路由约束的构建如下：
对于流fk没有流入源节点的路径约束：
其中，为布尔变量，当流fk经过(vi,sk)时/>值为1，反之值为0；
对于流fk至少有一条流出源节点的路径约束：
其中，为布尔变量，当流fk经过(sk,vj)时/>值为1，反之值为0；
对于流fk最多一条流入交换机节点的路径约束：
其中，为布尔变量，当流fk经过(vi,ck)时/>值为1，反之值为0；
对于流fk至少一条流出交换机节点的路径约束：
其中，为布尔变量，当流fk经过(ck,vj)时/>值为1，反之值为0；
对于流fk一条流入目的节点的路径约束：
其中，为布尔变量，当流fk经过(vi,dk)时/>值为1，反之值为0；
对于流fk没有流出目的节点的路径约束：
其中，为布尔变量，当流fk经过(dk,vj)时/>值为1，反之值为0；
对于流fk不存在形成回路的路径约束：
其中，为布尔变量，当流fk经过(vi,vj)时/>值为1，反之值为0，S为节点集合V的子集，|S|表示集合S中节点数量。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤五中，调度约束的构建如下：
对于网络中所有节点流入流速和流出流速都不大于该节点流速约束：
其中，为布尔变量，当流fk经过(vi,vj)时/>值为1，反之值为0，rk表示流fk的流速，ri表示节点vi端口速度，F为流的集合；
对于网络中所有节点流入流出流的数量不大于交换机共享队列数量约束：
其中，qi表示节点vi共享队列数量；
对于流延迟边界满足截止时间的要求约束：
其中，d为链路传输延迟，表示流fk的截止时间，/>表示在节点vi中流fk的优先级，/>表示在节点ei中流fk的优先级，ei和ej为节点集合V中去除流fk的目的节点后的任意节点，/>为布尔变量，当流fk经过(ei,ej)时/>值为1，反之值为0，/>为布尔变量，当流fk经过(vi,dk)时/>值为1，反之值为0，/>为布尔变量。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤六中，目标函数构建如下：
其中，F为流的集合，ei和ej为节点集合V中去除流fk的目的节点后的任意节点，表示在节点vi中流fk的优先级，/>表示在节点ei中流fk的优先级，/>为布尔变量，当流fk经过(ei,ej)时/>值为1，反之值为0，/>为布尔变量，当流fk经过(vi,dk)时值为1，反之值为0。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
1、本发明综合考虑了路由和流量的延迟边界，进行优化整个网络，在保证混合流量延时的前提下，使得整个网络流量的延时之和最小，提升了网络的整体性能，解决混合流量在异步流量整形器所构成的复杂网络下的多路径动态优先级分配问题。
2、现有技术未考虑结合路径优化，即使用预先指定的最短路径，而这种综合调度方法随着流数量的增加时，会使得关键路径上一些高优先级的时间敏感流量无法进行调度；而本发明通过设置步骤四，综合考虑结合路径优化，即不使用预先指定的最短路径，不会随着流数量的增加，导致关键路径上一些高优先级的时间敏感流量无法进行调度，而是流的路径选择跟随网络拓扑以及流的数量变化能得到比指定的最短路径更优的解，扩大了解的空间。
3、本发明通过设置步骤五，综合考虑混合流量的端对端延迟、异步流量整形器的端口流速和异步流量整形器的共享队列数量等，为混合流量提供了最大延迟保证，满足混合流量的调度要求，同时实现对每条流所分配到资源的限制，使得调度更合理。
4、本发明通过设置步骤六，目标函数实现为网络中混合流量延迟边界之和，即不止考虑单条流的延迟边界而是综合考虑整个网络的延迟边界，进而能实现优化整个网络，增加了网络中能容纳的流数量，使整个网络的资源分配更为合理，提升了网络的整体性能。
附图说明
图1是本发明具有k条流的面向轧制产线设备协同的异步流量整形与路径优化联合设计方法的分配模型。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明：
根据如图1所示的具有k条流的面向轧制产线设备协同的异步流量整形与路径优化联合设计方法的分配模型，面向轧制产线异构设备实时协同的确定性资源调度方法，包括以下步骤：
步骤一，基于有向图的网络拓扑模型的构建；
时间敏感网络拓扑建模为有向图G(V,E)，V＝SW∪ES，E＝{(vi,vj)|vi,vj∈V}；
其中，V是节点集合，由交换机节点集合SW和终端节点集合ES构成，E是网络链路集合，vi和vj分别为节点集合V中任意节点。
步骤二，综合节点参数的混合流量模型的构建；
混合流量模型中混合流量由五元组表示，其中，sk表示流fk的源节点、dk表示流fk的目的节点、lk表示流fk的最大帧长度、rk表示流fk的流速、/>表示流fk的截止时间；
混合流量模型中节点参数由二元组＜ri,qi＞表示，其中，ri表示节点vi端口速度、qi表示节点vi共享队列数量；
混合流量模型中为一个布尔变量，当流fk经过(vi,vj)时/>值为1，当流fk没有经过(vi,vj)时/>值为0。
步骤三，基于数据包长度可变的漏桶算法计算混合流量的延迟边界；
异步流量整形器的交错整形算法使用数据包长度可变的漏桶算法，对于经过异步流量整形器的混合流量要求满足漏桶传输限制，即经过异步流量整形器的流fk在任意时间t内漏桶泄露数据量与突发流量大小之和不小于这段时间流fk累计数据量；每个异步流量整形器中都有一组先到先服务的共享队列，每个队列都与一个流量类型和一个内部优先级相关联，由严格的优先级传输选择方案对这组共享队列的传输进行仲裁，即异步流量整形器可以经济高效地提供异步流量调节；通过这种使用交错整形算法和严格优先级队列相结合的方式，相当于在网络中启用了每跳流量的优先级调节，提高了流量调度的灵活性，从而避免了混合流在穿越复杂网络时形成突发性流量；在异步流量整形器构成的网络中流fk的延迟边界计算公式如下：
流fk除最后一跳以外的每一跳延迟边界计算为：
流fk最后一跳延迟边界计算为：
其中，表示在节点vi中流fk的优先级，/>F为流的集合,d为链路传输延迟，/>表示优先级与/>相等的流的集合不包括fk，/>表示优先级比/>高的流的集合/>为优先级比/>低的流的最大帧长度，lmin(fk)为流fk的最小帧长度。
步骤四，基于广播形式传输的混合流量路由约束的构建；
路由约束规定了流量在网络上必须进行连续传输，确保所有的流的传输路径为从该流的源节点至少经过一个交换机节点再传输所有目的节点，保证路由是树状结构，而且不形成环路；路由约束的构建如下：
对于流fk没有流入源节点的路径约束：
其中，sk表示流fk的源节点、vi为节点集合V中任意节点，为布尔变量，当流fk经过(vi,sk)时/>值为1，反之值为0；
对于流fk至少有一条流出源节点的路径约束：
其中，sk表示流fk的源节点、vj为节点集合V中任意节点，为布尔变量，当流fk经过(sk,vj)时/>值为1，反之值为0；
对于流fk最多一条流入交换机节点的路径约束：
其中，dk表示流fk的目的节点、ck为节点集合V中交换机节点，即在节点集合V中去除流fk的终端节点的任意节点，为布尔变量，当流fk经过(vi,ck)时/>值为1，反之值为0；
对于流fk至少一条流出交换机节点的路径约束：
其中，dk表示流fk的目的节点、ck为节点集合V中交换机节点，即在节点集合V中去除流fk的终端节点的任意节点，为布尔变量，当流fk经过(ck,vj)时/>值为1，反之值为0；
对于流fk一条流入目的节点的路径约束：
其中，dk表示流fk的目的节点、vi为节点集合V中任意节点，为布尔变量，当流fk经过(vi,dk)时/>值为1，反之值为0；
对于流fk没有流出目的节点的路径约束：
其中，dk表示流fk的目的节点、vj为节点集合V中任意节点，为布尔变量，当流fk经过(dk,vj)时/>值为1，反之值为0；
对于流fk不存在形成回路的路径约束：
其中，vi和vj为节点集合V中任意节点，为布尔变量，当流fk经过(vi,vj)时值为1，反之值为0，S为节点集合V的子集，|S|表示集合S中节点数量。
步骤五，防止混合流相互干扰、对流分配的网络资源限制和满足流的截止时间的要求的综合调度约束的构建；
调度约束要求对流分配的资源不能大于整个网络所拥有的资源，并且保证端到端延迟等参数满足混合流量的要求；为了防止混合流之间的相互干扰，还要求对混合流进行调度时满足：对来自于不同交换机的流不能进入同一个共享队列、对来自于同一个交换机的优先级不相同的流不能进入同一个共享队列、在同一个交换机中内部优先级不相同的流不能进入同一个共享队列；
调度相关约束的构建如下：
对于网络中所有节点流入流速和流出流速都不大于该节点流速约束：
其中，vi和vj为节点集合V中任意节点，为布尔变量，当流fk经过(vi,vj)时值为1，反之值为0，rk表示流fk的流速，ri表示节点vi端口速度，F为流的集合；
对于网络中所有节点流入流出流的数量不大于交换机共享队列数量约束：
其中，F为流的集合，qi表示节点vi共享队列数量，vi和vj为节点集合V中任意节点，为布尔变量，当流fk经过(vi,vj)时/>值为1，反之值为0；
对于流延迟边界满足截止时间的要求约束：
其中，d为链路传输延迟，表示流fk的截止时间，/>表示在节点vi中流fk的优先级，/>表示在节点ei中流fk的优先级，ei和ej为节点集合V中去除流fk的目的节点后的任意节点，/>为布尔变量，当流fk经过(ei,ej)时/>值为1，反之值为0，/>为布尔变量，当流fk经过(vi,dk)时/>值为1，反之值为0，vi和vj为节点集合V中任意节点，/>为布尔变量，当流fk经过(vi,vj)时/>值为1，反之值为0。
步骤六，综合路由和流延迟边界的目标函数构建以及多路径下混合流量优先级分配问题的求解；
通过以上步骤构建出在综合考虑了路由和流的延迟边界条件下，混合流的延时之和最小的目标函数；
目标函数构建如下：
其中，F为流的集合，ei和ej为节点集合V中去除流fk的目的节点后的任意节点，表示在节点vi中流fk的优先级，/>表示在节点ei中流fk的优先级，/>为布尔变量，当流fk经过(ei,ej)时/>值为1，反之值为0，/>为布尔变量，当流fk经过(vi,dk)时值为1，反之值为0；
问题的求解使用可满足性模理论的方法对该问题进行求解，过以上步骤构建出网络拓扑模型、混合流量模型、路由相关约束、调度相关约束以及目标函数并配置生成对应的可满足性模理论的表达式，如果最优解存在则可满足性模理论的求解器将会求解出多路径下混合流量优先级分配问题的最优解。
综上所述，与现有技术相比，本发明的优点在于综合考虑了路由和流量的延迟边界，进行优化整个网络，在保证混合流量延时的前提下，使得整个网络流量的延时之和最小，提升了网络的整体性能。

Claims (1)

1.一种面向轧制产线异构设备实时协同的确定性资源调度方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，基于有向图的网络拓扑模型的构建；
步骤一中，时间敏感网络拓扑建模为有向图G(V,E)，V＝SW∪ES，E＝{(vi,vj)|vi,vj∈V}；
其中，V是节点集合，由交换机节点集合SW和终端节点集合ES构成，E是网络链路集合，vi和vj分别为节点集合V中任意节点；
步骤二，综合节点参数的混合流量模型的构建；
步骤二中，混合流量模型中混合流量由五元组表示，其中，sk表示流fk的源节点、dk表示流fk的目的节点、lk表示流fk的最大帧长度、rk表示流fk的流速、/>表示流fk的截止时间；
混合流量模型中节点参数由二元组＜ri,qi＞表示，其中，ri表示节点vi端口速度、qi表示节点vi共享队列数量；
混合流量模型中为一个布尔变量，当流fk经过(vi,vj)时/>值为1，当流fk没有经过(vi,vj)时/>值为0；
步骤三，基于数据包长度可变的漏桶算法计算混合流量的延迟边界；
步骤三中，在基于数据包长度可变的漏桶算法的异步流量整形器所构成的网络中流fk的延迟边界计算公式如下：
流fk除最后一跳以外的每一跳延迟边界计算为：
流fk最后一跳延迟边界计算为：
其中，表示在节点vi中流fk的优先级，/>F为流的集合,d为链路传输延迟，表示优先级与/>相等的流的集合不包括fk，/>表示优先级比/>高的流的集合/>为优先级比/>低的流的最大帧长度，lmin(fk)为流fk的最小帧长度；
步骤四，基于广播形式传输的混合流量路由约束的构建；
步骤四中，路由约束的构建如下：
对于流fk没有流入源节点的路径约束：
其中，为布尔变量，当流fk经过(vi,sk)时/>值为1，反之值为0；
对于流fk至少有一条流出源节点的路径约束：
其中，为布尔变量，当流fk经过(sk,vj)时/>值为1，反之值为0；
对于流fk最多一条流入交换机节点的路径约束：
其中，为布尔变量，当流fk经过(vi,ck)时/>值为1，反之值为0；
对于流fk至少一条流出交换机节点的路径约束：
其中，为布尔变量，当流fk经过(ck,vj)时/>值为1，反之值为0；
对于流fk一条流入目的节点的路径约束：
其中，为布尔变量，当流fk经过(vi,dk)时/>值为1，反之值为0；
对于流fk没有流出目的节点的路径约束：
其中，为布尔变量，当流fk经过(dk,vj)时/>值为1，反之值为0；
对于流fk不存在形成回路的路径约束：
其中，为布尔变量，当流fk经过(vi,vj)时/>值为1，反之值为0，S为节点集合V的子集，|S|表示集合S中节点数量；
步骤五，防止混合流相互干扰、对流分配的网络资源限制和满足流的截止时间的要求的综合调度约束的构建；
步骤五中，调度约束的构建如下：
对于网络中所有节点流入流速和流出流速都不大于该节点流速约束：
其中，为布尔变量，当流fk经过(vi,vj)时/>值为1，反之值为0，rk表示流fk的流速，ri表示节点vi端口速度，F为流的集合；
对于网络中所有节点流入流出流的数量不大于交换机共享队列数量约束：
其中，qi表示节点vi共享队列数量；
对于流延迟边界满足截止时间的要求约束：
其中，d为链路传输延迟，表示流fk的截止时间，/>表示在节点vi中流fk的优先级，表示在节点ei中流fk的优先级，ei和ej为节点集合V中去除流fk的目的节点后的任意节点，/>为布尔变量，当流fk经过(ei,ej)时/>值为1，反之值为0，/>为布尔变量，当流fk经过(vi,dk)时/>值为1，反之值为0，/>为布尔变量；
步骤六，综合路由和流延迟边界的目标函数构建以及多路径下混合流量优先级分配问题的求解；
步骤六中，目标函数构建如下：
其中，F为流的集合，ei和ej为节点集合V中去除流fk的目的节点后的任意节点，表示在节点vi中流fk的优先级，/>表示在节点ei中流fk的优先级，/>为布尔变量，当流fk经过(ei,ej)时/>值为1，反之值为0，/>为布尔变量，当流fk经过(vi,dk)时/>值为1，反之值为0。
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