数据定义：数字化控制系统技术分析-2

三、异步时钟是数字化控制系统的心要素

一个系统的时钟系统是核心支撑构件，在现行的系统中，时钟会表现出多种形态，可能是一个虚拟逻辑时钟，也可能是是一个绝对时钟，但更多的时钟是绝对时钟，我们在研究后称其为“被动时钟”。

从上篇文章的示例中，从一个最小化单机控制系统来看，传感器、执行器、算力设备、功能模块等，都有自身的本地相对时钟LRC、本地步进时钟（调度时钟）LSC，以及因当系统功能需求有数据存储时的全局绝对时钟GAC或全局相对时钟GLC。让系统能够良好运行，如上电启动次序、启动速度等，则会形成不同功能需求形成多形态时钟为异步时钟域系统，即本地相对时钟和本地步进时钟不同。

单平台复杂系统由于多算力设备、多执行设备与单机系统相同，只是时钟域更多。群协同系统中，每个单平台有独立的互联模型，这些互联模型在群中构成异步时钟域系统。也就是说，从单机微观环境直到群协同互联宏观环境的本质都是异步时钟域系统：

图6 异步时钟域系统

在分布式系统中，时钟系统的处理与机制是一个难点，传统做法是将全局绝对时间通过网络平台使所有分布式节点的绝对时钟达到一致，采取是“主从式”来实现。

随着系统同步精度要求越来越高、同步周期要求越来越短，这样对网络设备、计算设备的硬件要求也就越高，随之的时钟同步协议如GNSS、NTP、PTP（IEEE1588）、gPTP(TSN)等，以及协议 间解耦要求也成为一个必要解总问题。

全局绝对时钟的同步对准并不能改变分布式系统的异步时钟特性。

在数字化控制系统中，传感器特别是音视频、雷达等设备往往是主动式周期采集设备，上电启动后按自身的循环周期主动向算力设备发送数据，接口模型一般会被动与这些传感器同步以保证及时接收数据，接口模型与任务功能模型的运行仍然是异步时钟域，要么频率不同，要么相位不同：

图7 绝对时钟同步不能改变异步时钟域特性

数字化分布式控制系统在同一个调度周期内各个功能模块对网络数据的顺序（时刻值的先后顺序）和网络数据的内容有一致性的刚性需求，传统设计中通过全局时钟同步对准来标识这些数据的“生产时间”，然后在分布式节点中进行数据排序来保证因果逻辑关系的正确性。

但是，“生产时间”仅体现了确定性的很少部分，确定性还需要数据的正确的发送时间确定性和正确的“消费时间”确定性，网络确定性影响反而是很小的：

1、发送时间的不确定性：数据在网络中的传输过程中，由于同台算力设备中多功能模型发送数据时存在并发竞争、算力设备之间通过交换网络或总线发送数据时也存在并发竞争，交换设备在链路竞争过程中的数据协同管控策略（队列调度算法、存储延迟发送）、存储不足时的数据管控策略（丢包或阻塞）均会导致发送时间不确定性；

2、数据使用的不确定性：在系统设计时，通信丢包可以通过优化应用系统的处理过程或选用更高带宽的网络来保证，这种影响并不是最严重的。即使通信平台保证了数据一致性和延迟的确定性，通信软件也及时接收到数据并存储，但功能模型由于其使用数据à计算处理à发送数据的循环过程中由于计算占用时间过长，出现“数据过热”，或由于这个循环周期过快还没有新的数据到来出现“数据过冷”而使用了上一次的数据，这个过程一般都是几毫秒甚至几百毫秒（一般机载实时系统在5毫秒到10毫秒，车载实时系统在10毫秒到20毫秒），与其它模块在协同计算的过程中导致“因果关系”的逻辑错误；

3、数据传输延迟不确定性：一般来说，在系统网络拓扑结构固定的情况下，数据交换设备的线路延迟和板载延迟是相对固定的，交换网络的延迟不确定性主要是由于交换设备在多端口链路竞争时的队列调度的先后顺序。但这些影响不是最严重的，如千兆以太网情况下，这些延迟一般都在几微秒到几十微秒。影响最大的是功能模型本身对发送的数据质量保证过程，当出错重发或被阻塞时等待发送，这些延迟都是几毫秒到几百毫秒，并且这些延迟还与操作系统密切相关；

4、数据一致性难以保证：当代数字化控制系统由于“智能化、无人化”的需求，一对多、多对一、多对多通信几乎已经是刚性需求。当代控制网络的交换设备扇出机制、汇聚机制、片上存储数量会导致内部处理时的数据包顺序发生改变、丢包等，使各个分布式节点接收数据包的顺序不一致、数据内容不一致。

因此，异步时钟域的分布式系统中，确定性、一致性不仅与网络硬件的特性相关，还与应用层系统协同调度策略、数据使用策略、数据可靠性保证策略、数据排队策略等相关，而应用层系统功能的运行往往都是在毫秒级，相对于网络硬件微秒级的处理过程，数据确定性与一致性更大程度依赖于应用系统的数据协同管控和队列调度算法。

由此可见，即使把物理网络的时间确定性、数据一致性做到极致，在该网络平台上设计的控制系统也难以保证确定性与一致性。要真正实现确定性、一致性的数字化控制系统，需要统一的不是网络协议而是统一的调度协同和数据管控协同机制。

四、以“平台”视角下的新一代分布式时钟模型

新一代分布式控制系统应以系统应用层功能模型的“步进周期”进行“宏观同步”而非绝对时钟的微观同步，以“平台”的视角来看待通信网络，则网络平台具有唯一性，是承担时钟同步的最佳选择，以网络平台的单一“逻辑时钟”和网络平台的单一“步进时钟”来触发所有功能模型的运行，能够使应用层功能模型之间形成对等分布式网络节点，消除“中心与服务”，极大简化应用层系统设计难度与复杂度：

图8 带时钟管理的新型异构互联网络平台

单平台内部的部份主动式传感器/执行器本身具有异步性，而群协同的各个单平台也具有异步性，通信网络平台只需要在软件设计时加入先入先出数据队列管理，配合进程锁或线程锁就能实现平台内数据同步，并且不影响数据的一致性和确定性：

图9 跨领域通用新型通信中间件：时钟管理和通信管理

新一代的数字化控制系统，应将当代通信中间件或域控中间件技术推进到全局逻辑时钟管理、步进时钟管理、数据协同管控等数据管理功能，形成新一代的中间支撑平台才能真正解决异步时钟域带来的复杂性和不确定性。