一种基于全环路信息年龄的控制传输联合设计方法

技术领域

本发明涉及全环路信息年龄的技术领域，尤其涉及一种基于全环路信息年龄的控制传输联合设计方法。

背景技术

工业信息物理系统是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，集成了先进的计算、传输和控制技术，注重计算资源与物理资源的紧密结合与协调，提升了工业自动化系统、智能电网、智能物流和数字孪生等工业领域的运行效率，是未来工业发展的趋势之一。由于工业信息物理系统中的不同子系统通过网络传输以各种方式紧密耦合并相互影响，使得通过单独优化控制和传输系统来提高工业信息物理系统的整体性能变得困难。例如，减少工业信息物理系统中数据传输的次数可以减轻网络负担，但由此导致的信息缺失可能会严重降低控制性能。因此，联合设计控制和传输策略对于提高工业信息物理系统的整体性能至关重要。

由于时延是表征工业信息物理系统中传输系统状态的一个关键指标，并且它也能够影响工业信息物理系统中控制系统的稳定性，因此现有的关于控制传输联合设计策略大多基于时延进行研究。另一方面，由于事件触发相比时间触发能够更好地优化计算和传输资源，被广泛地应用在工业信息物理系统设计中。然而，时延仅仅反映数据在网络链路或控制器计算过程中所经历的时间，没办法用来衡量事件触发对信息造成的延迟，因此，对包含了控制系统和传输系统的工业信息物理系统来说，仅考虑时延不能够完整地衡量信息在工业信息物理系统中的新鲜程度。基于时延来设计带有事件触发的控制传输联合设计问题，会影响系统整体性能的提升。

全环路信息年龄作为一个新兴的指标，描述了信息在整条工业信息物理系统环路中的新鲜程度，其考虑了信息在触发器-控制器传输链路(上行链路)、控制器-执行器传输链路(下行链路)及事件触发器中所经历的时间。通过全环路信息年龄，工业信息物理系统中的控制系统和传输系统能够及时地获取对方当前状态和需求，便于控制系统和传输系统的远程协调及资源分配。因此，在保证计算精确性的前提下，基于全环路信息年龄的控制传输联合设计能够在保证控制系统稳定性的前提下，尽可能地减小网络系统的传输负担，从而提升工业信息物理系统整体性能。

关于工业信息物理系统设计的研究中，现有的相关专利很少能够将控制系统和传输系统进行联合设计。专利申请号为CN202210172922.5，名称为基于事件触发机制的信息物理系统控制器的控制方法，其结合信息物理系统基于网络的数据传输特点，设计欺骗攻击下的基于新的事件触发机制的控制策略，系统可以在执行器发生故障时实现快速补偿，提高系统控制性能，且系统在受到攻击以及存在故障时有较高的数据包发送率，在系统趋于稳定时数据包发送率降低，减轻通信负担，节约带宽资源。然而，专利的侧重点是控制器的设计，通过该设计使网络资源得到优化，并没有针对传输系统进行设计，限制了工业信息物理系统性能的进一步提高。专利申请号为CN201521110828.9，名称为用于电动汽车电机控制器调试的远程数据传输系统。该系统包括电源模块、测功电机及控制器、被测电机及控制器，电源模块通过电机控制器的电源开关或点火开关提供电机控制器的工作电源，还包括通讯网关、继电器和智能终端，通讯网关包括CAN接口、网卡等器件。该数据传输系统克服了传统电机控制器调试的缺陷，实现电机控制器调试过程中数据的远程传输，其接线方便，避免了测试人员的长时间守值，提高了调试和研发效率。然而，该专利的侧重点是传输系统设计，通过开发传输相关硬件系统来提高控制器调试效率，并没有针对控制进行设计，限制了调试和研发效率的进一步提高。专利申请号为CN202110434832.4，名称为一种DSP与ZYNQ架构的控制器及数据传输设计方法。该专利提供的ZYNQ控制板和DSP控制板之间的数据传输方法，通过配置数据传输线与地址传输线，实现DSP与ZYNQ之间的数据实时、有效的传输，便于根据实际控制需要进行配置和扩展。然而，该专利所提供的控制与传输联合设计对象仅是控制板层面，不能扩展到大规模，多流量，多子系统的工业信息物理系统的设计中。综上所述，目前针对信息物理系统相关的控制传输联合设计方案较少，需要给出一套完整地设计方案来提升信息物理系统整体性能。

另一方面，关于信息年龄的研究和应用中，一方面现有的信息年龄对信息新鲜度的刻画不够完整，另一方面也很少有基于信息年龄的控制传输联合设计工作。专利申请号为CN202110119244.1，名称为基于信息年龄的无线网络通信资源调度方法和系统。该专利提供的基于信息年龄的无线网络通信资源调度方法和系统为各条链路之间的传输公平性提供了依据，同时提高了整体系统的实时性与信息时效性。专利申请号为CN202011077538.4，名称为一种支持信息年龄优化的多信道无线网络调度方法。该专利针对多个信道进行调度，提高了网络资源利用率，优化了网络的平均信息年龄；同时，由于目标节点无需提前获取源节点的数据包产生时间，还降低了节点问交互导致的能量消耗。然而，上述专利对信息年龄的定义相对简单，仅表示为目标节点最新收到的源节点的数据包的产生时刻距离当前时刻的差值，而没有基于数据从产生到最终被利用期间所经历的过程来对信息年龄做定义，导致不能从底层机理来对信息年龄进行设计，限制了信息年龄的利用。

综上所述，需要从数据在信息物理系统环路中所经历的过程来重新定义信息年龄，并基于信息年龄对信息物理系统中控制与传输系统进行联合设计，以提升整体性能。

现有技术对信息年龄的定义较为简单，单纯的将当前时刻与数据产生时刻做差不能完全反映数据的传输过程，也无法对信息年龄进行设计，需要对信息年龄赋予更多描述信息新鲜度的机理。现有技术基于信息年龄来优化网络系统资源利用，然而并没有设计相应的传输机制来保证信息年龄计算的准确性，在数学期望下计算信息年龄并不能精确地指导系统的优化设计。现有技术针对工业信息物理系统中控制与传输的设计大多是分离的，仅提升控制系统或传输系统，而没有将控制与传输的相互耦合关系进行分析并联合设计。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于全环路信息年龄的控制传输联合设计方法。保证控制系统的快速性与稳定性，并尽可能地减少网络中数据传输量，降低网络负担，提升工业网络系统的整体性能。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提出新的信息年龄定义，丰富信息年龄对信息新鲜度的刻画内容，并使其能够作为关键联合指标用于工业信息物理系统控制和传输联合设计。采用合适的网络传输机制，建立相应的传输模型并设计传输算法，来保证信息年龄计算的准确性。利用信息年龄来表征控制与传输系统的相互影响关系，并基于信息年龄进行控制与传输系统联合设计，以提升工业信息物理系统的整体性能。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于全环路信息年龄的控制传输联合设计方法，包括以下步骤：

步骤1、针对工业信息物理系统，对于给定的网络拓扑及各子系统数据流的控制周期，生成可行的确定性路由及调度方案S；假设方案共M种；初始化调度方案计数变量n

步骤2、若k＜T-τ，跳至步骤3；

若k≥T-τ且n

若k≥T-τ且n

并令temp＝n

若k≥T-τ且n

步骤3、针对第n

步骤4、根据

步骤5、对于n

进一步地，所述步骤1中，工业信息物理系统包括被控对象、传感器、执行器、基于全环路信息年龄的事件触发器、基于全环路信息年龄的控制器以及时间敏感网络；被控对象的状态信息x

进一步地，所述步骤1，时间敏感网络基于IEEE 802.1Qbv标准进行设计。

进一步地，所述步骤1，在离线情况下，通过设计确定性传输约束集，形成交换机传输的门控队列；在实际运行时，交换机各传输端口按照离线设计的门控队列所规定的时间，周期性地开启和关闭，保证数据传输的确定性。

进一步地，所述传输约束集包括拓扑约束、无竞争约束、换位约束、无回路约束和路由约束。

进一步地，所述步骤2，控制稳定性条件是对平均全环路信息年龄的约束，当平均全环路信息年龄小于稳定性阈值时，系统稳定。

进一步地，所述步骤3中，基于全环路信息年龄的事件触发根据Δ

其中，ξ为时间敏感交换机单次开启及关闭门所产生的代价，

进一步地，所述步骤3中，全环路信息年龄的定义是

Δ

其中，δ

进一步地，所述步骤4中，基于全环路信息年龄的控制策略利用LQR算法并定义新的状态信息和输入，由此得到最优控制决策。

进一步地，所述步骤5中，系统对各个路由调度策略下基于全环路信息年龄的控制传输联合设计对应的总代价进行对比，取总代价最小的方案作为可行方案集中的最优方案，包括最优路由调度策略、最优控制策略与最优事件触发策略。

在本发明的较佳实施方式中，本发明的目的是定义新的信息年龄概念-全环路信息年龄，并基于全环路信息年龄进行控制和传输联合设计，以利用该联合设计方法和系统提升工业信息物理系统的整体性能。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

系统整体由被控对象、传感器、执行器、全环路信息年龄事件触发器、全环路信息年龄控制器，及时间敏感网络组成，所述时间敏感网络中包含若干个交换机。其中，控制器的控制策略、事件触发器的触发策略均基于全环路信息年龄。所述时间敏感网络是一种确定性传输机制，通过建模并基于全环路信息年龄优化求解得到路由和调度方案，能够保证网络中所传数据流的确定性、可靠性传输。

一种基于全环路信息年龄的控制和传输联合设计方法，包含以下步骤：

步骤1：被控对象在k时刻更新得到状态信息x

步骤2：事件触发器接收到x

步骤3：若所述事件触发器未触发，则跳至第六步；若触发，则状态信息x

步骤4：控制器接收到x

步骤5：控制输入u

步骤6：被控对象更新状态得到x

特别地，所述步骤1中，系统包含N个子系统，每个子系统包含1个被控对象与1个事件触发器，被控对象与事件触发器一一对应，不同子系统的状态信息在事件触发阶段互不影响。

特别地，所述步骤2中，事件触发器的触发操作反映在事件触发变量取值上，事件触发变量定义如下：

当事件触发发生时，δ

特别地，所述步骤2中，全环路信息年龄的定义为：

Δ

其中，δ

特别地，所述步骤2中，最优事件触发变量组是基于全环路信息年龄来构建的，具体为：

其中，ξ为时间敏感交换机单次开启及关闭门所产生的代价，

特别地，所述步骤3中，时间敏感网络是一种确定性网络。给定网络拓扑与数据流周期等特性，通过离线设计调度优化目标函数及相关保证确定性传输的约束集，求解得到最优的路由及调度方案。给定最优路由及调度方案后，数据流在时间敏感网络中传输的τ

特别地，所述步骤3中，基于全环路信息年龄的时间敏感网络路由及调度算法的设计过程中，包含优化问题及约束集的构建、优化问题的求解。优化问题的目标函数如下：

其中，

Ω

为控制与传输总代价，λ

其中，Q与R为权重系数矩阵。该定义为LQR最优控制的控制代价形式。T的定义为

其中，ξ为时间敏感交换机单次开启及关闭门所产生的代价，

特别地，所述步骤3中，基于全环路信息年龄的时间敏感网络路由及调度算法的设计过程中，包含优化问题及约束集的构建、优化问题的求解。约束集包括IEEE 802.1Qbv标准所定义的相关网络传输约束、步骤2所提的事件触发约束及步骤4所提的控制算法约束。在离线情况下，基于预处理及分步求解算法对该优化问题进行求解。

特别地，所述步骤4中，基于全环路信息年龄的控制算法采用LQR算法，给出了消除输入时延τ

x

其中，τ

则原系统方程化为无时延形式

特别地，所述步骤4中，基于全环路信息年龄的控制算法采用LQR算法，给出了消除输入时延τ

其中，

其中，

特别地，所述步骤4中，基于全环路信息年龄的控制算法采用LQR算法，给出了消除输入时延τ

其中，

特别地，所述步骤5中，控制输入经过时间敏感网络传至执行器的过程是独立的，不存在与状态信息经过时间敏感网络传至控制器的过程之间的冲突。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和显著优点：

1.提出了新的信息年龄定义，该定义下的全环路信息年龄考虑到了数据在工业信息物理系统中传输的整个过程，包含事件触发、事件触发器至控制器的网络传输以及控制器至执行器的网络传输，并对相应过程中的延迟进行了定量刻画，使其能够完整地表征信息新鲜度。

2.采用了确定性网络传输机制，并建立相应的传输模型并设计基于全环路信息年龄的传输算法，来保证工业信息物理系统中数据传输的可靠性和确定性。相比较现有技术，该方法使得信息年龄能够被精确计算，保证了基于信息年龄的控制传输联合设计的可实现性。

3.利用全环路信息年龄来表征控制与传输系统的相互影响关系，全环路信息年龄的值既受到确定性传输的调度方案的影响，又影响基于全环路信息年龄的事件触发发生时刻，同时也影响了基于全环路信息年龄的控制决策。并且该技术给出了基于全环路信息年龄的控制稳定性条件。通过构建控制传输整体代价这一优化目标，并将基于全环路信息年龄的路由调度、事件触发、及控制策略等作为联合约束集，能够进一步提升工业信息物理系统的整体性能。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的基于全环路信息年龄的控制传输联合设计架构；

图2是本发明的一个较佳实施例的物理拓扑连接图；

图3是本发明的一个较佳实施例的全环路信息年龄增长曲线；

图4是本发明的一个较佳实施例的基于全环路信息年龄的控制传输联合设计算法流程。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

本发明一种基于全环路信息年龄的控制传输联合设计方法和系统，包括以下步骤：

第一步：针对一个工业信息物理系统，对于给定的网络拓扑及各子系统数据流的控制周期，生成一套可行的确定性路由及调度方案S。假设该方案共M种。初始化调度方案计数变量n

第二步：若k＜T-τ，跳至第三步。

若k≥T-τ且n

若k≥T-τ且n

并令temp＝n

若k≥T-τ且n

第三步：针对第n

第四步：根据

第五步：对于n

在第一步中，所述工业信息物理系统包含被控对象、传感器、执行器、基于全环路信息年龄的事件触发器、基于全环路信息年龄的控制器以及时间敏感网络。被控对象的状态信息x

在第一步中所述时间敏感网络是基于IEEE 802.1Qbv标准进行设计的。在离线情况下，通过设计确定性传输约束集(包含拓扑约束、无竞争约束、换位约束、无回路约束和路由约束等)，形成交换机传输的门控队列。在实际运行时，交换机各传输端口按照离线设计的门控队列所规定的时间，周期性地开启和关闭，保证数据传输的确定性。相比传统的时间敏感网络设计，本技术方案包含基于全环路信息年龄的事件触发器，能够协调时间敏感网络的门控队列，使在无事件触发时避免交换机端口的开启和关闭，减少了传输代价。

在第二步中，所述控制稳定性条件是对平均全环路信息年龄的约束，具体为：

其中，

在第三步中，基于全环路信息年龄的事件触发根据Δ

其中，ξ为时间敏感交换机单次开启及关闭门所产生的代价，

在第三步中，全环路信息年龄的定义是

Δ

其中，δ

所述占

在第四步中，基于全环路信息年龄的控制策略利用LQR算法并定义新的状态信息和输入，能够使系统快速稳定的同时，消除输入时延的影响，进一步保证系统的稳定性。新的状态信息和输入表达式分别为：

最优控制决策为：

其中，

其中，

在第五步中，系统对各个路由调度策略下基于全环路信息年龄的控制传输联合设计对应的总代价进行对比，取总代价最小的方案作为可行方案集中的最优方案，包括最优路由调度策略、最优控制策略与最优事件触发策略。该方案能够保证控制系统的快速性与稳定性，并尽可能地减少网络中数据传输量，降低网络负担，提升工业网络系统的整体性能。

本实施例中基于全环路信息年龄的控制传输联合设计架构如图1所示。全环路信息年龄增长曲线如图2所示。基于全环路信息年龄的控制传输联合设计算法流程如图3所示。物理拓扑连接图如图4所示。本实施例中，用户需要基于全环路信息年龄，对工业信息物理系统的控制和传输系统进行建模，通过求解优化问题得到最优路由与调度策略、最优控制策略，以及最优事件触发策略。本实施例中，网络拓扑如图2所示，包含10个控制子系统，时间敏感网络(包含10台交换机)，一台控制器。整体实施流程如图4所示，具体为：

第一步：输入网络拓扑及10个控制子系统的控制周期及控制系统方程。

第二步：根据所输入拓扑及数据流的控制周期建立时间敏感网络中确定性传输约束集，再通过可满足性模理论(Satisfiability Modulo Theories，SMT)优化求解得到M种可行的路由及调度策略。

第三步：初始化n

第四步：判断k是否小于T-τ。若是，则跳至第五步；否则，跳至第九步。

第五步：计算

第六步：触发发生，记录触发方案

第七步：触发不发生，记录触发方案

第八步：计算

第九步：判断n

第十步：计算

跳至第四步。

第十一步：判断n

第十二步：判断是否满足控制稳定性条件。若是，则跳至第十三步；否则，跳至第十七步。

第十三步：计算

第十四步：判断

第十五步：令min＝n

第十六步：令temp＝n

第十七步：令

第十八步：令u

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。