基于时间隔离的安全关键控制网络防危调度研究

Safety design of control network is one of imporant problems which is worthy to be concerned in the design of safe critical distributed control system,ie.,SCDCS.This project focuses on the demands of both contol system performance and real-time network transmission and makes the research on the prerequisite for safety scheduling design ,safety scheduling strategy as well as the implementation in the practial network by introducing time isolation mechanism.First,a connection between control performance and network scheduling is investigated and a method to acquire network time parameters through co-design of control and scheduling is put forward after SCDCS is modeled and analyzed.Second,a hierachical scheduling model with time isolation will be built by using above parameters and its schedulability equation will be deduced.Finally,the impact of network time error on the scheduling with time isolation is analyzed and the constraint between time error and time isoltion scheduling is presented as well as a time synchronization method called as 'early negotiating'is created .In terms of the research,the project seems to be providing the powerful support in theory and technology to the desig of high dependable SCDCS .And it could be expected to prompt more and more control networks to be applied to the safety critical industry.

防危性设计是安全关键分布式控制系统（Safety Critical Distributed Control System, SCDCS）需要解决的重要问题之一。本项目拟从系统控制性能和网络实时性要求出发，将时间隔离思想引入到网络调度中来,在防危调度设计的前提条件、调度策略和调度实现三个方面展开研究。在对SCDCS 建模分析基础上，建立控制性能与网络调度之间联系，提出基于控制与调度集成设计的网络时间参数确定方法；在此基础上，引入时间隔离策略，建立具有隔离防护机制的分层网络调度框架，推导出该模型可调度性判定条件；分析网络中时钟误差对时间隔离机制的不良影响，建立时钟误差与时间隔离调度之间的约束关系，给出基于'前期协商'的网络节点时钟同步算法。本研究工作为建立高可信控制网络的设计方法提供了理论与技术支撑，对加快控制网络在复杂工业安全关键领域的应用具有积极意义。

实时控制网络是安全关键分布式控制系统的重要组成部分，其防危调度设计需要满足系统实时性、控制性能等多方面要求。本项目围绕这些要求，在防危调度设计的前提条件、调度策略和调度实现三个方面展开研究。具体包括：. 1.在基于控制与调度集成设计的网络时间参数确定方法方面：针对理想网络环境建立了系统稳定性和指定稳定度约束下网络参数的求取方法；对非理想网络环境中时延进行了建模分析，建立了基于Kalman 滤波的时延估计与补偿方法，将理想环境下参数确定方法推广到非理想网络环境应用。. 2.在具有时间隔离机制的开放式网络调度框架方面:分别研究了基于EDF和固定优先级的分层调度及其可调度性判定条件，建立了用于时间隔离机制的分层调度模型；研究CAN和FlexRay网络中分层调度实现方法，提出了基于动态标识符的CAN网络EDF调度机制，建立了一种时隙动态分配的FlexRay静态段分层调度实现机制。. 3.时钟误差影响与时钟同步方面，分析了时钟误差对隔离机制以及网络延时对时钟同步精度的影响，设计了时钟同步主从节点发送和响应延时请求报文机制，定量研究了同步帧传输的网络时延，给出了即时偏差与网络延时的测算方法；研究了“前期协商”等同步算法，建立了基于最小相对即时偏差和的时钟协商及时钟精确同步方法。. 本项目资助发表论文共计17篇；获得“安徽省自然科学优秀学术论文奖” 2项，期刊优秀论文奖1项，行业协会奖1项；申请国家发明专利4项，已授权2项；申请软件著作权4项，已获批3项；培养毕业研究生11名。. 本项目的研究成果对增强安全关键控制网络可信性，加快其在复杂工业环境中的应用，具有一定的理论意义和应用价值。