基于邊緣計(jì)算技術(shù)的電費(fèi)實(shí)時(shí)計(jì)算體系研究

許杰雄，余中杰，孫亞慧，陳佐，呂淳，余航

（1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京210096；2.北京中電普華信息技術(shù)有限公司，北京110000）

0 引言

隨著我國(guó)電力行業(yè)的蓬勃發(fā)展，2020年國(guó)家電網(wǎng)將“努力創(chuàng)新客戶服務(wù)新模式”列為改革攻堅(jiān)重點(diǎn)工作之一，國(guó)網(wǎng)提出跨領(lǐng)域業(yè)務(wù)的互聯(lián)互通、深入融合，構(gòu)建“網(wǎng)上國(guó)網(wǎng)”多元化產(chǎn)品生態(tài)。而在電力業(yè)務(wù)中，電費(fèi)是營(yíng)銷業(yè)務(wù)開展的基礎(chǔ)，由于數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求不斷提高且電力行業(yè)用戶體量較大，涉及到電費(fèi)計(jì)算而產(chǎn)生的云端主站服務(wù)壓力倍增。以某省3 658萬低壓居民用戶的電費(fèi)日結(jié)算為例，按照傳統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)搭建的系統(tǒng)需要計(jì)算61 h。數(shù)據(jù)的高延時(shí)性產(chǎn)生了2個(gè)問題：①日益蓬勃的電力營(yíng)銷業(yè)務(wù)發(fā)展以及客戶對(duì)電費(fèi)計(jì)算越來越高的實(shí)時(shí)性要求得不到滿足，例如電費(fèi)余額預(yù)警預(yù)測(cè)等實(shí)時(shí)性要求較高的營(yíng)銷業(yè)務(wù)；②數(shù)據(jù)的延時(shí)性越高，不法用戶通過私改計(jì)量設(shè)備注入虛假計(jì)量數(shù)據(jù)竊電的風(fēng)險(xiǎn)就越大。2019年8月，國(guó)網(wǎng)蘇州供電公司對(duì)吳中區(qū)胥口鎮(zhèn)某廠房進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)用電檢查，發(fā)現(xiàn)廠房總電能表被私自改裝，嫌疑人通過非法改裝電能表，竊電量達(dá)101萬kWh，價(jià)值65萬余元。

針對(duì)上述問題，學(xué)者們展開了深入的研究，文獻(xiàn)［1］使用分布式存儲(chǔ)、服務(wù)化重構(gòu)、數(shù)據(jù)推送等技術(shù)，以此縮短數(shù)據(jù)的回寫和抽取時(shí)間。文獻(xiàn)［2］從數(shù)據(jù)交互和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)2個(gè)關(guān)鍵技術(shù)入手，采用分布式微服務(wù)框架，提升了電費(fèi)計(jì)算效率。文獻(xiàn)［3］通過改進(jìn)電費(fèi)計(jì)算業(yè)務(wù)系統(tǒng)模塊來優(yōu)化遠(yuǎn)程費(fèi)控。文獻(xiàn)［1］和文獻(xiàn)［2］提出的方法雖然可以提高計(jì)費(fèi)的效率，但是計(jì)算壓力集中在云服務(wù)器上，不利于業(yè)務(wù)需求的拓展。文獻(xiàn)［3］提出的方法雖然改進(jìn)了業(yè)務(wù)流程，但是傳統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)系統(tǒng)的性能瓶頸依舊存在，長(zhǎng)期來看，不利于業(yè)務(wù)發(fā)展。

文中提出的基于邊緣計(jì)算技術(shù)的電費(fèi)實(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠?qū)⒃局髡痉?wù)器的運(yùn)算壓力分散給各邊緣網(wǎng)關(guān)，提高了電費(fèi)計(jì)算效率，在營(yíng)銷業(yè)務(wù)需要拓展時(shí)，使用云主站的應(yīng)用管理功能對(duì)各邊緣網(wǎng)關(guān)進(jìn)行模塊升級(jí)，大部分新業(yè)務(wù)計(jì)算繼續(xù)由各邊緣網(wǎng)關(guān)承擔(dān)，以此保證整個(gè)系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

1 邊緣計(jì)算技術(shù)

邊緣計(jì)算是云計(jì)算［4］的延伸和補(bǔ)充，未來前景廣闊。

邊緣計(jì)算的適用場(chǎng)景則差別較大，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性高、數(shù)據(jù)量大的情況下可以選擇部署。需要注意的是一個(gè)邊緣端接入終端的數(shù)量是不固定的，例如自動(dòng)駕駛汽車產(chǎn)生大量實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)和計(jì)算任務(wù)，所以汽車本身既是終端又是邊緣端，而城市智能系統(tǒng)中，邊緣端則接入攝像頭、路燈、信號(hào)燈傳感器等數(shù)百米范圍內(nèi)數(shù)十至數(shù)萬不等數(shù)量的終端。而在實(shí)時(shí)電費(fèi)計(jì)算體系下，可以小區(qū)為單位進(jìn)行邊緣端部署，一個(gè)邊緣端接入小區(qū)內(nèi)的所有計(jì)量設(shè)備，當(dāng)然有些特別大的小區(qū)，可以分片區(qū)接入不同的邊緣端，在保證邊緣端算力的同時(shí)方便管理。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 關(guān)鍵技術(shù)選型

2.1.1 系統(tǒng)框架選型

目前常見的邊緣計(jì)算框架有：CORD、Cloudlet、OpenEdge、KubeEdge、EdgeX。但通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)上述框架對(duì)于電費(fèi)實(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)并不適合，具體原因?yàn)椋篊ORD目前還處于開發(fā)階段，性能很不穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生階段性崩潰；Cloudlet設(shè)計(jì)目標(biāo)是為移動(dòng)設(shè)備提供計(jì)算資源，支持計(jì)算密集型和交互式且具有嚴(yán)格時(shí)延要求的移動(dòng)應(yīng)用，比如對(duì)移動(dòng)設(shè)備的人臉識(shí)別、語音翻譯和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用、遠(yuǎn)程渲染的云游戲提供支撐等；OpenEdge功能有限，但和百度物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)綁定緊密，不便于2次開發(fā)；KubeEdge是華為提供的基于kubernetes技術(shù)適配邊緣計(jì)算，同樣與平臺(tái)緊耦合，不便于2次開發(fā)。

文中系統(tǒng)選擇EdgeX作為邊緣計(jì)算的開發(fā)框架。其具備如下3個(gè)優(yōu)勢(shì)：①EdgeX為L(zhǎng)inux基金會(huì)的物聯(lián)網(wǎng)頂級(jí)項(xiàng)目，具有繁榮的生態(tài)和眾多廠家的支持，社區(qū)活躍度高；②EdgeX相較于OpenEdge與KubeEdge而言，項(xiàng)目開放時(shí)間更長(zhǎng)且技術(shù)更為成熟；③EdgeX采用模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)功能模塊以微服務(wù)形式運(yùn)行，可根據(jù)需要修改或替換，可塑性更強(qiáng)。

2.1.2 安全協(xié)同傳輸和控制協(xié)議選型

安全協(xié)同傳輸主要有HTTP和MQTT 2種協(xié)議，在現(xiàn)有平臺(tái)中若使用HTTP協(xié)議，則每個(gè)應(yīng)用都需要在平臺(tái)上注冊(cè)。平臺(tái)向這些應(yīng)用分別推送數(shù)據(jù)，會(huì)發(fā)生推送重復(fù)數(shù)據(jù)的情況，這樣會(huì)增加平臺(tái)的運(yùn)行壓力。若使用MQTT協(xié)議，不同的數(shù)據(jù)平臺(tái)只需要以不同主題向MQTT服務(wù)器上發(fā)送一次，各應(yīng)用只需訂閱相關(guān)主題便可接收到相應(yīng)數(shù)據(jù)，大大減輕平臺(tái)壓力，并且MQTT協(xié)議屬于小型傳輸協(xié)議，占用資源小，平臺(tái)使用輕便。

文中基于MQTT協(xié)議的設(shè)備接入和控制模型，實(shí)現(xiàn)邊緣的設(shè)備傳輸和控制，在邊緣側(cè)，將設(shè)備狀態(tài)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸至云平臺(tái)。在云端，通過MQTT雙向控制協(xié)議，將控制指令下發(fā)，實(shí)現(xiàn)云端設(shè)備管控和邊緣智能分析。

文中設(shè)備接入模型和接口中，同樣釆用MQTT技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)的傳輸通過調(diào)用過程和傳輸過程雙認(rèn)證和加密的方式以確保數(shù)據(jù)接入和傳輸?shù)陌踩浴Ｆ渲性诮涌谡{(diào)用過程中，通過身份登陸驗(yàn)證的方式驗(yàn)證合法調(diào)用；在傳輸過程中，通過數(shù)據(jù)加密來保證傳輸?shù)陌踩裕?］。

2.1.3 設(shè)備集成接入技術(shù)選型

設(shè)備集成接入分為直接接入和間接接入2種方式，所采用的關(guān)鍵技術(shù)也不相同，其中直接接入方式比較常用的是邊緣計(jì)算感知接入方法［6—7］，而間接接入方式比較常用的是WebService接口接入方法［8］。文中采用間接接入的方法實(shí)現(xiàn)設(shè)備集成。

2.2 系統(tǒng)框架的搭建

在仿真實(shí)驗(yàn)服務(wù)器上部署EdgeX Foundry平臺(tái)作為邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)，所有終端設(shè)備統(tǒng)一將數(shù)據(jù)推送到邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)上。

開發(fā)并部署各種邊緣計(jì)算應(yīng)用，應(yīng)用以微服務(wù)的形式運(yùn)行，邊緣端實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、聚合計(jì)算、預(yù)警處理并將最終結(jié)果推送到云端，最后在云端展示最終結(jié)果，核驗(yàn)邊緣計(jì)算結(jié)果的正確性。文中設(shè)計(jì)的基于邊緣計(jì)算技術(shù)的電量數(shù)據(jù)收集計(jì)算及預(yù)警系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)軟件功能架構(gòu)圖Fig.1 Functional architecture of system software

2.3 應(yīng)用層設(shè)計(jì)

準(zhǔn)備邊緣端服務(wù)器和云端主站服務(wù)器，配置見表1。分別用于部署邊緣代理服務(wù)和云平臺(tái)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的聚合、計(jì)算和預(yù)警并將數(shù)據(jù)推送到云端主站，云端主站接收邊緣代理推送的數(shù)據(jù)并展示。服務(wù)器軟件環(huán)境見表2。

表1 實(shí)驗(yàn)硬件環(huán)境配置Table 1 Configuration of experimental hardware environment

表2 實(shí)驗(yàn)軟件環(huán)境配置Table 2 Configuration of experimental software environment

應(yīng)用層的主要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分為3部分：①物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集：實(shí)現(xiàn)邊緣端對(duì)終端數(shù)據(jù)的采集、流轉(zhuǎn)、存儲(chǔ)和上報(bào)設(shè)備數(shù)據(jù)至云端；②基于采集數(shù)據(jù)的聚合和計(jì)算：通過邊緣端部署的計(jì)算微服務(wù)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合和計(jì)算，并將結(jié)果推送到云端；③邊緣設(shè)備的預(yù)警：通過邊緣端部署的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)與預(yù)警微服務(wù)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)告警判斷，當(dāng)告警發(fā)生時(shí)邊緣端會(huì)將告警信息推送到云端。

根據(jù)邊緣計(jì)算的電費(fèi)實(shí)時(shí)計(jì)算功能，應(yīng)用層分成2部分：數(shù)據(jù)展示、應(yīng)用管理。數(shù)據(jù)展示分為收集展示，其中包括采集時(shí)間、電表和當(dāng)前讀數(shù)指標(biāo)。實(shí)時(shí)電費(fèi)計(jì)算展示包括實(shí)時(shí)用電量和實(shí)時(shí)電費(fèi)。電費(fèi)預(yù)測(cè)與預(yù)警展示包括：賬戶余額、可用余額、繳費(fèi)建議、本月預(yù)估用電量和本月預(yù)估電費(fèi)。應(yīng)用管理分為應(yīng)用啟動(dòng)與停止、卸載與安裝2大功能。

2.3.1 邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)采集

在邊緣端上啟動(dòng)設(shè)備數(shù)據(jù)采集微服務(wù)，定時(shí)采集設(shè)備數(shù)據(jù)后將其轉(zhuǎn)發(fā)到云端主站，同時(shí)云端主站能實(shí)時(shí)顯示出設(shè)備終端數(shù)據(jù)。流程見圖2對(duì)應(yīng)線框。

圖2 邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的功能示意圖Fig.2 Functional diagram of edge computing gateway

（1）在邊緣端上啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集微服務(wù)。服務(wù)啟動(dòng)后會(huì)定時(shí)從計(jì)量設(shè)備上采集數(shù)據(jù)，并將結(jié)果發(fā)送到EdgeX foundry平臺(tái)。

（2）將云端主站的數(shù)據(jù)接收地址在邊緣端的EdgeX foundry平臺(tái)上進(jìn)行注冊(cè)，平臺(tái)會(huì)將采集到的數(shù)據(jù)以RESTful方式推送到云主站。

（3）云端主站接收到終端數(shù)據(jù)后將其保存到數(shù)據(jù)庫中，并在前端頁面中實(shí)時(shí)進(jìn)行顯示。

2.3.2 邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)聚合和計(jì)算

在邊緣端上啟動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)算微服務(wù)，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合計(jì)算，并將結(jié)果推送到云端主站顯示。流程見圖2對(duì)應(yīng)線框。

（1）開發(fā)數(shù)據(jù)計(jì)算微服務(wù)并在邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)上部署。同時(shí)在邊緣端的MQTT服務(wù)器上訂閱需要的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，終端上報(bào)的數(shù)據(jù)便會(huì)由EdgeX foundry發(fā)送到MQTT服務(wù)器，再由MQTT服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)計(jì)算微服務(wù)上。

（2）數(shù)據(jù)計(jì)算微服務(wù)啟動(dòng)后首先會(huì)從云端主站獲取電價(jià)標(biāo)準(zhǔn)比如峰谷電價(jià)、階梯電費(fèi)等以及各個(gè)電能表上一次結(jié)算時(shí)的讀數(shù)。當(dāng)接收到推送的實(shí)時(shí)電表讀數(shù)時(shí)，計(jì)算出實(shí)時(shí)用電量和實(shí)時(shí)電費(fèi)，并將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)回EdgeX foundry平臺(tái)，再由EdgeX foundry平臺(tái)統(tǒng)一將數(shù)據(jù)以RESTful方式推送到云端主站。

（3）云端主站接收到實(shí)時(shí)用電量、實(shí)時(shí)電費(fèi)這些計(jì)算數(shù)據(jù)后將其保存到數(shù)據(jù)庫中，并在前端頁面實(shí)時(shí)顯示。

2.3.3 邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的預(yù)警

在邊緣端上啟動(dòng)告警微服務(wù)，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，一旦發(fā)現(xiàn)有異常情況則產(chǎn)生告警并將告警信息推送到云端主站顯示。流程見圖2對(duì)應(yīng)線框。

應(yīng)用的原理與2.3.2相似，文中不再贅述。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用模擬用戶數(shù)據(jù)3 658萬戶，其中包括檔案數(shù)據(jù)、抄表示數(shù)、電量電費(fèi)測(cè)算數(shù)據(jù)以及測(cè)算回寫數(shù)據(jù)。

由于邊緣計(jì)算的技術(shù)特性，接入的終端從幾十個(gè)到幾萬個(gè)不等，但需遵循物理距離就近的原則，確保數(shù)據(jù)及時(shí)計(jì)算，及時(shí)響應(yīng)。按照電能表分布情況，預(yù)估單個(gè)邊緣端的最大接入為1萬戶，在不考慮網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)的情況下，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)并做性能分析。實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置如表1、表2所示。

在測(cè)試環(huán)境下，對(duì)邊緣端和云端主站進(jìn)行性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experimental results

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于電量、電費(fèi)實(shí)時(shí)展示、電費(fèi)預(yù)警預(yù)測(cè)等實(shí)時(shí)性要求高的業(yè)務(wù)，邊緣端可以輕便高效地完成，原因在于邊緣端將大數(shù)據(jù)量的用戶檔案進(jìn)行拆解，將已接入的終端用戶檔案進(jìn)行緩存，快速地讀寫數(shù)據(jù)使得整體效率變高，對(duì)比傳統(tǒng)架構(gòu)下的電費(fèi)計(jì)算系統(tǒng)，檔案抽取一項(xiàng)的耗時(shí)就超過1 h。云端主站由于沒有具體的電費(fèi)計(jì)算任務(wù)，主要耗時(shí)集中在回寫邊緣端上傳的電費(fèi)數(shù)據(jù)，所以整個(gè)流程大大壓縮了電費(fèi)計(jì)算的時(shí)間。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了基于邊緣計(jì)算技術(shù)的電費(fèi)實(shí)時(shí)計(jì)算體系，通過在仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境上搭建部署邊緣計(jì)算環(huán)境，并根據(jù)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)采集能力、數(shù)據(jù)聚合計(jì)算能力、預(yù)警能力3個(gè)需求目標(biāo)開發(fā)部署相應(yīng)的實(shí)時(shí)計(jì)算服務(wù)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：邊緣端實(shí)現(xiàn)終端數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算、預(yù)警工作，并將結(jié)果推送到云端展示，耗時(shí)73 s，同時(shí)云端主站壓力明顯減輕，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，為今后開展對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求較高的業(yè)務(wù)提供了參考。