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。      

基于时间触发的1553B总线实时调度设计

为了优化1553B总线传输性能,降低总线消息传输的等待时间,提高总线带宽利用率和紧急消息响应的实时性,对1553B总线调度方法进行了研究,将周期性调度和抢占式调度策略相结合,设计了一种基于时间触发的1553B总线实时调度方法。在时间触发的基准下按优先级对总线消息进行集中调度,总线帧在总线上传输的时间内,处理器无需等待,可以继续处理其他任务。利用总线数据区分区的特性,设计了紧急消息打断普通总线消息传输的抢占式调度策略,避免了非重要数据较长时间占用总线通信信道,使得紧急消息能够快速响应。试验结果表明,该调度方法实现了总线消息尽最大能力传输,不仅能够较大幅度地提高1553B总线传输效率和带宽利用率,而且紧急消息的响应时间稳定在2ms以内,为紧急消息的实时响应提供了保证。     

芯片间时间触发消息堆叠调度方法

时间触发（TT）通信方式应用于芯片间互连网络，以保证航空电子通信任务之间消息传递的严格时间确定性。当航空电子任务具有多种操作模式，属于不同模式的芯片间的时间触发调度表会重叠占用时隙，提出芯片间时间触发消息堆叠调度方法，以提高利用网络资源的灵活性和效率，同时减小应用层消息由于等待时间触发时间窗的排队延迟。仿真实验表明：与超调度方法相比，所提方法能够减小芯片间互连网络中时间触发消息的总端到端延迟和链路平均时隙占用率，对于端到端延迟时间较长且链路平均承载消息传输较多的场景，采用所提方法减少端到端延迟的效果更显著。     

基于贪婪随机自适应搜索法的TTE通信调度算法

时间触发以太网（TTE）采用全局时间触发机制，使通信任务传输具有严格的时间确定性和无冲突性，适用于航空电子等混合关键应用领域。TTE网络提供3种不同的流量类型:具有低抖动和有界端到端延迟的时间触发（TT）流量，有限制端到端延迟的速率约束（RC）流量和无实时性保证"尽力传"（BE）流量。针对可满足性模理论（SMT）等调度算法在生成TT流量离线时刻调度表的过程中，未综合考虑TT流量路由和时刻调度表对RC流量延迟产生影响的问题，为了优化TTE网络实时性能，提出了一种基于贪婪随机自适应搜索算法的TTE通信任务调度算法。在TT流量离线调度表的生成过程中考虑了RC流量的最坏端到端延迟（WCD），在保证TT流量满足可调度性的前提下，通过路由规划和调度时刻表规划降低了RC流量的WCD。对比实验结果表明:所提算法可以有效的提升整网的实时性能，通过A380拓扑组网案例的对比分析，RC流量的平均延迟减少了14.34%。网络中流量规模越大，所提算法的收益越大。      

TT-RMS:时间触发网络通信表生成算法

针对时间触发网络依据全局时间进行触发数据通信的特点,提出了一种基于单调速率调度(RMS)调度机制的通信表生成算法时间触发单调速率调度(TT-RMS),来生成时间触发网络的通信表.TT-RMS算法在安排消息时间槽过程中,首先根据消息周期,计算出各个链路的总负载,再根据链路的消息周期和总负载,通过RMS机制进行消息排序,确定出消息调度的先后顺序,最后根据时间槽的分配状态进行消息调度,优化了消息的调度过程.所提算法的计算时间复杂度为O(n2),空间复杂度为O(n).目前广泛研究和应用的可满足性理论(SMT)通信表生成方法,其计算时间复杂度通常是多项式级,有时计算时间不收敛.实验结果显示,TT-RMS调度的网络单个链路负载最大可接近100%,计算时间在1 ms左右,平均可调度网络负载是SMT方法可调度网络负载的两倍.TT-RMS通信表生成算法具有计算时间短,可调度消息负载多等优点,可以更好地满足航空航天复杂系统中上千条实时消息流的调度需要.      

芯片间时间触发通信综合规划方法及其优化

随着片上系统（SoC）的处理能力逐渐接近传统的综合核心处理模块,航空电子系统向着微小型综合化的芯片间系统发展;时间触发交换式互连可以保证芯片间消息传递的严格时间确定性。考虑芯片间互连交换结构轻量化和收发端口有限的特点,在拓扑、路由和调度时刻等网络资源相互制约的条件下,提出了芯片间时间触发通信综合规划方法,即根据时间触发消息集合和芯片端口配置,同时求解得到芯片间网络拓扑结构、消息路由和调度时刻表的规划结果。其中,采用免疫算法整体优化了各条消息在网络资源分配过程中的求解次序。仿真实验表明,与不考虑整体优化的综合规划方法相比,优化后的规划结果在减少拓扑结构中多余路径开销的同时,避免消息传输路径拥堵,降低消息端到端延迟,保证了消息集的可调度性。      

基于DDQN的片上网络混合关键性消息调度方法

对片上网络（NoC）承载的混合关键性消息进行实时调度是其应用于航空电子系统片上多核通信的关键。为解决可满足性模理论（SMT）法求解效率低、低优先级消息等待延迟大的问题,提出了一种基于双深度Q网络（DDQN）的混合关键性消息调度方法。将虫孔交换机制下的消息调度问题建模为马尔可夫决策过程,建立包含环境、动作、状态、奖励的多层感知调度模型;随机生成多组分布不同的混合关键性消息作为训练样本,采用DDQN算法求解该调度模型;在此基础上,提出并实现了带孔隙DDQN算法,在保证时间触发（TT）消息可调度前提下为速率约束（RC）消息预留用于虫孔交换的时隙。算例研究表明:所提方法的求解时长及TT消息确定性端到端延迟的平均值均低于SMT法;带孔隙DDQN算法的RC消息延迟较不带孔隙DDQN算法和SMT法显著降低。      

分布式多媒体系统模型与传输控制算法的研究

作为分布式多媒体系统通信与表现控制研究的基础,提出分布式多媒体系统整体模型DMISIM(Distributed Multimedia Information System Integrated Model),将分布式多媒体系统抽象为3元组——多媒体同步时间单元SIU(Synchronization Interval Unit)、通信信道以及信道与SIU序列之间的一一映射关系．模型描述多媒体信息和通信网络的静态属性,反映系统通信传输的动态过程．基于DMISIM,对分布式多媒体通信传输控制机制进行研究,提出最小偏差调度算法MDSA(Minimum Deviation Scheduling Algorithm)作为古典列表调度算法CLSH(Classic List Scheduling Heuristic)的改进．理论分析和逻辑推导证明,在不增加算法时间复杂度,不降低多媒体同步表现质量的同时,算法提高了系统目的端缓冲区利用率,降低了缓冲区需求及多媒体数据溢出的可能性．算法与底层通信传输机制无关,可以广泛应用于分布式多媒体系统的通信传输过程中．      

时间触发AFDX网络的设计和实时性分析

时间触发机制可以近一步提高航空电子全双工交换式以太网(AFDX,Avionics Full Duplex Switched Ethernet)的确定性,保障时间关键消息具有完全的时间确定性.将时间触发机制引入了AFDX网络,设计了时间触发ADFX网络(TTAFDX,Time-Triggered AFDX)的体系结构,包括协议栈、虚拟链路类型、端系统调度、交换机调度、透明通信机制和降级通信机制,并且设计了端系统和交换机的时刻调度算法.对TTAFDX网络从理论和仿真实验两方面进行了分析,验证了TTAFDX网络对时间关键消息的完全时间确定性的保障.     

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。      

航天器可应用实时以太网分析

在航天器上应用以太网的目的是借助以太网的灵活性, 获得方便 的通信接入及数据传输的高带宽, 并且能适应控制领域通信的实 时性和确定性. 实时以太网的确定性、通信调度机制和传输特征是其满足航天器网络通信特性需求的主要判定依据. 通过分析航天器数据通信特点, 对比实时以太网通信调度策略, 得出应用于航天器的实时以太网应具备时间同步、强实时性、确定性、高带宽、多数据类型、双通道冗余及兼容标准以太网等特征.      

红外低轨星座突发任务多重策略调度方法

面向红外低轨星座的突发任务规划与资源调度问题,结合红外低轨星座的空间与时间分布特性,提出一种基于多重策略的红外低轨星座任务应急调度方法。所提方法结合红外低轨星座的设计特点,从星座全球分布的均匀性、结构的对称性及星座内卫星运动的周期性分析作为输入,提出一种以地理分区为长期值守分组策略与事件触发下基于相对运动分析的动态快速分组策略相结合的多重策略。在所提策略指导下完成任务分组,开展工作窗口调度。经仿真分析可得:所提策略可有效应对不同区域的目标触发,并实时完成分组及工作窗口规划调度,较好解决了任务突发情况下的系统响应,由于采用优先分组的策略,降低了全局优化的复杂度,具有创新性,且具备较好的应用价值。      

软件定义时间触发网络的调度算法优化

软件定义时间触发以太网（TTE）作为优化航空电子系统中消息调度的一种新模式,其动态在线调度算法必须尽力保证任何情况下所有消息的传输确定性。针对时间触发（TT）消息调度间隔小于消息帧长（小时隙）时,速率约束RC消息延迟增大、传输确定性降低的问题,对TT消息调度算法进行改进。首先,构建了TTE的系统模型,阐明了最小延迟（MID）调度算法和背靠背（B2B）调度算法的机制;然后在其基础上提出了大孔隙（MAV）调度算法,以减少（RC）消息的等待延迟;最后,利用OMNeT++实验分析这3种调度算法的性能。实验结果表明:当无小时隙TT消息时,B2B算法的消息延迟最大、MAV调度算法和MID调度算法的消息延迟接近。当有小时隙TT消息时,MAV调度算法的消息传输确定性更好,相比于MID调度算法,MAV调度算法下RC消息的传输确定性提高了87.3%。      

基于一次性突发原则的TTE网络实时性能优化

确定性通信的发展，促进了时间触发概念的引入。时间触发以太网（TTE）通过提供3种流量类别来支持混合安全性的实时应用:时间触发（TT）流量，具有完全的时间确定性；速率约束（RC）流量，具有确界的端到端延迟；尽力传（BE）流量。如何实现时间触发机制下RC流量实时性能的紧性分析，仍然是决定TTE网络顺利应用的开放式问题。在FIFO服务策略的假设下，将“一次性突发原则”的分析方法引入到TTE网络中，以观察该原则在时间触发网络性能分析中的影响。不同于航空电子全双工以太网（AFDX），具有更高优先级的TT流量会对RC流量的延迟分析产生关键影响，从而导致一次性突发分析的复杂性。通过建立聚合TT流量在及时阻断模式下的到达曲线模型，从而获得单条RC流量端到端的服务曲线模型，基于此实现了RC流量的最坏情况端到端延迟（WCD）评估，进一步完成了一次性突发原则下的分析对比。相较于已有工作，一次性突发原则可以得到RC流量更精确的最坏端到端延迟上界评估结果，有助于改善TTE网络性能评价紧性。通过A380拓扑组网案例的对比分析，相比于传统方法，所提方法RC流量平均延迟减少了12.05%。      

基于TTE的改进加权轮询调度算法

在时间触发以太网(TTE)中,TT消息优先级最高,RC消息只能在TT消息调度的离散时间片内传输,因此,TT消息离线调度表的设计会对RC消息调度产生一定影响。针对这一问题,提出了基于最优时间片的改进加权轮询(MWRR)调度算法。首先,通过TT消息约束条件限制获得TT消息离线调度表,进而得到保证RC消息较大资源利用率的时间片信息;其次,在离散时间片对不同类型RC消息进行调度,并运用网络演算方法对其最坏端到端延迟进行分析;最后,通过实验仿真证实了本文算法不仅具有较低的复杂度和较好的公平性,保证了实际应用中算法的可行性,而且在时延性方面均优于先到先得(FIFO)、优先级(PQ)和加权轮询(WRR)调度算法。     

航空电子双层任务分区调度设计

针对严格实时的航空电子分区调度问题,建立了操作系统采用轮转调度策略,分区里采用动态优先级调度策略的双层任务调度模型.针对可调度性分析问题,利用轮转调度周期和分区任务执行系数作为关键参数,在任务时间需求函数的基础上,计算系统消耗时间,得出了系统可调度性的判定定理;同时考察存在释放抖动的时候可调度情况,提出了可调度性的计算边界;通过考察任务周期和轮转调度长度的关系,得出了分区可调度情况下任务负载的理论上限.针对分区设计问题,通过考察关键时刻点,给出了分区调度关键参数的解析模型,在此基础上提出了分区可设计的判定定理,最后给出实例进行具体说明.      

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.      

时间触发CAN总线实时性分析及评估方法

针对目前时间触发控制器局域网(CAN,Controller Area Network)总线缺乏统一评估方法的现状,提出了一套系统建立与评估方案.采用均匀装载算法建立系统调度矩阵,实现了周期信息的实时传输.结合CAN总线的传输机制与时间触发的特点,改进了时间触发系统中非周期信息最坏延迟的计算方法.在此基础上针对不满足系统实时性要求的信息提出了计算其失效概率的方法,建立了时间触发CAN总线系统的设计与评估流程,提出了系统参数调整方案.评估方案能够提高设计效率,利用信息失效概率以及最坏延迟对系统实时性进行分析,使分析结果更加精确、实用.