Способ и устройство для компьютерных сетей управления скоростными циклами прикладных процессов

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в компьютерных сетях распределенного управления прикладными процессами в реальном масштабе времени. Техническим результатом является повышение надежности работы сетей при наличии задержек передачи пакетов данных за счет применения динамических моделей прикладных процессов. В способе осуществляется выработка команд управления посредством моделирования в ускоренном масштабе времени динамики прикладного процесса совместно с моделированием процесса формирования команд управления по данным о текущем состоянии прикладного процесса, что позволяет компенсировать задержки передачи пакетов данных по компьютерным сетям при распределенном управлении прикладным процессом. Устройство реализует указанный способ. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к автоматике, вычислительной технике, системам передачи информации и может быть использовано для компьютерных сетей распределенного управления скоростными циклами прикладных процессов в реальном масштабе времени.

В настоящее время широкое распространение получили компьютерные сети на базе Интернет протоколов (IP-Internet Protocol), которые используются для обмена информационными пакетами между абонентами в компьютерных сетях. Методы пакетной передачи информации реализованы на основе преобразования любого вида информации в цифровое последовательности с последующим разделением этой последовательности на пакеты, снабженные всей необходимой информацией для их идентификации, маршрутизации, коррекции ошибок, что позволяет осуществлять на основе использования компьютерных сетей с пакетной передачей информации распределенное в пространстве управление прикладными процессами.

Основными параметрами, влияющими на качество работы компьютерных сетей распределенного управления прикладными процессами, являются задержка при передаче пакетов данных, вариация этой задержки и джиттер (неустойчивая синхронизация) выходных сигналов, при этом под скоростными циклами понимаются циклы прикладных процессов, у которых время дискретизации данных прикладного процесса меньше задержек передачи пакетов в компьютерной сети. Задержка передачи пакетов данных по компьютерной сети в общем случае имеет несколько составляющих: задержки кодирования и декодирования, задержки на входе и выходе из сети, сетевая задержка сериализации, задержка в компенсирующем буфере. Суммарная задержка пакетов данных в сети на базе IP протоколов может существенно превышать необходимый для качественного управления скоростными циклами прикладных процессов период дискретизации данных, что является препятствием для осуществления распределенного управления скоростными циклами прикладных процессов в реальном масштабе времени через компьютерные сети, поскольку задержки передачи пакетов данных по компьютерной сети и вариация этих задержек значительно снижает качество и устойчивость управления скоростными циклами прикладных процессов, вплоть до невыполнения целей управления.

Известны способ и устройство для компьютерных сетей распределенного управления скоростными циклами прикладных процессов (см. патент US 6683889), в котором циклически с заданным периодом дискретизации данные о текущем состоянии прикладного процесса кодируют и формируют в пакет данных прикладного процесса, который содержит данные о текущем состоянии прикладного процесса и время формирования пакета данных прикладного процесса, пакет данных прикладного процесса передают в компьютерную сеть, из компьютерной сети принимают и буферизируют пакеты команд управления, в соответствии с заданным периодом дискретизации извлекают из очереди буферизации и декодируют пакет команд управления, декодированные команды управления передают в прикладной процесс.

Недостатком известного способа и устройства является то, что они не позволяют эффективно достигать в компьютерных сетях целей распределенного управления скоростными циклами прикладных процессов из-за высокого уровня задержек передачи пакетов данных, наличие которых снижает качество и устойчивость управления скоростными циклами прикладных процессов, вплоть до невыполнения целей управления.

Известны также способ и устройство для компьютерных сетей распределенного управления скоростными циклами прикладных процессов (см. патент ЕР 1661343), в котором циклически с заданным периодом дискретизации данные о текущем состоянии прикладного процесса кодируют и формируют в пакет данных прикладного процесса, который содержит данные о текущем состоянии прикладного процесса и время формирования пакета данных прикладного процесса, пакет данных прикладного процесса передают в компьютерную сеть, из компьютерной сети принимают и буферизируют пакеты команд управления, в соответствии с заданным периодом дискретизации извлекают из очереди буферизации и декодируют пакет команд управления, декодированные команды управления передают в прикладной процесс.

Недостатком известного способа и устройства являются относительно низкие функциональные и технические характеристики при их применении для компьютерных сетей распределенного управления скоростными циклами прикладных процессов. Известные способ и устройство не позволяют эффективно достигать в компьютерных сетях целей распределенного управления скоростными циклами прикладных процессов из-за высокого уровня задержек передачи пакетов данных, наличие которых снижает качество и устойчивость управления скоростными циклами прикладных процессов, вплоть до не выполнения целей управления.

Целью изобретения является разработка способа и устройства для компьютерных сетей распределенного управления скоростными циклами прикладных процессов, которые позволили бы осуществить и значительно повысить качество и устойчивость управления скоростными циклами прикладных процессов в компьютерных сетях.

Поставленная цель достигается тем, что пакет данных прикладного процесса принимают из компьютерной сети, данные о текущем состоянии прикладного процесса, извлеченные из пакета данных прикладного процесса, используют в качестве начальных условий для моделирования динамики прикладного процесса, задают временной интервал моделирования как суммарное время прогнозируемых задержек передачи по сети пакетов данных прикладного процесса и пакетов команд управления совместно с временем моделирования динамики прикладного процесса и буферным временем компенсирования вариаций задержек передачи пакетов по сети, для каждого принятого пакета данных прикладного процесса в ускоренном масштабе времени на временном интервале моделирования моделируют динамику прикладного процесса совместно с моделированием процесса формирования команд управления, команды управления, соответствующие конечной точке временного интервала моделирования, размещают в пакете команд управления, в котором размещают также время передачи команд управления в прикладной процесс, которое определяют как сумму времени формирования пакета данных прикладного процесса и временного интервала моделирования, пакет команд управления передают в компьютерную сеть, пакет команд управления извлекают из очереди буферизации при достижении текущим временем прикладного процесса значения времени передачи команд управления в прикладной процесс.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретного примера его выполнения и прилагаемыми чертежами.

На фиг.1 - блок-схема устройства.

На фиг.2 - структура пакета данных прикладного процесса.

На фиг.3 - структура временного интервала моделирования.

На фиг.4 - структура пакета команд управления.

Сущность предлагаемого способа и устройства для компьютерных сетей распределенного управления скоростными циклами прикладных процессов поясняется на примере описания работы схемы технической реализации изобретения, изображенной на фиг.1.

Устройство (фиг.1) содержит блок датчиков прикладного процесса 1, выход которого подключен через блок кодирования данных прикладного процесса 2 к входу блока передачи пакетов данных прикладного процесса 3, выход которого подключен к входу компьютерной сети 4, блок приема пакетов команд управления 5, который входом подключен к выходу компьютерной сети 4, а выходом к входу блока буферизации 6, выход которого соединен через блок декодирования 7 с входом блока регуляторов прикладного процесса 8, блок приема пакетов данных прикладного процесса 9, который входом подключен к выходу компьютерной сети 4, а выходом через блок управления моделированием 10 к первому входу блока моделирования динамики прикладного процесса 11, выход которого соединен с входом блока команд управления 12, первый выход которого подключен к второму входу блока моделирования динамики прикладного процесса 11, второй выход блока команд управления 12 соединен через блок кодирования команд управления 13 с входом блока передачи пакетов команд управления 14, выход которого подключен к входу компьютерной сети 4.

На выходе блока датчиков прикладного процесса 1 формируются данные о текущем состоянии прикладного процесса, которые поступают на вход блока кодирования данных прикладного процесса 2. Блок кодирования данных прикладного процесса 2 циклически с заданным периодом дискретизации Δt_d преобразует входные сигналы о текущем состоянии прикладного процесса в цифровой вид и осуществляет процедуры сжатия информации и формирования пакета данных прикладного процесса, структура которого приведена на фиг.2. В состав пакета данных прикладного процесса входят данные текущего состояния прикладного процесса и время формирования пакета данных прикладного процесса t_dn. Сформированные пакеты данных прикладного процесса поступают на вход блока передачи пакетов данных прикладного процесса 3, который выполняет передачу по Интернет протоколам пакетов данных прикладного процесса в компьютерную сеть 4. Блок приема пакетов данных прикладного процесса 9 из компьютерной сети 4 принимает пакеты данных прикладного процесса, которые с выхода блока приема пакетов данных прикладного процесса 9 поступают на вход блока управления моделированием 10.

Блок управления моделированием 10 по каждому пакету данных прикладного процесса формирует сигналы начальных условий для моделирования динамики прикладного процесса и сигнал времени формирования пакета данных прикладного процесса t_dn. Кроме того, блок управления моделированием 10 задает временной интервал моделирования Δt (см. фиг.3) как суммарное время прогнозируемых задержек передачи по сети пакетов данных прикладного процесса Δt₁ и пакетов команд управления Δt₂ совместно с временем моделирования динамики прикладного процесса Δt₃ и буферным временем компенсации вариаций задержек передачи пакетов по сети Δt₄, т.е. Δt=Δt₁+Δt₂+Δt₃+Δt₄.

С выхода блока управления моделированием 10 сигналы начальных условий для моделирования динамики прикладного процесса, сигнал заданного временного интервала моделирования Δt и сигнал времени формирования пакета данных прикладного процесса t_dn поступают на первый вход блока моделирования динамики прикладного процесса 11, который по каждому комплексу сигналов начальных условий для моделирования динамики прикладного процесса определяет время передачи команд управления в прикладной процесс t_cn и начинает в ускоренном масштабе времени на временном интервале моделирования Δt моделировать динамику прикладного процесса. Время передачи команд управления в прикладной процесс t_cn определяется как сумма времени формирования пакета данных прикладного процесса t_dn и временного интервала моделирования Δt (т.е. t_cn=t_dn+Δt).

С выхода блока моделирования динамики прикладного процесса 11 сигналы состояния моделируемого прикладного процесса и сигнал времени передачи команд управления в прикладной процесс t_cn поступают на вход блока команд управления 12, который по сигналам состояния моделируемого прикладного процесса моделирует процесс формирования команд управления, которые с первого выхода блока команд управления 12 передаются на второй вход блока моделирования динамики прикладного процесса 11, моделируя таким образом изменение текущего состояния моделируемого прикладного процесса под действием моделируемых команд управления. Моделирование в ускоренном масштабе времени динамики прикладного процесса совместно с моделированием процесса формирования команд управления заканчивается при достижении конечной точки временного интервала моделирования Δt, в которой значения команд управления соответствуют прогнозируемому времени передачи команд управления в прикладной процесс t_cn. С второго выхода блока команд управления 12 сигналы команд управления, соответствующие прогнозируемому времени передачи команд управления в прикладной процесс t_cn, и сигнал времени передачи команд управления в прикладной процесс t_cn передаются на вход блока кодирования команд управления 13, который осуществляет процедуры сжатия информации и формирования пакетов команд управления, структура которого приведена на фиг.4. В состав пакета команд управления входят команды управления, соответствующие прогнозируемому времени передачи команд управления в прикладной процесс t_cn, и сигнал времени передачи команд управления в прикладной процесс t_cn.

Сформированные пакеты команд управления с выхода блока кодирования команд управления 13 поступают на вход блока передачи пакетов команд управления 14, который выполняет передачу по Интернет протоколам пакетов команд управления в компьютерную сеть 4. Блок приема команд управления 5 из компьютерной сети 4 принимает пакеты команд управления, которые с выхода блока приема пакетов команд управления 5 поступают на вход блока буферизации 6. При достижении текущим временем прикладного процесса значения времени передачи команд управления в прикладной процесс t_cn, из очереди буферизации блока буферизации 6 извлекается соответствующий времени t_cn пакет команд управления, который с выхода блока буферизации 6 поступает на вход блока декодирования 7. С выхода блока декодирования 7 декодированные команды управления поступают на вход блока регуляторов прикладного процесса 8.

Выработка команд управления для прогнозируемого времени передачи команд управления в прикладной процесс t_cn путем моделирования в ускоренном масштабе времени динамики прикладного процесса совместно с моделированием процесса формирования команд управления по данным о текущем состоянии прикладного процесса в момент времени t_dn позволяет компенсировать в компьютерных сетях распределенного управления скоростными циклами прикладных процессов задержки передачи пакетов по компьютерным сетям, вариации этих задержек и джиттер команд управления при распределенном управлении скоростными циклами прикладных процессов.

Было проведено моделирование распределенного управления скоростными циклами прикладных процессов в компьютерных сетях. В качестве управляемого прикладного процесса был выбран объект, который описывался нелинейными дифференциальными уравнениями 17-го порядка с частотой дискретизации данных 50 мс. В процессе моделирования задержка пакетов данных прикладного процесса варьировалась в циклах случайным образом в диапазоне 75-500 мс, а также задержка пакетов команд управления варьировалась в циклах случайным образом в диапазоне 75-500 мс.

В процессе моделирования исследовалась работа трех систем управления прикладным процессом:

первая - тестовая (локально расположенная без передачи пакетов по компьютерной сети) система управления прикладным процессом, в которой отсутствуют задержки передачи пакетов;

вторая - распределенная в компьютерной сети система управления прикладным процессом аналогичная тестовой, но с задержками передачи пакетов по компьютерной сети;

третья - распределенная в компьютерной сети система управления прикладным процессом с наличием задержки передачи пакетов по компьютерной сети, которая реализована в соответствии с заявляемым изобретением.

Тестовая (локально расположенная без передачи пакетов по компьютерной сети) система управления прикладным процессом, в которой отсутствуют задержки передачи пакетов, была синтезирована в соответствии с заданными целями управления и критериями качества управления.

Работа каждой из трех систем управления прикладным процессом исследовалась в широком спектре начальных условий для выполнения трех задач управления: стабилизации параметров прикладного процесса, программного управления прикладным процессом, терминального управления прикладным процессом.

Результаты проведенных исследований показали, что качество работы второй распределенной в компьютерной сети системы управления прикладным процессом с наличием задержек передачи пакетов резко ухудшается уже при наличии задержек передачи по сети 120-160 мс, а при задержках передачи по сети, больших 180 мс, эта система управления не достигает целей управления.

Качество же работы третьей распределенной в компьютерной сети системы управления прикладным процессом с наличием задержек передачи пакетов, которая реализована в соответствии с заявляемым изобретением, позволяет достигать целей управления во всем диапазоне задержек передачи пакетов для всего спектра начальных условий прикладного процесса, всех типов задач и целей управления с качеством, соответствующим заданным критериям качества управления.

Достигаемый технический результат, как показали экспериментальные исследования, может быть реализован только взаимосвязанной совокупностью всех существенных признаков заявленного изобретения, отраженных в формуле изобретения.

Все вышесказанное показывает, что использование заявляемого изобретения позволяет строить на базе компьютерных сетей системы распределенного управления скоростными циклами прикладных процессов в реальном масштабе времени, повысить качество и надежность работы таких систем при наличии задержек передачи пакетов данных в компьютерных сетях.

1. Способ для компьютерных сетей управления скоростными циклами прикладных процессов, в котором циклически с заданным периодом дискретизации данные о текущем состоянии прикладного процесса кодируют и формируют в пакет данных прикладного процесса, который содержит данные о текущем состоянии прикладного процесса и время формирования пакета данных прикладного процесса, пакет данных прикладного процесса передают в компьютерную сеть, из компьютерной сети принимают и буферизируют пакеты команд управления, в соответствии с заданным периодом дискретизации извлекают из очереди буферизации и декодируют пакет команд управления, декодированные команды управления передают в прикладной процесс, отличающийся тем, что пакет данных прикладного процесса принимают из компьютерной сети, данные о текущем состоянии прикладного процесса, извлеченные из пакета данных прикладного процесса, используют в качестве начальных условий для моделирования динамики прикладного процесса, задают временной интервал моделирования как суммарное время прогнозируемых задержек передачи по сети пакетов данных прикладного процесса и пакетов команд управления совместно с временем моделирования динамики прикладного процесса и буферным временем компенсирования вариаций задержек передачи пакетов по сети, для каждого принятого пакета данных прикладного процесса в ускоренном масштабе времени на временном интервале моделирования моделируют динамику прикладного процесса совместно с моделированием процесса формирования команд управления, команды управления соответствующие конечной точке временного интервала моделирования размещают в пакете команд управления, в котором размещают также время передачи команд управления в прикладной процесс, которое определяют как сумму времени формирования пакета данных прикладного процесса и временного интервала моделирования, пакет команд управления передают в компьютерную сеть, пакет команд управления извлекают из очереди буферизации при достижении текущим временем прикладного процесса значения времени передачи команд управления в прикладной процесс.

2. Устройство для использования способа по п.1, которое содержит блок датчиков прикладного процесса, выход которого подключен через блок кодирования данных прикладного процесса к входу блока передачи пакетов данных прикладного процесса, выход которого подключен к входу компьютерной сети, блок приема пакетов команд управления, который входом подключен к выходу компьютерной сети, а выходом к входу блока буферизации, выход которого соединен через блок декодирования с входом блока регуляторов прикладного процесса, отличающееся тем, что в него введены блок моделирования динамики прикладного процесса, блок управления моделированием, блок команд управления, блок кодирования команд управления, блок передачи пакетов команд управления, блок приема пакетов данных прикладного процесса, который входом подключен к выходу компьютерной сети, а выходом - через блок управления моделированием к первому входу блока моделирования динамики прикладного процесса, выход которого соединен с входом блока команд управления, первый выход которого подключен к второму входу блока моделирования динамики прикладного процесса, второй выход блока команд управления соединен через блок кодирования команд управления с входом блока передачи пакетов команд управления, выход которого подключен к входу компьютерной сети.