邊云協(xié)同助力環(huán)境探測服務(wù)的智能化演進(jìn)

1 背景

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人民群眾及各行各業(yè)對于環(huán)境的關(guān)注程度也日益增加。例如我國居民已經(jīng)形成持續(xù)關(guān)注居住區(qū)域空氣中PM2.5指標(biāo)的習(xí)慣；又如在消費(fèi)者和水產(chǎn)養(yǎng)殖者的評價標(biāo)準(zhǔn)中，水體水質(zhì)已經(jīng)成為影響水產(chǎn)品價格的重要依據(jù)。

社會大眾對環(huán)境指標(biāo)關(guān)注度的持續(xù)增加，促使高新技術(shù)在該細(xì)分領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的同時，也引導(dǎo)著環(huán)境監(jiān)測服務(wù)不斷地更新完善自身的服務(wù)內(nèi)容和服務(wù)方式，向著更為智能化的方向演進(jìn)。

通信運(yùn)營商應(yīng)關(guān)注該行業(yè)智能化演進(jìn)的這一契機(jī)，分析該行業(yè)智能化演進(jìn)的特點(diǎn)，制定貼合客戶需求的解決方案。

2 環(huán)境監(jiān)測服務(wù)的“智能”演進(jìn)特點(diǎn)

在眾多新技術(shù)發(fā)展的帶動下，環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的功能和性能變得更為先進(jìn)，承載各種“智能”環(huán)境監(jiān)測任務(wù)的基礎(chǔ)條件不斷提升。

首先，儀表終端具備更強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集和處理能力，精度和采集范圍都大大增加。除監(jiān)測環(huán)境指標(biāo)外，還具備保存監(jiān)測過程的記錄數(shù)據(jù)，如每個測量點(diǎn)經(jīng)緯度/陀螺儀姿態(tài)/現(xiàn)場照片或視頻等。儀表終端的計(jì)算/存儲/網(wǎng)絡(luò)也均得到快速提高，可對原始傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，例如原始數(shù)據(jù)校正/數(shù)據(jù)打包發(fā)送/指令解析等。同時，儀表終端可裝備更先進(jìn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具備更強(qiáng)和更靈活的“活動能力”，執(zhí)行復(fù)雜的探測行為。例如，無人船上的儀表可依次移動到目標(biāo)河道的多個指定位置進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)測量，全面地收集目標(biāo)水體的環(huán)境特性。

環(huán)境監(jiān)測設(shè)備“智能”水平提高的同時，社會大眾對環(huán)境監(jiān)測服務(wù)的“智能”需求也在增加。環(huán)境監(jiān)測服務(wù)需要更多考慮如何“智能”地將包羅萬象的環(huán)境監(jiān)測結(jié)果及時、準(zhǔn)確地傳遞給不同受眾（上級單位/執(zhí)法部門/社會大眾等）。負(fù)責(zé)環(huán)境監(jiān)測信息發(fā)布主機(jī)，需要承載更大計(jì)算量和更復(fù)雜業(yè)務(wù)邏輯。例如將專業(yè)性很強(qiáng)的原始結(jié)果轉(zhuǎn)換成易理解的報告，如圖表，評估、說明等；分析用戶的疑問（門戶或公眾號留言），智能地反饋歷史相關(guān)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行答復(fù)；根據(jù)當(dāng)前大眾的焦點(diǎn)述求，“智能地”調(diào)整環(huán)境監(jiān)測活動的策略和編排。

在設(shè)備能力和功能需求中“智能”元素快速增長的背景下，環(huán)境監(jiān)測行業(yè)將面對采用何種適當(dāng)?shù)募夹g(shù)和框架建設(shè)部署自身系統(tǒng)的課題。通信運(yùn)營商以邊云協(xié)同技術(shù)作為行業(yè)解決方案的新切入點(diǎn)，有助于幫助客戶整合行業(yè)內(nèi)的“智能化”能力和需求，可以獲得更好的效果。

3 邊云協(xié)同助力環(huán)境監(jiān)測服務(wù)的智能化演進(jìn)

環(huán)境監(jiān)測作為一種典型的云-管-端架構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，終端負(fù)責(zé)采集上報測量環(huán)境數(shù)據(jù)，云端中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)統(tǒng)一匯總處理，并面向外部發(fā)布。監(jiān)測活動的增加，伴隨著服務(wù)中“智能”相關(guān)的能力和需求的增長，大量海量數(shù)據(jù)或計(jì)算任務(wù)可能堆積某一環(huán)節(jié)，給整體系統(tǒng)帶來的瓶頸和故障風(fēng)險。如何將不斷增加的數(shù)據(jù)流量和計(jì)算壓力合理分配到系統(tǒng)的不同節(jié)點(diǎn)上，已成為提升行業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵研究課題。

邊云協(xié)同通過將計(jì)算任務(wù)分散在邊緣節(jié)點(diǎn)和云端節(jié)點(diǎn)，同時保持兩者緊密協(xié)同聯(lián)動，使整體系統(tǒng)能更好應(yīng)對需求的增長和復(fù)雜化，讓數(shù)據(jù)和計(jì)算釋放更大的信息價值。邊云協(xié)同技術(shù)可以幫助構(gòu)建良好的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)整體架構(gòu)，減少網(wǎng)絡(luò)傳輸、云端中心節(jié)點(diǎn)對整體系統(tǒng)功能的制約，有利于加快服務(wù)的智能化演進(jìn)。以下是兩個典型場景。

場景一：邊緣節(jié)點(diǎn)分散監(jiān)測活動期間突增的業(yè)務(wù)壓力對網(wǎng)絡(luò)和中心節(jié)點(diǎn)的沖擊。

環(huán)境監(jiān)測活動，特別是可移動的終端執(zhí)行的環(huán)境監(jiān)測活動，有可能在測量時間段內(nèi)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。例如超聲回波水深儀表在一個測量點(diǎn)需采集接近100 kbytes的回波數(shù)據(jù)，儀表隔若干秒采集一次，會形成可觀的數(shù)據(jù)流量；如監(jiān)測活動中同時要拍照/視頻上傳，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)則更為巨大。多個儀表終端同時在不同地區(qū)開展監(jiān)測，數(shù)據(jù)上傳云端中心節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一計(jì)算分析，對傳輸管道和云端中心節(jié)點(diǎn)會形成明顯的處理壓力。原始數(shù)據(jù)由終端分析計(jì)算后上傳，雖然可減少管道和云端節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷，但由于計(jì)算過程復(fù)雜，必然會占用終端的計(jì)算資源和耗電，導(dǎo)致終端設(shè)備成本上升。

可利用邊云協(xié)同技術(shù)將數(shù)據(jù)處理任務(wù)分散到終端、邊緣、云端等不同環(huán)節(jié)。前文的例子中，儀表終端采集數(shù)據(jù)后，可僅按照協(xié)議完成數(shù)據(jù)打包發(fā)送；原始數(shù)據(jù)上傳至邊緣節(jié)點(diǎn)完成從超聲回波到水深的計(jì)算，同時完成對照片/視頻的識別和處理。原始數(shù)據(jù)經(jīng)邊緣節(jié)點(diǎn)處理后，數(shù)據(jù)量大大降低（一個測量點(diǎn)上報僅幾個數(shù)值，圖像提取特征后大小也會降低，無價值的圖片或視頻也會被丟棄），由邊緣節(jié)點(diǎn)上傳云端中心節(jié)點(diǎn)做后期處理。經(jīng)邊緣節(jié)點(diǎn)分擔(dān)計(jì)算壓力后，云端中心節(jié)點(diǎn)僅需要處理經(jīng)邊緣節(jié)點(diǎn)處理過的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量大大降低，也無需實(shí)時處理響應(yīng)。中心節(jié)點(diǎn)可以分配更多計(jì)算資源處理監(jiān)測圖表繪制、全局性監(jiān)測結(jié)果分析、長周期的歷史統(tǒng)計(jì)信息挖掘、監(jiān)測任務(wù)編排，并可專注于實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息地智能發(fā)布功能，包括引入更復(fù)雜的算法分析公眾的關(guān)注點(diǎn)，用戶語義分析等。

場景二：云端中心節(jié)點(diǎn)編排監(jiān)測策略，邊緣節(jié)點(diǎn)實(shí)時控制儀表終端完成監(jiān)測活動。

儀表終端工作期間，可能需要實(shí)時接收服務(wù)器（上位機(jī)）下發(fā)的指令。終端和服務(wù)器之間良好的指令交互，可以讓監(jiān)測行為更為智能。例如發(fā)現(xiàn)某個區(qū)域的環(huán)境指標(biāo)變化異常，實(shí)時下發(fā)指令控制儀表終端重復(fù)采集多次樣本，避免誤差；或者發(fā)現(xiàn)目標(biāo)環(huán)境內(nèi)天氣將要突變，指示儀表終端提早結(jié)束監(jiān)測，避免設(shè)備損壞。

簡單采用云-管-端架構(gòu)處理終端和服務(wù)器之間的指令交互，由云端中心節(jié)點(diǎn)直接向終端下發(fā)指令進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，指令數(shù)據(jù)將經(jīng)過較長的網(wǎng)絡(luò)鏈條才能到達(dá)終端，帶來時延問題的同時，還有可能因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)丟包導(dǎo)致的指令丟失，使得測量結(jié)果質(zhì)量下降，甚至帶來終端硬件的損傷。

可在距儀表終端網(wǎng)絡(luò)鏈條短，時延低、連接穩(wěn)定的邊緣節(jié)點(diǎn)，而非云端中心節(jié)點(diǎn)，實(shí)時控制儀表設(shè)備行為，保證終端每一個請求都能快速得到響應(yīng)。云端中心節(jié)點(diǎn)則主要負(fù)責(zé)分析內(nèi)外部因素，智能地設(shè)計(jì)各項(xiàng)具體監(jiān)測活動的執(zhí)行策略，例如，基于當(dāng)前的社會焦點(diǎn)考慮，策略中劃定某個區(qū)域?yàn)楸O(jiān)測活動的重點(diǎn)區(qū)域，要求該區(qū)域采集的數(shù)據(jù)密度應(yīng)達(dá)到某個標(biāo)準(zhǔn)等。云端中心節(jié)點(diǎn)生成監(jiān)測活動策略同時，翻譯成儀表終端的指令集，下發(fā)給邊緣節(jié)點(diǎn)控制儀表終端的行為。

以上的兩個業(yè)務(wù)場景中，通過儀表終端-邊緣節(jié)點(diǎn)-云端中心節(jié)點(diǎn)的協(xié)同聯(lián)動，分散計(jì)算處理壓力的同時，有利于各種智能化服務(wù)功能的運(yùn)行和處理。

4 通信運(yùn)營商邊云協(xié)同方案的優(yōu)勢

從上文分析可以得出，邊云協(xié)同方案在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的落地，保證終端流量的高速接入和智能路由，邊緣節(jié)點(diǎn)足夠貼近終端，中心和邊緣界限明確是其中幾個關(guān)鍵問題。相比其他的解決方案提供商，通信運(yùn)營商在網(wǎng)絡(luò)覆蓋、業(yè)務(wù)經(jīng)營范圍等方面擁有更為良好的條件，邊云協(xié)同方案可更好地解決上述幾個問題。

（1）廣泛覆蓋4G/5G移動網(wǎng)絡(luò)滿足儀表終端高速無線接入，省卻客戶接入網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。數(shù)據(jù)經(jīng)無線基站匯聚至所在區(qū)域的通信機(jī)房后，可以在匯聚點(diǎn)配置專門的路由，快速地轉(zhuǎn)發(fā)至邊緣節(jié)點(diǎn)。

（2）邊緣節(jié)點(diǎn)可以部署在通信運(yùn)營商地市、區(qū)縣甚至接入側(cè)不同層面的核心網(wǎng)，減少與終端之間經(jīng)過的網(wǎng)元設(shè)備。下沉程度最高的邊緣節(jié)點(diǎn)與終端之間，可能僅有接入層網(wǎng)關(guān)、基站等少數(shù)幾個設(shè)備，精簡的網(wǎng)絡(luò)路徑可充分保證與終端之間的高質(zhì)量信息交互。

（3）環(huán)境監(jiān)測活動的時間和地域范圍都是可以事前確定的，與通信運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)分級分區(qū)的建設(shè)特點(diǎn)十分契合。計(jì)算任務(wù)在云端中心節(jié)點(diǎn)和邊緣節(jié)點(diǎn)的部署實(shí)施、調(diào)度更為清晰明確。

如下是一個通信運(yùn)營商邊云協(xié)同方案建成后，開展客戶監(jiān)測活動過程的簡化例子。

（1）環(huán)境管理部門向通信運(yùn)營商提供儀表終端數(shù)據(jù)處理和指令控制的功能模塊鏡像，或者提供拉取鏡像的地址（如從云端中心節(jié)點(diǎn)拉?。?。

（2）環(huán)境管理部門計(jì)劃在A區(qū)域開展環(huán)境監(jiān)測活動，時間和A區(qū)域的地理信息同步給通信運(yùn)營商（人工方式，或者由云端中心節(jié)點(diǎn)調(diào)用邊緣計(jì)算的服務(wù)接口自動完成）

（3）通信運(yùn)營商的邊緣計(jì)算服務(wù)根據(jù)A區(qū)域以及自身無線基站覆蓋地圖，找出A區(qū)域無線基站數(shù)據(jù)流量的匯聚點(diǎn)，確定需要加入調(diào)度的邊緣節(jié)點(diǎn)。

（4）監(jiān)測活動開始期間，通信運(yùn)營商調(diào)度的邊緣節(jié)點(diǎn)從云端中心節(jié)點(diǎn)拉取鏡像加載運(yùn)行（docker容器，kubernetes的pod等），邊緣節(jié)點(diǎn)從中心節(jié)點(diǎn)獲取監(jiān)測任務(wù)相關(guān)的信息。

（5）通信運(yùn)營商核心網(wǎng)識別區(qū)域A基站匯聚的數(shù)據(jù)流量，發(fā)現(xiàn)是環(huán)境監(jiān)測相關(guān)的就近轉(zhuǎn)至邊緣節(jié)點(diǎn)處理，邊緣節(jié)點(diǎn)處理后，信息可通過互聯(lián)網(wǎng)上報云端中心節(jié)點(diǎn)。

（6）監(jiān)測活動結(jié)束后，邊緣節(jié)點(diǎn)按照事前商定的策略自動移除相應(yīng)的計(jì)算模塊。

該例子中，邊緣節(jié)點(diǎn)的計(jì)算服務(wù)完全是終端無感知，自動加載運(yùn)行，十分靈活。

為了便于推廣，通信運(yùn)營商可以按照計(jì)算服務(wù)實(shí)際使用時間+發(fā)生的數(shù)據(jù)量向客戶收取費(fèi)用的模式，客戶無需長期租用計(jì)算服務(wù)；同時邊緣節(jié)點(diǎn)計(jì)算資源的占用量由區(qū)域A和監(jiān)測活動時間確定，可精確控制總體資源占用情況和費(fèi)用。

5 總結(jié)

邊緣計(jì)算是云計(jì)算技術(shù)發(fā)展的新階段，是解決“最后一公里”云原生應(yīng)用供應(yīng)問題的有效技術(shù)。邊云協(xié)同通過將不同的計(jì)算任務(wù)，分布部署到邊緣節(jié)點(diǎn)和云端中心節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)提升系統(tǒng)整體性能的目標(biāo)。通信運(yùn)營商發(fā)揮在無線、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算資源上的差異化優(yōu)勢，可為環(huán)境監(jiān)測行業(yè)客戶設(shè)計(jì)實(shí)施更優(yōu)良的邊云協(xié)同方案。