CN115694707A - 一种基于业务识别的汽车区系统及实时同步调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于业务识别的汽车区系统及实时同步调度方法；该系统包括中央计算单元、左前区域控制器、右前区域控制器、后区域控制器，各区控制器与中央计算单元通过由以太网构成的星型主干网络拓扑进行连接。采用基于业务识别的调度方法，通过配置ECU业务接口进行业务流标识，在区控制器中进行业务流的识别，并采用混合调度方式进行流调度，根据实时性判据调整流队列；在中央计算单元进行业务流适配，并根据同步性判据进行业务流协同调度调整。基于业务识别对区调度周期进行基本周期划分，并对中央调度周期划分为若干轮询基本周期，轮询基本周期中通过时间片机制进行各区相同业务间的实时同步。
Description
技术领域
本发明涉及智能电动汽车的技术领域，具体为一种基于业务识别的汽车区系统及实时同步调度方法。
背景技术
近年来，随着汽车电动化、智能化、网联化、共享化等趋势的迅速发展，汽车所具备的功能逐渐丰富和完善，因此越来越多的电控单元、传感器等部件引入汽车架构中，以服务新趋势下高级驾驶辅助、自动驾驶等高级功能的布局和实现。而电子部件的引入使得车载网络布线更加复杂，传统的分布式或基于功能域的汽车电子电器架构设计和线束布局方式已无法适应新趋势下功能的升级和扩展，同时由于不同电控单元产生的信号所服务的功能不尽相同，给功能实现的同步性和实时性带来了新的挑战和不确定性。
为了改进车载网络线束布局方式、提升通讯效率和可扩展性，降低架构成本，目前业界已逐渐聚焦基于区域的汽车电子电器架构，即电控单元及相关部件按照物理布局就近分配，形成区域后在进行统一协调与处理；同时为了提升信号传输的同步性，逐渐引入车载以太网TSN等基于时间敏感的通讯协议以保证信号传输的实时性和同步性。但是上述方案也存在一些问题：区架构下控制单元按物理空间布局，这将导致原本存在于同一功能域中的信号在区架构下会被分散到不同的区域之中；另外，功能的扩展也导致信号流服务的功能不尽相同，而实时性和同步性目前也只是强调信号流传输的实时与同步，并未关注信号流所服务的功能差异；这意味着，虽然信号流的传输满足实时性和同步性需求，但是由于区架构导致的信号分散布局，某一功能的实现可能需要来自不同区域下服务于该功能的业务信号到来才能进行有效更新，即传统架构下的实时性和同步性概念在区架构中可能不在适用，区架构下的实时性和同步性应精确到信号服务的具体功能之中。
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和实时性问题的大背景下，本发明的目的是提供一种基于业务识别的汽车区系统及实时同步调度方法。
本发明技术方案如下：
本发明提出了基于业务识别的汽车区系统，包括中央计算单元、区控制器组以及配置有业务识别接口的ECU。区控制器组通过汽车以太网构成的星型主干网与中央计算单元进行互联通讯，通过总线型区域子网与所属的ECU进行信息交互。
所述配置有业务识别接口的ECU包括：ECU核心和业务配置接口。其中ECU核心用于进行具体功能处理，业务配置接口用于将核心生成的信号流根据所属业务打上相应的业务标识。
所述区控制器组包括多个区控制器，分别为：左前区控制器、右前区控制器和后区控制器。其中区控制器中配置有业务识别模块和混合调度模块。业务识别模块根据ECU传来的信号流中配置的业务标识进行业务流的识别，并基于业务将信号流分配到相应的传输队列；混合调度模块负责将识别后的业务流和普通信号流以混合调度的方式进行通讯传输。区控制器通过区域子网与其所控制区域内的ECU进行连接，构成一个区控制系统。
所述区控制器包括：交换机、业务识别模块、流整形模块、业务流队列、常规/紧急队列和混合调度模块等。其中交换机负责进行异构网络之间的通讯协议转换，并将信号流标记时间戳后传输至业务识别模块；业务识别模块负责基于信号流中的业务标识，对ECU传来的信号流进行业务识别，并经流整形模块整形后分配到相应的业务流队列中；流整形模块负责对信号流进行整型处理，防止爆发信号流带来的通讯拥塞和抖动；业务流队列为信号流中的业务流的排队队列，与混合调度模块相连，采用混合调度中的业务敏感型基本周期循环调度进行信号传输；所述常规/紧急队列为信号流中的普通非业务流的排队队列，可基于信号流实时判据进行队列调整，以满足其特定的实时性要求，并与混合调度模块相连，采用并行调度进行信号传输。混合调度模块负责基于其内置的调度规则，将信号流传输至交换机出口，经交换机进行协议转换后传出。
所述的信号流实时判据可以描述为：普通非业务流维护一个边界容忍系数C，边界容忍系数与非业务流的优先级相关，非业务流经过整型后首先进入常规队列进行排队，并根据时间戳进行排队计时，若在边界许可范围内消息成功传输，即消息在常规队列中进行排队传输；若排队计时超出边界容忍系数，则切换至紧急队列，通过并行调度采用抢占方式进行消息传输。
所述中央计算单元包括：交换机、业务适配模块、同步校验模块、协同调度模块、中央多核处理器等。其中交换机负责主干网之间信号流的转发和协议转换，并将到达的信号流配置时间戳；其中业务适配模块负责将各区上传的业务流信号中的相同业务流进行适配，并上传到中央多核处理器中进行处理，同时拷贝至同步校验模块；其中同步校验模块负责根据业务流信号中的业务标识和时间戳，基于业务流同步判据对相同业务流传输的同步性进行校验，并生成校验信号传输至协同调度模块；其中协同调度模块负责根据校验信号生成调度信号，对业务流传输同步性进行调整，其中调度信号与中央多核处理器处理后的信号融合，经交换机传输给各区控制器。
所述的业务流同步判据可以描述为：基于业务标识识别出的来自各区的相同业务流，根据其时间戳的最大值与最小值求解，若差值在对应的业务轮询基本周期内，表明相同业务在规定基本周期内实现同步传输；若超出其业务轮询基本周期，则表明业务传输错步，需进行基本周期调度调整，并生成调度信号下传至控制器单元。
本发明还提出一种基于业务识别的实时同步调度方法，具体为：
区控制器采用的区调度周期选取为所在区内最小控制单元的最小周期，同时，为提升实时性，将所述区调度周期划分为若干基本周期；为提升同步性，所述基本周期基于业务流队列进行划分，因此称所述基本周期为业务基本周期；在区域内部，业务流在各自的业务基本周期内具有最高的优先级，在区域之间，业务流优先级采用相同的排序准则。根据业务流时效性需求和传输周期差异，时效性需求低、传输周期相对较长的业务流所对应的业务基本周期可进行复用：为高时效业务流进行扩展、为并行调度的紧急队列进行抢占、作为重同步调整段。
中央计算单元采用的中央调度周期选取为所述区控制器组中的区调度周期的最大值，所述中央调度周期基于业务流分配轮询基本周期；所述轮询基本周期内根据区控制器组中的区域数量划分时间片，通过所述时间片轮询采集各区在业务基本周期内传输的相同业务流以及常规信号流，进而将相同业务的信号流同步传输至中央计算单元进行处理，实现业务级的实时同步调度。
基于实时同步调度方法，本发明还提出一种混合调度策略，混合调度策略包括业务敏感型基本周期循环调度和并行调度。混合调度策略流程可以描述为：
标记有业务标识的流队列经过交换机端口进入区控制器，经业务识别模块基于业务标识进行业务流分配，其中带有业务标识的业务流会基于具体业务标识进入业务流队列，通过业务敏感型基本周期循环调度策略进行传输；未带有业务标识的信号流为属于普通非业务流，进入并行调度策略的常规队列进行排队，基于信号流实时判据决定信号流继续排队传输或者切换队列进行并行抢占传输。最终，经过调度后的信号流分配入对应的区调度基本周期内，经交换机输出端口传输至干路网络。
本发明的有益效果：
1、本发明提出了基于业务识别的汽车区系统，通过区架构中配置有业务识别接口的ECU对业务信号进行标识，并基于业务识别进行区间信号流的传输与同步，使得在区架构中某业务功能所涉及的分配在不同区中的信号流依然能够实现业务级信号的实时同步传输。
2、本发明还提出一种基于业务识别的实时同步调度方法，通过配置区调度周期、中央调度周期以及相应的优先级策略和排队准则，实现基于业务识别的业务信号流的确定性实时同步传输，并通过对基本周期的配置，实现同步调整与传输周期复用。
3、基于实时同步调度方法，本发明还提出一种混合调度策略，通过业务敏感型基本周期循环调度和并行调度混合，实现车辆业务流信号与普通信号流之间的并行传输与调度，既能满足业务流的实时同步需求，又不阻碍普通信号流的传输过程。
附图说明
图1为实施例采用的基于业务识别的汽车区系统物理拓扑示意图；
图2为实施例采用的基于业务识别的区控制器组成逻辑示意图；
图3为实施例采用的基于业务识别的中央计算单元组成逻辑示意图；
图4为实施例采用的区调度周期构成示意图；
图5为实施例采用的中央调度周期构成示意图；
图6为实施例采用的混合调度流程示意图。
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。
本发明提出了基于业务识别的汽车区系统实时同步调度方法，如图1~6所示。
图1为实施例采用的基于业务识别的汽车区系统物理拓扑示意图，具体为：区架构由中央计算单元、区控制器组以及配置有业务识别接口的ECU构成。区控制器组通过汽车以太网构成的星型主干网与中央计算单元进行互联通讯，通过总线型区域子网与所属的ECU进行信息交互。其中，ECU中配置有业务识别接口，用于将ECU核心生成的信号流根据所属业务打上相应的业务标识。信号流通过区域子网传输至区控制器，区控制器中包含业务识别模块、混合调度模块、交换机等，业务识别模块能够通过业务标识对信号流进行业务识别，并通过混合调度模块中相应的调度方法进行传输；信号流通过交换机传输至以太网主干网，并经交换机传输至中央计算单元中，中央计算单元包括中央多核处理器、业务适配模块、同步校验模块和协调调度模块等，能够对各区上传的信号流进行业务匹配与同步性校验，同时经多核处理器进行信号计算与处理。
图2为实施例采用的基于业务识别的区控制器组成逻辑示意图，具体为：区控制器包括交换机、业务识别模块、流整形模块、业务流队列、常规/紧急队列和混合调度模块等。其中交换机负责进行异构网络之间的通讯协议转换，并将信号流标记时间戳后传输至业务识别模块；业务识别模块负责基于信号流中的业务标识，对ECU传来的信号流进行业务识别，并经流整形模块整形后分配到相应的业务流队列中；流整形模块负责对信号流进行整型处理，防止爆发信号流带来的通讯拥塞和抖动；业务流队列为信号流中的业务流的排队队列，与混合调度模块相连，采用混合调度中的业务敏感型基本周期循环调度进行信号传输；所述常规/紧急队列为信号流中的普通非业务流的排队队列，可基于信号流实时判据进行队列调整，以满足其特定的实时性要求，并与混合调度模块相连，采用并行调度进行信号传输。混合调度模块负责基于其内置的调度规则，将信号流传输至交换机出口，经交换机进行协议转换后传出。
其中，信号流实时判据可以描述为：普通非业务流维护一个边界容忍系数C，边界容忍系数与非业务流的优先级相关，非业务流经过整型后首先进入常规队列进行排队，并根据时间戳进行排队计时，若在边界许可范围内消息成功传输，即消息在常规队列中进行排队传输；若排队计时超出边界容忍系数，则切换至紧急队列，通过并行调度采用抢占方式进行消息传输。
图3为实施例采用的基于业务识别的中央计算单元组成逻辑示意图，具体为：中央计算单元包括交换机、业务适配模块、同步校验模块、协同调度模块、中央多核处理器等。其中交换机负责主干网之间信号流的转发和协议转换，并将到达的信号流配置时间戳；其中业务适配模块负责将各区上传的业务流信号中的相同业务流进行适配，上传到中央多核处理器中进行处理，并同时拷贝至同步校验模块；其中同步校验模块负责根据业务流信号中的业务标识和时间戳，基于业务流同步判据对相同业务流传输的同步性进行校验，并生成校验信号传输至协同调度模块；其中协同调度模块负责根据校验信号生成调度信号，对业务流传输同步性进行调整，其中调度信号与中央多核处理器处理后的信号融合，经交换机传输给各区控制器。
其中，业务流同步判据可以描述为：基于业务标识识别出的来自各区的相同业务流，根据其时间戳的最大值与最小值计算，若差值在对应的业务轮询基本周期内，表明相同业务在规定基本周期内实现同步传输；若超出其业务轮询基本周期，则表明业务传输错步，需进行基本周期调度调整，并生成调度信号下传至控制器单元。
图4为实施例采用的区调度周期构成示意图，具体为：区调度周期选取为所在区内最小控制单元的最小周期，同时，为提升实时性，将所述区调度周期划分为若干基本周期；为提升同步性，所述基本周期基于业务流队列进行划分，因此称所述基本周期为业务基本周期；在区域内部，业务流在各自的业务基本周期内传输，且具有最高的优先级；在区域之间，业务流优先级采用相同的排序准则。
图5为实施例采用的中央调度周期构成示意图，具体为：中央调度周期选取为所述区控制器组中的区调度周期的最大值，所述中央调度周期基于业务流分配轮询基本周期；所述轮询基本周期内根据区控制器组中的区域数量划分时间片，通过所述时间片轮询采集各区在业务基本周期内传输的相同业务流以及常规信号流，进而将相同业务的信号流同步传输至中央计算单元进行处理，实现业务级的实时同步调度。
图6为实施例采用的混合调度流程示意图，具体为：混合调度策略包括业务敏感型基本周期循环调度和并行调度。其中，混合调度策略流程描述为：标记有业务标识的流队列经过交换机端口进入区控制器，经业务识别模块基于业务标识进行业务流分配，其中带有业务标识的业务流会基于具体业务标识进入业务流队列，通过业务敏感型基本周期循环调度策略进行传输；未带有业务标识的信号流为属于普通非业务流，进入并行调度策略的常规队列进行排队，基于信号流实时判据决定信号流继续排队传输或者切换队列进行并行抢占传输。最终，经过调度后的信号流分配入对应的区调度基本周期内，经交换机输出端口传输至干路网络。
综上，所提出的基于业务识别的汽车区系统及实时同步调度方法提高了应用区架构汽车的业务级信号传输的实时性与同步性，为汽车区架构业务级车载网络化控制系统的实时同步设计提供了技术支持。
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 (7)
1.基于业务识别的汽车区系统，其特征在于：包括中央计算单元、区控制器组以及配置有业务识别接口的ECU；区控制器组通过汽车以太网构成的星型主干网与中央计算单元进行互联通讯，通过总线型区域子网与所属的ECU进行信息交互；
所述配置有业务识别接口的ECU包括：ECU核心和业务配置接口；其中ECU核心用于进行具体功能处理，业务配置接口用于将核心生成的信号流根据所属业务打上相应的业务标识；
所述区控制器组包括多个区控制器，分别为：左前区控制器、右前区控制器和后区控制器；其中区控制器中配置有业务识别模块和混合调度模块；业务识别模块根据ECU传来的信号流中配置的业务标识进行业务流的识别，并基于业务将信号流分配到相应的传输队列；混合调度模块负责将识别后的业务流和普通信号流以混合调度的方式进行通讯传输；区控制器通过区域子网与其所控制区域内的ECU进行连接，构成一个区控制系统；
所述中央计算单元包括：交换机、中央多核处理器、业务适配与校验相关模块；其中，交换机负责主干网之间信号流的转发和协议转换，并对到达的信号流配置时间戳；业务适配与校验相关模块通过时间戳和业务标识，对相关业务流进行校验与调度调整；中央多核处理器接收各区域的信号流，并对信号进行计算处理，并将计算结果输出。
2.根据权利要求1所述的基于业务识别的汽车区系统，其特征在于：区控制器包括交换机、业务识别模块、流整形模块、业务流队列、常规/紧急队列和混合调度模块；
所述交换机负责进行异构网络之间的通讯协议转换，并将信号流标记时间戳后传输至业务识别模块；所述业务识别模块负责基于信号流中的业务标识，对ECU传来的信号流进行业务识别，并经流整形模块整形后分配到相应的业务流队列中；所述流整形模块负责对信号流进行整型处理，防止爆发信号流带来的通讯拥塞和抖动；所述业务流队列为信号流中的业务流的排队队列，与混合调度模块相连，采用混合调度中的业务敏感型基本周期循环调度进行信号传输；所述常规/紧急队列为信号流中的普通非业务流的排队队列，可基于信号流实时判据进行队列调整，以满足其特定的实时性要求，并与混合调度模块相连，采用并行调度进行信号传输；所述混合调度模块负责基于其内置的调度规则，将信号流传输至交换机出口，经交换机进行协议转换后传出。
3.根据权利要求2所述的基于业务识别的汽车区系统，其特征在于，所述的信号流实时判据描述为：
普通非业务流维护一个边界容忍系数C，边界容忍系数与非业务流的优先级相关，非业务流经过整型后首先进入常规队列进行排队，并根据时间戳进行排队计时，若在边界许可范围内消息成功传输，即消息在常规队列中进行排队传输；若排队计时超出边界容忍系数，则切换至紧急队列，通过并行调度采用抢占方式进行消息传输。
4.根据权利要求1所述的基于业务识别的汽车区系统，其特征在于：中央计算单元包括交换机、业务适配模块、同步校验模块、协同调度模块、中央多核处理器；
所述交换机负责主干网之间信号流的转发和协议转换，并将到达的信号流配置时间戳；所述业务适配模块负责将各区上传的业务流信号中的相同业务流进行适配，并上传到中央多核处理器中进行处理，同时拷贝至同步校验模块；所述同步校验模块负责根据业务流信号中的业务标识和时间戳，基于业务流同步判据对相同业务流传输的同步性进行校验，并生成校验信号传输至协同调度模块；所述协同调度模块负责根据校验信号生成调度信号，对业务流传输同步性进行调整，所述调度信号与中央多核处理器处理后的信号融合，经交换机传输给各区控制器。
5.根据权利要求4所述的基于业务识别的汽车区系统，其特征在于，所述的业务流同步判据描述为：
基于业务标识识别出的来自各区的相同业务流，根据其时间戳的最大值与最小值计算，若差值在对应的业务轮询基本周期内，表明相同业务在规定基本周期内实现同步传输；若超出其业务轮询基本周期，则表明业务传输错步，需进行基本周期调度调整，并生成调度信号下传至控制器单元。
6.一种实时同步调度方法，其特征在于：应用于权利要求1~5中任意一项所述的基于业务识别的汽车区系统；所述方法具体为：
区控制器采用的区调度周期选取为所在区内最小控制单元的最小周期，同时，为提升实时性，将所述区调度周期划分为若干基本周期；为提升同步性，所述基本周期基于业务流队列进行划分，因此称所述基本周期为业务基本周期；在区域内部，业务流在各自的业务基本周期内具有最高的优先级，在区域之间，业务流优先级采用相同的排序准则；根据业务流时效性需求和传输周期差异，时效性需求低、传输周期相对较长的业务流所对应的业务基本周期可进行复用：为高时效业务流进行扩展、为并行调度的紧急队列进行抢占、作为重同步调整段；
中央计算单元采用的中央调度周期选取为所述区控制器组中的区调度周期的最大值，所述中央调度周期基于业务流分配轮询基本周期；所述轮询基本周期内根据区控制器组中的区域数量划分时间片，通过所述时间片轮询采集各区在业务基本周期内传输的相同业务流以及常规信号流，进而将相同业务的信号流同步传输至中央计算单元进行处理，实现业务级的实时同步调度。
7.一种混合调度策略，其特征在于：应用于权利要求1~5任意一项所述的基于业务识别的汽车区系统及权利要求6所述的实时同步调度方法；
所述混合调度策略包括业务敏感型基本周期循环调度策略和并行调度策略；
混合调度策略流程描述为：
标记有业务标识的流队列经过交换机端口进入区控制器，经业务识别模块基于业务标识进行业务流分配，其中带有业务标识的业务流会基于具体业务标识进入业务流队列，通过业务敏感型基本周期循环调度策略进行传输；未带有业务标识的信号流为属于普通非业务流，进入并行调度策略的常规队列进行排队，基于信号流实时判据决定信号流继续排队传输或者切换队列进行并行抢占传输；最终，经过调度后的信号流分配入对应的区调度基本周期内，经交换机输出端口传输至干路网络。
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