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《网络控制系统拓扑结构的进化优化研究（仅供参考）》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、窗体顶端网络控制系统拓扑结构的进化优化研究（仅供参考）摘要:以基于交换式以太网的网络控制系统拓扑结构为研究对象,分析了影响控制网络实时性能的诸多因素及其内在联系,给出了归一化的拓扑结构优化评价指标,将该问题转化为一个多目标优化问题,采用进化算法为优化工具,优化过程中充分考虑了控制网络的通信特点.在进化算法设计方面,提出了改进的擂台赛算法用以构造进化群体的非支配集,综合运用了支配关系法和目标函数组合求积法来对个体进行评价,减小了算法的开销.在冗余拓扑的优化上,利用基因座法解决了决策变量的取值问题.实验研究表明本算法运行性能良好,最终解在流量本地化方面、流量均衡方面以及交换机物理端口使
2、用率平衡方面,都较其他算法有着较大的改进.1引言控制系统引入网络后所带来的时延是影响系统性能的主要因素,设法尽量减小时延带来的影响是研究网络控制系统的关键.在基于交换式以太网的控制系统中,数据帧的端到端延迟取决于网络拓扑结构和数据帧在交换机中的排队时延.一旦网络拓扑结构选定,若一个通过交换机的数据帧没有经历任何排队缓冲,就会具有最小基本固定时延[1].因此,网络拓扑结构优化是保证网络可靠性和通信实时性的第一步.以网络拓扑结构优化为主题的研究,针对不同的优化对象,包括各种计算机网络、通信网络、控制网络等,基于不同的优化理论,包括图论、各种搜索算法等.由于本文以控制网络为研究对象,采用
3、进化算法为优化工具,下面所阐述的相关研究内容偏重于这一方面.文献[2]提出线缆距离、流量分配、流量均衡和网络时延是设计与优化中应该考虑的主要因素,并指出这四个因素之间是一种相互制约、相互影响的非常复杂且难以描述的多目标非线性规划问题.在基于遗传算法的优化过程中,四个因素被分别赋予不同的权值,而总代价为四者的加权和,四个权值则根据实际需求来选取.事实上,四个因素中某些因素之间存在着内在的相互包含的关系,且四个因素分别属于不同的范畴,采用单纯的加权和并不能非常准确和恰当地描述优化目标.针对控制网络,文献[3]主要选取了诸多影响因素中的流量分配和流量均衡两个因素,将网络划分问题等价为一个
4、多目标优化问题.在目标函数中,作者在流量均衡因子前添加了一个加权系数用以在两个最小化目标之间进行折衷.文章虽然在权系数的选取上采用了较为精确的方法,不过由于仍然是采用加权和法将两个目标转化为单一目标,两个目标在优化过程中可能出现一种互补的关系,不利于二者同时达到最优.另外,文章没有考虑到实际应用中的冗余拓扑.同样是针对控制网络的优化,文献[4]也是采取流量控制策略.与文献[3]不同的是目标函数的建立,其采用了两个加权系数.文章指出两个权系数间的比例确定一方面是为了使具有不同量纲的数值达到度量统一,另一方面是为表达不同制约因素对子网划分的重要程度.但由于权值的确定是靠实验和经验,带有
5、一定的主观性和不确定性,另外,虽然文章从整体上考虑了冗余拓扑,但并没有对冗余拓扑进行优化.以上提到的相关文献是直接利用网络技术的相关理论对优化问题建模,而后采用一种搜索算法来解决建模后的问题.除此以外,对于优化问题的定义,绝大多数研究是选择图论来对网络建模,而后利用图论或者某个搜索算法来设计或优化网络拓扑[5-10].利用图来对网络进行建模,一般从数学角度根据图的顶的度数、边的权值、图的连通性来判定结果是否最优.所选择的优化准则也多是链路造价、传输距离、通信代价、网络直径等.这些文章多偏重于网络的造价、通信的成本,一般没有直接研究和考虑网络的实时性,使得这些理论方法在控制网络中的应
6、用受到限制.文献[11]利用图论对控制网络进行了建模,而后采用图划分策略来设计拓扑结构.其采用的准则是流量,类似文献[2],作者设计的图划分策略是将子网间流量作为最小化的优化目标,而将流量均衡和端口的物理均衡作为划分的两个大致约束,即约束每个子网流量尽量靠近平均流量,每个子网内节点数尽量靠近平均节点数.通过这种方法该文很好地控制了各交换机端口的使用率平衡.不过,该文也没有直接对冗余拓扑的优化问题进行研究.文献[12]同样是将设备及子网的划分问题描述为图分割问题,并采用遗传算法进行优化,优化依据是子图间联系的最小化.该文考虑的是单一目标的优化,没有考虑影响控制网络实时性的其他因素.文
7、献[13]将最小化链路长度和负荷为优化准则,采用遗传算法来设计网络拓扑,在同时考虑链路价格和链路负荷的情况下,目标函数设计为两个因素的乘积.由于文章针对的是一般的通信网络,因此对网络的实时性和可靠性方面涉及较少.文献[14]基于图论提出了分割图的谱方法,分割的主要依据是顶的数量均分和边的权值之和最小,并指出某图的拉普拉斯矩阵的特征向量中的第二小的特征值处是最佳分割点.但文章在实验阶段假设任意两个设备间的通信量相等,因此在实际应用中受到一定的限制.文献[15][16]同
