許辰宏,于 劉
(上海航空工業(yè)(集團)有限公司,上海 201206)
云計算是一種特殊的分布式運算方法,借助網(wǎng)絡云環(huán)境,將龐大的數(shù)據(jù)計算處理程序按需分解成多個小型程序文件,再利用由服務器樣機組成的運行系統(tǒng),對小程序進行深度分析與處理,并將執(zhí)行結(jié)果返回至用戶端主機之中[1]。云計算具有與網(wǎng)格計算極其相似的應用特征,在該項技術(shù)手段的作用下,數(shù)據(jù)處理任務的完成時長大大縮短,這也為強大的網(wǎng)絡服務功能的實現(xiàn)提供了保障[2]。隨著技術(shù)手段的發(fā)展,云計算已經(jīng)不僅只是一種簡單的分布式計算方法,而是兼具了負載均衡、網(wǎng)絡存儲、信息備份等多項應用功能的綜合性運算方法,特別是在因特網(wǎng)體系的配合下,云計算還可以按需配置相關(guān)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)資源,從而為用戶對象提供多樣性與個性化服務。
航空飛行試驗數(shù)據(jù)簡稱為試飛數(shù)據(jù),處理試飛數(shù)據(jù)是飛行器試飛工作的重要組成部分。對于航空飛行試驗數(shù)據(jù)的處理,首先要對所得數(shù)據(jù)樣本進行處理;然后聯(lián)合離散點,計算航空飛機的飛行能力;最后規(guī)劃完整的飛行航跡曲線。在處理航空飛行試驗數(shù)據(jù)時,如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)樣本實時調(diào)度是一項亟待解決的應用難題。文獻[3]提出基于Cesium時空三維可視化的調(diào)度機制。利用雙線程渲染管線,繪制飛行場景,再聯(lián)合瓦片數(shù)據(jù)更新策略,確定數(shù)據(jù)任務架構(gòu)體系的調(diào)度能力。文獻[4]提出基于相繼干擾消除和跨層并發(fā)傳輸?shù)恼{(diào)度策略。通過減少可并發(fā)傳輸鏈路數(shù)目的方式,控制試飛數(shù)據(jù)的聚合度水平,再根據(jù)低時延標準,確定調(diào)度策略的執(zhí)行流程。
然而上述兩類應用機制不足以將數(shù)據(jù)吞吐量水平提升至實際需求標準,易導致中心任務調(diào)度行為出現(xiàn)明顯的滯后現(xiàn)象。為解決上述問題,設計基于云計算的航空飛行試驗數(shù)據(jù)中心任務調(diào)度優(yōu)化架構(gòu)。依據(jù)粒子群算法對航空飛行試驗數(shù)據(jù)中心任務的測度值域進行優(yōu)化,并結(jié)合云計算建立航空飛行試驗數(shù)據(jù)調(diào)度模型。在面向航空飛行試驗中心的云計算環(huán)境下,通過分析任務的資源利用率和時延等特性,研究任務調(diào)度體系結(jié)構(gòu)的最優(yōu)配置,提升數(shù)據(jù)吞吐量,解決中心任務調(diào)度行為滯后的問題。結(jié)合 WiRo中心網(wǎng)絡和 EMU的調(diào)度體系結(jié)構(gòu),完成航空飛行試驗數(shù)據(jù)中心任務的云計算任務調(diào)度體系結(jié)構(gòu)設計。
航空飛行試驗數(shù)據(jù)的中心任務調(diào)度優(yōu)化架構(gòu)由WiRo中心網(wǎng)絡、EMU調(diào)度結(jié)構(gòu)兩部分組成,且EMU調(diào)度結(jié)構(gòu)的設計主要針對試驗數(shù)據(jù)預測器與飛行任務分配器,本章節(jié)將針對調(diào)度優(yōu)化架構(gòu)體系的設計方法展開深入研究。
在航空飛行試驗數(shù)據(jù)中心任務調(diào)度優(yōu)化架構(gòu)中,WiRo中心網(wǎng)絡負責將服務器平臺、航空飛行試驗數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡運行機制集合起來,并借助數(shù)據(jù)通路,將相關(guān)信息文本反饋至既定任務調(diào)度主機之中[5]。服務器平臺的搭建以WiRo網(wǎng)絡中心服務器作為基礎,可以同時打開Trunk網(wǎng)關(guān)接口與IDS網(wǎng)關(guān)接口,從而為航空飛行試驗數(shù)據(jù)提供穩(wěn)定的傳輸環(huán)境,由于數(shù)據(jù)樣本的傳輸具有單向性特征,所以數(shù)據(jù)通路的連接只能由WiRo服務器指向下級網(wǎng)關(guān)接口組織。中心任務調(diào)度優(yōu)化架構(gòu)在單位時間內(nèi)所需轉(zhuǎn)存的航空飛行試驗數(shù)據(jù)樣本總量相對較多,所以Trunk網(wǎng)關(guān)接口、IDS網(wǎng)關(guān)接口必須具有快速處理數(shù)據(jù)樣本參量的能力,且在架構(gòu)體系運行的過程中,網(wǎng)關(guān)接口組織必須對數(shù)據(jù)樣本進行無差別提取[6]。具體的WiRo中心網(wǎng)絡布局形式如圖1所示。
圖1 WiRo中心網(wǎng)絡布局形式
網(wǎng)絡運行機制管控航空飛行試驗數(shù)據(jù)中心任務服務器,可以聯(lián)合SSLVPN、VLAN、IPS、IDS共4類應用組織維護WiRo中心網(wǎng)絡的運行穩(wěn)定性,從而避免數(shù)據(jù)樣本差異化傳輸行為的出現(xiàn),實現(xiàn)對中心任務組織的優(yōu)化調(diào)度處理。
EMU調(diào)度結(jié)構(gòu)由試驗數(shù)據(jù)預測器、飛行任務分配器兩部分組成。
1.2.1 試驗數(shù)據(jù)預測器
試驗數(shù)據(jù)觀測器是負載于WiRo中心網(wǎng)絡之下的硬件應用結(jié)構(gòu),能夠為航空飛行試驗數(shù)據(jù)的處理提供穩(wěn)定的運行環(huán)境。主體應用部分由觀測器元件、數(shù)據(jù)處理元件組成。觀測器設備與OpenFlow平臺、PHY設備保持對應連接關(guān)系[7]。OpenFlow平臺是一個半開放的數(shù)據(jù)樣本調(diào)度處理結(jié)構(gòu),與WiRo中心網(wǎng)絡的服務器平臺直接連接,既可以接收云計算數(shù)據(jù)庫主機中暫存的航空飛行試驗數(shù)據(jù),也能夠調(diào)配網(wǎng)絡運行機制中的SSLVPN、VLAN、IPS與IDS應用組織,從而使得試飛數(shù)據(jù)樣本始終保持相對積極的傳輸狀態(tài)。PHY設備反控ToR處理器,能夠協(xié)調(diào)航空飛行試驗數(shù)據(jù)的輸出速率,從而間接避免數(shù)據(jù)吞吐量受限問題的出現(xiàn)。數(shù)據(jù)處理元件的搭建以EMU調(diào)度設備為基礎[8]。在邊緣層體系之中,WiRo網(wǎng)絡交換機經(jīng)由無線傳輸網(wǎng)絡,對EMU調(diào)度設備進行控制,且隨著網(wǎng)絡體系對于數(shù)據(jù)樣本負載能力的增強,航空飛行試驗數(shù)據(jù)的實時傳輸速率也會不斷提升?;贓MU調(diào)度結(jié)構(gòu)的試驗數(shù)據(jù)觀測器部件如圖2所示。
圖2 試驗數(shù)據(jù)預測器結(jié)構(gòu)簡圖
如果OpenFlow平臺與PHY設備的運行能力受限,則表示當前情況下預測器設備并不能對航空飛行試驗數(shù)據(jù)進行妥善處理。
1.2.2 飛行任務分配器
飛行任務分配器是EMU調(diào)度結(jié)構(gòu)體系中的核心應用元件,由SOIC任務處理部件和任務調(diào)度中心兩部分組成,結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。SOIC任務處理部件管控微電路集成單元與邏輯門單元,同時協(xié)調(diào)EMU調(diào)度結(jié)構(gòu)、FPGA芯片、MCU芯片等多個硬件設備結(jié)構(gòu)之間的連接關(guān)系,由于EMU調(diào)度結(jié)構(gòu)執(zhí)行能力的實現(xiàn)需借助microchip芯片與film芯片,所以調(diào)度SOIC任務處理部件是一個較為復雜的運行環(huán)節(jié)[9-10]。任務調(diào)度中心由多個項目組共同組成,其中每個項目組單元都包括一個flipped設備、一個PGA設備和一個FCBGA設備,能夠在云計算技術(shù)的作用下,調(diào)度航空飛行試驗數(shù)據(jù),并將相關(guān)信息參量反饋至中心任務調(diào)度模塊之中。
圖3 飛行任務分配器結(jié)構(gòu)模型
SOIC任務處理部件與任務調(diào)度中心之間存在明顯的執(zhí)行任務反饋關(guān)系,所以為保證調(diào)度框架對航空飛行試驗數(shù)據(jù)的實時處理能力,要求EMU調(diào)度結(jié)構(gòu)的運行速率必須同時適應試驗數(shù)據(jù)觀測器與飛行任務分配器。
為利用中心任務調(diào)度優(yōu)化架構(gòu)實現(xiàn)對航空飛行試驗數(shù)據(jù)的按需處理,還應在云計算技術(shù)的基礎上,求解PSO優(yōu)化度量值與慣性權(quán)重,并聯(lián)合相關(guān)參數(shù)指標,定義粒子編碼條件。
PSO優(yōu)化度量值求解是一個連續(xù)計算過程,需要按照云計算標準,對同一航空飛行試驗數(shù)據(jù)樣本進行多次求導,從而最大化避免數(shù)據(jù)傳輸滯后問題對中心任務調(diào)度行為造成影響[11]。設δ表示一個隨機選定的航空飛行試驗數(shù)據(jù)樣本,其取值滿足如下表達式:
δ∈[1,+∞)
(1)
在云計算技術(shù)的認知中,連續(xù)3次求導所得數(shù)值結(jié)果才能夠得到中心任務服務器的認可,因此在計算PSO優(yōu)化度量值時,至少需進行3次求導才能夠得到滯后性最弱的航空飛行試驗數(shù)據(jù)樣本[12]。對于PSO優(yōu)化度量值的求解遵循如下計算流程:
第一次求導:
δ′=α·δ|α≠0
(2)
第二次求導:
δ″=α′·δ′|α′≠0
(3)
第三次求導:
δ″′=α″·δ″|α″≠0
(4)
PSO優(yōu)化度量值計算式:
(5)
式中,α表示0階偏導系數(shù),α′表示1階偏導系數(shù),α″表示2階偏導系數(shù),e、r表示兩個不相等的航空飛行試驗數(shù)據(jù)認證參數(shù),且e≠0、r≠0的不等式條件同時成立,χe表示基于參數(shù)e的數(shù)據(jù)樣本傳輸滯后性認證向量,χr表示基于參數(shù)r的數(shù)據(jù)樣本傳輸滯后性認證向量。PSO優(yōu)化對于航空飛行試驗數(shù)據(jù)樣本的處理不可逆,所以在同一運算周期內(nèi),只依靠單次取樣的物理參數(shù)就可以得到度量值指標的計算結(jié)果。
(6)
εmin參數(shù)的出現(xiàn),表示航空飛行試驗數(shù)據(jù)的變化量保持遞減狀態(tài);εmax參數(shù)的出現(xiàn),則表示航空飛行試驗數(shù)據(jù)的變化量保持累積狀態(tài)。
粒子編碼也可以理解為航空飛行試驗數(shù)據(jù)樣本的獨立編碼,在中心任務調(diào)度優(yōu)化架構(gòu)中,只有細致約束粒子編碼原則,才能使云計算函數(shù)條件更符合數(shù)據(jù)調(diào)度的實際處理需求[15-16]。對于航空飛行試驗數(shù)據(jù)樣本的獨立編碼要求粒子基數(shù)p應是一個不為零的物理量,且在對相關(guān)航空飛行試驗數(shù)據(jù)樣本進行取值時,還應保證慣性權(quán)重指標與當前取值參量的數(shù)值對應關(guān)系。對于粒子基數(shù)p的計算滿足公式(7):
(7)
在公式(7)的基礎上,設γ表示數(shù)據(jù)粒子的編碼參數(shù)(設計航空飛行試驗數(shù)據(jù)中心任務調(diào)度優(yōu)化架構(gòu)時,必須保證參數(shù)γ的取值滿足云計算原則),n表示不大于粒子基數(shù)p、不小于自然數(shù)1的一個隨機物理量。
基于云計算的航空飛行試驗數(shù)據(jù)樣本粒子編碼條件為:
(8)
n取值越接近自然數(shù)1,表示應用粒子編碼原則所需定義的航空飛行試驗數(shù)據(jù)樣本量越多。
(9)
φf→g向量的取值不具備隨機性,所以在推導云計算函數(shù)條件時,只能針對航空飛行試驗數(shù)據(jù)的既定取值結(jié)果進行計算。
針對中心任務調(diào)度優(yōu)化架構(gòu)的配置,還應按照云計算原則對航空飛行試驗數(shù)據(jù)進行取樣,再聯(lián)合資源占用率系數(shù),確定動態(tài)權(quán)限,從而求解得出長尾延遲參量的具體數(shù)值。
當多個航空飛行試驗數(shù)據(jù)被投放到同一個調(diào)度架構(gòu)體系之中時,中心調(diào)度任務會占用架構(gòu)體系中大量的數(shù)據(jù)樣本資源,這就會導致WiRo中心網(wǎng)絡在提取數(shù)據(jù)樣本時面臨信息吞吐量受限的問題,從而導致中心任務調(diào)度行為表現(xiàn)出明顯滯后的情況[19]。設F1,F(xiàn)2,…,F(xiàn)c分別表示c個滿足云計算函數(shù)條件的數(shù)據(jù)資源樣本,且在取值數(shù)據(jù)資源時,F(xiàn)≠0的不等式取值條件恒成立,ι1,ι2,…,ιc分別表示與數(shù)據(jù)資源樣本匹配的中心調(diào)度任務占用參數(shù),聯(lián)立上述物理量,推導中心調(diào)度任務資源占用率的計算表達式如公式(10)所示:
鋼軌波浪型磨耗是指線路在投入運營后,出現(xiàn)在鋼軌接觸表面的類似波浪形的不均勻磨損。鋼軌波浪形磨耗形成之后,列車行駛其上必將激勵起車輛、軌道系統(tǒng)的振動, 而且這種振動是隨著軌道不平順的加劇而加劇的。車輛、軌道系統(tǒng)的劇烈振動不僅引起行李移位,使旅客舒適度降低,而且還會加速動車組車輪和軌道結(jié)構(gòu)的破壞。隨著我國高速鐵路運營里程的增加和車次的增多,鐵路現(xiàn)場鋼軌波磨分布變得更加廣泛,問題日益嚴重。對已經(jīng)開通的高速鐵路波磨成因等問題進行研究,不僅對整治已有高速鐵路出現(xiàn)的波磨問題起到積極作用,而且對新開通和尚未開通的線路,也能起到很好的預測和防護作用。
(10)
為解決因數(shù)據(jù)吞吐量有限而造成的中心任務調(diào)度行為明顯滯后的問題,中心任務調(diào)度優(yōu)化架構(gòu)對于航空飛行試驗數(shù)據(jù)的處理必須滿足實時性原則。
動態(tài)數(shù)據(jù)權(quán)限就是中心任務調(diào)度優(yōu)化架構(gòu)在處理航空飛行試驗數(shù)據(jù)時所遵循的處置權(quán)限。按照云計算法則篩選航空飛行試驗數(shù)據(jù),所得每一個物理量都保持定值狀態(tài),所以動態(tài)數(shù)據(jù)權(quán)限求解結(jié)果是一個有限的數(shù)值區(qū)間,且區(qū)間內(nèi)每一個數(shù)據(jù)變量都對應唯一的占用率指標[20]。動態(tài)數(shù)據(jù)權(quán)限定義式為:
(11)
式中,λ表示云計算法則對于航空飛行試驗數(shù)據(jù)的篩選條件,κ表示動態(tài)賦值參數(shù),H表示航空飛行試驗數(shù)據(jù)的有限值取樣條件。K取值屬于(-∞,0)時,中心任務調(diào)度優(yōu)化架構(gòu)雖然具有處理航空飛行試驗數(shù)據(jù)的能力,但不一定符合云計算法則的運算標準;若K取值屬于(0,+∞),則表示中心任務調(diào)度優(yōu)化架構(gòu)具有處理航空飛行試驗數(shù)據(jù)的能力,且運算標準也一定符合云計算法則。
長尾延遲參數(shù)決定了在處理航空飛行試驗數(shù)據(jù)時,中心任務調(diào)度優(yōu)化架構(gòu)的時延水平,只有在動態(tài)數(shù)據(jù)權(quán)限屬于(0,+∞)的數(shù)值區(qū)間時,所得執(zhí)行結(jié)果才符合算法約束條件,所以長尾延遲參數(shù)計算結(jié)果也只有在大于零的情況下,才能夠有效控制中心任務調(diào)度優(yōu)化架構(gòu)的時延水平。對于長尾延遲參數(shù)的求解滿足如下表達式:
(12)
為分析基于云計算的航空飛行試驗數(shù)據(jù)中心任務調(diào)度優(yōu)化架構(gòu)的應用能力,設計如下對比實驗。
1)按照圖4所示的閉環(huán)模式對航空飛行試驗數(shù)據(jù)進行處理,當Windows主機中的樣本累積量達到既定數(shù)值標準后,開始實驗,相關(guān)實驗設備的具體型號如表1所示;
表1 實驗設備
圖4 航空飛行試驗數(shù)據(jù)處理模式
2)在Windows主機中輸入云計算執(zhí)行程序,記錄在該架構(gòu)體系作用下,單位時間內(nèi)航空飛行試驗數(shù)據(jù)吞吐量的數(shù)值變化情況,所得數(shù)據(jù)為實驗組樣本;
3)清除已生成的數(shù)據(jù)變量,在Windows主機中輸入Cesium時空三維可視化執(zhí)行程序,記錄在該架構(gòu)體系作用下,單位時間內(nèi)航空飛行試驗數(shù)據(jù)吞吐量的數(shù)值變化情況,所得數(shù)據(jù)為A對照組實驗樣本;
4)再次清除已生成的數(shù)據(jù)變量,在Windows主機中輸入相繼干擾消除和跨層并發(fā)傳輸?shù)膱?zhí)行程序,記錄在該架構(gòu)體系作用下,單位時間內(nèi)航空飛行試驗數(shù)據(jù)吞吐量的數(shù)值變化情況,所得數(shù)據(jù)為B對照組實驗樣本;
5)多次核實實驗數(shù)據(jù),確認無誤后,分析3組不同框架體系對于航空飛行試驗數(shù)據(jù)樣本的調(diào)度處理能力;
對于Windows主機而言,其在處理航空飛行試驗數(shù)據(jù)時的數(shù)據(jù)吞吐量水平影響中心任務調(diào)度行為的滯后性程度,在不考慮其他干擾條件的情況下,單位時間內(nèi)的數(shù)據(jù)吞吐量水平越高,就表示航空飛行試驗數(shù)據(jù)的傳輸速率越快,框架體系對于航空飛行試驗數(shù)據(jù)的調(diào)度能力也就越強,故而本次實驗只需驗證航空飛行試驗數(shù)據(jù)的吞吐量水平,就可以確定框架體系對于航空飛行試驗數(shù)據(jù)的調(diào)度能力。
4.2.1 長尾延遲參數(shù)測試
長尾延遲指的是與平均延遲時間相比延遲的更高百分位數(shù),表2反映了實驗組、對照組航空飛行試驗數(shù)據(jù)的長尾延遲參數(shù)。
表2 實驗設備
如表2所示,實驗組的長尾延遲最大值為1.11%,A對照組的長尾延遲最大值為5.14%,B對照組的長尾延遲最大值為4.29%。長尾延遲參數(shù)決定了在處理航空飛行試驗數(shù)據(jù)時,中心任務調(diào)度優(yōu)化架構(gòu)的時延水平。當長尾延遲參數(shù)越小,可以縮短丟包后的等待時間,數(shù)據(jù)傳輸速度也將增快。數(shù)據(jù)傳輸速度的提高將顯著航空飛行試驗數(shù)據(jù)的調(diào)度效率。由此可見,實驗組的長尾延遲參數(shù)最小,航空飛行試驗數(shù)據(jù)的調(diào)度效率更好。
4.2.2 航空飛行試驗數(shù)據(jù)吞吐量測試
圖5反映了實驗組、對照組航空飛行試驗數(shù)據(jù)吞吐量的具體實驗數(shù)值(規(guī)定每15 min作為一個單位時長)。
圖5 航空飛行試驗數(shù)據(jù)吞吐量
圖5所示的實驗結(jié)果展示了4個單位時長內(nèi)的航空飛行試驗數(shù)據(jù)吞吐量數(shù)值變化情況。
實驗組:在實驗組調(diào)度框架作用下,第一個單位時長內(nèi),航空飛行試驗數(shù)據(jù)吞吐量已保持大幅增多的數(shù)值變化態(tài)勢;第二個單位時長內(nèi),15~20 min時,實驗組航空飛行試驗數(shù)據(jù)吞吐量依然保持大幅增多的數(shù)值變化態(tài)勢,從第20 min開始,吞吐量指標的增大幅度逐漸減小,到第二個單位時長結(jié)束,實驗組吞吐量指標并未達到最大值;第35 min時,實驗組航空飛行試驗數(shù)據(jù)吞吐量取得最大值9.85 B/s;后續(xù)實驗過程中,實驗組航空飛行試驗數(shù)據(jù)吞吐量開始呈現(xiàn)出階梯狀下降的數(shù)值變化狀態(tài),但其平均數(shù)值水平始終相對較高。
A對照組:第一個單位時長內(nèi),A對照組航空飛行試驗數(shù)據(jù)吞吐量數(shù)值保持小幅增大的變化態(tài)勢,第二個單位時長結(jié)束,數(shù)值變化趨勢并未發(fā)生改變;第40 min時,A對照組航空飛行試驗數(shù)據(jù)吞吐量取得最大值8.26 B/s,與實驗組最大值相比,下降了1.59 B/s;第40~60 min,即第三個單位時長后期直至第四個單位時長結(jié)束,A對照組航空飛行試驗數(shù)據(jù)吞吐量都保持連續(xù)下降的變化趨勢,整體均值水平也明顯小于實驗組。
B對照組:第一個單位時長內(nèi),B對照組航空飛行試驗數(shù)據(jù)吞吐量數(shù)值的增大趨勢相對較為明顯,第二個單位時長內(nèi),其吞吐量數(shù)值的增大幅度開始逐漸減??;第三個單位時長前期(第35 min),B對照組航空飛行試驗數(shù)據(jù)吞吐量達到最大值5.50 B/s,與實驗組最大值相比,下降了4.35 B/s;后續(xù)實驗過程中,B對照組航空飛行試驗數(shù)據(jù)吞吐量數(shù)值始終保持穩(wěn)定,整個實驗過程中,其均值水平也遠低于實驗組。
綜上可知,基于云計算的航空飛行試驗數(shù)據(jù)中心任務調(diào)度優(yōu)化架構(gòu)的應用,可以增大數(shù)據(jù)樣本的吞吐量水平,從而避免中心任務調(diào)度行為表現(xiàn)出明顯滯后的傳輸特點,這在實現(xiàn)航空飛行試驗數(shù)據(jù)實時調(diào)度方面可以起到一定的促進性影響作用。
航空飛行試驗數(shù)據(jù)中心任務調(diào)度優(yōu)化架構(gòu)的設計遵循云計算原則,在WiRo中心網(wǎng)絡、試驗數(shù)據(jù)觀測器、飛行任務分配器的共同配合下,求解PSO優(yōu)化度量值,從而推導云計算函數(shù)條件的基本表達式。此外,受到動態(tài)數(shù)據(jù)權(quán)限的限制作用,長尾延遲參數(shù)的取值能夠符合云計算原則的約束條件,相較于基于Cesium時空三維可視化的調(diào)度機制與基于相繼干擾消除和跨層并發(fā)傳輸?shù)恼{(diào)度策略,該框架的應用確實能夠解決因數(shù)據(jù)吞吐量有限而造成的中心任務調(diào)度行為明顯滯后的問題,實現(xiàn)對航空飛行試驗數(shù)據(jù)的實時調(diào)度,這也與實際應用需求相符合。