基于固定优先级航天器任务分层调度研究

在航天器自主控制结构中, 采用分层结构构建系统, 实现不同分组的软件互不影响执行. 针对固定优先级调度模型, 通过对分区可调度性和分区设计问题进行研究, 仔细考察了任务最大响应时间迭代计算过程, 提出了一种更为精确的求解算法; 在固定优先级任务利用率上限的基础上, 给出了分区任务可设计的判定条件; 通过利用价值函数, 给出了分区参数解析模型, 在此基础上, 提出了一种局部最优的设计方法来实现整个处理器的分区设计, 通过具体实例对所提出的分区分析和设计方法进行了验证.      

综合化航空电子分区隔离的建模与设计方法

分区技术是航空电子系统综合化模块化发展中不可缺少的技术.针对航空电子系统安全关键性的要求,基于ARINC653标准,提出了分层分区的体系结构模型,该模型实现了不同安全关键级别应用软件之间的隔离.为了满足航空电子系统强实时可预测性的约束,双层分区模型中系统层采用轮转调度策略,区间层采用单调速率调度策略.然后对分区任务进行可调度分析,在充分保证航空电子系统强实时的前提下,提出了分区关键参数的设计方法,并推导了最坏情况下的系统可调度利用率.计算机仿真结果表明,该方法在保证实时性的同时,能支持更多的系统负载,具有优越性.      

基于动态优先级的核心处理安全分区优化设计

在分区管理模型应用于航空电子核心处理系统的研究中,合理的分区参数设计是保障航空电子系统任务关键和安全关键的一个重要因素.在标准模型的基础上,建立了上层调度器采用动态优先级调度策略的分区管理模型;通过对处理器忙周期进行考察,提出了给定请求时间长度下分区最大抢占影响的计算算法,能从微观的角度解释动态优先级下原子时间抢占行为的影响;通过对分区内任务集的计算负载进行计算,并考虑到计算负载在分区最后一次执行时间内的请求执行时间长度带来的抢占影响,得到了下层调度器采用固定优先级和动态优先级策略下的分区安全设计方法;通过计算仿真评估,结果表明提出的安全分区设计方法比基于虚拟处理资源方法具有更优的设计结果.      

实时单核和谐周期分区系统时间窗口分配算法

目前航空电子系统正快速朝着综合模块化方向发展。为了防止同一计算平台上的应用相互干扰,IMA软件普遍采用分区机制。由于时间分区的引入,传统的实时周期任务可调度性分析已经不再适用。为此研究了一类特殊的分区系统——和谐周期分区系统在单处理器下的可调度性。给出了和谐周期分区系统的形式化定义以及系统中任务可调度性的充分必要条件,并基于此提出了一种分区时间窗口分配算法。该算法为每个分区在主时间帧内分配多个时间窗口,并且保证只要和谐周期分区系统在理论上可调度,该算法就一定能生成一个可行的调度表,使得当全局调度器按照此调度表周期地调度分区时,各个分区中的任务不会超时。本文提出的算法可以运用在实际的工程中。      

改进的多处理器混合关键性系统可调度性分析

针对混合关键性系统的多重认证需求,研究多核处理器平台中全局调度算法fixed-priority and Earliest Deadline First by Virtual Deadline（fpEDF-VD）的可调度性分析问题。fpEDF-VD结合处理器利用率和虚拟截止期两个方面来计算任务优先级,系统可调度性取决于是否存在可行的虚拟截止期调整参数。考虑到现有可调度分析方法仅测试有限数量的调整参数候选值,不能有效地判定系统可调度性,故提出了一种改进的判定方法。该方法基于传统（非混合关键）任务调度算法fpEDF的可调度利用率约束条件,利用函数图像分析研究不同关键性级别的系统可调度性需求,并在此基础上给出有效虚拟截止期调整参数的确切范围。通过实例分析及与现有判定方法的比较,验证了该方法的正确性和高效性。与理论分析一致,基于随机生成任务集的仿真实验结果表明改进后的方法具有更优越的可调度性能,能显著地提高任务集的可调度接受率。      

ARINC 653分区实时系统的主时间框架设计

综合模块化航空电子系统中的ARINC 653标准规定系统采用分区内调度和分区间调度双层调度机制。根据标准,分区内的调度由分区设计者指定,分区之间则按照静态的主时间框架进行调度。如何基于多个分区应用设计用于分区间调度的主时间框架是系统集成阶段需要解决的问题。首先利用可调度分析导出了分区的有界延迟模型参数,进一步将该参数转化为分区的调度参数用于分区间调度。然后进行分区间调度生成主时间框架,提出了最少窗口数目匹配-最佳匹配（MFBF）算法用于减少分区窗口的切换次数。提出的从分区参数推导到分区间调度流程能够基于若干分区应用生成ARINC 653系统的主时间框架。实验结果表明:时间窗口优化算法能有效减少分区窗口切换次数。      

直升机吊挂构型计算及稳定性分析

针对特定的直升机吊挂载荷飞行任务,给出了吊挂几何构型的计算方法,计算了吊挂的几何参数和绳索内力,并在此基础上分析了飞行速度和吊挂重量对几何构型的影响.针对特定的飞行任务,考虑吊挂的几何尺寸和详细构型,在已有模型的基础上进行了改进和配平计算,配平结果与以前的结论吻合得很好,证明模型可用.计算并分析了不同速度、吊挂参数下系统的平衡和稳定特性.结果表明:带吊挂飞行的直升机,速度增加可以改善横向的螺旋不稳定,但对纵横向的周期模态都会产生不利影响.     

基于强化学习的时间触发通信调度方法

未来航空电子系统中将会更广泛地选择基于时间触发的通信机制进行信息传输,以保证信息交互的确定性。如何合理地进行时间触发通信调度设计是时间触发应用于航空电子互连系统的关键。针对时间触发调度的周期性任务,提出了一种基于强化学习的周期调度时刻表生成方法。首先,将流量调度任务转换为树搜索问题,使之具有强化学习所需要的马尔可夫特性;随后,利用基于神经网络的强化学习算法对调度表进行探索,不断缩短延迟时间以优化调度表,且在训练完成后,可以直接使用到消息分布相近的任务中。与使用Yices等可满足模理论（SMT）形式化求解时间触发调度表方法相比,所提方法不会出现无法判定的问题,能够保证时间触发调度设计结果的正确性和优化性。对于包含1 000条消息的大型网络,所提方法的计算速度为SMT方法的数十倍以上,并且调度生成消息的端到端延迟在SMT方法的1%以下,大大提高了消息传输的及时性。      

实时连续多媒体任务模型及调度算法

传统周期任务模型过于简单,不能适应实时多媒体流任务的多种形式,以用户为中心的连续媒体的调度算法由于未能从全局上考虑任务的服务质量QoS(Quality of Service)需求,因而调度效率较低.提出一种改进的以多媒体对象为中心周期任务模型,该任务模型概括了目前多媒体任务的基本表现形式.基于该任务模型,提出了一种以连续多媒体流的整个质量表现过程为中心的任务表现路径模型TPP(Task Presentation Path).在全面考虑表现路径中媒体流对象的全局死线、局部死线和任务连续失效率的基础上,给出了连续多媒体流的比例资源分配调度算法PSTPP(Proportional Share based on Task Presentation Path).实验结果表明了所提出的周期任务模型的合理性,调度算法能提供比传统分时策略以及EDF算法更好的QoS保证.     

一种面向片上网络的链路调度算法

新兴的片上网络(NoC, Network-on-Chip)通常采用虫孔交换技术,其中的链路调度机制难以保证报文级的转发延迟.提出的逆向锚点轮转(RARR, Reverse Anchored Round-Robin)调度算法结合了逐个微片轮转(FFRR, Flit-by-Flit Round-Robin)和逐个报文轮转(PPRR, Packet-by-Packet Round-Robin)调度算法的特点.RARR算法在报文的头微片抵达目的节点前以逐个微片的方式实施调度;此后以最后一跳的链路为起点,沿该报文的转发路径逆向的、逐跳的为所有片段请求和调度锚点.RARR算法将获得锚点的报文设置为最高优先级,对其实施报文级的调度;当锚点报文转发过程中断时,以逐个微片的方式轮转调度其他报文.RARR算法的基本思想源于锚点轮转(ARR, Anchored Round-Robin)调度算法,但是其中关键的锚点调度机制更具确定性,同时消除了ARR算法中的死锁问题.利用周期精确的虫孔交换网络仿真环境量化评估了常见的轮转调度算法,包括FFRR,PPRR,ARR和RARR.实验结果表明,RARR算法具有最优的性能.      

自主测试优先级软硬协同调度策略

自主测试是构建航天器自治体系的关键技术之一.针对实时操作系统自主测试优先级调度问题,提出一种软硬协同混合调度策略.通过分析复杂工程背景下影响自主测试任务重要性的多种因素,提出重要性综合评价指标实现优先级静态分配,利用自组织特征映射网实现测试任务集聚类.在此基础上,建立仲裁代理机制进行优先级再分配,以可信性为调度判据实现基于现场可编程门阵列(FPGA,Field Programmable Gate Array)的优先级动态调度.实验表明该策略对自治系统合理分配优先级资源、高效调度测试任务具有参考意义.      

HLA/RTI下周期与非周期任务调度的实时性改进

为了把高层体系结构的标准应用到实时系统中,必须确保运行时支撑环境的实时性.联邦成员间相关的任务之间有优先顺序约束关系,在联邦成员内调度运行时较难提供可预测的响应,因而难以保证所有任务尤其是非周期任务的实时性.以任务调度理论的角度在联邦成员内部综合调度周期与非周期任务运行的D-EDF（Double-Earliest Deadline First）策略,既能舍弃部分冗余数据使周期性任务在截止时间前高效完成,又能调度非周期性任务规则的运行提高实时响应速度,使得联邦成员可以高效地处理有优先顺序约束关系的任务,进而改进了运行时支撑环境的实时性.最后证明了D-EDF调度策略的可行性.      

航空电子WDM网络多信道强实时调度设计

对航空电子强实时网络,提出了一种广播选择型和波长路由型混合波分复用体系结构和其调度结构模型.针对航电多信道强实时消息,提出了多信道负载比例轮转调度方法,以消息的负载比例在多信道上分配权值.分析了子系统内部消息和子系统外部消息在体系结构中调度模式的不同,推导了经过单次调度的子系统内部消息和经多次调度的子系统外部消息的多信道强实时调度约束条件,从而满足了航电系统所有消息的端对端的实时传输.针对航电实际系统,从系统资源和稳定性等角度提出了关键性参数的设计优化方法.最后用一个航电消息集实例进行具体说明.     

A multi-objective binary-encoding differential evolution algorithm for proactive scheduling of agile earth observation satellites

A robust model and a Multi-objective Binary-encoding Differential Evolution (MBDE) algorithm are proposed in this paper for agile earth observation satellite proactive scheduling considering satellite resource failure and emergency task insertion. Firstly, considering that the reserved slack time in schedule can absorb uncertainties, two indicators are proposed: schedule profits and slack time, based on which, a robust model of proactive scheduling is established. Secondly, to solve the multi-objective model, solutions are represented via binary-encoding, mutation, crossover, and selection operators are re-designed, besides, an external archive update strategy is adopted to store elitist solutions in the evolution process, moreover, non-dominated Pareto set evaluation metrics are improved. Finally, computational results have demonstrated that, compared with NSGA-II and SPEA-2, the MBDE algorithm is able to obtain well-distributed solutions with good convergence more efficiently. The study can provide the method support for proactive scheduling of agile earth observation satellites.     

最小数据丢失量的地月中继卫星任务调度研究

月球背面的探测器必须依靠地月中继卫星进行数据传输与通信。地月中继任务包括实时性任务和延迟容忍类任务，如数传任务。当探测器等待传输的数据量超出用户存储容量时，延迟容忍类任务会由于探测器本地存储资源不足和地月中继卫星天线资源受限而无法完成，导致任务数据丢失，所以需要设计一种合理的地月中继任务调度策略，提高地月中继卫星的资源利用率，减少数据的丢失。对地月中继卫星任务调度进行了研究，在分析地月中继卫星数传任务的特点及用户的存储限制的基础上，以最小化数据丢失量为优化目标，建立了地月中继卫星任务调度模型，并设计了一种基于离散烟花算法（DFWA）的地月中继卫星任务调度算法。仿真数据分析表明，基于离散烟花算法的地月中继卫星任务调度算法在求解结果上优于遗传算法，是一种合理、有效的调度方法。