引用本文

裘莹, 张敬宣, 柯杰, 方梦园, 徐伟强. 工业无线网络实时传输调度算法研究综述. 自动化学报, 2024, 50(11): 2102−2127 doi: 10.16383/j.aas.c220939

Qiu Ying, Zhang Jing-Xuan, Ke Jie, Fang Meng-Yuan, Xu Wei-Qiang. A survey of real-time transmission scheduling algorithms for industrial wireless network. Acta Automatica Sinica, 2024, 50(11): 2102−2127 doi: 10.16383/j.aas.c220939

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c220939

关键词

工业无线网络，传输调度，实时性，可靠性 

摘要

无线网络是工业物联网中一种具有良好前景的网络互联技术. 它的应用为工业现场设备部署提供了极大便利, 使设备摆脱了线缆的束缚, 从而在空间上选点更为灵活, 同时能够节省线材和人力等方面的成本. 然而, 无线通信易受环境噪声影响, 尤其是在复杂电磁干扰的工业环境中, 易导致无线传输的时延增大和数据丢失. 这些问题对于传输实时性要求较高的工业控制系统是非常不利的因素. 为了提高无线网络在工业环境中数据传输的实时性, 学者们设计了多种传输调度算法, 以提高无线通信的实时性和可靠性, 从而满足工业应用的需求. 综述了工业无线网络传输调度算法的研究现状, 对其发展历程、问题定义、评价指标、分类方法和现有标准等方面进行了全面总结, 详细阐述了具有代表性的调度算法的工作原理, 并指出了未来的研究方向.

文章导读

随着信息化和工业化的深度融合, 工业物联网应运而生. 它通过综合利用互联网、移动通信、云计算和大数据等信息技术实现对传统工业的产业升级, 完成产品从采购、生产到运输、库存和销售等过程的全面自动化和智能化. 工业物联网技术的研发和应用受到高度重视. 工业物联网产业作为新兴融合产业的发展重点之一, 旨在利用工业物联网技术实现生产过程中人、机、料等要素的全面数字化、网络化和智能化管理与控制. 

工业无线网络是一种新兴的工业物联网实现形式, 它利用无线通信技术实现工业现场仪表和传感器等设备的组网与数据传输. 在典型的工业无线网络应用中, 现场设备产生的数据通过无线通信发送到控制器, 控制器根据这些数据计算控制命令, 然后将这些控制命令转发给执行器, 从而影响现场设备的工作状态, 达到对物理系统实时控制的目的. 

与传统有线网络相比, 工业无线网络施工简单, 减少了现场布线的材料成本和人力成本, 易于安装和维护, 使工业现场设备的部署更加灵活和便利. 工业无线网络是一种能够为工业物联网的发展提供强大推动力的新型技术, 它的优点促使它在车辆工程、航空电子、智能楼宇和工业自动化等领域得到了初步应用. 

然而在实际应用中, 工业无线网络的物理环境通常较为恶劣, 其通信质量和传输距离易受到电磁干扰、障碍物和天气变化等复杂环境因素的影响, 严重地干扰了工业过程中传感和控制数据传输的实时性和可靠性. 因此, 如何使无线网络达到类似于有线网络的实时性, 是该领域极具挑战性的研究目标. 现有工作主要从无线网的链路层和网络层入手, 通过改进介质访问控制(Medium access control, MAC) 协议和路由协议以提高数据传输的实时性. 相关行业标准也在不断的形成并改进, 如WirelessHART、ISA100.11a、6TiSCH和WIA-PA等. 本文收集整理了近几年主要的无线网络实时调度相关标准和算法的发展概况, 在表 1中按发表时间排列. 由表 1可见, 集中式调度算法是该领域的主流研究方向, 而分布式调度在近几年也成为新的研究热点. 

本文结构如下: 第1节介绍工业无线网络基础概念, 包括工业无线网络模型、问题定义、问题难点、评价指标和调度算法分类. 第2节详细阐述现有工业无线网络通信标准. 第3节梳理近年来出现的集中式实时调度算法, 总结实现过程中使用的方法. 第4节将分布式实时调度算法分为自治调度和协商调度, 讨论调度算法之间的联系与差异. 第5节对比各个工业无线网络实时调度算法. 第6节讨论现有方法存在的问题并展望未来可能的研究方向. 第7节对本文进行总结. 

图 1  WirelessHART网络

图 2  集中式调度算法的分类

图 3  基于截止时间的固定优先级调度示例

虽然无线网络存在传输过程易受电磁干扰等问题, 但是业界并未因此放弃对工业无线网络的改进. 近几年涌现出大量实时传输调度相关的工作, 旨在进一步提高其实用性. 本文全面综述了这些工作, 梳理和分类相关研究成果. 在该研究领域, 主流的研究方法是集中式计算无线网络中需要调度的数据流, 以确保每个数据流能够在截止时间内完成, 同时辅以信道跳频和丢包重传等手段提高传输的可靠性. 集中式调度算法虽然是一种有效的实时调度方法, 但存在网络规模增大时可扩展性不佳的问题, 以及存在单点故障的缺陷. 分布式调度是解决单点故障和可扩展性问题的有效方法, 它仅需少量邻居之间的信息收集和协商, 就可以实现无冲突的传输调度. 自治调度算法更是完全不依赖于其他节点, 实现了无协商的实时调度. 这三类调度算法是目前工业无线网络实时传输调度的主要研究成果, 也是本文重点总结、分类和归纳的内容. 在此基础上, 未来有望通过进一步研究和突破, 实现工业现场网络的全面无线化. 

作者简介

裘莹

浙江理工大学信息科学与工程学院讲师. 2017年获得西北工业大学博士学位. 主要研究方向为工业物联网, 无线网络通信技术. E-mail: qiuying@zstu.edu.cn

张敬宣

浙江理工大学信息科学与工程学院硕士研究生. 2019年获得浙江理工大学学士学位. 主要研究方向为工业无线网络实时调度. E-mail: 15383129121@163.com

柯杰

2021年获得浙江理工大学硕士学位. 主要研究方向为工业无线网络实时调度. E-mail: kejieken@126.com

方梦园

浙江理工大学信息科学与工程学院讲师. 2018年获得浙江大学博士学位. 主要研究方向为工业大数据分析与建模, 工业人工智能算法. E-mail: myfang@zstu.edu.cn

徐伟强

浙江理工大学信息科学与工程学院教授. 2006年获得浙江大学博士学位. 主要研究方向为工业互联网, 物联网, 5G/6G网络, 大数据与人工智能, 纺织智能制造与工业互联网. 本文通信作者. E-mail: wqxu@zstu.edu.cn