摘要
随着我国工业信息化的不断发展，工业物联网（Industrial Internet of Things，IIoT）呈现出蓬勃发展的趋势，各种传感器、移动通信和智能分析技术不断融入工业生产中，也造成其承载的应用及业务迅速增多，大量的数据流涌入应用造成数据流的规模迅速增大，特别是对于工业控制领域的一些任务来说，数据流的传输需要有严格的实时通信要求且具备微妙级的抖动和延时，而复杂的专用现场总线和传统的以太网难以满足复杂的工业环境，工业物联网场景中迫切需要一个可以实时通信的网络来进行数据传输。时间敏感网络（Time-Sensitive Networking，TSN）作为一种新型工业通信技术迎合了工业场景的需求，逐渐被工业界所研究采用。TSN通信的核心机制主要是流量调度，在大量工业数据需要进行传输的场景中，需要对其进行高效调度才能有效的避免冲突以及造成的不良后果。然而，目前的大部分研究仅考虑了小规模场景中的静态调度，很难实现在流规模较大动态应用场景中的扩展。另外，现有的调度方法大多只关注调度，忽略了联合路由调度，而且传统的整数线性规划方法求解调度速度较慢，此外未知的网络链路出现故障对网络的实时通信传输也带来一定的困难。 本文立足于工业物联网场景中面向时间敏感网络的时间触发（Time -Triggered, TT）流的调度问题进行研究，主要的研究内容和创新点如下： （1）针对已有的调度方法难以在工业物联网场景中进行可扩展的动态实时TT流调度的问题，本文提出了一种新的工业时间敏感网络中基于动态在线分组的可扩展时间触发流调度方法。在该方法中，本文创新性提出一种动态在线分组方法。我们基于TT流之间的冲突指数建立无向带权流图，将时间划分成等间隔的时间窗口，在每个时间窗口内对TT流进行动态在线局部分组，这样使得流调度问题可扩展的解决，当需要调度的流成倍增长时，可以实现可扩展的高效求解。此调度方法能够对工业场景中动态到来的TT流进行高效调度，避免数据通信过程中产生不必要的冲突，实现高质量低延时传输。 （2）针对目前的研究只考虑调度而没有考虑联合路由调度以及未知网络链路故障对实时通信的影响问题，本文提出了一种工业物联网中面向 TSN 的基于元启发式多路径的时间触发流联合路由调度方法，该方法联合规划了路由和调度并考虑多路径传输，建立整数线性规划模型进行时间和空间的分离，最后采用元启发式算法获得高质量的求解方案，实现了TT流的可靠实时通信。 （3）本文对提出的基于动态在线分组的可扩展时间触发流调度方法和基于元启发式多路径的时间触发流联合路由调度方法进行实验，通过实验及结果分析验证了本文提出的两种调度方法的高效性。实验表明，本文提出的第一种调度方法在可扩展动态TT流规模情形下能够显著提高调度流的数量并获得高质量的调度解，而且运行时间显著降低。本文提出的第二种调度方法能够在较低的运行时间内获得高质量的解，实现工业场景中实时数据的可靠低延时通信。 综上，本文通过一种基于动态在线分组的可扩展时间触发流调度方法和基于元启发式多路径的时间触发流联合路由调度方法来对工业场景中实时应用数据进行高效调度，显著增加网络中容纳TT流的数量获得高质量的调度解并有效降低运行时间。
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