基于动态效能评估的智能制造算力协同调控方法及系统

本发明涉及工业边缘计算和智能制造任务调度，尤其涉及一种基于动态效能评估的智能制造算力协同调控方法及系统。

背景技术：

1、在离散制造、汽车零部件加工、电子装配和流水线检测等场景中，边缘计算节点通常同时承担plc状态采集、在线检测数据接收、报警转发、设备状态分析、质量追溯整理、历史数据压缩、日志归档和报表统计等任务。上述任务在同一边缘节点上运行时，会共同占用cpu、内存、磁盘i/o、网络带宽以及加速器资源。

2、现有边缘任务调度方式多依据cpu占用率、内存占用率、任务优先级或固定时间片进行任务启动和延迟处理。该类方式在生产节拍稳定、任务数量较少时可以满足基本需求，但在同一节点承载在线检测复核、状态分析、追溯整理、历史压缩和报表统计等多类任务时，容易出现以下问题：

3、第一，非实时任务启动时机与生产现场关键事件不匹配。例如，在下一次检测触发、加工开始或夹具动作即将发生前启动磁盘写入或网络上传任务，可能导致边缘侧采集服务的数据接收周期出现明显偏差。

4、第二，多任务并发时的资源争用难以预判。单个任务的预计执行时间不能反映多个任务共同占用cpu、磁盘i/o或网络带宽时的实际执行时间，固定优先级调度容易造成任务窗口越界。

5、第三，输入数据已过期的任务仍可能被启动。在线检测复核、状态分析等任务的输入数据具有采集时间和允许有效时间，若仅按队列顺序或资源空闲程度启动任务，可能产生已不适合在线判断的结果。

6、第四，控制周期偏差来源容易混淆。边缘侧观测到的数据接收周期偏差可能由边缘负载升高引起，也可能由设备报警、传感器异常、网络抖动或换刀换型过程引起。若直接把所有偏差都归因于边缘任务负载，容易产生不必要的任务限制；若完全忽略边缘负载影响，又可能使非实时任务占用控制数据采集、报警转发和在线检测数据接收所需资源。

7、此外，工业现场对控制安全要求较高。边缘调度方案若被理解为直接干预plc、运动控制器或安全联锁装置的内部逻辑，会降低方案的可接受度。本发明采用只读方式获取生产事件和控制相关数据，不向可编程控制器、运动控制器或安全联锁装置的内部逻辑写入指令，只对边缘计算节点上的非实时任务进行调度控制，从而兼顾边缘算力利用和现场控制安全。

技术实现思路

1、为实现上述发明目的，本发明提供了一种基于动态效能评估的智能制造算力协同调控方法及系统，用以解决或至少减轻现有技术中边缘任务调度无法预判生产窗口、多任务资源争抢、输入数据过期和周期偏差来源混淆的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于动态效能评估的智能制造算力协同调控方法，包括：

3、以只读方式获取生产事件序列和控制数据更新时间，计算边缘侧数据接收周期偏差；获取任务属性，所述属性包括输入数据时间戳、预计执行时间、资源需求和优先级；

4、根据所述生产事件序列识别当前生产状态；

5、生成非实时任务可用时间窗口；

6、计算任务间的资源冲突度，构建协同衰减系数以修正候选任务的预计执行时间；

7、根据输入数据年龄评估数据有效性，并结合周期偏差和优先级计算任务效能值；

8、基于所述时间窗口、协同衰减系数、效能值和当前生产状态生成调度决策，并执行任务；

9、当周期偏差超限时，判断边缘负载与偏差变化是否关联，若关联则执行保护操作；

10、所述方法不向可编程控制器或安全联锁装置写入指令。

11、为了进一步实现本发明，可优先选用以下技术方案：

12、优选地，所述根据所述生产事件序列识别当前生产状态，包括：

13、识别正常生产状态、换刀或换型状态、恢复加工前兆状态和报警状态；

14、在所述换刀或换型状态下，根据历史时长估算剩余时间以集中执行积压任务；

15、在所述恢复加工前兆状态下，对可中断任务执行快照保存并挂起。

16、优选地，所述生成非实时任务可用时间窗口，包括：

17、根据同类关键事件的历史间隔估计生产节拍；

18、结合节拍波动量确定动态安全裕量；

19、根据下一关键事件预测时刻、当前时刻和所述动态安全裕量确定所述可用时间窗口。

20、优选地，所述计算任务间的资源冲突度，构建协同衰减系数以修正候选任务的预计执行时间，包括：

21、利用各任务的资源需求向量，计算两两任务间的资源冲突度；

22、根据所有任务对的资源冲突度均值确定协同衰减系数；

23、将候选任务集合的各任务预计执行时间之和乘以所述协同衰减系数，得到修正后的总预计执行时间。

24、优选地，所述资源冲突度的计算方式为：

25、计算两个任务资源需求向量的余弦相似度；

26、将所述余弦相似度与两个任务在各资源维度上的最小占用量最大值相乘，得到资源冲突度。

27、优选地，所述根据输入数据年龄评估数据有效性，并结合周期偏差和优先级计算任务效能值，包括：

28、当数据年龄超过允许有效时间时，将数据有效性置零；

29、当数据年龄未超过允许有效时间时，以指数衰减形式计算数据有效性；

30、根据周期偏差确定控制周期稳定度，将优先级归一化值与控制周期稳定度加权求和，除以运行负载评价值后乘以数据有效性，得到任务效能值。

31、优选地，所述判断边缘负载与偏差变化是否关联，若关联则执行保护操作，包括：

32、当边缘综合负载变化量超限、周期偏差变化量超限、负载增大早于偏差增大、当前无报警或换刀换型事件、且关键数据队列长度增加时，判定为关联；

33、执行保护操作，包括停止启动新任务、挂起可中断任务并保存快照，以及保留控制数据采集和在线检测相关资源。

34、优选地，所述执行任务包括：

35、获取任务的实际执行时间，并以近期执行记录权重大于远期执行记录权重的方式修正所述预计执行时间。

36、一种基于动态效能评估的智能制造算力协同调控系统，包括：

37、数据采集模块，用于以只读方式获取生产事件序列和控制数据更新时间，并计算边缘侧数据接收周期偏差；

38、任务属性模块，用于获取待执行任务的属性，所述属性包括输入数据时间戳、预计执行时间、资源需求和优先级；

39、工况识别模块，用于根据所述生产事件序列识别当前生产状态；

40、窗口计算模块，用于生成非实时任务可用时间窗口；

41、协同评价模块，用于计算任务间的资源冲突度，构建协同衰减系数以修正候选任务的预计执行时间；

42、效能评估模块，用于根据输入数据年龄评估数据有效性，并结合周期偏差和优先级计算任务效能值；

43、调度决策模块，用于基于所述时间窗口、协同衰减系数、效能值和当前生产状态生成调度决策；

44、执行反馈模块，用于执行任务并获取实际执行时间，以修正所述预计执行时间；

45、异常处理模块，用于当周期偏差超限时，判断边缘负载与偏差变化是否关联，若关联则执行保护操作；

46、所述系统不向可编程控制器或安全联锁装置写入指令。

47、一种电子设备，包括处理器、存储器和通信接口，所述通信接口用于以只读方式连接生产现场设备，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的方法。

48、本发明的有益效果是：

49、本发明通过生产事件序列预测非实时任务可用时间窗口，使非实时任务启动时机与下一关键生产事件相匹配，降低窗口越界风险。通过资源需求向量计算资源冲突度和协同衰减系数，使多任务并发时的批次执行时间更加接近实际资源占用情况。

50、同时，本发明通过输入数据年龄和指数衰减方式计算数据有效性，并将数据有效性作为任务效能值的乘法门控项，避免输入数据过期的任务被误启动。通过边缘侧观测到的数据接收周期偏差、边缘综合负载变化、事件状态和关键数据队列长度共同判断边缘负载影响状态，减少将设备报警或传感器异常误判为边缘负载问题的风险。