基于邊緣計(jì)算的遙測(cè)技術(shù)研究

楊 柳，黃 華，丁和恩*，金 楊，顧 閏

（1.95875 部隊(duì)，甘肅 酒泉 735000；2.航天新通科技有限公司，重慶 401332）

0 引言

當(dāng)前，遙測(cè)技術(shù)應(yīng)用廣泛，在民用生產(chǎn)、科學(xué)研究及國(guó)防軍事等領(lǐng)域都有應(yīng)用。遙測(cè)按照傳輸方式分，可分為基于無(wú)線的遙測(cè)和基于有線的遙測(cè)兩種。其中，無(wú)線遙測(cè)方式容易受環(huán)境的影響，而有線遙測(cè)受環(huán)境的影響相對(duì)較小。

邊緣計(jì)算是在靠近數(shù)據(jù)源頭或傳感器的一側(cè)，采用本地側(cè)的計(jì)算和存儲(chǔ)資源，就近開(kāi)展數(shù)據(jù)的處理、邏輯計(jì)算。邊緣計(jì)算是為了實(shí)現(xiàn)本地實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)決策、數(shù)據(jù)傳輸可靠安全、核心或承載層網(wǎng)帶寬減負(fù)等目的，實(shí)質(zhì)就是將需求解決在邊緣?；谶吘売?jì)算的系統(tǒng)，主要依托邊緣計(jì)算就近提供數(shù)據(jù)聚合及邊緣智能服務(wù)，滿足數(shù)據(jù)毫秒級(jí)采集頻率需求，實(shí)現(xiàn)企業(yè)各層數(shù)據(jù)的縱向集成及高效處理［1］。

當(dāng)前，遙測(cè)的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)比較成熟，但受一些客觀條件影響，還存在一些影響遙測(cè)技術(shù)應(yīng)用的情況。從遙測(cè)技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)講，遙測(cè)系統(tǒng)的無(wú)人遙測(cè)類(lèi)應(yīng)用，無(wú)人平臺(tái)通信數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)菢?gòu)建在一種大地域、多類(lèi)型的移動(dòng)式通信網(wǎng)絡(luò)中，因受到環(huán)境因素、地域因素以及人為因素的干擾，通信網(wǎng)絡(luò)常常出現(xiàn)通信效果不理想的情況［2］，導(dǎo)致遙測(cè)數(shù)據(jù)傳輸存在潛在問(wèn)題。從增加頻譜帶寬的角度講，毫米波、太赫茲等高頻段技術(shù)極具優(yōu)勢(shì)，但高頻段電磁波的大氣吸收損耗效應(yīng)明顯［3］。如何使數(shù)據(jù)鏈在透云、霧、雨的傳輸環(huán)境下，同時(shí)保證吞吐量與鏈路范圍，是數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用場(chǎng)景下大容量遠(yuǎn)距離傳輸面臨的難題［4］。通過(guò)改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)遙測(cè)數(shù)據(jù)的處理過(guò)程，增加冗余處理、時(shí)效性處理以及插值處理的方法，可以解決遙測(cè)定位信息網(wǎng)絡(luò)間斷傳輸問(wèn)題［5］。新型的制造模式對(duì)數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性要求更高，現(xiàn)有的集中式云計(jì)算處理模式難以高效地解決這些問(wèn)題［6］，但在某些特殊情況下，一旦遙測(cè)信號(hào)發(fā)生中斷，伺服系統(tǒng)就會(huì)丟失目標(biāo)導(dǎo)致無(wú)法完成既定任務(wù)［7］，這可以說(shuō)明遙測(cè)信號(hào)在系統(tǒng)中承擔(dān)著舉足輕重的地位，其重要等級(jí)非常高。

1 基于邊緣計(jì)算的遙測(cè)架構(gòu)

以前遙測(cè)系統(tǒng)的采集邊緣，往往是基于傳感器的數(shù)據(jù)采集協(xié)議對(duì)邊緣傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過(guò)邊緣的通信設(shè)施將采集的數(shù)據(jù)傳回遙測(cè)中心，供遙測(cè)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、狀態(tài)分析以及控制決策。這種方式將邊緣傳感器的眾多數(shù)據(jù)一應(yīng)俱全地傳給了遙測(cè)中心，并且根據(jù)時(shí)序交互的強(qiáng)弱，可能產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。遙測(cè)中心需要在采集的大量數(shù)據(jù)中識(shí)別、分析、提取傳感器的重要信息，然后再對(duì)邊緣設(shè)備進(jìn)行決策和控制。

基于邊緣計(jì)算的遙測(cè)架構(gòu)，主要是在邊緣節(jié)點(diǎn)中增加邊緣決策引擎，由邊緣決策引擎完成對(duì)邊緣節(jié)點(diǎn)內(nèi)各傳感器信息的采集與加工處理，完成本地決策控制，完成遙測(cè)多源數(shù)據(jù)的融合與高效處理?；谶吘売?jì)算的遙測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于邊緣計(jì)算的遙測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

圖1 中的遙測(cè)系統(tǒng)由管控節(jié)點(diǎn)和邊緣節(jié)點(diǎn)兩類(lèi)節(jié)點(diǎn)組成。其中一個(gè)管控節(jié)點(diǎn)對(duì)多個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遙測(cè)。管控節(jié)點(diǎn)主要由遙測(cè)中心和通信設(shè)施組成。遙測(cè)中心用于對(duì)邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遙測(cè)，掌握邊緣節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)和管控邊緣節(jié)點(diǎn)。邊緣節(jié)點(diǎn)由通信設(shè)施、邊緣決策引擎及若干個(gè)傳感器組成。傳感器用于感知邊緣節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)和采集邊緣節(jié)點(diǎn)所需的信息，邊緣決策引擎用于實(shí)現(xiàn)本文所述的邊緣計(jì)算功能，通信設(shè)施是用于將邊緣節(jié)點(diǎn)的信息傳送至遙測(cè)中心的通信基礎(chǔ)設(shè)施。邊緣節(jié)點(diǎn)中，邊緣決策引擎的主要工作內(nèi)容為：

（1）通過(guò)近距離高速通道對(duì)邊緣節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，該數(shù)據(jù)采集信息全且快；

（2）本地決策控制功能，邊緣節(jié)點(diǎn)的邊緣決策引擎在實(shí)時(shí)采集感知傳感器狀態(tài)后，對(duì)一些關(guān)鍵特征和關(guān)鍵狀態(tài)進(jìn)行即時(shí)決策，這樣可以減少將傳感器數(shù)據(jù)傳輸回管控節(jié)點(diǎn)，由管控節(jié)點(diǎn)的遙測(cè)中心做出決策所產(chǎn)生的傳輸時(shí)延；

（3）邊緣決策引擎的多源數(shù)據(jù)的融合與高效處理，將采集到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行多元數(shù)據(jù)的融合處理，提取關(guān)鍵信息進(jìn)行傳輸，減少邊緣傳輸給管控節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，提高通信設(shè)施傳輸數(shù)據(jù)的有效作用及提高傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2 對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行邊緣計(jì)算處理

邊緣節(jié)點(diǎn)的邊緣決策引擎通過(guò)本地決策能夠快速地為邊界提供遙測(cè)控制服務(wù)。同時(shí)，一般邊緣節(jié)點(diǎn)的周?chē)嬖谙噜徆?jié)點(diǎn)，它們之間的通信狀態(tài)一般是比較好的，若單邊緣決策引擎的計(jì)算機(jī)的計(jì)算資源不足，邊緣決策引擎則協(xié)同相鄰計(jì)算域共同處理任務(wù)［7］，當(dāng)邊緣節(jié)點(diǎn)的通信處理能力不夠時(shí)，邊緣決策引擎則協(xié)同相鄰節(jié)點(diǎn)的計(jì)算機(jī)資源。

2.1 邊緣節(jié)點(diǎn)的本地決策

邊緣決策引擎本地決策計(jì)算的主要內(nèi)容為：邊緣決策引擎將根據(jù)本地獲取的傳感器信息進(jìn)行整和，根據(jù)數(shù)據(jù)的特征統(tǒng)計(jì)挖掘出需要關(guān)注的數(shù)據(jù)，比如根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬是否超限，決定是否降低傳輸速率或者傳輸數(shù)據(jù)量，根據(jù)飛行平臺(tái)前方是否有特殊環(huán)境，決定是否需要停止前進(jìn)等，往往這些動(dòng)作的決策反饋是需要及時(shí)反應(yīng)的，當(dāng)本地識(shí)別出來(lái)某項(xiàng)特征時(shí)，立即對(duì)邊緣節(jié)點(diǎn)發(fā)出控制命令，這樣比從管控節(jié)點(diǎn)的遙測(cè)中心決策響應(yīng)的速度和穩(wěn)定性都要高很多，并且能降低管控節(jié)點(diǎn)及遙測(cè)系統(tǒng)所在網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。該方式能夠提高遙測(cè)系統(tǒng)中邊緣節(jié)點(diǎn)的情況處置的時(shí)效性和可靠性。

邊緣節(jié)點(diǎn)的本地決策是對(duì)某些需要快速應(yīng)對(duì)的遙測(cè)系統(tǒng)狀況進(jìn)行快速處置。處置完成后，將本地決策的結(jié)果傳回管控節(jié)點(diǎn)，以讓管控節(jié)點(diǎn)掌握各邊緣節(jié)點(diǎn)的真實(shí)情況。管控節(jié)點(diǎn)結(jié)合遙測(cè)系統(tǒng)、各遙測(cè)節(jié)點(diǎn)的整體狀況，對(duì)各邊緣節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)證和跟蹤，及時(shí)發(fā)現(xiàn)邊緣節(jié)點(diǎn)本地決策的問(wèn)題，并優(yōu)化邊緣節(jié)點(diǎn)本地決策的能力。

2.2 邊緣節(jié)點(diǎn)的鄰居協(xié)同

邊緣節(jié)點(diǎn)在邊緣決策運(yùn)算時(shí)，若計(jì)算資源不足，可依托鄰居邊緣節(jié)點(diǎn)的計(jì)算資源來(lái)為本節(jié)點(diǎn)的邊緣決策提供服務(wù)。一般計(jì)算資源不足的情況不是所有邊緣節(jié)點(diǎn)同時(shí)存在的，即當(dāng)某邊緣節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行高性能決策運(yùn)算，鄰居的其他邊緣節(jié)點(diǎn)可能正處于低性能決策運(yùn)算中。在這種情況下，邊緣節(jié)點(diǎn)可以申請(qǐng)鄰居邊緣節(jié)點(diǎn)中相對(duì)空閑的邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行輔助計(jì)算。

邊緣計(jì)算的鄰居協(xié)同，主要分配給鄰居計(jì)算的資源，一般是在計(jì)算中可單獨(dú)分離的模塊或者獨(dú)立活動(dòng)，如將對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)的清洗分別分配給不同的鄰居節(jié)點(diǎn)，將不同傳感器的決策評(píng)估因子分配給不同的鄰居節(jié)點(diǎn)，邊緣節(jié)點(diǎn)的本節(jié)點(diǎn)主要做資源的串聯(lián)與部分?jǐn)?shù)據(jù)的計(jì)算，通過(guò)封裝獨(dú)立的分配方式，可以在某邊緣節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)異常的時(shí)候快速替換所需計(jì)算的內(nèi)容，或者在鄰居計(jì)算資源豐富的情況下，考慮主備計(jì)算與主備校驗(yàn)，以此能夠更好地提高系統(tǒng)在計(jì)算時(shí)的準(zhǔn)確性與健壯性。

3 遙測(cè)多源數(shù)據(jù)的融合與高效傳輸

針對(duì)傳感器數(shù)據(jù)采集，傳感器的數(shù)據(jù)是細(xì)粒度的時(shí)序數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)種類(lèi)多、數(shù)據(jù)量大，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，以往的遙測(cè)應(yīng)用往往會(huì)傳輸整個(gè)數(shù)據(jù)包，這樣會(huì)消耗遠(yuǎn)端的計(jì)算與傳輸資源，且很多數(shù)據(jù)最終也沒(méi)有使用，這樣毫無(wú)益處。因此，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的采集傳輸，需要保留疑問(wèn)數(shù)據(jù)、問(wèn)題數(shù)據(jù)及關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如關(guān)于傳感器的發(fā)出者、發(fā)出原因以及某些字段鍵值。

遙測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)在采集數(shù)據(jù)時(shí)，將收集眾多傳感器參數(shù)。其中，傳感器之間有同類(lèi)異類(lèi)、相同的采樣指標(biāo)與不同的采樣指標(biāo)，這種情況存在遙測(cè)數(shù)據(jù)中有重復(fù)字段等問(wèn)題。遙測(cè)多源數(shù)據(jù)的融合，主要考慮的是減少遙測(cè)數(shù)據(jù)中的一些重復(fù)字段，包括字段名和字段值等，其主要步驟為：先采集傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行共性字段提取，篩選出共性和非共性字段，并對(duì)共性字段的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并整理；再進(jìn)行定制化關(guān)鍵數(shù)據(jù)合成，最后將合成的數(shù)據(jù)傳輸至遙測(cè)中心。遙測(cè)多源數(shù)據(jù)的融合流程如圖2 所示。

圖2 遙測(cè)多源數(shù)據(jù)的融合處理流程

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)遙測(cè)技術(shù)應(yīng)用中可能存在的邊緣節(jié)點(diǎn)脫網(wǎng)、受干擾、高延遲等問(wèn)題，提出了基于邊緣計(jì)算的遙測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究，對(duì)基于邊緣計(jì)算的遙測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)、遙測(cè)數(shù)據(jù)邊緣計(jì)算處理、遙測(cè)多源數(shù)據(jù)的融合以及高效傳輸?shù)冗M(jìn)行了研究設(shè)計(jì)。該技術(shù)研究旨在實(shí)現(xiàn)遙測(cè)技術(shù)在應(yīng)用中提高遙測(cè)系統(tǒng)的本地響應(yīng)能力和數(shù)據(jù)傳輸有效性。由于本文闡述的技術(shù)處于前期試驗(yàn)研究階段，且根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景有特異性參數(shù)存在，針對(duì)各個(gè)業(yè)務(wù)使用場(chǎng)景，在應(yīng)用時(shí)仍需要進(jìn)一步研究。