远程NCS智能调度策略研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 7 4 2.51MB 60 页 15积分

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摘要

目前有关 NCS 调度策略的研究大多是基于现场总线的网络，而随着 Internet

的普及、控制系统规模的扩大和远程控制策略的完善，基于 Internet 的远程 NCS

调度策略的研究将是非常有意义的，并将成为一种研究趋势。但由于 Internet 只提

供尽力而为服务，不能保证网络的丢包、时延、抖动等 QoS 特性，而 NCS 对这些

QoS 参数非常敏感，所以远程 NCS 必然会存在诸如实时性、可靠性等方面的问题。

为解决这些问题，对远程 NCS 的智能 QoS 调度策略进行研究，以保障控制系统的

智能性和 QoS，将是其中一个关键问题，也是本论文的研究内容。

论文首先介绍了 NCS、Overlay 网络、智能算法以及 QoS 路由策略等相关概

念、背景及其研究现状。接着分析了传统 NCS 调度策略和远程 NCS 的QoS 调度

等问题。最后提出了远程 NCS 的智能 QoS 调度策略。

由于传统工业网 NCS 调度策略不能保证远程 NCS 的QoS，本文将覆盖网引入

NCS 中，利用覆盖网能改善基础网络服务 QoS 性能的优点，提出一种基于覆盖架

构的 NCS 相近最小代价调度策略（MLCS），以满足远程 NCS 对闭环控制要求保

障QoS 的要求。

从算法思想可以看出，MLCS 策略并非以寻找一条最优的覆盖路径为目标，

而是在考虑减少系统设计的复杂性和减少覆盖链路、覆盖节点等资源消耗问题的

基础上，选择一条相近最优路径。当覆盖网络处于重负载时，通过 MLCS 策略获

得的相近最优路径会占用过多的瓶颈覆盖链路、覆盖节点等资源而导致系统覆盖

网络费用的增加。为了解决这个问题，论文在覆盖网络采用依赖性能定价机制的

假设下，提出一种用于求解路径最优 QoS 划分问题的遗传算法，解决通过 MLCS

策略获得的相近最佳路径的最优路径 QoS 参数（如延时、带宽等）分配问题，使

得当覆盖网络负载过大时，系统覆盖网络的通信总费用最小化，以保障控制系统

的智能调度并进一步优化控制系统的 QoS。

论文通过网络仿真工具 NS2 对MLCS 策略进行了模拟仿真，以验证算法的有

效性。针对基于两个种群的遗传算法 O-NCSGA，论文通过 C++程序和 NS2 对其

进行了分析验证。

关键词：远程 NCS Overlay 网络 QoS 约束智能调度策略遗传算

法模拟退火基于性能代价

ABSTRACT

Currently, the NCS scheduling strategy research is mostly based on field-bus network.

With the popularity of Internet, expansion of control system scale and improvement of

remote control strategy, the research of Internet-based remote NCS scheduling strategy

will be very significant. However, Internet only provide best effort services, can’t

guarantee QoS, such as packet loss, delay, jitter characteristics. And NCS is very

sensitive to QoS parameters. Therefore, NCS is bound to have problems in real-time

performance, reliability, etc. In order to solve these problems and protect QoS of the

control system, the research of remote NCS scheduling strategy will be one of the key

issues. And this is also the dissertation's research.

Firstly, this paper introduced the related concepts and background researches of NCS,

overlay network, intelligent algorithm and QoS routing strategy. Then, it analyzed some

problems, such as traditional NCS scheduling and remote NCS QoS scheduling. Finally,

proposed an intelligent icheduling strategy for remote NCS.

As the scheduling strategy of traditional NCS can't guarantee QoS of remote NCS.

This paper cited overlay network into it, using overlay technology to mprove QoS of the

basic network services, and proposed an overlay-base modified least-cost scheduling

strategies(MLCS) for remote NCS to meet the QoS requirements.

The goal of MLCS is not to find an optimal path, but to choose a modified optimal

path while considering reducing the complexity of system design and reducing the

resources consumption of overlay links and nodes. The system would take up too

bottleneck resources and increase overlay network cost through MLCS when the

network was overloaded. This paper proposed a GA to solve the problem of optimal

path QoS partition under the assumptions overlay network using performance

dependent cost mechanism. This GA would resolve the QoS parameter's partition

problems, such as delay, bandwidth, etc., through MLCS. It would minimize the system

total cost and further optimize the QoS when the network was overloaded.

Finally, simulations were carried out to verify the algorithms through NC2 and C++.

Key Words: Remote NCS, Overlay Network, QoS Constraints,

Intelligent Scheduling, Genetic Algorithm, Simulated annealing,

Performance Dependent Cost

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...................................................................................................................1

§1.1 课题来源及意义 ...............................................................................................1

§1.2 国内外研究现状 ...............................................................................................2

§1.3 本文的主要工作 ...............................................................................................3

§1.4 本文各章节安排 ...............................................................................................4

第二章研究基础 ...........................................................................................................5

§2.1 NCS ....................................................................................................................5

§2.1.1 NCS 及其特点 .........................................................................................5

§2.1.2 NCS 的基本问题及其研究现状 .............................................................6

§2.1.3 NCS 的网络调度策略 .............................................................................7

§2.1.4 远程 NCS 的智能 QoS 调度面临的问题 ..............................................8

§2.2 Overlay 网络 ......................................................................................................9

§2.2.1 Overlay 网络概念及其特点 ....................................................................9

§2.2.2 典型的 Overlay 网络 ............................................................................10

§2.2.3 Overlay 网络的拓扑结构 ......................................................................11

§2.2.4 Overlay 网络的应用 ..............................................................................13

§2.3 智能算法 .........................................................................................................14

§2.3.1 智能算法概念 .......................................................................................14

§2.3.2 常用智能算法、特点及其应用 ...........................................................14

第三章 Overlay 网络的 QoS 路由 ................................................................................18

§3.1 QoS 研究现状 ................................................................................................. 18

§3.1.1 QoS 概述及其体系结构 ....................................................................... 18

§3.1.2 QoS 研究现状 ....................................................................................... 19

§3.2 QoS 路由 ......................................................................................................... 20

§3.2.1 QoS 路由设计目标 ............................................................................... 20

§3.2.2 QoS 路由设计的几个方面 ................................................................... 21

§3.2.3 OoS 路由的几种经典算法 ................................................................... 22

§3.2.4 QoS 的评价关键指标 ........................................................................... 23

§3.3 Overlay 网络 QoS 路由算法 ...........................................................................25

§3.3.1 Overlay 网络 QoS 路由与 QoS 路由区别 ........................................... 25

§3.3.2 Overlay 网络 QoS 路由算法 .................................................................25

§3.3.3 Overlay 网络 QoS 路由相关研究 .........................................................27

第四章 Overlay-NCS 相近最小代价调度策略 MLCS ................................................29

§4.1 MLCS 的提出背景 ..........................................................................................29

§4.2 远程 NCS 数据类型和时延分析 ...................................................................29

§4.3 Overlay-NCS 的网络拓扑结构 .......................................................................30

§4.3.1 Overlay-NCS 中的覆盖服务网络 .........................................................30

§4.3.2 Overlay-NCS 拓扑结构 .........................................................................31

§4.4 MLCS 策略的设计思想 ..................................................................................32

§4.4.1 问题描述 ...............................................................................................32

§4.4.2 基本思路 ...............................................................................................33

§4.4.3 设计思想 ...............................................................................................34

§4.5 MLCS 策略层次组织优化 ..............................................................................35

§4.5.1 MLCS 策略优化的必要性 ....................................................................35

§4.5.2 层次组织优化策略的设计思想 ...........................................................36

§4.5.3 层次组织优化策略的形式化算法 .......................................................37

§4.6 性能分析 .........................................................................................................40

§4.6.1 仿真环境 ...............................................................................................40

§4.6.2 仿真结果与分析 ...................................................................................40

第五章基于 Overlay-NCS 的遗传算法 O-NCSGA ....................................................44

§5.1 O-NCSGA 的提出背景 ...................................................................................44

§5.2 O-NCSGA 的设计思想 ...................................................................................44

§5.2.1 相关定义 ...............................................................................................45

§5.2.2 染色体编码 ...........................................................................................46

§5.2.3 适应度函数 ...........................................................................................46

§5.2.4 遗传算子 ...............................................................................................46

5.3 O-NCSGA 的形式化算法 .................................................................................47

§5.4 性能分析 .........................................................................................................49

§5.4.1 仿真环境 ...............................................................................................49

§5.4.2 仿真结果与分析 ...................................................................................49

第六章总结与展望 .......................................................................................................52

§6.1 总结 .................................................................................................................52

§6.2 展望 .................................................................................................................53

第一章绪论

§1.1 课题来源及意义

网络控制系统（Networked Control Systems，NCS）[1,2]是一种全分布式、网络

化的实时反馈控制系统，广泛应用于工业控制、太空船、机器人、军事、智能交

通、远程医疗等领域，是当前的研究热点。NCS 系统性能不仅与控制算法有关，

还与网络资源的调度算法有关，是 NCS 领域的主要研究问题之一。目前有关 NCS

调度策略[3-5]的研究大多是基于工业现场总线的网络。而随着 Internet 的普及、控制

系统规模的扩大和远程控制策略的完善，基于 Internet 的NCS 可以有效实现控制

系统网络在地域上的自由分布，通过廉价的 TCP/IP 网络设备和 Internet 连接来克

服工业网络的弊端，将大大降低控制网络的建设与维护成本，提高已有设备的利

用效率和联合生产能力，扩展 NCS 在机器人协作、搜索救援等其他领域的应用；

另一方面，随着企业生产及业务规模的扩大，在企业的生产系统、办公系统等各

系统共同运行于 Internet 的情况下，为实时系统（如 NCS）寻找以保证系统 QoS

的最佳 VPN 要求的最优调度策略，也将成为一个研究点。所以对基于 Internet 的

远程 NCS 的研究将是非常有理论和现实意义的[6]。

但是，目前对基于 Internet 的远程 NCS 的研究还处于实验阶段，尚不成熟[7]

（如基于 Internet 的过程控制系统[8]、基于 Internet 的过程控制网络实验室[9]），主

要原因是：Internet 是基于面向非连接的 IP 协议，只为提供尽力而为服务，并未对

网络的延时、丢包、抖动、吞吐率、带宽利用率等网络服务质量（Quality of Service，

QoS）提供性能保证，其时延和抖动都较大，而 NCS 对网络的延时、丢包等 QoS

参数非常敏感；另一方面，目前有关 NCS 调度策略的研究大多只针对基于工业现

场总线的网络，并未考虑 Internet 的网络 QoS 性质，故这些调度策略不能直接或良

好地运用于基于 Internet 的远程 NCS 中，这就成了研究解决基于 Internet 的远程

NCS 的关键问题之一，也是本课题的研究内容来源。

传统的 Internet 服务的 QoS 和可靠性保障等网络优化策略大多是基于网络层，

其有效实施比较复杂，并且开销比较大。覆盖网络（Overlay Network）[10]是一种

通用的服务框架。覆盖技术（Overlay Technique）是一种无需对基础网络层的协议

进行修改而支持新型服务的有效方式，是基于应用层的优化。通过覆盖技术，可

以克服基础网络 Internet 服务的弱点，以提供更灵活、更可靠、更可伸缩性、更具

有QoS 保证的 Internet 服务。

远程 NCS 智能调度策略研究

智能算法，如遗传算法，蚁群算法、粒子算法等，在各领域求解最优策略中，

发挥着重要作用。将智能算法引入控制系统中研究基于 Internet 的远程 NCS 的智

能调度策略，可以进一步更为有效地研究非线性和不确定对象的复杂 NCS。这方

面的研究将非常有意义。

本论文在分析传统工业网 NCS 调度策略和 Overlay 网路由策略的基础上，将

Overlay 网引入 NCS 中，利用 Overlay 网能改善基础网络 Internet 服务 QoS 性能的

优点，提出一种 Overlay-NCS 的相近最小代价调度策略（MLCS），以满足远程 NCS

的QoS 性能。并提出了 MLCS 的一种优化策略，以减少覆盖网络的资源开销及进

一步满足远程 NCS 对闭环控制要求保证 QoS 的最佳 VPN 要求。

MLCS 及其优化策略的算法思想并非以寻找一条最优的覆盖路径为目标，而

是在综合考虑减少系统设计的复杂性和减少覆盖链路、覆盖节点的资源消耗问题

的基础上，选择一条相近最优路径。当覆盖网络处于重负载时，通过 MLCS 及其

优化策略获得的相近最优路径可能会占用过多的瓶颈覆盖链路、覆盖节点资源而

导致覆盖网络费用增加及系统时延的加大，基于此，论文在覆盖网络采用依赖性

能的定价机制的假设下，提出一种用于求解路径最优 QoS 划分问题的双种群混合

遗传算法，解决通过 MLCS 及其优化策略获得的相近最佳路径的最优路径 QoS 参

数（如延时、带宽等）分配问题，能在满足远程 NCS 系统时延等 QoS 要求的基础

上，使覆盖网络的通信总费用最小化。

本论文将 Overlay 技术引入 NCS 中，研究基于 Overlay 网和 Internet 的远程

NCS 的智能调度策略问题，目的是为基于 Overlay 网和 Internet 的远程 NCS 寻找

保证系统 QoS 要求的最优调度算法，其研究意义主要体现在：

1．为控制系统在 Internet 上的部署提供一个比较可行的解决方案；

2．扩展 NCS 在机器人协作、搜索救援等其他领域的应用；

3．为研究非线性、不确定对象等复杂环境下的 NCS 调度策略问题提供研究价值。

§1.2 国内外研究现状

本论文研究基于 Overlay 网和 Internet 的远程 NCS 的智能调度策略问题，在为

控制系统在 Internet 上的远程部署提供解决方案、为扩展 NCS 的应用领域、为进

一步研究复杂环境下的 NCS 智能调度策略问题等方面上，远程 NCS 的智能调度策

略的研究非常有必要，有很好的理论和现实意义，将成为今后的一种研究趋势。

但目前有关这方面的研究非常少，相关的文献资料也比较少，主要原因和现有的

相关研究体现在以下几个方面。

在基于 Internet 的远程 NCS 的研究方面，由于 Internet 只提供尽力而为服务，

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摘要：

摘要目前有关NCS调度策略的研究大多是基于现场总线的网络，而随着Internet的普及、控制系统规模的扩大和远程控制策略的完善，基于Internet的远程NCS调度策略的研究将是非常有意义的，并将成为一种研究趋势。但由于Internet只提供尽力而为服务，不能保证网络的丢包、时延、抖动等QoS特性，而NCS对这些QoS参数非常敏感，所以远程NCS必然会存在诸如实时性、可靠性等方面的问题。为解决这些问题，对远程NCS的智能QoS调度策略进行研究，以保障控制系统的智能性和QoS，将是其中一个关键问题，也是本论文的研究内容。论文首先介绍了NCS、Overlay网络、智能算法以及QoS路由策略等相关概...

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