하드웨어인더루프 시뮬레이션을 위한 모델 기반 스케줄링 알고리즘

초록

본 논문은 강성 미분방정식 시스템의 각 위상 변수를 실시간으로 계산하기 위한 고정 우선순위 선점형 주기 작업 스케줄링 문제를 정의하고, 활용 가능한 CPU 이용률을 최소화하도록 변형된 Branch‑and‑Bound 알고리즘을 제안한다. 제안 알고리즘은 작업을 EDF 원칙에 따라 블록으로 분할하고, 사이클릭 스케줄을 사전에 생성하여 하드웨어‑인‑더‑루프(HIL) 시뮬레이션의 실시간 요구를 만족한다. 실험적으로 작업장 문제에 적용한 결과, 기존 방법 대비 스케줄링 효율과 응답 시간이 크게 개선됨을 확인하였다.

상세 분석

논문은 먼저 HIL 시뮬레이션이 요구하는 실시간성, 높은 정확도, 다양한 주파수 대역을 강조하며, 이러한 환경에서 강성 ODE 시스템은 서로 다른 시간 상수와 급격한 변화율을 가진 다수의 위상 변수를 동시에 계산해야 하는 어려움을 제시한다. 이를 해결하기 위해 저자는 주기적 작업을 고정 우선순위 선점형 스케줄링으로 모델링하고, 각 작업을 최악 실행 시간(C_i)과 마감시간(D_i)으로 정의한다. 기존의 정적 사이클링 스케줄(SCS), EDF, RMS 등은 각각 장단점이 있지만, 특히 HIL 환경에서는 작업 간 선점과 컨텍스트 스위치 비용을 최소화하면서도 마감시간을 엄격히 지켜야 하는 요구가 있다. 저자는 이러한 요구를 반영해 EDF 기반의 동적 블록 분할 방식을 채택한다. 높은 주파수 작업은 하나의 블록으로 유지하고, 낮은 주파수 작업은 여러 블록으로 나누어 각 사이클에 배치함으로써 전체 이용률을 최적화한다. 핵심 최적화는 변형된 Branch‑and‑Bound(B&B) 알고리즘에 의해 수행되는데, 여기서는 이용률 함수 U = Σ(C_i/D_i) 를 최소화하는 동시에 모든 마감시간을 만족하는 스케줄을 탐색한다. 탐색 과정에서 작업 간 선점 가능성을 고려한 제약조건을 추가하고, 정수형 실행 시간 가정 하에 탐색 공간을 효율적으로 축소한다. 실험에서는 작업장(Job‑Shop) 문제를 모델링하여 제안 알고리즘이 기존 EDF나 RMS 대비 스케줄 길이와 컨텍스트 스위치 횟수를 현저히 감소시킴을 보였다. 결과적으로 제안된 모델 기반 스케줄링은 HIL 시뮬레이션에서 요구되는 실시간성, 정확도, 그리고 자원 효율성을 동시에 만족시키는 실용적인 해결책으로 평가된다.