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申请/专利权人：中国人民解放军空军工程大学

摘要：提供一种基于最早时间线的多功能一体化雷达任务调度算法，包括：第一步：参考天线任务的特点，建立动态孔径分割下的天线任务调度模型，并对模型中的各项参数进行定义；第二步：在天线任务调度模型框架下，借鉴矩形件排样问题，定义最早时间线这一概念以及确定其更新规则；第三步：提出一种基于最早时间线的雷达任务调度算法，实现在时间‑孔径两个维度上实现对多功能一体化雷达任务的调度。该算法可以使天线阵面根据不同的任务实现动态分割，并且天线执行多项任务的同时实现动态切换，从而在有限的时间内完成更多的任务。

主权项：1.一种基于最早时间线的多功能一体化雷达调度算法，包括下列步骤：第一步：参考天线任务的特点，建立动态孔径分割下的天线任务调度模型，并对模型中的各项参数进行定义；第二步：在天线任务调度模型框架下，借鉴矩形件排样问题，定义最早时间线这一概念以及确定其更新规则；第三步：提出一种基于最早时间线的雷达任务调度算法，实现在实践-孔径两个维度上实现对多功能一体化雷达任务的调度；所述第一步的具体处理方法如下：步骤1给出多功能天线任务调度的各项参数的定义如下：定义1：多功能天线的资源矩阵天线任务从时间t0开始，时间跨度为T，可调度时间为[t0,t0+T]，且包括M个子孔径，这样用离散化后的2维时间-孔径资源矩阵表示天线的工作状态，其中NT表示离散后的时间序列，或1表示第个资源矩阵元素被占用情况；定义2：待执行任务集合A＝{A1,A2,...,AN}，其中集合中的元素Ak＝{Nak,Wk,wk,Lk}由任务到来时刻Nak、执行时间Wk、任务生存期wk和占用孔径资源大小Lk共4个属性组成，时间窗wk表示任务Ak的最晚执行延迟，且截止Nak+wk时刻任务还没有执行则该任务失效；定义3：执行任务集合E＝{E1,E2,...,EN1}，描述了任务的实际执行时间、孔径位置，Eq∈E1≤q≤N1，且N1≤N表示实际执行的任务数量，Eq＝{Neq,seq,nq}，其中，Neq表示第q个任务的任务执行的开始时间，seq表示任务执行的开始孔径，nq表示Eq在待执行任务集合A中的序号，即nq∈{1,2,...,k,...N}；步骤2在上述定义的基础上，设U表示资源利用率，则任务调度模型表示对天线的时间、孔径利用达到最大化， 其中，表示最终被执行任务占用的时间和孔径宽度，约束条件①和②表示任意任务必须落在系统资源矩阵中；③表示任务执行时间在任务到来之后、任务“死亡”之前；④表示任意2个执行任务在时间和孔径上不能同时冲突，求解多功能天线的最佳调度方案转换为对公式1表示的最优化问题的求解；所述第二步的具体处理方法如下：借鉴矩阵件排样方法，最早时间线方法的定义为：先根据孔径的最早安排时间确定一个起始时间，与此同时将按照时间顺序到来的任务先放入暂存队列；根据当前时间线位置和孔径大小，将队列中的任务按照暂存队列中的顺序输入孔径，如果可以排入，则更新时间线和孔径，如果不能排入，则比较下一个时间线，直到能够排入为止，同时更新时间线；直到将任务安排完毕或者天线的可用时间t结束；考虑到当子孔径较多时，可能在同一时间线上出现多个子孔径的情况，因此每个时间线应包括可用孔径的位置信息，需要对时间线的概念进行更细致地定义：定义4：时间线集合D，表示当前可利用的时间、孔径大小和位置，由一组M1M1＜M个元素Dj＝{nDj,sDj,lj}组成，其中nDj表示时间线，sDj表示该时间线的孔径起始位置，lj为当前时间线可用的孔径资源大小；时间线集合D的更新方法为以下5个步骤，步骤1新增元素，在E中增加执行任务的同时新增时间线，这里通常分2步，①确定增加执行任务后的可用时间；②将新增可用时间与D中的时间线比较，确定新增时间线的位置、开始孔径和孔径大小；步骤2删除元素，新增执行任务必然遮挡了部分原时间线，即早于新增时间线的原时间线有可能处于失效状态，这就需要将这些时间线元素删除，这里通常也分为2步，①确定增加执行任务后可能遮挡的时间线；②将可能受到遮挡的时间线的开始孔径和结束孔径与新增执行任务所占用的孔径区间相比较，落在其中的为受到遮挡的时间线被删除；步骤3修改元素，受到“部分遮挡”的时间线，其开始、结束孔径与新增执行任务所占用孔径区间相比较，部分受影响失效，则将时间线的开始孔径和可用孔径进行修改；步骤4元素整理，其中将后续时间线的开始孔径、结束孔径与前序时间线比较，若后续时间线元素与前序时间线时间相同，或者可用孔径完全落入前序时间线的区间小于或者等于，则判断后续时间线为无用时间线，经整理后被二次删除；步骤5时间线重新排序，将较小的元素排在靠前位置并重新命名；所述第三步的具体处理方法如下：步骤1初始化资源矩阵，将时间划分为NT个时间片，孔径大小为M，建立2维时间-孔径的资源矩阵初始化资源矩阵转向步骤2；步骤2初始化任务矩阵A，将时间NT内需要执行的任务生成待执行任务矩阵A，并按照综合优先级Pk重新排序为A′，其中A′k＝{Nak,Wk,wk,Lk,Pk}∈A′＝{A′0,A′1,...,A′N-1}，令k＝0,q＝0，转向步骤3；步骤3初始化时间线矩阵D，Dj＝{nDj,sDj,lj}，转向步骤4；步骤4判断执行时间是否满足Nk＞Nak+STk，即执行任务的时间一旦超出了预执行矩阵的最大时间窗，则任务A′k执行失败，转向步骤7；否则转向步骤5；步骤5按照下列顺序判断当前任务A′k是否可执行：①若Nak≥NM-1，即A′k在D的时间右侧较D晚，也即将A′k与D比较，仅小于最后一个元素DM1，即Nak＞Ni0＜i＜M1-1，此时任务执行，得到Eq,D不变；②若Nak≥N0，即即A′k在D的时间左侧较D早，则将A′k与d0对应项比较，若Lk≤l0，则任务A′k执行，且Eq＝{Nak,sk,nq}；若Lk＞l0，且j＜M1，则j＝j+1，将A′k与dj对应项Lk和lj重新比较，直到找到可执行的时间线dj和执行任务Eq；③若Nj＜Nak＜Nj+d，其中0＜j＜M1,d≥1，即A′k落在D中第j个元素时间右侧、第j+d个元素时间左侧，则将A′k与dj对应项Lk和lj比较，若Lk≤lj，则任务执行，且Eq＝{Nak,sk,nq}；若Lk＞lj，且j＜M1，则j＝j+1，将A′k与dj对应项Lk和dj比较，直到找到执行的点和执行任务Eq，执行过程与②类似，只是从dj项开始比较；若①、②、③任何一个可执行，则得到执行结果Eq＝{Nak,sk,nq}，更新实际执行任务矩阵E,q＝q+1，且按照本节上文要求更新D，转向步骤6；步骤6k＝k+1，若k＝N-1，则所有任务结束，转向步骤7；否则转向步骤3；步骤7任务结束，输出最终的A、D、E。

全文数据：一种基于最早时间线的多功能一体化雷达任务调度算法技术领域[0001]本发明涉及信号与信息处理技术，具体涉及一种基于最早时间线的多功能一体化雷达任务调度算法。背景技术[0002]近年来，受限于平台载荷和任务多样化的要求，将雷达、通信、电子战等多种设备进行整合，构成一体化的电子系统已经成为一种新的研究方向。其中，对天线孔径的共享是研究的重点之一。一种实现方法是多种功能交错分时使用同一个孔径，如Raytheon公司在ANAPG77型机载雷达上实现了500Mbps的高速数据通信；另一种是将一个大的孔径分割成多个子孔径，按照区域分别实现不同功能，如美国海军实验室的先进多功能射频概念计划AdvancedMultifunctionRFConcept,AMRFC。在后一种方案中，天线阵元是相互独立的，并且其功能可以随时间进行切换，此时多种任务可以分时共用同一个电子系统及其天线设备，而如何在有限时间内完成更多的任务成为新的研究重点。[0003]现有的多功能天线任务调度和管理方法已经应用于相控阵天线中，一般可分模板法、自适应调度方法、动态优先级法等，取得了较多的研究成果。其中，卢建斌在其博士学位论文《相控阵雷达资源优化管理的理论与方法》2007年）中系统介绍了资源管理、实时任务调度、计算负载分配等相控阵天线资源管理和调度的诸多关键问题，对单一孔径下的任务调度问题给予了比较全面的总结和介绍。对于多孔径条件下的调度问题，仅有綦文超等在《多功能一体化雷达任务调度算法研究》雷达科学与技术，2012，102:150-155中着重探讨了按照孔径面积百分比的方法动态分配天线资源，之后对各项任务动态分配和调度。[0004]整体来说，现有文献集中于单一孔径的天线任务调度方法，针对天线孔径动态分割条件下的任务调度问题研究仍然较少。因此，如果将多功能天线的孔径和时间都视为资源的话，则在这两个维度上就都存在资源管理和分配问题。针对动态分割条件下设计出的天线孔径实时共享方案，有望进一步发挥相控阵雷达执行多任务的潜力。发明内容[0005]针对现有技术中存在的不足，本发明在现有相控阵天线的多任务调度技术基础上，借鉴矩形件排样问题中的最低水平线LowestHorizontalLine,LHL方法，提出了一种基于最早时间线EarliestTimeLine,ETL的多功能一体化雷达任务调度算法，包括下列步骤：[0006]第一步:参考天线任务的特点，建立动态孔径分割下的天线任务调度模型，并对模型中的各项参数进行定义；[0007]第二步:在天线任务调度模型框架下，借鉴矩形件排样问题，定义最早时间线这一概念以及确定其更新规则；[0008]第三步:提出一种基于最早时间线的雷达任务调度算法，实现在时间-孔径两个维度上实现对多功能一体化雷达任务的调度。[0009]第一步具体为：[0010]步骤⑴给出多功能天线任务调度的各项参数的定义如下：[0011]定义1:多功能天线的资源矩阵，天线任务从时间to开始，时间跨度为T，可调度时间为[t0，tQ+T]，且包括M个子孔径，这样用离散化后的2维时间-孔径资源矩阵«表示天线的工作状态，其中Nt表示离散后的时间序列，个资源矩阵元素被占用情况；[0012]定义2:待执行任务集合A={‘As，...，An}，其中集合中的元素由任务到来时刻Nak、执行时间Wk、任务生存期Wk和占用孔径资源大小Lk共4个属性组成，时间窗wk表示任务Ak的最晚执行延迟，即截止Nak+Wk时刻任务还没有执行则该任务失效；[0013]定义3:执行任务集合，描述了任务的实际执行时间、孔径位置，EqeEKq彡Ni，且Nl彡N表示实际执行的任务数量，Eq={Neq，Seq，nq}，其中Neq表示第q个任务的任务执行的开始时间，Sf3q表示任务执行的开始孔径，nq表示Eq在待执行任务集合A中的序号，gpnqe{1,2,··.k,···Ν};[0014]步骤2在上述定义的基础上，设U表示资源利用率，则任务调度模型表示对天线的时间、孔径利用达到最大化，[0016]其中表示最终被执行任务占用的时间和孔径宽度，约束条件①和②表示任意任务必须落在系统资源矩阵中，③表示任务执行时间在任务到来之后、任务“死亡”之前，④表示任意2个执行任务在时间和孔径上不能同时冲突，求解多功能天线的最佳调度方案转换为对公式1表示的最优化问题的求解。[0017]第二步具体为：[0018]借鉴矩形件排样方法，最早时间线方法的定义为:先根据孔径的最早安排时间确定一个起始时间，与此同时将按照时间顺序到来的任务先放入暂存队列;根据当前时间线位置和孔径大小，将队列中的任务按照暂存队列中的顺序输入孔径，如果可以排入，则更新时间线和孔径，如果不能排入，则比较下一个时间线，直到能够排入为止，同时更新时间线；直到将任务安排完毕或者天线的可用时间t结束；[0019]考虑到当子孔径较多时，可能在同一时间线上出现多个子孔径的情况，因此每个时间线应包括可用孔径的位置信息，需要对时间线的概念进行更细致地定义：[0020]定义4:时间线集合D，表示当前可利用的时间、孔径大小和位置，由一组施M1Nak+STk，即执行任务的时间一旦超出了预执行矩阵的最大时间窗，则任务行失败，转向步骤7，否则转向步骤5;[0032]步骤⑸按照下列顺序判断当前任务A\是否可执行：[0033]①若Nak彡Nm-i，即A\在D的时间右侧较D晚），也即将A\与D比较，仅小于最后一个元素1jW1:，即NakNi0N〇,即A\在D的时间左侧较D早），则将A\与do对应项比较，若Lk彡1〇,则任务A'k执行，且Eq={Nak，Sk，nq};若LkIo，且jIj，且j描述了任务的实际执行时间、孔径位置，EqGEKqSN1，且他^^表示实际执行的任务数量，其中Neq表示第q个任务的任务执行的开始时间，Seq表示任务执行的开始孔径，nq表示Eq在待执行任务集合A中的序号，SPnqe{1,2,··.k,···Ν}。[0061]在上述定义的基础上，设U表示资源利用率，则任务调度模型表示对天线的时间、孔径利用达到最大化；[0063]其中表示最终被执行任务占用的时间和孔径宽度，约束条件①和②表示任意任务必须落在系统资源矩阵中，③表示任务执行时间在任务到来之后、任务“死亡”之前，④表示任意2个执行任务在时间和孔径上不能同时冲突，求解多功能天线的最佳调度方案转换为对公式1表示的最优化问题的求解。[0064]第二步:最早时间线定义及其更新方法[0065]公式⑴所提问题的数学意义即在NtXM个点中放置N2个值，使得目标函数U最大，其组合结果有种可能性。该问题属于NP-Complete组合优化问题，尤其当Nt较大时，很难在一个合理时间内获得最优解。[0066]借鉴矩形件排样方法，最早时间线方法的定义为:先根据孔径的最早安排时间确定一个起始时间，与此同时将按照时间顺序到来的任务先放入暂存队列;根据当前时间线位置和孔径大小，将队列中的任务按照暂存队列中的顺序输入孔径，如果可以排入，则更新时间线和孔径，如果不能排入，则比较下一个时间线，直到能够排入为止，同时更新时间线；直到将任务安排完毕或者天线的可用时间t结束。[0067]如图3a中，有4组时间线分别是m〜n4,每组时间线标明了此时的连续孔径大小Ii〜14,最快时间线ETL=m。当任务A1=机1，胃1，¥1丄1到来后，首先判断11m任务处在生存期，其占用的连续天线孔径L1Sl1，直接排入IuJ1中，也即此时资源矩阵中'.,„=1;然后对时间线进行更新，其中新增了时间线nSjS，时间线m的孔径1〇咸小到li，如图3b所示。与此同时，执行任务集合的第一个元素Ei的执行时间Ne3I=Imnq=1〇[0068]但是考虑到当子孔径较多时，可能在同一时间线上出现多个子孔径的情况，因此每个时间线应包括可用孔径的位置信息，需要对时间线的概念进行更细致地定义。[0069]定义4:时间线集合D，表示当前可利用的时间、孔径大小和位置，由一组施M112,则A2仍不能放入D2中；继续比较D3的孔径13,得到L2SD6,SDlNak+STk，即执行任务的时间一旦超出了预执行矩阵的最大时间窗，则任务A行失败，转向步骤7，。否则转向步骤5;[0085]步骤⑸按照下列顺序判断当前任务A\是否可执行：[0086]①若Nak彡Nm-i，即A\在D的时间右侧较D晚），也即将A\与D比较，仅小于最后一个元素Av1，即NakNi0No,即A\在D的时间左侧较D早），则将A\与do对应项比较，若Lk彡1〇,则任务A'k执行，且Eq={Nak，Sk，nq};若LkIo，且jIj，且j269,即在可用孔径到来之前任务已经失效，任务执行失败，此时将Eq输出Nk=Sk=0,而Bk矩阵直接复制了上一组值。第394、395个任务与之类似，此实验即演示了最快时间线算法实际执行中的核心步骤。[0106]为了验证本文所提方法的可用性和有效性，这里给出了与“随机孔径”策略对比仿真。[0107]情况1:时间长度有限，即限制了总的执行时间，比较2种方法任务完成数量情况。其中时间长度Ντ=600,孔径M=8,任务数600，A、B、C、D、E5类任务的比例为10:5:1:5:2.5，任务密度λ=1.1。图7给出了某次执行前50个时间片的结果。[0108]截止前50个时间片的执行结果可以得到表3所示，前50个时间片的总的时间孔径资源为400,经一次计算，对于最快时间线方法，截止第50个时间片的任务数是100。[0109]表3前50个时间片的不同算法执行情况[0110][0111]从表3中可以看出，最快时间线改进算法取得了最低的任务丢失率和较高的资源利用率，而随机孔径策略由于没有进行任何算法优化，任务丢失率很大，资源利用率最低。[0112]情况2:任务数有限，不限制执行时间，统计前100个任务的执行情况，其他条件与情况1一致，图8给出了某次执行结果。[0113]与情况1不同，此时是不限时间，截止前100个任务的执行结果，执行结果可以得到表4所示。[0114]表4前100个任务的不同算法执行情况[0115][0116]从表4中可以看出，最快时间线改进算法耗费的时间最少，任务丢失率最低，资源利用率也最高，而随机孔径策略耗费了长的多的时间，仍然丢失了部分任务，这表明不少任务由于超过了生存期，不能进入执行流程。[0117]但是随后注意到，不同的任务密度λ下，任务平均生存期运可能对算法有效性的影响不同，因此又进一步设置λ从0.1到3之间取值。其中最快时间线算法的执行结果如图9所示。结果表明，任务密度λ越小、任务平均生存期设越长，任务丢失率越小。当任务密度很低时，任务全部执行完毕，任务平均生存期55也就没有对任务丢失率产生作用；反之，任务密度λ越高，任务平均生存期添只要够长，仍然能够获得较好的执行效果。

权利要求：1.一种基于最早时间线的多功能一体化雷达调度算法，包括下列步骤：第一步:参考天线任务的特点，建立动态孔径分割下的天线任务调度模型，并对模型中的各项参数进行定义；第二步:在天线任务调度模型框架下，借鉴矩形件排样问题，定义最早时间线这一概念以及确定其更新规则；第三步:提出一种基于最早时间线的雷达任务调度算法，实现在时间-孔径两个维度上实现对多功能一体化雷达任务的调度。2.根据权利要求1中的基于最早时间线的多功能一体化雷达任务调度算法，所述第一步的具体处理方法如下：步骤⑴给出多功能天线任务调度的各项参数的定义如下：定义1:多功能天线的资源矩阵1^«，天线任务从时间to开始，时间跨度为T，可调度时间为[tQ，t〇+T]，且包括M个子孔径，这样用离散化后的2维时间-孔径资源矩阵表示天线的工作状态，其中Nt表示离散后的时间序列，％„,=«1表示第^v„,j个资源矩阵元素被占用情况；定义2:待执行任务集合A={Ai,A2,...,An}，其中集合中的元素Ak={Nak,Wk,wk,LiJ由任务到来时刻Nak、执行时间Wk、任务生存期wk和占用孔径资源大小Lk共4个属性组成，时间窗概表示任务Ak的最晚执行延迟，即截止Nak+Wk时刻任务还没有执行则该任务失效；定义3:执行任务集合E=，描述了任务的实际执行时间、孔径位置，EqeEl彡q彡Ni，且Ni彡N表示实际执行的任务数量，Eq={Neq,Seq,nq}，其中Neq表示第q个任务的任务执行的开始时间，Sf3q表示任务执行的开始孔径，nq表示Eq在待执行任务集合A中的序号，即nqe{1，2,··.k，···Ν};步骤2在上述定义的基础上，设U表示资源利用率，则任务调度模型表示对天线的时间、孔径利用达到最大化，其中、^^表示最终被执行任务占用的时间和孔径宽度，约束条件①和②表示任意任务必须落在系统资源矩阵中；③表示任务执行时间在任务到来之后、任务“死亡”之前;④表示任意2个执行任务在时间和孔径上不能同时冲突，求解多功能天线的最佳调度方案转换为对公式1表示的最优化问题的求解。3.根据权利要求1中的基于最早时间线的多功能一体化雷达任务调度算法，所述第二步的具体处理方法如下：借鉴矩形件排样方法，最早时间线方法的定义为:先根据孔径的最早安排时间确定一个起始时间，与此同时将按照时间顺序到来的任务先放入暂存队列;根据当前时间线位置和孔径大小，将队列中的任务按照暂存队列中的顺序输入孔径，如果可以排入，则更新时间线和孔径，如果不能排入，则比较下一个时间线，直到能够排入为止，同时更新时间线;直到将任务安排完毕或者天线的可用时间t结束；考虑到当子孔径较多时，可能在同一时间线上出现多个子孔径的情况，因此每个时间线应包括可用孔径的位置信息，需要对时间线的概念进行更细致地定义：定义4:时间线集合D，表示当前可利用的时间、孔径大小和位置，由一组施11Nak+STk，即执行任务的时间一旦超出了预执行矩阵的最大时间窗，则任务行失败，转向步骤7;否则转向步骤5;步骤⑸按照下列顺序判断当前任务A\是否可执行：①若ΙΘΝη，即的时间右侧傲D晚），也即将A\与D比较，仅小于最后一个元素%:，即%0No，即Ak在D的时间左侧较D早），则将Ak与do对应项比较，若Lk1ο，且jIj，且jMi，则j=j+1，将A\与dj对应项Lk和dj比较，直到找到执行的点和执行任务Eq，执行过程与②类似，只是从山项开始比较；若①、②、③任何一个可执行，则得到执行结果Eq={Nak，sk，nq}，更新实际执行任务矩阵E，q=q+Ι，且按照本节上文要求更新D，转向步骤6;步骤⑹k=k+l，若k=N_l，则所有任务结束，转向步骤⑺；否则转向步骤⑶；步骤⑺任务结束，输出最终的A、D、E。

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