工業(yè)多業(yè)務流實時網絡建模與優(yōu)化策略研究.pdf

1、隨著工業(yè)信息化與自動化的不斷融合，石油、化工、能源、冶金、制藥、交通、船舶、裝備制造等系統規(guī)模越大越大，復雜度越來越高，需要傳輸的業(yè)務信息量也越來越多。其中可能既含有傳統的低速流程控制業(yè)務，又有高速強實時運動控制業(yè)務，甚至還有故障恢復檢測等業(yè)務。這種應用特征對網絡通信系統信息傳輸的實時性、穩(wěn)定性、可靠性提出了嚴峻的要求。在傳統工業(yè)網絡中，對業(yè)務特性要求不同的控制系統通常被分隔為若干個互不相關的業(yè)務子系統，并加以獨立的分析和研究。這些相互

2、獨立的網絡系統構成了一個個“信息化孤島”，導致工業(yè)實時應用中的信息集成、互訪問和互操作困難，實時性也得不到良好保證。為此，迫切需要將工業(yè)實時應用中的各種信息傳輸融合集成到同一個網絡系統中，以實現一個不同信息流能夠實時互訪與融合的多業(yè)務實時網絡。
　　然而，目前學術界的研究基本僅限于單一業(yè)務的工業(yè)以太網，很少有多業(yè)務工業(yè)網絡的相關成果。而在實際應用中，現階段也沒有一個實質性的多業(yè)務網絡解決方案。因此研究工業(yè)多業(yè)務流實時網絡的建模與優(yōu)

3、化策略不論在理論上還是在應用上都顯得格外迫切。
　　本文在綜述了不同業(yè)務流的工業(yè)實時以太網模型以及相關的調度和優(yōu)化策略的國內外研究現狀后，首次提出和定義了工業(yè)多業(yè)務實時網絡的概念，將多業(yè)務流分類歸納為RT，FRT，以及DR等三種業(yè)務。以中國自主制定的工業(yè)自動化領域的第一個國際標準EPA為基礎，研究了多業(yè)務流的分類與建模，工業(yè)實時以太網通信模型，強實時業(yè)務的調度與優(yōu)化，控制回路在工業(yè)實時網絡中的穩(wěn)定性，故障檢測恢復業(yè)務建模與自愈時間

4、分析，以及多業(yè)務流融合網絡構架與調度策略。所做的具體研究工作包括:
　　1.以EPA網絡為基礎，定量劃分了RT，FRT和DR三種業(yè)務的區(qū)間。分析了工業(yè)實時以太網的通信調度機理。針對現有EPA相關研究中缺乏定量理論模型的問題，通過對基于角色平等的分布式協議機理的分析，建立了相關的數據模型、調度模型、時間模型，給出了調度規(guī)劃算法及可調度性判斷依據。
　　2.針對面向傳統流程工業(yè)而制定的原版EPA協議的一些不足，提出了若干改進實時

5、性并增強FRT業(yè)務性能的方案。在通信機理，同步方法，網段劃分，靜態(tài)時問窗口調度等方面提出了優(yōu)化策略。提出了一種多網段矩形陣列拓撲結構和相應的時間片規(guī)劃方案。
　　3.分析了報文傳輸時延和時鐘同步精度對EPA網絡控制系統實時性和穩(wěn)定性的影響，提出了新的基于馬爾科夫鏈的時延模型。分析了系統穩(wěn)定時通信宏周期、協議傳輸時延和時鐘同步精度應滿足的條件。建立了EPA網絡控制系統模型。給出了EPA控制系統穩(wěn)定時可以設置的最小通信宏周期的計算方法

6、。
　　4.針對以往故障檢測和恢復業(yè)務沒有考慮到現有實時業(yè)務的問題，在原有DRP協議基礎上提出了全新的DR業(yè)務。基于網絡演算理論，給出了恢復時間和帶寬占用率模型。對整合了實時業(yè)務和DR業(yè)務的分布式冗余網絡進行了性能分析，給出了優(yōu)化方案。
　　5.提出了一種多業(yè)務流融合網絡的整體框架與解決方案。給出了一種基于廣義宏周期的業(yè)務融合策略與動態(tài)宏周期調度算法。建立了多業(yè)務流網絡中的宏觀數據模型，流量模型以及有效網絡利用率模型。針對業(yè)