用于重构预定的分布式实时仿真网络的计算机实现的方法
阅读说明：本技术 用于重构预定的分布式实时仿真网络的计算机实现的方法 (Computer-implemented method for reconstructing a predetermined distributed real-time simulation network ) 是由 H·卡尔特 D·卢贝雷 于 2020-03-02 设计创作，主要内容包括：本发明示出且说明了一种用于重构(U)预定的分布式实时仿真网络(2)的计算机实现的方法(1),其中,仿真网络(2)具有多个网络节点(4、RK、R、IO)和多个数据连接(DV),其中,每个网络节点(4、RK、R、IO)具有至少一个数据连接接口以连接数据连接(DV),其中,网络节点(4、RK、R、IO)通过数据连接(DV)至少部分处于通信连接(KV)中,并且其中,在仿真网络(2)运行中在至少一个网络节点(4、RK、R、IO)上实施仿真应用(5)。用所述方法可以自动找到实时仿真网络(2)的一种结构,在该结构中,以如下方式减少并且尽可能避免处于临界状态的通信连接(KV),即,检测仿真网络(2)的拓扑,使得存在有关网络节点(4、RK、R、IO)和在网络节点(4、RK、R、IO)之间的数据连接(DV)的拓扑信息,特别是为仿真网络(2)的网络节点(4、RK、R、IO)确定节点数据率的预期值(E-KDR)和/或节点延时的预期值(E-KL)。(The invention shows and describes a computer-implemented method (1) for reconstructing (U) a predefined distributed real-time simulation network (2), wherein the simulation network (2) has a plurality of network nodes (4, RK, R, IO) and a plurality of data connections (DV), wherein each network node (4, RK, R, IO) has at least one data connection interface for connecting a data connection (DV), wherein the network nodes (4, RK, R, IO) are at least partially in a communication connection (KV) via the data connections (DV), and wherein a simulation application (5) is implemented on at least one network node (4, RK, R, IO) during operation of the simulation network (2). In this way, a structure of the real-time simulation network (2) can be automatically found in which the communication connections (KV) in a critical state are reduced and avoided as far as possible, in that the topology of the simulation network (2) is detected in such a way that topology information is available about the network nodes (4, RK, R, IO) and the data connections (DV) between the network nodes (4, RK, R, IO), in particular an expected value (E-KDR) of the node data rate and/or an expected value (E-KL) of the node delay for the network nodes (4, RK, R, IO) of the simulation network (2).)
技术领域
本发明涉及一种用于重构预定的分布式实时仿真网络的计算机实现的方法，其中，仿真网络具有多个网络节点和多个数据连接，其中，每个网络节点具有至少一个数据连接接口以连接数据连接，其中，网络节点通过数据连接至少部分处于通信连接，并且其中，在仿真网络运行中在至少一个网络节点上实施仿真应用。
本发明涉及控制装置开发领域，特别是涉及到大量使用在汽车领域中的、但也使用在航天和航空中并且用于控制其它技术过程的控制装置的开发。这种控制装置今天大多指的是有I/O接口(I/O＝Input/Output输入/输出)的小型计算机，它们经常配备有实时能力的操作系统，操作系统允许在控制装置上实现复杂的、大多与控制技术相关的任务。控制装置开发是由工业实践已知的广泛的设备技术系统的技术开发的核心组成部分，例如并且特别是来自本文开头所述的技术领域。
背景技术
对在最终产品中使用的系列控制装置的测试是要在控制装置上实现的控制装置应用(经常是闭环控制或开环控制)的多个上游开发步骤的终点，其中，这些开发步骤通常用所谓的V模型或也用V循环描述。为此需要本文开头所述的分布式实时仿真网络。在对许多技术设备的功能重要的应用开发初期，在具有数学图形建模环境的计算机上进行例如闭环控制算法的数学建模，其中，控制器可以理解为是控制装置的组成部分。此外，也对控制装置的环境进行数学建模，因为控制装置上的控制器与要控制的过程的交互值得关注。在这种功能性的数学考量中，实时仿真大多不是必需的(离线仿真)。
在下一个步骤中，先前设计的闭环控制算法借助快速控制原型(RCP)传输给有工作能力、大多有实时能力的硬件，所述硬件通过合适的I/O接口与实际的物理过程连接，即例如与机动车马达连接。这种有实时能力的硬件通常与之后要使用的系列控制装置无关，在此涉及在实践中对先前设计的闭环控制的原则性的功能作用能力的证明。
在进一步的步骤中，在自动生成系列代码的范畴内，在之后可能在系列控制装置中实际要使用的目标处理器上实现闭环控制。目标硬件因此在这个步骤中接近系列控制装置，但与系列控制装置并不一致。在进一步的步骤中，在硬件在环测试(HIL)的范畴内检查通常只在之后的开发阶段中存在的系列控制装置。在这个步骤中实体存在的系列控制装置在此借助实体的控制装置接口与有工作能力的仿真器连接。仿真器模拟要测试的系列控制装置的所需的参量并且将输入和输出参量与系列控制装置进行交换。
这样在HIL仿真的范畴内测试的系列控制装置最终安装在“真实的”目标系统、即例如安装在机动车中并且在先前仅在仿真环境中被模仿的真实的物理环境中加以测试。
很明显，要实现不同的开发步骤，无论是以快速控制原型的形式还是以硬件在环仿真的形式，均须存在功能强大的有实时能力的硬件，这些硬件通常形成分布式实时仿真网络，分布式实时仿真网络具有多个网络节点和多个数据连接。网络节点可以例如涉及计算节点，即有实时操作系统的小型计算机。也可以涉及I/O节点，用I/O节点例如以测量技术检测物理过程的测量数据，并且之后数字化的值以数据包的形式转发到仿真网络中，或者输出也是模拟的控制信号，以便影响物理过程，例如通过操控执行器。通信节点也属于网络节点，通信节点经常与至少两个另外的节点连接并且较少用于信号生成或信号处理，而是用于信号转换(例如按照特定的协议转换数据)或用于并行的数据流的串行化(路由器)等。
网络节点具有至少一个数据连接接口，网络节点通过数据连接接口借助数据连接与至少一个另外的网络节点物理地连接。各网络节点通过数据连接至少部分处于通信连接，其中，当一个通信连接通过多个网络节点运行时，该通信连接可以包括多个数据连接。并非每个节点都必须与任意其它节点强制性交换数据，即使这基于仿真网络的物理构造设计而在物理上是可能的。分布式实时仿真网络的网络节点——为简单起见也仅是节点——彼此间通常不会距离很远，而是可以例如甚至安装在仿真器的一个共同的壳体中。“分布式”在此指的是，网络节点通过数据连接交换信息并且这通常无法通过访问共同的存储器实行。因为实时仿真网络通常与现实的物理过程连接，所以实时能力是重要的特性。如果接下来部分地为简单起见只提到仿真网络，那么始终指的是实时仿真网络。
在仿真网络运行时，在至少一个网络节点上实施仿真应用。这通常在计算节点上发生，更确切地说在使用有实时能力的操作系统的情况下发生，因而可以实现闭环控制技术的采样系统(Abtastsystem)。数字的采样系统需要在一定的固定的时间网格内能够可靠地执行计算并且因此也完成计算。在高度动态的闭环控制中，例如可能需要在微秒内执行仿真应用的或者仿真应用的任务的、即部分功能的完整的计算步骤。为此，必须通过仿真网络的数据连接将相应的测量数据从I/O网络节点在微秒网格内传送到实施仿真应用的网络节点，并且相应地必须在这个时间网格内也计算实施仿真应用的网络节点的相应的调节参量并且将其传送给I/O网络节点。在网络节点上实施的仿真应用可以具有不同的任务，所述任务必须以不同的计算步长实施。
仿真应用在此指的是在网络节点上实施的算法。完全可以将一个闭环控制技术的总任务分配给多个网络节点以进行计算，因而多个这些计算网络节点中的每一个计算网络节点实施一个仿真应用，其中，不同的仿真应用然后一起形成了要达成的总功能。
在RCP应用情形中，通过实时仿真网络对要测试的控制装置进行仿真，其中，仿真网络然后与实际上要控制的过程处于连接，即通过I/O网络节点连接。在HIL仿真的情形下，用实时仿真网络对实践中已经开发的系列控制装置的环境进行仿真，其中，实时仿真网络然后又通过I/O计算节点与系列控制装置处于物理连接。因此在任何情况下，实时仿真网络通过特定的网络节点的I/O接口与真实的技术物理过程处于连接并且在运行中影响这个技术物理过程。
在实践中，所说明的这种实时仿真网络的设计方案是要求严格的，因为必须这样来选择数据连接和在所述仿真网络中实现的通信连接，使得实际上达到的数据传输率不会超过信道容量、即通信路径上最大能达到的数据传输率。很快会发生的是，通信总量在这种实时仿真网络中没有得到良好的平衡，特定的通信连接在其数据传输容量的极限范围内或者甚至也超过该极限范围地运行，而其它数据连接则很少得到充分利用。同样的说明也适用于延迟时间，延迟时间也称为延时(Latenz)并且在特定的通信连接上不得不接受所述延迟时间。在仿真网络设计不利时，通过特定的通信连接仅能实现很长的延时，而在其它通信连接上则可以实现很短的延时，因而在此也需要更好地分配数据流或更好地选择通信连接。所说明的实时仿真网络的设计需要相关的应用工程师有丰富的经验。目的是尽可能完全地充分利用仿真网络的现有的资源，因为闲置的硬件形式的未使用的资源可能与高昂的成本相关联。按照“试错法(Trial and Error)”原则重构仿真网络是不高效且易错的。
发明内容
因此本发明的任务是，说明一种用于重构用于控制装置开发的实时仿真网络的系统的且能计算机实现的方法，用该方法可以找出用于实时仿真网络的结构，在该结构中减少和尽量避免处于临界状态的通信连接。
解决之前导出的和阐明的任务的按本发明的方法的特征首先在于，检测仿真网络的拓扑，因而存在有关网络节点和在网络节点之间的数据连接的拓扑信息。该方法步骤用于准确地检测或者说获得预定的实时仿真网络的拓扑。
然后为仿真网络的网络节点确定节点数据率的预期值和/或节点延时的预期值。也为数据连接确定数据传输率的预期值。这些不同的预期值涉及有关可能出现的节点数据率、节点延时和/或数据连接上的数据传输率的假设。此外，确定在仿真网络的网络节点之间的通信连接。前述方法步骤能以不同的顺序实施。
现在为所确定的通信连接基于参与通信连接的网络节点和数据连接的节点数据率的预期值和/或节点延时的预期值和/或数据传输率的预期值确定通信连接数据率的预期值和/或通信连接延时的预期值。因为在仿真网络内的通信连接是网络节点之间的实际上使用的数据传输路径，通过所述数据传输路径进行通信，所以通信连接数据率和通信连接延时涉及仿真网络内真正值得关注的参量。
此外，为通信连接确定通信连接数据率的极限值和/或通信连接延时的极限值。为数据连接确定数据传输率的极限值。这些极限值涉及通信连接的数据率或延时的值和数据连接上的数据传输率的还被视作是可接受的值。数据传输率的极限值可以例如涉及信道容量、即通信连接的或通信连接的一部分的最大可能的数据传输率或者当特定的容量应当规划用于安全性时可以涉及容量的一定百分比。但当要求在不同的通信连接上的数据传输率应当仅以一定程度偏离彼此时，数据传输率的极限值也可以由数据传输率的预期值的比较得出或者从由此形成的平均值得出。对实现一般的发明构思而言，确定通信连接数据率的、通信连接延时的和数据传输率的不同的预期值和不同的极限值的具体方法并不是关键性的，关键性的是：首先—无论具体细节如何—确定预期值和极限值。
在随后的评估步骤中，以如下方式确定处于临界状态的通信连接，即，将所确定的通信连接数据率的预期值和/或通信连接延时的预期值和/或数据传输率的预期值与相关的通信连接的通信连接数据率的极限值和/或通信连接延时的极限值和/或数据传输率的极限值相比较。由在不同的通信连接上的预期值和对应的极限值的比较可以估算，哪些通信连接可以评估为处于临界状态的。所述评估通过数字的算法实行，数字的算法可以定义得非常简单但也可以定义得极为复杂。规则可以例如是，数据传输率的预期值与数据传输率的极限值的接近程度超过一定的份额、例如超过80％时导致通信连接被评估为是处于临界状态的。可以类似地对待延时，即，通信连接延时的预期值与相应的通信连接延时的极限值的接近程度超过一定的份额、例如超过80％时同样导致通信连接被评估为是处于临界状态的。
最后，在重构步骤中，这样来重构预定的仿真网络，使得减少处于临界状态的通信连接。重构仿真网络例如指的是，在通信的网络节点之间设置新的数据连接，必要时移除现有的数据连接，网络节点的功能被不同地分布，仿真应用转移到其它网络节点上或者仿真应用被划分并且分配到不同的网络节点上，汇集了多条通信路径的网络节点通过由仿真网络实现备选的通信路径等方式被减负。
也可以迭代地执行之前所说明的用于重构预定的分布式实时仿真网络的方法，以便这样逐步达到仿真网络的更好的和更为均匀的负荷程度。
随着所说明的方法的执行，可以尽可能高效地使用实时仿真网络的资源，因为可以部分地避免超尺度并且设法达到仿真网络的均匀的负荷程度。
重构可以视仿真网络的技术实现方案而定完全自动进行。当提供全网状结构作为实时仿真网络的初始状况，在初始状况中实际上每个网络节点均通过数据连接与任意其它网络节点连接，至少就此而言这在技术上总的来说是合理的时，例如可以特别简单地实现这一点。用数据连接将I/O网络节点彼此连接起来例如显得不那么有意义，而将计算网络节点全部相互连接起来却可以是有意义的。然后可以在执行所述方法的范畴内放弃实时仿真网络内的数据连接，因而在数据连接方面对仿真网络进行了疏减。例如在使用可以在能一次性编程的FPGA(现场可编程门阵列)中找到的熔丝或反熔丝技术时，这种重构可以是不可逆的。例如当使用能多次编程的结构、如能多次配置的FPGA时，重构也可以具有可逆的特征。
但也可以部分手动地进行重构，其中，重构信息完全由自动化的评估步骤产生。然后可以部分手动地进行重构，即移除数据连接、移置仿真应用、移置通信连接等。但应采取何种措施的具体指令则全自动地通过执行计算机实现的方法产生。在计算机实现的方法的实施例中尤其规定，为了减少在通信连接上的延时(在所述通信连接中在一个重构步骤之前历经在计算网络节点和I/O网络节点之间的一个或多个通信网络节点、如路由器)，通过所述方法这样预定重构步骤，使得在结束重构步骤后，存在有数量变少的通信网络节点(例如路由器)的数据连接或没有通信网络节点的数据连接。因此在两个最后提到的重构步骤的其中一个重构步骤后，在从I/O网络节点到其对应的计算网络节点的数据传输时，例如可以确认变小的或不存在的可以配属于一个或多个通信网络节点的传输延时。在所述方法的一种优选的设计方案中规定，通过调用在仿真网络的节点上实现的信息服务获取仿真网络的拓扑，所述信息服务在调用时返回有关它们与哪些节点直接连接的信息，特别是它们通过哪些数据连接与哪些节点直接连接的信息。这些信息服务可能是非常基本的并且将相应的连接信息返回给进行调用的位置。当每个网络节点已知它直接与哪个其它的网络节点连接时，可以毫无困难地明确确定实时仿真网络的拓扑。备选规定，通过读取带有预定的仿真网络的拓扑信息的文件获取仿真网络的拓扑。
在所述方法的一种有利的扩展设计方案中规定，在重构步骤中，以如下方式减少预定的仿真网络中的处于临界状态的通信连接，即，在预定的仿真网络中至少部分地在维持仿真网络的拓扑的情况下在功能上扩展和/或在功能上缩减网络节点，和/或在功能上扩展和/或在功能上缩减数据连接，和/或在网络节点之间不同地引导通信连接。网络节点的功能上的扩展或功能上的缩减可以例如通过如下方式达到，即，在网络节点之间不同地划分仿真应用。缩减网络节点的功能的另一种可能性可以是，例如降低应当用来传输信息的数据率。也可以例如降低要传输的值的分辨率，因而结果是减少了要转达的信息的字节长度。另一种可能性例如在于无损的数据压缩，其中，在此要考虑的是，这可能导致网络节点的更大的延时。可以通过如下方式达到数据连接的功能的扩展或缩减，即，使用具有不同的信道容量的其它的传输介质。
可以备选或附加地通过如下方式减少预定的仿真网络中的处于临界状态的通信连接，即，预定的仿真网络至少部分地在仿真网络改变的情况下扩展了至少一个附加的网络节点和扩展了至少一个附加的数据连接和/或减少了至少一个现有的网络节点并且减少了至少一个现有的数据连接。
所述方法的一种优选的扩展设计方案的特征在于，通过对所连接的网络节点的数据率求和获取数据连接的数据传输率的预期值。能以不同的方式获取所连接的网络节点的数据率，这在下文中还将加以阐释。
在所述方法的另一种优选的设计方案中规定，使用数据连接的信道容量作为数据连接的数据传输率的极限值，即用数据连接所能达到的最大的数据传输率。
接下来示出了用于设计迄今为止所说明的方法的三种变型方案，所述变型方案的区别在于确定网络节点的节点数据率的预期值和/或节点延时的预期值的方式和/或确定数据连接的数据传输率的预期值的方式。
按照第一种变型方案规定，基于仿真网络的网络节点的硬件规格确定仿真网络的网络节点的节点数据率的预期值和/或节点延时的预期值，特别是在没有考虑到相应的网络节点的仿真应用的情况下，特别是在没有考虑到相关的网络节点的可能的硬件参数化的情况下。为此仅能较为粗略地估计所述的预期值。特别是没有考虑到，用多少不同的任务和用怎样的采样时间来计算哪些仿真应用，用怎样的频率来采集数据和/或通过哪条信道来发送数据并且如何例如参数化I/O网络节点(采样率、分辨率)。因此这种确定预期值的变型方案适合在最坏情况下以如下方式确定仿真网络的网络节点的节点数据率的预期值和/或节点延时的预期值，即，将节点数据率和/或节点延时的最大值用于节点数据率的预期值和/或节点延时的预期值。任何情况下这均会使得了解实时仿真网络的设计即使在通常被认为极为不利的条件下是否有工作能力。
在之前所说明的方法的一种扩展设计方案中规定，由多个已知的、配置成有工作能力的实时仿真网络确定仿真网络的网络节点的实际节点数据率的平均值和/或节点延时的平均值并且将这些平均值选为仿真网络的网络节点的节点数据率的预期值和/或节点延时的预期值。在用于确定预期值的第一种变型方案的这种设计中，也没有使用特定于应用的信息，即涉及到具体预定的实时仿真网络的运行的信息，而是仅使用了有关仿真网络的硬件信息。但使用来自其它具有相同的网络节点的仿真网络的经验值。这需要存在有关配置成有工作能力的实时仿真网络的相应的信息。在所述计算机实现的方法的一种实施变型方案中例如规定，将包括非周期性任务的特定于应用的调用率和/或包括非周期性任务的特定于应用的处理持续时间的上述经验值用于确定一个/多个预期值。
按照用于确定仿真网络的网络节点的节点数据率的预期值和/或节点延时的预期值的第二种变型方案，在考虑到相应的网络节点的仿真应用的情况下、特别是在考虑到网络节点的可能的硬件参数化的情况下确定这些预期值。为了执行这种方法，不需要也实施仿真应用，重要的仅在于，了解仿真应用的和/或硬件参数化的相关参数。
因此在所述方法的一种有利的设计方案中规定，在考虑到周期性任务的计算步长和/或非周期性任务的假定的调用率和处理持续时间、任务中的所计算的和所发送的数据包的大小、I/O功能的配置、特别是所处理的I/O数据包的调用率和大小的情况下，确定网络节点的节点数据率的预期值和/或节点延时的预期值。
周期性任务是仿真应用内以特定的恒定不变的时间间隔、计算步长加以实施的功能。当在这种周期性任务的范畴内实施用于求解方程、甚至求解微分方程的数值方法时，这就例如是必需的。这种计算步长典型地处在毫秒的范围内，但在要求严格、非常动态化的任务中，计算步长也可以处在微秒范围内。虽然通过固定的时间网格运行周期性任务，但非周期性任务则通过若干影响触发，所述影响并没有处在能预见的时间网格内，而是例如通过其它影响触发。在实际的实现方案中，这种任务，即在仿真应用内的功能与中断关联并且然后按需正好经事件驱动或非周期性地实施。因为无法简单地预见调用这种非周期性任务有多频繁，所以在所述方法的这种设计方案中用假定的调用率进行工作。
同样要考虑到在实施周期性任务或非周期性任务时必要时发送的数据包有多大，因为这同样对之后所产生的数据传输率十分重要，所述数据传输率由网络节点引起并且因此可以通过数据连接以及因此也通过通信连接加以传输。实现为I/O网络节点的网络节点大多不执行能自由编程的仿真应用，而是执行由硬件的能力所确定的I/O功能、如模/数转换，但I/O功能也可以在一定的极限内参数化。I/O网络节点例如经常可以通过参数化预定，它们以哪种速率检测和/或输出数据并且以哪种数字分辨率执行，这会影响已处理的I/O数据包的大小。
用于确定预期值的所述第二种变型方案原则上要比用网络节点和数据连接的硬件规格的纯处理精确得多。但在此没有考虑到并且也可以不考虑在真实的仿真网络中通常出现的可能的延迟。例如可能发生在使用了同一个数据连接的不同的网络节点的数据传输之间的冲突。这可能导致，有意要由网络节点发送的数据包必须伴随一定的时间延迟地重新发出，从而产生延时，在纯理论的观察中，例如按照确定预期值的第二种变型方案并没有考虑到所述延时。
为了也考虑到这些效果，按照用于确定网络节点的节点数据率的预期值和/或节点延时的预期值和/或仿真网络的数据连接的数据传输率的预期值的第三种变型方案中规定，通过在仿真网络中的测量确定这些预期值。在一种优选的设计方案中，通过在仿真网络运行中的测量确定通信连接数据的预期值和/或通信连接延时的预期值，为此需要在测量期间在相应的网络节点上实施仿真应用。
按照一种优选的设计方案，为了测量通信连接延时的预期值而规定，为仿真网络的网络节点设置同步的时钟时间。每个进行发送的网络节点发出由该网络节点发送的带有发送时间戳的数据、即带有发送时间戳的数据包。通信连接中的最后进行接收的网络节点然后可以从所接收的数据或数据包的接收时间并且通过对发送时间戳的评估确定相应的通信连接的通信连接延时的预期值。因为这在仿真应用在所述网络节点上实施时发生，所以在仿真网络的真正运行时例如通过在通信连接上的冲突也考虑到了附加的时间延迟。
备选也能以如下方式测量通信连接延时的预期值，即，为仿真网络的所有的网络节点设置同步的时钟时间，并且在仿真网络的网络节点中实现回声功能。这种回声功能也以概念“Ping”在数据传输的领域内本身公知。然后以如下方式测量通信连接延时的预期值，即，通信连接的在仿真网络运行中进行接收的网络节点或进行发送的网络节点将回声请求发送给正好这个通信连接的在仿真网络的运行中相应地进行发送的网络节点或进行接收的网络节点，并且发送回声请求的网络节点在接收回声信号之后确定了回声循环时间并且由此确定了通信连接延时的预期值。这种测量尤其是可以在仿真网络在执行回声方法期间没有运行时，即在网络节点上没有实施仿真应用时进行施行。备选也可能的是，在执行回声方法期间运行仿真网络，即在网络节点上实施仿真应用。
在所述方法的一种优选的设计方案和之前所说明的方法的所有变型方案中规定，所述方法在计算机上实施，计算机通过数据连接与仿真网络连接，或者所述方法在仿真网络的构造成计算节点的网络节点上实施。
本文开头所提出的任务同样通过一种计算机程序产品解决，该计算机程序产品包括指令，指令在通过计算机实施程序时促使所述计算机实施按照前述说明的方法。所提出的任务同样通过一种能计算机读取的存储介质解决，该存储介质包括指令，指令在通过计算机实施程序时促使所述计算机实施之前所说明的方法。当在此提到计算机时，那么在此可以如已经在上文中阐释的那样涉及到通过数据连接与仿真网络连接的计算机(Rechner)，或者也可以涉及到仿真网络的构造成计算节点的网络节点。
附图说明
详细而言，现在存在多种可能性来设计和扩展设计按本发明的方法。为此一方面参考在权利要求1之后的那些权利要求，另一方面则参考结合附图对实施例的下列说明。图中：
图1是HIL仿真器的示意图，用该HIL仿真器实现实时仿真网络，其中，控制装置连接在该HIL仿真器上；
图2示意性地示出了带有不同的网络节点和带有多个数据连接的仿真网络；
图3是图2的仿真网络，该仿真网络按照用于重构仿真网络的方法的第一种变型方案加以检查和重构；
图4是用于重构按图3的仿真网络的方法的第一种变型方案的表格图；
图5是按图2的仿真网络，该仿真网络按照用于重构仿真网络的方法的第二种变型方案加以检查和重构；
图6是用于重构按图3的仿真网络的方法的第二种变型方案的表格图；
图7是按图2的仿真网络，该仿真网络按照用于重构仿真网络的方法的第三种变型方案加以检查和重构；并且
图8是用于重构按图7的仿真网络的方法的第三种变型方案的表格图。
具体实施方式
附图总体上说明了一种用于重构U预定的分布式实时仿真网络2的计算机实现的方法1，分布式实时仿真网络接下来也仅简称为“仿真网络”，其通常用于控制装置开发。
图1和2示出了开发控制装置时由现有技术公知的典型的状况。在图1中示出了硬件在环仿真器3，用其实现预定的分布式实时仿真网络2。仿真网络2的网络节点4在此还作为HIL仿真器3的插卡存在。网络节点4通过多个数据连接DV至少部分相互连接。为此，每个网络节点4具有至少一个数据连接接口，该数据连接接口用于连接数据连接DV。网络节点4通过数据连接DV至少部分处于通信连接KV。一条通信连接因此在仿真网络2内是一条路径，两个网络节点实际上通过该路径交换信息。在仿真网络2运行时，在至少一个所述网络节点4上实施仿真应用5。在所示实施例中，在此涉及技术数学的车辆模型。
网络节点4具有不同的功能。存在设计成计算网络节点RK的网络节点4。这些计算网络节点是小型计算机，实时操作系统在所述小型计算机上运行。其它的网络节点4实现了通信网络节点R。这些通信网络节点例如用于并行的数据流的串行化。其它的网络节点4又设计成I/O网络节点IO。用所述I/O网络节点能从外部的物理过程接受测量数据，或者可以由所述I/O网络节点输出影响外部的物理过程的信号。外部的物理过程在图1所示的实施例中由两个控制装置8给定。控制装置8在信号技术上与仿真网络2连接，这在图1中仅简略阐明。在仿真网络2运行时，仿真网络2与所连接的控制装置8交互。控制装置8在此借助HIL仿真器3检查它们的作用能力。按图1的实施例仅是示例性的，完全不同的设备技术上的结构也有可能。
在附图中，所示的仿真网络2的不同的部件用分别已经在上文中提到的通用缩写(例如DV、RK、R、IO等)和随后的数字(例如DV1、RK2、R1、IO3)标注。下文中，当仿真网络2的确切的元件并不重要时，仿真网络2的不同的网络节点4的标识符部分地以通用的方式使用。若指的是特殊的元件，即例如是在所示仿真网络中的特殊的计算节点，那么例如指的是计算节点RK2而不仅仅指的是任一计算节点RK。
在图2中更为准确地示出了仿真网络2，虽然图示也仅是示意性的。仿真网络2具有两个计算网络节点RK1、RK2，两个形式为路由器的通信网络节点R1、R2和五个I/O网络节点IO1、IO2、IO3、IO4、IO5。网络节点4总体通过多个数据连接DV、即数据连接DV0、DV1、...、DV8以特定的方式相互连接。并非每个网络节点4都与任意其它网络节点4连接，因此在网络节点4之间仅存在所选定的数据连接DV。
网络节点4根据用仿真网络2执行的具体的应用彼此通过特定的通信连接KV进行通信，在此为清楚起见仅示出了通信连接中的两个通信连接KV1、KV2。在图2所示的实施例中，I/O网络节点IO1通过通信网络节点R1将测量数据发送给计算网络节点RK1。I/O网络节点IO4同样通过通信网络节点R2将测量数据发送给计算网络节点RK2。通信连接KV因此是实际上形成在相互通信的网络节点4之间的通信连接，这些通信连接因此能利用多个数据连接DV。
在设计和实现这种仿真网络2时，必须非常谨慎地选择仿真网络2的结构，使得仿真网络2在运行中不会触到其功能极限。当数据连接DV由网络节点4总计以高的数据传输率加载，使得数据连接达到其信道容量时，例如就可能是这样的情形。当在网络节点4之间传输数据包时的延迟，即所谓的延时要比预期并且也是需要的延时更大时，那么也可能发生过载。
用在图3至8中示出的计算机实现的用于重构U预定的分布式实时仿真网络2的方法1能够系统性地重构预定的实时仿真网络2，使得自动识别和至少减少或甚至完全消除处于临界状态的通信连接。
在图3、5和7中分别示出了分别具有相同的部件、即相同的网络节点4和在网络节点4之间的相同的数据连接DV的仿真网络2。计算网络节点RK1、RK2分别设置用于实施仿真应用5。在计算网络节点RK1、RK2上的仿真应用5在功能上彼此不同并且共同实现了仿真网络2的总应用。
下列方法步骤在用于重构U分别示出的实时仿真网络2的方法1的在图3和4、图5和6以及图7和8中示出的三种不同的变型方案中是共同的。先分别检测仿真网络2的拓扑，使得存在有关网络节点4和在网络节点4之间的数据连接DV的拓扑信息。这分别在按图4、6和8的表格中示出，其中，分别完全地检测网络节点4。哪个网络节点4与哪个数据连接DV连接的信息，在此为清楚起见没有详细示出。在表格中至少检测计算网络节点RK1、RK2、通信网络节点R1、R2和I/O网络节点IO1、...、IO5。也分别检测所有的数据连接DV0至DV8。
然后为仿真网络2的网络节点RK、R、IO确定节点数据率的预期值E-KDR和节点延时的预期值E-KL。节点数据率在此是可以由相应的网络节点RK、R、IO产生、接收或转达的数据率。节点延时涉及时间延迟，网络节点RK、R、IO以所述延时延迟了数据包的发出、接收和转达。此外，为数据连接DV确定数据传输率的预期值E-DVDR。前述参量的预期值分别在所示出的表格的第二、第三和第四列中列举。
此外，确定在仿真网络的网络节点之间的通信连接KV，即数据路径，不同的网络节点4通过所述数据路径端对端通信。通信连接KV在图3、5和7中分别用虚线示出。在表格中并没有再次单独列举相应的仿真网络2的参与的元件，但通信连接KV本身分别在相应的表格的列中列出。
对于通信连接KV，基于参与相应的通信连接KV的网络节点4和数据连接DV的节点数据率的预期值E-KDR和/或基于节点延时的预期值E-KL和/或数据传输率的预期值E-DVDR，确定通信连接数据率的预期值E-KVDR和/或通信连接延时的预期值E-KVL。这些所确定的预期值被列举在通信连接KV的相应的列中。
对于通信连接KV，然后确定通信连接数据率的极限值G-KVDR和/或通信连接延时的极限值G-KVL，并且对于数据连接DV，确定数据传输率的极限值G-DVDR。这些极限值可以例如由参与仿真网络的设计的工程师预定。但这也可以涉及来自不同的预定的设计模式的预定值。在安全的设计模式中，例如可以预定较小的极限值，而在尽可能完全利用资源的设计模式中较大的极限值则也是能接受的。
详细而言，在此还不值得关注的是，不同的预期值和不同的极限值是如何具体确定或选择的，在此重要的首先是，总体上确定或选择或者预定这些值或这些值的选择。
在评估步骤BS中，然后以如下方式确定处于临界状态的通信连接，即，将所确定的通信连接数据率的预期值E-KVDR和/或通信连接延时的预期值E-KVL和/或数据传输率的预期值E-DVDR与通信连接数据率的极限值G-KVDR和/或通信连接延时的极限值G-KVL和/或相关的通信连接KV或相关的或所参与的数据连接DV的数据传输率的极限值G-DVDR相比较。通信连接数据率的极限值G-KVDR和通信连接延时的极限值G-KVL在表格中分别也在相应的通信连接KV的列中登记。
评估步骤BS的结果在表格中分别象征性地要么通过打钩标注(当评估步骤表明，所检查的通信连接KV是非处于临界状态的，即没有超过对应的预期值的极限值时)，要么通过闪电符号标注(当所检查的通信连接KV被证实是处于临界状态的，即预期值超过了对应的极限值)。若识别到处于临界状态的通信连接KV，那么也可以找出仿真网络2的参与处于临界状态的通信连接的部件，这在相应的表格中的写有BS的列中示出。
所示的三个方法变型方案的共同点同样在于，在重构步骤U中，这样重构预定的仿真网络2，使得减少、理想情况下全部消除处于临界状态的通信连接KV。相应的重构措施在表格中在写有U的列中或者在写有U1和U2的列中注明。
在已经阐释了用于重构U预定的分布式实时仿真网络2的方法1的不同的变型方案的共同的特征之后，接下来针对各个方法变型方案基本上仅还解释方法1的变型方案的特征部分的特征。
在图3和4中示出的方法1的特征在于，基于仿真网络2的网络节点RK、R、IO的硬件规格、特别是不考虑计算网络节点RK1、RK2的仿真应用5并且不考虑网络节点RK、R、IO的其它的硬件参数化，为仿真网络2的网络节点RK、R、IO确定节点数据率的预期值E-KDR和节点延时的预期值E-KL。因为不考虑计算网络节点RK1、RK2的仿真应用5和网络节点RK、R、IO的其它的硬件参数化，所以不知道在网络节点RK、R、IO之间存在哪些通信连接KV，因此假定了可能的合理的通信连接KV。在I/O网络节点IO之间的通信连接在此未被视作是合理的。因此产生了9个通信连接KV1、...、KV9，它们在图3中用虚线示出。
因为没有(能够)使用有关网络节点RK、R、IO的仿真应用5和可能的硬件参数化的信息，所以在此用节点数据率的和节点延时的最大值来确定相应的预期值。在通信连接KV中，通过对所连接的网络节点的数据传输率求和获取数据连接DV的数据传输率的预期值E-DVDR。I/O网络节点IO1、IO2和IO3在通信网络节点R1中汇集。在最为不利的情况下，所有的I/O网络节点IO1、IO2和IO3通过通信网络节点R1与计算网络节点RK1通信。因此针对数据连接DV1产生了作为I/O网络节点IO1、IO2和IO3的预期的节点数据率的和的1.4Gbps(“bps”接下来始终指的是“比特/秒”)的数据率预期值。如已经解释的那样，I/O网络节点IO1、IO2和IO3的节点数据率的预期值E-KDR是最大值。因此作为通信连接KV2的通信连接数据率的预期值E-KVDR同样得出了1.4Gbps的最大值。
所参与的数据连接的最小的信道容量被用作是通信连接KV2的通信连接数据率的极限值G-KVDR。因为所有参与的数据连接具有1.2Gbps的信道容量，所以这也是通信连接KV2的通信连接数据传输率的极限值。相应地选择数据连接DV0至DV8的数据传输率的极限值G-DVDR，它们因此对应相应的信道容量。
在评估步骤BS中要求，通信连接数据率的预期值E-KVDR不应超过通信连接数据率的极限值G-KVDR。通信连接KV2并不满足这个条件。此外，在表格清单中为清楚起见被省略了的另外的通信连接也没有满足这个条件。通过所参与的数据连接的数据传输率的预期值E-DVDR与所参与的数据连接的数据传输率的极限值G-DVDR的比较可知，将通信连接KV2划为临界分级的原因是数据连接DV1。在此，用于消除处于临界状态的通信连接KV2的重构步骤U1在于，以如下方式从功能上扩展数据连接DV1，即，使所述数据连接被具有为两倍多的信道容量的、2.5Gbps的信道容量的数据连接所替代，在此并未对此作详细阐释。
作为第二种重构措施U2建议，减少I/O网络节点IO2和IO3的功能，即通过将最大允许的数据率限流到各400Mbps。这种措施也不需要改变在图3中示出的仿真网络2的拓扑。
在图5和6中示出了用于重构预定的分布式实时仿真网络2的方法1的第二种变型方案。所述方法1的这个第二种变型方案的特征在于，在考虑到相应的网络节点的仿真应用5并且也在考虑到网络节点RK、R、IO的可能的硬件参数化的情况下确定仿真网络2的网络节点RK、R、IO的节点数据率的预期值E-KDR和/或节点延时的预期值E-KL。对这些信息的考虑使得能准确得多地估算不同的预期值，因为现在存在有关数据的产生率并且因此有关在数据连接DV上的数据总量的依据。因此同时也已知谁是数据包的发送方和接收方，从而也可以精确地确定通信连接KV。
按图5的仿真网络在结构上与按图3的仿真网络一致，但基于不同的处理方式，在按图4的表格式概览中的和在按图6的表格式概览中的数据非常不一样。一部分也作了不同的规定，因而没法简单地比较实施例。因此分别可以单独查看实施例。拓扑信息6基本上与之前所叙述的实施例类似。但存在少得多的通信连接KV，即总体上仅6个通信连接KV1至KV6。在表格式概览中，通信连接KV4出于空间原因没有示出。
在考虑到仿真应用5时尤其规定，在考虑到周期性任务的计算步长TS和非周期性任务的假定的调用率和处理持续时间的情况下确定节点数据率的预期值E-KDR和/或节点延时的预期值E-KL。也考虑到了在仿真应用5的任务中的所计算和所发送的数据包的大小、I/O网络节点IO的I/O功能的配置和经处理的I/O数据包的调用率和大小。结果是可以确认，产生了节点数据率的小得多的预期值E-KDR并且也产生了数据连接数据率的小得多的预期值E-DVDR，因为相关的网络节点RK、R、IO在它们的功能上实际上没有得到充分利用。类似地确定数据连接DV的数据传输率的预期值E-DVDR，如借助图3和4说明的那样，即通过观察节点数据率的预期值E-KDR，所参与的网络节点4以所述预期值馈入到所参与的数据连接DV中。同样通过所参与的网络节点4的延时的求和确定通信连接延时的预期值E-KVDR。
基于这样确定的数据，确定了处于临界状态的通信连接KV3。在此，通信连接数据率的预期值E-KVDR略大于通信连接数据率的对应的极限值G-KVDR。作为在此提供的、必要时也自动实现的解决可能性的是，以如下方式将I/O网络节点IO2和IO3的节点数据率分别降低了25％，即，将由I/O网络节点执行的模/数转换设置到更小的分辨率，即从16Bit设置到12Bit(参看在列U1中的相应的条目)。这种措施没有引起仿真网络2的拓扑中的结构性变化。
针对重构U2的其它建议是，I/O网络节点IO3不是通过通信网络节点R1与计算网络节点RK2连接，而是更确切地说通过分派的数据连接DV6与之连接，数据连接DV6将I/O网络节点IO3与通信网络节点R2连接起来。由此在数据连接DV3上产生的附加的数据传输率不会导致数据连接DV3的未经允许的充分利用，那么还远未达到相应的通信连接数据率的极限值G-KVDR。
在图7和8中示出了用于重构U预定的分布式实时仿真网络2的计算机实现的方法1的另外的第三种变型方案。在图7中示出的仿真网络2实际上完全对应在图5中示出的仿真网络2，包括在计算网络节点RK1、RK2上实施的仿真应用5在内。但在此还额外示出了计算机7，方法1通过编程技术在该计算机上实现。计算机7通过数据连接DVR与仿真网络2连接。在图3和5所示的仿真网络2中，所述方法1也可以在如图7所示的计算机7上实施。计算机7在其它附图中并未示出，以免不必要地使图示复杂化。
所述方法1的在图7和8中讨论的变型方案的特征在于，通过在仿真网络2中的测量来确定网络节点RK、R、IO的节点数据率的预期值E-KDR和节点延时的预期值E-KL。数据连接的数据传输率的预期值E-DVDR通过计算由之前所述的预期值(如已经在前文中阐释的那样)确定，但其因此也基于所执行的测量。
在当前情况下，测量在仿真网络2运行时执行。这样做的优点是，也考虑到了诸如在数据连接DV或通信连接KV上的数据冲突或者说数据碰撞之类的效应，它们总体上导致了数据传送的延迟并且也导致了更高的数据总量，因为可能必须多次发送数据包。由此获得了对充分利用仿真网络2的特别实际的估计。
也通过测量、在当前通过在仿真网络2的运行中的测量来确定通信连接数据率的预期值E-KVDR和通信连接延时的预期值E-KVL。对通信连接的预期值的测量在图8的表格中可以由此看到，即，有关通信连接KV的预期值不是始终由所参与的节点的预期值求和得出。
在当前出于已经提到的原因是在仿真网络2运行期间，即在计算网络节点RK1、RK2上实施仿真应用时，以如下方式测量通信连接延时的预期值E-KVL，即，为仿真网络2的所有的网络节点RK、R、IO设置同步的时间，每个进行发送的网络节点RK、R、IO为由所述网络节点发送的数据或数据包设定发送时间戳并且最后进行接收的网络节点RK、R从由其确定的接收时间并且通过评估所述发送时间戳来计算相应的通信连接KV2的通信连接延时的预期值E-KVL。在当前情况下，在按图5的所确定的预期值和按图7的所测得的预期值之间的偏差较小，因而确定了也可以用同样的措施消除同样的处于临界状态的通信连接KV。
为了测量通信连接数据率的预期值E-KVDR，通信网络节点R1、R2分别配备有观察应用，观察应用统计地检测数据流量并且然后将用于评估的相应的信息发送给计算机7，在那里通过评估统计数据来确定相应的预期值。这种解决方案的优点在于，不需要附加的基础设施，但要考虑到，观察应用的实施方案视实现的方式的不同而可能对实时数据传输产生影响，虽然是很小的影响。
附图标记列表
1 方法
2 实时仿真网络
3 HIL仿真器
4 网络节点
5 仿真应用
6 拓扑信息
7 计算机
8 控制装置
RK 计算网络节点
R 通信网络节点，路由器
IO I/O网络节点
DV 在网络节点之间的数据连接
DVR 在计算机和仿真网络之间的数据连接
KV 通信连接
E-KDR 节点数据率的预期值
E-KL 节点延时的预期值
E-DVDR 数据连接的数据传输率的预期值
G-DVDR 数据连接的数据传输率的极限值
E-KVDR 通信连接数据传输率的预期值
G-KVDR 通信连接数据传输率的极限值
E-KVL 通信连接延时的预期值
G-KVL 通信连接延时的极限值
TS 周期性任务的计算步长