BACnet互联网的网络管理和服务质量研究

论文摘要

作为楼宇自控领域中最具竞争力的BACnet标准,自从1995年6月公布以来,以其开放性好、互操作性强等优点,在楼宇自控领域获得了重要的应用。逐渐从一个学会标准,发展成为楼宇自控领域的国际标准。其应用范围逐渐从楼宇自控扩展到智能家居控制、消防控制、城市智能监控甚至工业控制等领域。然而,随着BACnet应用领域的不断扩展,网络规模的逐渐增大,关于BACnet网络管理和服务质量等内容的研究却显得滞后。而网络管理、尤其是网络管理中的性能管理功能对于组建大规模BACnet网络、实现BACnet网络的服务质量是至关重要的。本文结合楼宇自动化控制和智能家居研究的具体实践,在BACnet网络规模扩大、支持的业务种类日益多元化的背景下,对BACnet网络的网络管理和服务质量进行了研究。本文提出了以IP技术来扩展BACnet网络,组建BACnet互联网的思想。围绕BACnet互联网中的网络管理、服务质量等方面的需求,提出了BACnet网络管理的模型和基于BACnet互联网的网络控制系统(BACnet NCS)的控制模型,并对模型进行数学分析,给出了BACnet NCS的联合状态模型,建立了控制环路的控制性能(QoC)和BACnet互联网的网络服务质量(QoS)之间的映射关系,给出了BACnet NCS的网络性能管理的目标和内容。以提高BACnet互联网的QoS为目标,在BACnet互联网的拥塞控制、流量控制、任务管理等方面进行了研究。(1)对BACnet网络的功能模型、控制方式、系统管理和网络管理模式等方面进行了总结和归纳。(2)提出了基于IP技术互联纯BACnet网络和非纯BACnet网络,集成BACnet控制流、数据流、音频和视频流,构建BACnet互联网的思想。讨论了构建BACnet互联网的技术路线,对于关键设备——BACnet广播管理设备和BACnet路由器的实现及组网方式进行了论述。(3)提出了基于BACnet互联网的网络控制系统的联合状态模型,从控制和网络两个方面对其进行数学分析,建立了BACnet NCS中控制环路QoC和QoS的映射关系,研究表明BACnet NCS中的每一个控制环路,其良好的QoC必须通过BACnet互联网提供相应的QoS来保证。而BACnet互联网必须通过良好的网络管理方式,提供QoS保证。(4)对于异构的BACnet互联网中影响QoS的因素进行了分析,尤其是BACnet互联网中的时延是影响QoS的主要因素。提出了控制BACnet互联网中的排队时延,提高QoS的拥塞控制途径。为了减小BACnet互联网的时延,根据BACnet网络的特点,提出了集拥塞提前检测和显式拥塞控制于一体的扩展随机提前检测算法(ERED)。该算法结合了主动队列管理和优先级管理以及显式拥塞控制机制,尽可能在不改变现有网络拓扑结构的前提下保证网络的可靠性,向建立在BACnet互联网上的控制环路提供更好的网络QoS。(5)对于多业务接入,提出了异质流和基于BACnet互联网的QoS中间件。利用QoS中间件,实现BACnet互联网中异质流的接入控制,为BACnet互联网多业务接入提供了良好的机制和途径。并且在BACnet协议栈的基础上,以BACnet智能家居中视频监控为研究对象,给出了流量控制的实现途径和实验。此种方法可以和基于速率的随机提前检测(RPRED)拥塞控制算法相结合,提供更高的BACnet互联网的利用率,实现BACnet互联网的多种信息共享,提供更好的网络QoS。(6)提出了BACnet互联网中的任务管理模型,将BACnet互联网中的任务建模为全局任务和局部任务,并给出了BACnet互联网的分级任务调度模型。区分全局任务和局部任务,分别提出扩展的最早时限优先(EDF)和扩展的速率单调(RM)算法进行任务调度,并给出了相应的任务可调度测试条件。在实验部分,对于BACnet互联网中的组态管理、任务自动配置以及调度方式进行了测试,表明任务模型和调度模型是适合BACnet互联网任务管理要求的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 BACNET 标准
• 1.3 BACNET 网络管理
• 1.4 BACNET 互联网
• 1.5 本文的主要内容和章节安排
• 2 构建BACNET 互联网
• 2.1 纯BACNET 网络互联
• 2.2 纯BACNET 网络与非纯BACNET 网络互联
• 2.3 BACNET 网络与INTERNET 互联
• 2.4 基于IP 组建BACNET 互联网
• 2.5 实验
• 2.6 小结
• 3 基于BACNET 互联网的控制模型
• 3.1 网络控制系统的特点和研究方法
• 3.2 网络控制模型和控制技术
• 3.3 基于BACNET 互联网的网络控制系统
• 3.4 BACNET 互联网网络控制系统的数学模型
• 3.5 BACNET 互联网网络控制系统的性能度量
• 3.6 小结
• 4 BACNET 互联网中的拥塞控制
• 4.1 BACNET 互联网中的时延
• 4.2 BACNET 互联网中的拥塞控制机制
• 4.3 BACNET 互联网中的拥塞控制策略
• 4.4 ERED 算法
• 4.5 实验
• 4.6 小结
• 5 基于中间件的BACNET 互联网流量控制
• 5.1 BACNET 互联网中的异质流
• 5.2 BACNET 协议栈
• 5.3 BACNET 互联网的网络QOS 中间件
• 5.4 流量控制与拥塞控制
• 5.5 实验
• 5.6 小结
• 6 BACNET 互联网的任务管理
• 6.1 BACNET 互联网的组态
• 6.2 控制组态工作方式
• 6.3 BACNET 互联网中的控制任务
• 6.4 任务配置
• 6.5 任务调度
• 6.6 全局任务调度
• 6.7 局部任务调度
• 6.8 实验
• 6.9 小结
• 7 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录