关键词:
边缘PLC
任务迁移
模拟退火
内存分配
动态规划
摘要:
随着工业物联网(IIo T)中边缘数据的爆炸性增长,工业过程中对边缘设备的计算能力需求越来越高。作为工业环境下一种常见的设备,可编程逻辑控制器(PLC)在边缘计算的范式下逐渐向计算能力更强的边缘可编程控制器(边缘PLC)过渡。在边缘计算技术大规模应用的工业背景下,如何实现普通PLC到边缘PLC的转变,是一个全新的挑战。目前通用的的解决方案中,边缘PLC往往具备了不亚于工业计算机的计算能力,而对于一些对边缘PLC计算能力要求相对较低的工业场景,使用上述的解决方案常常造成计算资源与成本的浪费。本文提出了一种适用于在边缘侧进行小规模数据处理场景的边缘PLC软硬件架构,并对其中的计算任务迁移策略与内存分配算法进行了研究改进与实验验证。主要研究内容包括:
(1)设计提出了一种基于龙芯CPU的边缘PLC软硬件架构,该架构能够在边缘侧完成小规模计算任务的同时实现PLC基本功能。通过搭建实验平台并进行实时性测试,证明了该边缘PLC软硬件架构的可行性。
(2)针对边缘PLC中计算任务迁移策略不合理导致的带宽与计算资源浪费的问题,提出了一种基于模拟退火算法的,边缘PLC中计算任务迁移数据传输量最小化算法。通过建立边缘PLC中的计算任务迁移问题模型,并应用模拟退火算法对该任务迁移问题进行求解,实现了边缘PLC中的计算迁移数据传输量最小化算法。在初步实现的基础上,通过状态压缩、队列顺序生成算法优化与新解生成优化等方式,对该算法进行了改进。通过一系列对比实验证明了该算法在减轻上行带宽负载与提高计算资源利用率方面的有效性。
(3)针对边缘PLC在内存空间受限条件下内存分配效率较低,对实时性与计算任务处理性能产生影响的问题,提出了一种基于动态规划与固定块大小的边缘PLC中任务内存分配策略。该策略将边缘PLC中的任务分配区别为实时区和非实时区两部分,实时区通过预分配固定大小内存块的方法负责为时延敏感任务分配内存,以确保其实时性;非实时区中将内存分配问题抽象为背包问题进行模型建立,基于动态规划的思想对非时延敏感任务的内存分配问题进行求解。实验验证中,实时性测试结果表明该分配策略能够在内存受限条件下确保边缘PLC中实时任务的实时性,与几种常用的内存分配算法的一系列对比实验则证明了该分配策略在内存受限条件下有更高的分配效率。