發(fā)布時間：2015-01-05 11:16

 

【摘要】 切換服務網(wǎng)絡是一類復雜的網(wǎng)絡系統(tǒng)，可以用來建模一類具有公共資源使用沖突的物質(zhì)或信息流系統(tǒng)，典型的例子包括交通信號控制系統(tǒng)。論文從交通信號控制實際問題出發(fā)，針對切換服務網(wǎng)絡系統(tǒng)，從兩個方面展開研究：針對單機切換服務系統(tǒng)，提出新的服務器調(diào)度策略；針對多機切換服務網(wǎng)絡系統(tǒng)，提出一般的網(wǎng)絡模型，并以城市交通網(wǎng)絡信號控制為實例，提出新的信號控制策略。主要研究成果總結(jié)如下。針對單機切換服務系統(tǒng)，當服務器每次只為一個緩沖器服務時，論文首先提出了兩類服務器調(diào)度策略，即“固定順序清空切換”調(diào)度策略和“優(yōu)先服務等待時間最長的緩沖器”調(diào)度策略。在滿足“緩沖器總負荷小于1”的條件下，證明了兩類調(diào)度策略下切換服務系統(tǒng)是周期穩(wěn)定的，獲得了穩(wěn)定周期解的解析表達式。服務器“優(yōu)先服務等待時間最長的緩沖器”調(diào)度策略可優(yōu)化服務器切換服務順序，使得緩沖器等待服務時間(或未被服務時間)最小。同時，建立了切換服務系統(tǒng)服務器調(diào)度策略與交叉口信號控制之間的等價關(guān)系，從而將兩類服務器調(diào)度策略直接應用于信號交叉口的穩(wěn)態(tài)控制。其次，考慮緩沖器有服務時間約束的服務器調(diào)度策略的設(shè)計問題，推廣了服務器“固定順序清空切換”調(diào)度策略。首先提出了服務器“帶服務時間上限”調(diào)度策略，服務器在該調(diào)度策略下分配給每個緩沖器一個服務時間上限，以保證緩沖器內(nèi)工作量較大時各個緩沖器可以公平地得到服務。證明了在滿足“緩沖器總負荷小于各緩沖器的服務時間上限調(diào)整因子的最小值與最大值之比”的條件下，切換服務系統(tǒng)在服務器“帶服務時間上限”調(diào)度策略下是周期穩(wěn)定的。由于交叉口信號控制通常要考慮最短及最長信號相位綠時約束，相當于每個緩沖器同時滿足最短及最長服務時間約束。論文進一步提出了服務器“帶服務時間上下限”調(diào)度策略，證明了當緩沖器總負荷滿足條件“小于各緩沖器的服務時間下限調(diào)整因子的最小值與最大值之比，且小于各緩沖器的服務時間上限調(diào)整因子的最小值與最大值之比”時，切換服務系統(tǒng)在服務器“帶服務時間上下限”調(diào)度策略下是周期穩(wěn)定的。由于對于大部分實際問題，緩沖器內(nèi)的容量(即緩沖器內(nèi)能容納的最大工作量)是有限的，因此在服務器“帶服務時間上下限”調(diào)度策略的基礎(chǔ)上，當緩沖器的容量有限時，給出了可行初始狀態(tài)的檢測條件，即服務器在第1個切換周期內(nèi)未破壞緩沖器容量約束的切換服務系統(tǒng)的解所對應的初始狀態(tài)。第三，進一步考慮服務器每次可同時為多個緩沖器服務情況下的切換服務系統(tǒng)服務器調(diào)度策略設(shè)計。同時被服務的緩沖器集合稱為一個相位，類似于信號交叉口包含多支受控車流的信號相位。論文提出了服務器“帶相位服務時間上下限”調(diào)度策略，該策略為上述服務器“帶服務時間上下限”調(diào)度策略的進一步推廣。證明了當關(guān)鍵緩沖器總負荷滿足條件“小于各相位的服務時間下限調(diào)整因子的最小值與最大值之比，且小于各相位的服務時間上限調(diào)整因子的最小值與最大值之比”時，切換服務系統(tǒng)在服務器“帶相位服務時間上下限”調(diào)度策略下是周期穩(wěn)定的。從而該服務器調(diào)度策略可應用于更一般的信號交叉口穩(wěn)態(tài)控制。針對多機服務網(wǎng)絡，論文提出了一個一般的網(wǎng)絡模型，稱為動態(tài)圖混雜系統(tǒng)。城市交通網(wǎng)絡是一類特殊的多機服務網(wǎng)絡系統(tǒng)，論文以交通網(wǎng)絡信號控制設(shè)計為實例，提出了新的信號控制方法。首先采用有向動態(tài)圖建模網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，并采用元胞傳輸模型建模路段間交通流的轉(zhuǎn)移關(guān)系。若假定網(wǎng)絡模型采樣周期為網(wǎng)絡公共信號周期，則得到交通網(wǎng)絡信號控制模型，該模型為一類離散時間線性時不變控制系統(tǒng)，其中系統(tǒng)的狀態(tài)變量為路段相對占有率，系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣為單位矩陣。網(wǎng)絡狀態(tài)一致性(或均衡性)是一個重要的性能指標。對于交通網(wǎng)絡信號控制模型，論文考慮了以網(wǎng)絡狀態(tài)可達到漸近穩(wěn)定一致為控制目標的狀態(tài)反饋控制律設(shè)計。針對更加一般的情況，以系統(tǒng)狀態(tài)可達到漸近穩(wěn)定一致為控制目標，考慮連續(xù)時間及離散時間線性時不變控制系統(tǒng)控制器的設(shè)計問題。對于連續(xù)時間情況，假定系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣的行和均為0；而對于離散時間情況，假定系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣的行和均為1。由于一致性問題可轉(zhuǎn)化為平衡點集的穩(wěn)定性問題，論文借助于部分變量穩(wěn)定性理論的相關(guān)結(jié)果和工具，采用線性矩陣不等式方法求解狀態(tài)反饋控制律的反饋增益矩陣。 

第1 章   緒論

 

1.1  研究背景與意義

切換服務網(wǎng)絡系統(tǒng)是一類復雜的網(wǎng)絡系統(tǒng)，由一組緩沖器及服務器構(gòu)成，緩沖器為被服務對象提供排隊等待空間。服務器、緩沖器及被服務對象的具體含義依賴于實際問題，例如，在一個城市信號交叉口，交通信號燈發(fā)揮著服務器的作用，交叉口進口車道發(fā)揮著緩沖器的作用，而被服務對象即為交叉口進口車道上準備通過交叉口的車輛，交通信號燈輪流為各車道上車輛提供通行權(quán)。服務器為緩沖器“服務”就是服務器將公共資源分配給緩沖器內(nèi)被服務對象使用，例如，在一個城市信號交叉口，公共資源即為交叉口內(nèi)空間。由于不同緩沖器內(nèi)被服務對象在使用公共資源時存在沖突，服務器需要選擇一種方式(即調(diào)度策略)來分配公共資源給各緩沖器內(nèi)被服務對象，并且，當服務器從服務一個緩沖器切換到服務另一個緩沖器時，存在切換延誤時間，也就是機器重置時間，在該時間段內(nèi)服務器處于閑置狀態(tài)，不為任何緩沖器服務。由上所述，切換服務網(wǎng)絡可以建模具有使用公共資源的沖突流的一類系統(tǒng)，典型的例子如制造業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)、交通信號控制系統(tǒng)、計算機通信系統(tǒng)等。在靜態(tài)及確定環(huán)境下，針對有切換延誤時間的切換服務網(wǎng)絡系統(tǒng)的最優(yōu)調(diào)度策略設(shè)計問題已有大量研究，這類系統(tǒng)為開環(huán)系統(tǒng)。但是，筆耕文化傳播，由于靜態(tài)最優(yōu)調(diào)度策略的設(shè)計未能考慮實時變化的環(huán)境信息，使得理論研究與實際應用產(chǎn)生一定差距。然而，采用控制理論中反饋的思想可以很好地克服這一問題，也就是根據(jù)系統(tǒng)當前狀態(tài)的信息進行決策，實時響應動態(tài)變化的環(huán)境。本文所設(shè)計的服務器調(diào)度策略是基于反饋控制方法，因此，下面我們論述此類方法的相關(guān)研究工作。

1.1.1 單機服務系統(tǒng)

當切換服務網(wǎng)絡系統(tǒng)只包含一個服務器，且各緩沖器由服務器輪流服務，這類系統(tǒng)為單機服務系統(tǒng)，也稱為切換服務系統(tǒng)。本文考慮的切換服務系統(tǒng)為確定性系統(tǒng)，即緩沖器內(nèi)被服務對象以常速率到達及離開，且服務器切換延誤時間為常值。我們也稱緩沖器內(nèi)被服務對象為“工件”，其數(shù)量稱為工作量。一個重要的問題就是如何設(shè)計服務器的調(diào)度策略，使得系統(tǒng)滿足某些性能要求，例如，系統(tǒng)的穩(wěn)定性或周期穩(wěn)定性。我們所述的穩(wěn)定性指的是緩沖器內(nèi)工作量保持有界，而周期穩(wěn)定性指的是系統(tǒng)的解漸近收斂到一個穩(wěn)定的周期解。

 

1.2  混雜系統(tǒng)研究概述

切換服務網(wǎng)絡系統(tǒng)的運行涉及描述被服務對象排隊的連續(xù)狀態(tài)的演化過程及服務器切換的決策過程。因此，這類系統(tǒng)為一類特殊的混雜系統(tǒng)。本節(jié)將簡要介紹混雜系統(tǒng)的基本定義及相關(guān)研究成果。

1.2.1  混雜系統(tǒng)基本理論

混雜系統(tǒng)是結(jié)合了實際系統(tǒng)中的連續(xù)變量(或稱為模擬變量)與離散變量(或稱為邏輯變量)的一類數(shù)學模型。混雜自動機是混雜系統(tǒng)的典型描述方式之一，其中連續(xù)變量由傳統(tǒng)的微分或差分方程建模，離散變量則由有限自動機描述其邏輯變化關(guān)系。由于混雜系統(tǒng)的連續(xù)與離散動態(tài)過程相互耦合、交互影響，使得混雜變量(連續(xù)變量和離散變量)的演化不僅受連續(xù)過程中模擬控制量的影響，而且受瞬時的離散事件的影響�；祀s系統(tǒng)的研究已成為當前控制理論的主流和前沿研究方向之一，且在穩(wěn)定性與鎮(zhèn)定、可控性、可觀性、可達性、混雜系統(tǒng)仿真及應用等方面取得了豐碩的成果。

 

 

 

第2 章   無服務時間約束的調(diào)度策略及周期穩(wěn)定性

 

2.1  引言

針對服務器每次只為一個緩沖器服務的切換服務系統(tǒng)，本章考慮兩類服務器調(diào)度策略，即服務器“固定順序清空切換”調(diào)度策略及服務器“優(yōu)先服務等待時間最長的緩沖器”調(diào)度策略。在緩沖器總負荷滿足小于 1 的條件下，證明了兩類服務器調(diào)度策略下的切換服務系統(tǒng)是周期穩(wěn)定的。進一步，建立了切換服務系統(tǒng)服務器調(diào)度策略與交叉口信號控制之間的等價關(guān)系，從而，兩類服務器調(diào)度策略可直接應用于信號交叉口的穩(wěn)態(tài)控制。最后，通過對一個T形信號交叉口的仿真，說明兩類服務器調(diào)度策略的性能。

 

2.2   信號交叉口穩(wěn)態(tài)控制應用

本節(jié)將定理 2.1 和定理 2.2 中的結(jié)果應用于交叉口信號控制。考慮一個信號交叉口，假定該信號交叉口的n(n≥2)個信號相位已確定。車道組是信號交叉口分析中的基本單元，依賴于當前的交通條件，一個車道組可以包含一或多條車道。交叉口信號控制與切換服務系統(tǒng)服務器調(diào)度策略之間的等價關(guān)系可描述如下：交叉口進口車道(組)緩沖器，為準備通過交叉口的車輛提供排隊等待空間；交通信號燈服務器，輪流為各信號相位內(nèi)車輛提供通行權(quán)；車輛?工件；車輛到達率?工件到達率；車輛飽和流率工件服務率；車道內(nèi)車輛排隊長度?緩沖器內(nèi)工作量；信號相位有效綠時?緩沖器服務時間；相位損失時間服務器切換延誤時間；信號控制策略?服務器調(diào)度策略。由上述的等價關(guān)系，切換服務系統(tǒng)的理論結(jié)果可應用于交叉口信號控制。

本文中車輛到達率及飽和流率的單位為(輛/s)，時間單位為(s)。進一步，假定交叉口不存在搭接信號相位，即不存在跨越多個信號相位通行的車流。本文中車輛排隊長度定義為：位于車道停車線后的車輛的數(shù)量。

注 2.3：按上面過程得到的交叉口信號控制切換服務系統(tǒng)模型，本文假定車輛的到達率及飽和流率為常值，其值可通過交叉口各進口車道上車輛到達率及飽和流率的24小時歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計得到。一天可分為若干時段，例如，高峰時段、低峰時段、平峰時段和夜間等，在每個時段內(nèi)車輛到達率及飽和流率的均值一般不同。

假定信號交叉口各信號相位內(nèi)受控車流的車輛到達率id 及飽和流率is 滿足不等式(2-4)，且相序為1→2→?→n→1。若應用服務器“固定順序清空切換”調(diào)度策略，可得到定時配時公式：

 

式中：C為定時信號周期，ig 為信號相位 i 的有效綠燈時間， L 為信號周期內(nèi)各信號相位的總損失時間。

 

第3章  有服務時間約束的調(diào)度策略及周期穩(wěn)定性 ............ 29

3.1   引言.................... 29

3.2   問題描述............... 29

3.3   “帶服務時間上限”調(diào)度策略及穩(wěn)定性分析 ........... 30

第4章  多個緩沖器同時被服務的調(diào)度策略及周期穩(wěn)定性 .......... 51

4.1  引言 ........ 51

4.2   系統(tǒng)模型描述............... 51

第5章  線性時不變系統(tǒng)的一致性.............. 67

5.1   引言................. 67

5.2   問題描述.............. 68

 

第6 章   基于網(wǎng)絡狀態(tài)一致性的城市交通網(wǎng)絡信號控制

 

6.1  引言

針對城市交通網(wǎng)絡這類特殊類型的多機服務網(wǎng)絡系統(tǒng)，本章首先提出一個一般的網(wǎng)絡模型，稱為動態(tài)圖混雜系統(tǒng)(Dynamic Graph Hybrid System，DGHS)，該模型允許建模城市交通網(wǎng)絡。進一步，采用擴展的元胞傳輸模型建模網(wǎng)絡交通流動力學，即上下游路段間車流的轉(zhuǎn)移關(guān)系。在模型采樣周期為網(wǎng)絡公共信號周期的假定下，可得到一個交通網(wǎng)絡信號控制模型，該模型為一類離散時間線性時不變控制系統(tǒng)，其中，系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣為單位矩陣，因此，其滿足行和均為1的條件。從而，第5章中所發(fā)展的一致性設(shè)計方法可用于交通網(wǎng)絡信號控制模型控制器的設(shè)計，信號控制律使得閉環(huán)系統(tǒng)網(wǎng)絡狀態(tài)可達到漸近穩(wěn)定一致，也就是實現(xiàn)了網(wǎng)絡內(nèi)路段相對占有率的均衡性。

 

6.2  動態(tài)圖混雜系統(tǒng)模型

一個典型的多機服務網(wǎng)絡系統(tǒng)包含多個服務器及多種類型待加工的工件，每種類型工件可能需要訪問多個服務器才能完成最終的生產(chǎn)。網(wǎng)絡內(nèi)部緩沖器可能接收來自多個上游緩沖器的發(fā)送流，相當于不同類型工件的裝配過程。同時，一個緩沖器被服務時可能向多個下游緩沖器發(fā)送工件部件，相當于拆卸過程。一個簡單的多機服務網(wǎng)絡參見圖6-1所示。

 

 

 

結(jié)論

從交通信號控制實際問題出發(fā)，針對單機切換服務系統(tǒng)，本文提供了新的服務器調(diào)度策略。而對于多機服務網(wǎng)絡系統(tǒng)，本文提供了一般的網(wǎng)絡模型，并采用該模型建模城市交通網(wǎng)絡，將控制理論中的新方法用于交通網(wǎng)絡信號控制設(shè)計。下面總結(jié)本文的研究工作及貢獻，并探討進一步的研究問題。

切換服務系統(tǒng)：

1、本文首先考慮了兩類服務器調(diào)度策略，即服務器“固定順序清空切換”調(diào)度策略及服務器“優(yōu)先服務等待時間最長的緩沖器”調(diào)度策略。在緩沖器總負荷滿足小于 1 的條件下，證明了兩類服務器調(diào)度策略下的切換服務系統(tǒng)是周期穩(wěn)定的。同時，可以得到相應服務器調(diào)度策略下的切換服務系統(tǒng)周期解的解析表達式，這將有利于進一步設(shè)計有緩沖器服務時間約束的調(diào)度策略。服務器“優(yōu)先服務等待時間最長的緩沖器”調(diào)度策略可優(yōu)化服務器的切換服務順序，使得最小化緩沖器的等待時間(或未被服務時間)。進一步，建立了切換服務系統(tǒng)服務器調(diào)度策略與交叉口信號控制之間的等價關(guān)系，從而兩類服務器調(diào)度策略可直接應用于信號交叉口的穩(wěn)態(tài)控制。此種情況下，T形信號交叉口是一個典型的應用實例。

2、上述 1 中所提供的兩類服務器調(diào)度策略未考慮緩沖器服務時間的約束。為了更好地將理論結(jié)果用于交叉口信號控制，本文進一步推廣服務器“固定順序清空切換”調(diào)度策略，考慮有緩沖器服務時間約束的服務器調(diào)度策略的設(shè)計。首先提出服務器“帶服務時間上限”調(diào)度策略，服務器在該調(diào)度策略下分配給每個緩沖器一個服務時間上限，以保證緩沖器內(nèi)工作量較大時各個緩沖器可以公平地得到服務。證明了在緩沖器總負荷滿足小于各緩沖器的服務時間上限調(diào)整因子的最小值與最大值之比的條件下，切換服務系統(tǒng)在服務器“帶服務時間上限”調(diào)度策略下是周期穩(wěn)定的。文獻[13]首先提出服務器“帶服務時間上限”調(diào)度策略，即為本文中所有緩沖器服務時間上限調(diào)整因子均相同的情況，通過仿真的方式說明該服務器調(diào)度策略下切換服務系統(tǒng)的周期穩(wěn)定性，但未給出理論證明。進一步，在要求每個緩沖器同時滿足最短和最長服務時間約束的情況下，本文提出服務器“帶服務時間上下限”調(diào)度策略。證明了當緩沖器總負荷在一定范圍內(nèi)，即小于各緩沖器的服務時間下限調(diào)整因子的最小值與最大值之比，且小于各緩沖器的服務時間上限調(diào)整因子的最小值與最大值之比，切換服務系統(tǒng)在服務器“帶服務時間上下限”調(diào)度策略下是周期穩(wěn)定的。服務器“帶服務時間上下限”調(diào)度策略可更加實際地用于交叉口信號控制。然而，對于大部分實際問題，緩沖器內(nèi)的容量是有限的。在服務器“帶服務時間上下限”調(diào)度策略的基礎(chǔ)上，當緩沖器的容量為有限時，給出了可行初始狀態(tài)的檢測條件，即在第一個服務器切換周期內(nèi)未破壞緩沖器容量約束的切換服務系統(tǒng)的解所對應的初始狀態(tài)。

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本文編號：11014