本文摘要：發(fā)表學(xué)術(shù)論文網(wǎng) 辦的非常成功，極具口碑。在這里，你可以找到最具時事性的文章和最具代表性的各類文章。當(dāng)然，因為免費和開源，大家都可以學(xué)習(xí)、借鑒和共同使用，如果你需要專屬于個人的原創(chuàng)文章，請點擊鏈接獲得專業(yè)文秘寫作服務(wù)。 摘 要 文章首先闡述了網(wǎng)絡(luò)
發(fā)表學(xué)術(shù)論文網(wǎng)辦的非常成功，極具口碑。在這里，你可以找到最具時事性的文章和最具代表性的各類文章。當(dāng)然，因為免費和開源，大家都可以學(xué)習(xí)、借鑒和共同使用，如果你需要專屬于個人的原創(chuàng)文章，請點擊鏈接獲得專業(yè)文秘寫作服務(wù)。
摘 要 文章首先闡述了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的信息特征和信息調(diào)度的概念和意義。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究方法：調(diào)度與控制分開設(shè)計和調(diào)度與控制協(xié)同設(shè)計兩大方面，介紹了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中信息調(diào)度的研究現(xiàn)狀。最后探討了有待解決的問題和發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng);信息調(diào)度;靜/動態(tài)調(diào)度;混合調(diào)度;調(diào)度與控制協(xié)同設(shè)計
1 引言
網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(Network Control System，NCS)是指傳感器、控制器和執(zhí)行器通過網(wǎng)絡(luò)形成的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。目前，大部分關(guān)于NCS的研究針對NCS存在的問題和特性建立系統(tǒng)模型、分析系統(tǒng)穩(wěn)定性、給出控制方法和控制規(guī)律，以保證系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和高質(zhì)量的控制性能。然而NCS的性能不僅依賴于控制策略及控制規(guī)律的設(shè)計，而且還受到網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)資源的限制。信息調(diào)度盡量避免網(wǎng)絡(luò)中信息的沖突和擁塞現(xiàn)象的發(fā)生，從而大大提高了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的服務(wù)性能。
2 NCS中的信息特征與信息調(diào)度概念
在NCS中網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔⒅饕譃閮深悾簩崟r性信息和非實時性信息[3]。實時性信息對時間要求非�？量�，如果在規(guī)定時間的上限內(nèi)某一信息未能起作用，則該信息將被丟棄，啟用最新的信息。而在NCS信息調(diào)度策略中主要調(diào)度兩類數(shù)據(jù)信息：周期性信息和非周期性信息。周期性信息是一種實時性信息，一般要求在傳輸周期時間內(nèi)必須傳送給目標節(jié)點，周期性信息也被稱為時間觸發(fā)信息或者同步信息。非周期性信息是指節(jié)點間的請求服務(wù)等信息，它們的發(fā)生時刻是隨機的，非周期性信息也被稱為事件觸發(fā)信息、異步信息或者隨機性信息。
此外，在NCS信息調(diào)度中不能忽視突發(fā)性信息，突發(fā)性信息指一些事先無法預(yù)知的突發(fā)性的或者隨機的事件(例如報警信號、異常處理等)，這類信息必須在一定時間內(nèi)給予處理，否則系統(tǒng)可能出現(xiàn)異常甚至癱瘓。
在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，信息調(diào)度發(fā)生在應(yīng)用層，即傳感器、控制器與執(zhí)行器之間信息傳遞的過程中。當(dāng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中某節(jié)點發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸碰撞時，信息調(diào)度規(guī)定節(jié)點的優(yōu)先發(fā)送次序、發(fā)送時刻和時間間隔，以避免網(wǎng)絡(luò)沖突。
在NCS中，如果網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)傳輸都能在任務(wù)時限內(nèi)完成，則稱網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的傳輸是可調(diào)度的。
3 典型的NCS信息調(diào)度算法
目前對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中信息調(diào)度的研究主要分為調(diào)度與控制的分開設(shè)計和調(diào)度與控制的協(xié)同設(shè)計。
3.1 調(diào)度與控制的分開設(shè)計
在NCS的研究中，一類研究是針對通信網(wǎng)絡(luò)，研究提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的信息調(diào)度方法;另一類研究是在一定的網(wǎng)絡(luò)信息調(diào)度方法基礎(chǔ)上，研究提高NCS性能的控制方法。因此，信息調(diào)度方法對改善NCS性能起著很大的作用。
根據(jù)信息對實時性的要求，信息調(diào)度分為靜態(tài)調(diào)度(又稱離線調(diào)度)、動態(tài)調(diào)度(又稱在線調(diào)度)和混合調(diào)度。
3.1.1 靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度
目前靜態(tài)調(diào)度算法很多，本文著重介紹以下幾種典型的算法以及算法的改進。
速率單調(diào)靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度 (Rate Monotonic Scheduling Model) 算法的調(diào)度優(yōu)先級由任務(wù)周期確定，在任務(wù)周期等于時限的同步實時任務(wù)系統(tǒng)中是最佳靜態(tài)調(diào)度算法。但是該算法具有調(diào)度判定具有指數(shù)時間復(fù)雜度、對任務(wù)的執(zhí)行周期限制的過于嚴格、只能處理具有固定周期的任務(wù)等缺點。鑒于上述缺點Lehoczky等[23]提出了擴大調(diào)度可行性條件的RM算法。Sha等[22]考慮到任務(wù)的阻塞，給出了非搶占服務(wù)方式下RM算法的可調(diào)度條件。葉明等[5]基于RM算法提出了一種新的實時調(diào)度算法(Hard Real-time Communication Scheduler，HRTCS)。文遠保等[4]針對任務(wù)的周期和調(diào)度優(yōu)先級關(guān)系不固定的流媒體提出了改進的RM算法。
截至?xí)r間單調(diào)調(diào)度模型(Deadline Monotonic Scheduling Model )策略的任務(wù)優(yōu)先級由任務(wù)時限來決定。該調(diào)度算法要防止任務(wù)越過其時限而得不到調(diào)度，從而影響系統(tǒng)的實時性。當(dāng)任務(wù)周期和時限相同或者所有同步周期性任務(wù)時，DM算法都是最佳靜態(tài)調(diào)度算法。
由Hong等提出的基于時間窗的靜態(tài)帶寬調(diào)度算法避免了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中產(chǎn)生干擾和數(shù)據(jù)沖突。Hong等還將該調(diào)度方法應(yīng)用于循環(huán)服務(wù)型NCS和CAN 網(wǎng)下的NCS中。
劉魯源[6]等鑒于該調(diào)度方法只限于調(diào)度網(wǎng)絡(luò)中的周期數(shù)據(jù)，提出基于同步相和異步相的時間窗調(diào)度算法，使非周期數(shù)據(jù)也可以采用該基于時間窗的靜態(tài)調(diào)度算法。
3.1.2 動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度
在動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法中，任務(wù)的時間約束關(guān)系并沒有完全確定，新任務(wù)的到達時間是未知的。下面介紹幾種經(jīng)典的動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法。
Liu和Layland提出的時限最早的任務(wù)優(yōu)先調(diào)度(Earliest deadline first scheduling)，任務(wù)優(yōu)先級是任務(wù)時限與任務(wù)執(zhí)行時刻的差，該算法對同步周期任務(wù)組是最佳的動態(tài)調(diào)度算法。鑒于EDF是搶占式調(diào)度算法，任務(wù)間的切換時需要大量開銷。Baker[12]給出了非搶占士服務(wù)方式下EDF算法的可調(diào)度性條件。張惠娟等[11]提出了一種基于EDF算法的優(yōu)先級驅(qū)動實時調(diào)度算法，較大程度地克服了EDF算法在多處理器系統(tǒng)中的調(diào)度缺點。劉懷等[10]提出了基于EDF算法的容錯調(diào)度算法。張奇智等[7]采用非中斷的EDF調(diào)度方法來改善周期性數(shù)據(jù)幀的端到端延遲。洪艷偉等[1]提出了分別在簡單模型上和復(fù)雜模型上如何判定實時任務(wù)的可行性。
最小松弛優(yōu)先調(diào)度(Least laxity first)和EDF算法可看作同類型的調(diào)度算法，任務(wù)優(yōu)先級是完成時限和任務(wù)執(zhí)行時刻的差再減去周期任務(wù)的執(zhí)行時間。LLF算法盡量避免了長周期任務(wù)的頻繁等待、執(zhí)行，具有較小的抖動性。
最大誤差優(yōu)先—嘗試一次丟棄(most error first-try once discard)是Walsh 等[8]人提出的基于在線獲取的網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)傳輸誤差和動態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)帶寬的調(diào)度算法。
Otanez 等[9]人提出的基于死區(qū)的動態(tài)調(diào)度在確保系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上動態(tài)地丟棄一定比率的數(shù)據(jù)，以減輕網(wǎng)絡(luò)的負荷。但是當(dāng)多個獲準訪問網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包同時競爭網(wǎng)絡(luò)資源時，該策略不能確定數(shù)據(jù)包發(fā)送的優(yōu)先級。
基于業(yè)務(wù)平滑的動態(tài)調(diào)度是Kewon等利用業(yè)務(wù)平滑的技術(shù)控制Ethernet網(wǎng)的通信量，通過在Ethernet 網(wǎng)的UDP( TCP/ IP) 層和MAC 層插入定速率業(yè)務(wù)平滑器和自適應(yīng)業(yè)務(wù)平滑器以限定MAC 層數(shù)據(jù)包的到達速率，并且保證網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延的有界性，從而提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量.
Cena等提出的優(yōu)先級提升—分布式優(yōu)先級排隊調(diào)度( PP-DPQ)可以保證實時數(shù)據(jù)傳輸最大間隔具有確定上界，非實時數(shù)據(jù)在傳輸中公平地競爭網(wǎng)絡(luò)資源。
基于時間窗的動態(tài)調(diào)度(Dynamic Time Window)是Raja對基于時間窗的靜態(tài)調(diào)度算法進行改進，提出優(yōu)先級循環(huán)服務(wù)和動態(tài)時間窗的帶寬分配策略。
模糊動態(tài)調(diào)度是白濤[13]等將模糊控制理論引入到NCS 信息調(diào)度中，利用基于IF2THEN 規(guī)則的模糊邏輯確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先級。
3.1.3 混合調(diào)度
Zuberi等針對CAN 下網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，提出混合通信調(diào)度(MTS)策略。在設(shè)計調(diào)度策略時，考慮到數(shù)據(jù)實時性要求不同，可以分別采用不同的調(diào)度策略，以提高網(wǎng)絡(luò)資源的可調(diào)度性。Tabuada等[27]給出的退火控制任務(wù)的事件觸發(fā)實時調(diào)度是基于有反饋事例的事件觸發(fā)調(diào)度器，并且給出了它如何保證系統(tǒng)性能的條件。
3.2 調(diào)度與控制的協(xié)同設(shè)計
目前關(guān)于控制與調(diào)度共同設(shè)計成為研究熱點受到越來越多的重視，大體可分為開環(huán)調(diào)度和反饋控制實時調(diào)度兩方面。
3.2.1 開環(huán)調(diào)度
1)對NCS 中各個控制環(huán)中數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點采樣周期和采樣時刻的調(diào)度
Hong基于“窗口”的概念，給出了一種通過調(diào)度采樣時間來減少時延的影響并提高網(wǎng)絡(luò)利用率的調(diào)度算法，建立了NCS 控制系統(tǒng)性能與網(wǎng)絡(luò)性能間的約束關(guān)系。但該算法是基于令牌環(huán)系統(tǒng)(token passing system) 和輪詢系統(tǒng)(polling system) 的一維對象的調(diào)度，系統(tǒng)中信息類型僅限于周期性信息。Kim等[16 ]基于相同思想提出了適用于多維對象的采樣時間調(diào)度算法。劉魯源等[17 ]提出了利用剩余的時間窗口調(diào)度非實時數(shù)據(jù)提高了網(wǎng)絡(luò)資源利用率的調(diào)度算法。
2)調(diào)度優(yōu)化
Seto[19] 針對性能指標是單調(diào)遞減并且是每一任務(wù)頻率的凸函數(shù)的這樣一類控制系統(tǒng)，提出了一種通過改變采樣頻率使得任務(wù)能被EDF和RM調(diào)度的新算法，而且系統(tǒng)的性能在有限計算資源的約束下可達到最優(yōu)。但該算法沒有考慮執(zhí)行時間的變化與擾動問題。Cervin[20]考慮了具有時延變化的控制系統(tǒng)采樣周期的選擇問題，對低于一個采樣周期的時延系統(tǒng)的采樣周期進行了分析。Ryu 等[21] 以穩(wěn)定狀態(tài)誤差、過沖、上升時間、沉降速度等作為控制性能參數(shù)，并將它們表示為采樣周期和輸入輸出延時的函數(shù)，在可調(diào)度約束條件下用迭代算法對這些性能參數(shù)進行優(yōu)化。何堅強等[24 ] 在上述研究的基礎(chǔ)上給出了NCS 的優(yōu)化模型并采用遺傳算法來求取采樣頻率。Branicky 和Zhang 等[25 ]提出將非搶占RM調(diào)度算法應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的調(diào)度，并給出了保證系統(tǒng)穩(wěn)定和網(wǎng)絡(luò)可調(diào)度的充分條件。在此基礎(chǔ)上，Branicky等[26]進一步對網(wǎng)絡(luò)傳輸時間進行了分配，給出了網(wǎng)絡(luò)調(diào)度優(yōu)化方法。
3.2.2 反饋控制實時調(diào)度
開環(huán)調(diào)度算法在負載能精確建模的動態(tài)或靜態(tài)系統(tǒng)中可以取得很好的效果，可是在不可測的動態(tài)系統(tǒng)中，算法的有效性要極大地降低。近幾年來，“閉環(huán)”調(diào)度由于可以應(yīng)用于很多實時領(lǐng)域因而引起了很多人的關(guān)注。在Seto等提出的系統(tǒng)控制和調(diào)度離線集成設(shè)計的基礎(chǔ)上，Cervin[14]提出一種將控制和調(diào)度動態(tài)彈性集成的框架，允許在線平衡控制性能和可用的計算資源。Stankovic等[18]提出了反饋控制實時調(diào)度的思想，而且還給出了一種結(jié)合PID 控制和EDF 調(diào)度器的反饋控制實時調(diào)度算法FC-EDF ( Feedback Control- Earliest Deadline First) 。湯賢銘等[2]提出了一種將動態(tài)死區(qū)控制和優(yōu)先級分配相結(jié)合的反饋調(diào)度策略，用以解決在工作負載變動的環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制與調(diào)度問題。Eker等[15]開發(fā)出了針對線性二次(Linear Quadratic) 控制的反饋控制器。在可調(diào)度的情況下通過調(diào)整控制環(huán)頻率來優(yōu)化控制性能。Zhao[28]提出了一種結(jié)合速率單調(diào)調(diào)度和新的動態(tài)調(diào)度的動態(tài)反饋調(diào)度，用于調(diào)度預(yù)控制器產(chǎn)生的控制信號的傳輸，該調(diào)度算法確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且保證系統(tǒng)時延不超過保證系統(tǒng)穩(wěn)定的上限。
4 進一步可研究的參考方向
當(dāng)前，NCS信息調(diào)度的研究已經(jīng)取得了很多有益的成果。然而，NCS應(yīng)用的復(fù)雜化以及NCS控制與調(diào)度的協(xié)調(diào)設(shè)計趨勢，使得現(xiàn)有的信息調(diào)度方法已不能滿足發(fā)展的需求。因此，給出信息調(diào)度的進一步研究問題和研究目標，以供參考。
(1)網(wǎng)絡(luò)控制的復(fù)雜化和網(wǎng)絡(luò)運行狀況的多變性，需要智能化強、實時性好的在線調(diào)度算法。
(2)現(xiàn)有的研究結(jié)果大多限于單控制回路，對共享網(wǎng)絡(luò)的多個控制回路的優(yōu)化調(diào)度等問題需要進一步的研究。
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