本發(fā)明涉及一種流量調(diào)度的實現(xiàn)及評價方法，詳細地，涉及在產(chǎn)業(yè)自動化系統(tǒng)中實現(xiàn)時間敏感網(wǎng)絡(time-sensitive?network)流量調(diào)度。

背景技術：

1、時間敏感網(wǎng)絡(tsn：time-sensitive?networking)正在成為下一代產(chǎn)業(yè)通信時代的主要技術。時間敏感網(wǎng)絡利用以太網(wǎng)優(yōu)秀的寬帶和低成本，使用一系列先進的標準來補充自身實時性及確定性(deterministic)能力。ieee?802.1時間敏感網(wǎng)絡任務組(taskgroup)開發(fā)、維護及管理高精度時鐘同步、有限延遲、超高可靠性及靈活資源管理等標準。

2、與其他基于以太網(wǎng)的實時通信技術(例如，ethercat、profinet、sercos?iii等)相比，時間敏感網(wǎng)絡提供更好的標準合規(guī)性、供應商獨立性及兼容性。由于低成本和使用便利性，時間敏感網(wǎng)絡可以輕松擴展并與其他更高層通信技術(例如，opc?ua)合并。

3、因此，時間敏感網(wǎng)絡在多種產(chǎn)業(yè)應用程序的實施起到關鍵作用，且有助于產(chǎn)業(yè)用物聯(lián)網(wǎng)中的信息技術及運營技術的合并。時間敏感網(wǎng)絡并不局限于產(chǎn)業(yè)自動化，在車載網(wǎng)絡、航空航天等需要實時通信的其他領域中也起到中樞作用。

4、之前的報告從時間同步、模擬、資源管理、流量調(diào)度等方面對時間敏感網(wǎng)絡進行了調(diào)查。在現(xiàn)有研究中提出了可以確保ethercat節(jié)點之間的極為準確的時鐘同步的基于時間敏感網(wǎng)絡的時間同步方法。為了將時間敏感網(wǎng)絡擴展到無線網(wǎng)絡而開發(fā)了新型高精度無線時間同步策略。

5、在其他現(xiàn)有研究中，通過配置在實際產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)來測試了ieee?802.1as的時鐘同步準確性。分析了對時鐘準確性產(chǎn)生影響的關鍵因素(phy抖動及時鐘粒度)。在其他研究中，使用omnet++模擬器對ieee?802.1qbv進行了建模，在實際時間敏感網(wǎng)絡測試臺中追加驗證了模擬。

6、在其他研究中提出了opc?ua時間敏感網(wǎng)絡配置架構，并在實驗室級別制造系統(tǒng)中進行了驗證。在其他研究中提出了用于自動配置時間敏感網(wǎng)絡的基于sdn的自身配置框架。模擬結果表明不同拓撲的時間敏感網(wǎng)絡已被適當?shù)嘏渲谩?/p>

7、將時間敏感網(wǎng)絡應用于流量調(diào)度仍是難題。滿意度模型理論(smt)及整數(shù)線性規(guī)劃(ilp)等最優(yōu)化理論得到廣泛應用。在現(xiàn)有研究中，使用滿意度模型理論模型和陣列理論來制定了調(diào)度約束條件。在其他現(xiàn)有研究中，使用基于滿意度模型理論的最優(yōu)系數(shù)理論提出了無需等待的調(diào)度算法。在其他現(xiàn)有研究中，將時間敏感網(wǎng)絡應用于基于虛擬機(vm)的控制網(wǎng)絡并提出了用于流量調(diào)度的輕量啟發(fā)式算法?；谡麛?shù)線性規(guī)劃的方法也得到了探索。在其他現(xiàn)有研究中，使用基于整數(shù)線性規(guī)劃的算法調(diào)度進入系統(tǒng)的新型時間敏感網(wǎng)絡流量。為了解決所提出的公式而使用了商業(yè)整數(shù)線性規(guī)劃求解器(solver)(cplex)。在其他研究中提出了用于大規(guī)模時間敏感網(wǎng)絡的基于整數(shù)線性規(guī)劃的沖突程度(doc)感知迭代路由及調(diào)度算法。并且，在其他研究中開發(fā)了對聯(lián)合路由及調(diào)度問題進行建模的整數(shù)線性規(guī)劃公式并使用最先進的整數(shù)線性規(guī)劃求解器和多種輸入來探索了運行時間限制。

8、上述現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)了最優(yōu)化理論解決了時間敏感網(wǎng)絡調(diào)度問題。但是，隨著輸入量的增加，運行時間將急劇增加，從而產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的實際實施變得復雜。與最優(yōu)化理論不同，本發(fā)明人使用寬帶分配概念發(fā)明了流量調(diào)度方法(tsm)。大部分現(xiàn)有研究大多集中在通過模擬的時間敏感網(wǎng)絡調(diào)度理論，在實際制造場景中尚未實施調(diào)度算法。極少數(shù)的研究驗證了基于實際實施的理論方法。一項研究在評價ieee?802.1qbv的性能時執(zhí)行了概念證明實驗。在其他研究中總結了由多個供應商提供的現(xiàn)成時間敏感網(wǎng)絡裝置。在其他研究中，使用了z3滿意度模型理論求解器作為slate?xns軟件的核心結構要素以進行調(diào)度。因此，這種研究執(zhí)行了實質性的時間敏感網(wǎng)絡研究。但是，僅關注了對時間敏感網(wǎng)絡標準的證明和對硬件解決方案的說明。在其他研究中，使用了實驗用測試臺來驗證了算法，但尚未考慮實際產(chǎn)業(yè)應用或裝置多樣性。具體地，僅評價了傳輸或接收時間敏感網(wǎng)絡流量的終端站，缺乏實際控制系統(tǒng)(控制器、傳感器及執(zhí)行器)的多個關鍵結構要素。因此，需要證明時間敏感網(wǎng)絡調(diào)度的可行性。并且，所引用的作業(yè)取法技術細節(jié)，均沒有說明算法實施或時間敏感網(wǎng)絡測試臺開發(fā)。

技術實現(xiàn)思路

1、技術問題

2、本發(fā)明考慮到如上所述的情況而創(chuàng)作，本發(fā)明的目的在于，開發(fā)用于時間敏感網(wǎng)絡(tsn：time-sensitive?networking)的流量調(diào)度方法(tsm)來構建實際環(huán)境。

3、本發(fā)明的另一目的在于，為了分析流量調(diào)度方法的實際可行性而探索多種實驗結果。

4、技術方案

5、為此，本發(fā)明的方法為在產(chǎn)業(yè)自動化系統(tǒng)的控制裝置中執(zhí)行的方法，該方法包括：網(wǎng)絡分區(qū)(network?partition)執(zhí)行步驟，根據(jù)網(wǎng)絡拓撲g(network?topology)、流量流(traffic?flow)規(guī)格f及路由路徑(routing?path)將網(wǎng)絡劃分為子網(wǎng)絡并調(diào)節(jié)流量流規(guī)格；以及調(diào)度步驟，根據(jù)上述子網(wǎng)絡g'、所調(diào)節(jié)的上述流量流規(guī)格f'、鏈路規(guī)格(鏈路速度及長度)來確定對各流量流的消息開始傳輸瞬間及用于在特定時間打開或關閉路由路徑上的開關sw的門控列表gcl。

6、本發(fā)明的裝置為產(chǎn)業(yè)自動化系統(tǒng)的控制裝置，該裝置包括：中央網(wǎng)絡配置器cnc，接收網(wǎng)絡拓撲g、流量流規(guī)格f及鏈路規(guī)格(鏈路速度及長度)來計算各流量流的路由路徑根據(jù)上述路由路徑來生成對各流量流的發(fā)送者(發(fā)送器)的消息開始傳輸瞬間及用于在特定時間打開或關閉路由路徑上的開關sw的門控列表gcl；以及中央用戶配置器cuc，從上述中央網(wǎng)絡配置器接收上述發(fā)送者(發(fā)送器)的消息傳輸瞬間來控制發(fā)送者(發(fā)送器)的消息傳輸工作。

7、發(fā)明的效果

8、如上所述，本發(fā)明用于通過構建現(xiàn)實性時間敏感網(wǎng)絡系統(tǒng)并使機器人處理自動化場景驗證驗證流量調(diào)度方法調(diào)度器的效果。

9、將本發(fā)明的流量調(diào)度方法的實時性能與產(chǎn)業(yè)用調(diào)度器的性能進行比較的結果，流量調(diào)度方法可以保障產(chǎn)業(yè)用機器人應用的嚴格實時要求事項、排隊延遲消除以及超低延遲時間。

10、本發(fā)明的流量調(diào)度方法可以在每毫秒調(diào)度500的流，這比商業(yè)調(diào)度器快571倍以上。即，本發(fā)明的流量調(diào)度方法具有如下效果，可以迅速處理industry?4.0背景下網(wǎng)絡基礎設施或用戶指向應用的變更所需要的重新配置。

技術特征：

1.一種方法，在產(chǎn)業(yè)自動化系統(tǒng)的控制裝置中執(zhí)行，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，網(wǎng)絡分區(qū)執(zhí)行步驟包括如下步驟：

3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，上述調(diào)度步驟包括如下步驟：

4.一種裝置，為產(chǎn)業(yè)自動化系統(tǒng)的控制裝置，其特征在于，包括：

5.根據(jù)權利要求4所述的裝置，其特征在于，上述中央網(wǎng)絡配置器(cnc)將上述門控列表(gcl)變換成基于xml的配置數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)介_關，通過post方法向上述中央用戶配置器(cuc)傳輸上述消息開始傳輸瞬間

技術總結
在IEEE?802.1任務組(task?group)標準化并維護的時間敏感網(wǎng)絡(TSN，Time?Sensitive?Networking)將提高以太網(wǎng)的實時性及確定性(deterministic)能力。但是，流量調(diào)度尚未標準化，且得到了廣泛的研究。大部分研究本質上停留在理論層面，而缺乏實用性驗證研究。為了彌補這一空白，本發(fā)明首先構建基于實際時間敏感網(wǎng)絡的處理自動化系統(tǒng)并提出了如何在產(chǎn)業(yè)設備部署流量調(diào)度方法(TSM：Traffic?Scheduling?Method)的詳細方針。本申請人實驗性調(diào)查了本發(fā)明的方法的可行性，并將其性能與商業(yè)時間敏感網(wǎng)絡調(diào)度器的性能進行了比較。結果，本發(fā)明的方法準確地調(diào)度流量并去除排隊延遲來實現(xiàn)超低等待時間(ultra?low?latency)以滿足確切的實時要求事項。對500個隨機事例的調(diào)度計算時間表明，流量調(diào)度方法能夠以毫秒單位適當?shù)卣{(diào)度流，這比商業(yè)調(diào)度器快571倍以上。

技術研發(fā)人員：洪承鎬,江俊慧,宋沅錫
受保護的技術使用者：內(nèi)斯特菲爾德公司
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/9/17