基于邊緣代理及深度學(xué)習(xí)的輕量型云邊協(xié)同框架研究

李小婧，任 勇，晉 濤，裴 楚

(1.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院 太原 030001；2.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司設(shè)備部 太原 030001)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的建設(shè)發(fā)展，電力網(wǎng)絡(luò)尤其是配電站房及其設(shè)備規(guī)模的持續(xù)增長(zhǎng)，對(duì)其如何加大安全保障、減少運(yùn)檢人員勞動(dòng)強(qiáng)度，以及如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患和安全違規(guī)行為提出了更大挑戰(zhàn)。

本文通過在配電站房部署邊緣物聯(lián)代理裝置，采用輕量型容器化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)應(yīng)用APP 前置化及業(yè)務(wù)處理，并通過容器內(nèi)置視覺分析算法，以及同云端進(jìn)行協(xié)同交付，將數(shù)據(jù)采集及業(yè)務(wù)應(yīng)用、智能違章視覺識(shí)別處理到前端，提高了數(shù)據(jù)處理效率，增強(qiáng)了配電站房的運(yùn)行安全水平和事故隱患分析效率[1]。

與常規(guī)的容器化技術(shù)不同，本文通過輕量化設(shè)計(jì)，構(gòu)建輕量型的云端和邊緣容器新型架構(gòu)體系，摒棄集群管理等冗余功能，簡(jiǎn)化了云邊通信協(xié)議，極大降低了容器管理部署的復(fù)雜度。同時(shí)針對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備監(jiān)控特點(diǎn)，重點(diǎn)加強(qiáng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)管理、日志記錄、應(yīng)用監(jiān)管、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)壓縮存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)加密傳輸?shù)裙δ?，降低邊緣物?lián)代理對(duì)硬件資源的要求，同時(shí)滿足了配電網(wǎng)尤其是配電站房運(yùn)檢業(yè)務(wù)在新型電力系統(tǒng)下的信息化發(fā)展形勢(shì)需要[2]。

1 邊緣代理與容器化技術(shù)

參考《邊緣物聯(lián)代理技術(shù)要求》(Q/GDW 12113-2021)，在邊緣物聯(lián)代理中需采用容器運(yùn)行、管理業(yè)務(wù)應(yīng)用APP。采用容器化技術(shù)，可動(dòng)態(tài)添加、刪除、更新應(yīng)用程序APP，使邊緣計(jì)算平臺(tái)有良好的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。同時(shí)，通過容器引擎可以限制和監(jiān)控應(yīng)用程序的資源占用情況，并對(duì)程序運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行健康檢查，提升整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)健性[3]。

通過邊緣代理，在邊端側(cè)將數(shù)據(jù)處理、業(yè)務(wù)分析及視覺智能算法內(nèi)置在容器中，能夠減輕對(duì)物聯(lián)網(wǎng)傳輸帶寬的壓力，且當(dāng)前容器化技術(shù)基本能較好地實(shí)現(xiàn)虛擬化支撐各業(yè)務(wù)應(yīng)用APP 管理和部署[4]。通過邊緣計(jì)算平臺(tái)框架利用虛擬化技術(shù)達(dá)到普適性，即不受限于操作系統(tǒng)、編程環(huán)境和硬件平臺(tái)的選擇，同時(shí)虛擬化技術(shù)還支持系統(tǒng)資源隔離，應(yīng)用程序只在各自限定的虛擬環(huán)境內(nèi)運(yùn)行，相互間不受影響，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。容器化技術(shù)原理如圖1 所示，其本質(zhì)是采用docker 容器在虛擬化環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了分布式系統(tǒng)的部署和管理，并可根據(jù)實(shí)際需求部署和管理各業(yè)務(wù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)的支撐[5]。與虛擬機(jī)相比，容器化技術(shù)雖然在普適性和隔離度方面有所減弱，但CPU、內(nèi)存等資源占用少，啟動(dòng)快，因此當(dāng)前大部分開源邊緣計(jì)算平臺(tái)框架都采用容器技術(shù)[6]。

圖1 容器化原理圖

2 常規(guī)容器化技術(shù)及問題介紹

云邊協(xié)同屬于邊緣計(jì)算的范疇，核心價(jià)值在于將云服務(wù)向用戶側(cè)延伸。2019 年開始出現(xiàn)一些影響力較大的云邊協(xié)同項(xiàng)目，以華為KubeEdge 和Rancher K3S 為代表。如圖2 所示，這些項(xiàng)目試圖在容器化技術(shù)和Kubernetes(K8S)平臺(tái)調(diào)度系統(tǒng)基礎(chǔ)上統(tǒng)一云端和邊緣側(cè)的軟件分發(fā)、部署、調(diào)度等方式[7]。

圖2 常規(guī)容器化架構(gòu)圖

KubeEdge 等項(xiàng)目設(shè)計(jì)架構(gòu)主要由K8S 集群、云端部分和邊緣節(jié)點(diǎn)部分組成。云端主要包含邊緣節(jié)點(diǎn)調(diào)度器、通信組件等，邊緣節(jié)點(diǎn)包含容器調(diào)度器、通信組件等。但邊緣節(jié)點(diǎn)不具備自我調(diào)度能力，其容器部署通過云端下發(fā)指令實(shí)現(xiàn)。在邊緣節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行的容器以POD 為最小管理單元，不以容器為基礎(chǔ)單元，POD 是K8S 針對(duì)集群調(diào)度設(shè)計(jì)的一種容器管理方式[8]。無(wú)論是K3S 還是KubeEdge等項(xiàng)目，本身并不負(fù)責(zé)存儲(chǔ)應(yīng)用鏡像，應(yīng)用鏡像存儲(chǔ)在獨(dú)立的應(yīng)用倉(cāng)庫(kù)中。應(yīng)用開發(fā)人員將開發(fā)的應(yīng)用打包成鏡像上傳到應(yīng)用倉(cāng)庫(kù)，K8S 調(diào)度中心將應(yīng)用信息下發(fā)到邊緣節(jié)點(diǎn)，邊緣節(jié)點(diǎn)從應(yīng)用倉(cāng)庫(kù)拉取應(yīng)用進(jìn)行部署。邊緣節(jié)點(diǎn)支持容器調(diào)度功能，假設(shè)有10 個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)，需要在這些節(jié)點(diǎn)上部署8 個(gè)相同應(yīng)用，用戶下發(fā)指令后，容器調(diào)度平臺(tái)會(huì)自動(dòng)根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的資源情況，將8 個(gè)應(yīng)用部署在10 個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)組成的集群中，具體哪個(gè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行應(yīng)用是集群自動(dòng)調(diào)度的，如果某應(yīng)用意外停止，集群會(huì)將該應(yīng)用在其他合適的邊緣節(jié)點(diǎn)上再次部署[9]。

雖然KubeEdge 等云邊項(xiàng)目正在積極推動(dòng)云端服務(wù)向邊緣側(cè)延伸，但將其應(yīng)用于電力等傳統(tǒng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域時(shí)，存在很多過度設(shè)計(jì)和不當(dāng)設(shè)計(jì)的問題，主要有以下兩點(diǎn)：1)常規(guī)架構(gòu)中云端與K8S高度耦合，云邊API 接口設(shè)計(jì)復(fù)雜。文章所述的配電站房業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景中，邊緣物聯(lián)代理更多關(guān)注對(duì)終端設(shè)備的管理，無(wú)需考慮云端復(fù)雜的接口和調(diào)度功能；2)常規(guī)架構(gòu)中POD 作為最小容器部署管理單元，對(duì)邊緣設(shè)備硬件資源要求較高，而且POD提供的工作節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展功能在文章所述業(yè)務(wù)場(chǎng)景中較為冗余。

此外，文章所述業(yè)務(wù)場(chǎng)景需考慮結(jié)合配電網(wǎng)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，還需考慮實(shí)現(xiàn)運(yùn)檢業(yè)務(wù)應(yīng)用以及深度模型算法的集成需求，如業(yè)務(wù)APP 應(yīng)用及基于AI 視覺分析的算法模型；其次也需考慮如何降低對(duì)邊緣物聯(lián)代理的硬件資源要求[10]。

3 輕量型容器化研究思路

基于前文闡述，本文開展基于邊緣物聯(lián)代理的輕量型容器架構(gòu)體系研究。如圖3 所示，常規(guī)的K8S 架構(gòu)中，K8S 通過一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和若干工作節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的集群，分布在若干服務(wù)器上，一個(gè)服務(wù)器可以裝載多個(gè)工作節(jié)點(diǎn)，工作節(jié)點(diǎn)內(nèi)有若干POD，POD 中集成若干容器。K8S 調(diào)度工作節(jié)點(diǎn)在服務(wù)器上的部署和POD 在工作節(jié)點(diǎn)的部署，Docker 按照K8S 的調(diào)度指令執(zhí)行容器裝載APP 和容器啟動(dòng)、運(yùn)行、停止等操作[11]。

圖3 云端K8S 節(jié)點(diǎn)分布

云端業(yè)務(wù)、服務(wù)軟件使用K8S 調(diào)度其微服務(wù)運(yùn)行。當(dāng)業(yè)務(wù)量、服務(wù)需求增加時(shí)，微服務(wù)會(huì)增加副本投入運(yùn)行，相應(yīng)地K8S 主節(jié)點(diǎn)會(huì)啟動(dòng)更多的POD、容器，并把它們部署到工作節(jié)點(diǎn)中。當(dāng)工作節(jié)點(diǎn)所在的服務(wù)器負(fù)荷已滿，K8S 在新的服務(wù)器上創(chuàng)建新的工作節(jié)點(diǎn)，對(duì)POD、容器重新部署，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)集群動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。這種集群、動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的方式程序代碼量大，占用資源也多。

圖4 為配電站房業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景，邊緣物聯(lián)代理通過接入感知終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，通過接入視頻監(jiān)控實(shí)現(xiàn)安全違章等AI 應(yīng)用，通過容器化技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、告警分析、違章識(shí)別等APP 以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)支撐。

圖4 配電站房業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景

在配電站房的應(yīng)用場(chǎng)景中，主節(jié)點(diǎn)工作在云端，工作節(jié)點(diǎn)部署在邊緣物聯(lián)代理中，每個(gè)邊緣物聯(lián)代理只有一個(gè)工作節(jié)點(diǎn)，連接的傳感器和攝像機(jī)的數(shù)量、種類較固定，傳感數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理、傳輸?shù)華PP 功能也較穩(wěn)定，因此節(jié)點(diǎn)中的容器部署比較穩(wěn)定，用不到集群功能、POD 集成、工作節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展功能[12]。針對(duì)上述問題，結(jié)合配電站房的場(chǎng)景特點(diǎn)和功能需求，參照?qǐng)D2 所示常規(guī)容器化架構(gòu)，本文提出輕量化改進(jìn)架構(gòu)，如圖5 所示，具體改進(jìn)設(shè)計(jì)如下：

圖5 輕量化云邊協(xié)同架構(gòu)圖

1) 弱化K8S 集群的調(diào)度能力，通過對(duì)K8S API 服務(wù)和云調(diào)度功能進(jìn)行裁剪，將APP 應(yīng)用調(diào)度下層到云端邊緣節(jié)點(diǎn)調(diào)度器和邊端側(cè)容器調(diào)度器直接管理；

2)對(duì)冗余的 POD 組件裁剪，減輕邊緣代理設(shè)備對(duì)硬件資源的開銷；

3)結(jié)合業(yè)務(wù)需要，增加算法倉(cāng)庫(kù)和算法服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)深度學(xué)習(xí)模型算法的集成和管理；

4)增加日志管理和時(shí)序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)組件，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)維功能和數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)功能。

具體實(shí)現(xiàn)方面，本文在深入解讀Docker 和K8S 的基礎(chǔ)上，輕量型容器在原K8S 架構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)其軟件組件節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重組及設(shè)計(jì)，輕量型容器架構(gòu)及組件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖6 所示。

圖6 輕量型容器節(jié)點(diǎn)分布

在邊緣輕量型容器化云邊協(xié)同體系中，云端的主節(jié)點(diǎn)保留K8S 全部功能的同時(shí)，需增加SensEdge Manager 軟件模塊來負(fù)責(zé)與邊緣物聯(lián)代理的交互。

SensEdge Manager 提供對(duì)邊緣物聯(lián)代理的統(tǒng)一管理功能，包括：邊緣物聯(lián)代理接入授權(quán)管理、加密通信、云邊鏈接管理、邊緣物聯(lián)代理狀態(tài)查詢。邊緣物聯(lián)代理上容器及容器內(nèi)APP 啟動(dòng)、停止、創(chuàng)建、刪除、查詢管理。

邊緣物聯(lián)代理上的工作節(jié)點(diǎn)包括SensEdge Agent、 Message Bus 消 息 總 線、 EdgeDaemon、Monitoring、CNI、CSI、Edge Store、Containerd和RunC 這9 個(gè)軟件模塊[13]。

1) SensEdge Agent 管理邊緣物聯(lián)代理，功能包括：授權(quán)接入云端、加密通信、保持云邊鏈接；響應(yīng)云端命令管理本地容器和APP、查詢本地容器和APP 狀態(tài)。

2) Message Bus 消息總線是APP 數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，APP 之間不能直接傳輸數(shù)據(jù)，由消息總線匯聚、分發(fā)。

3) EdgeDaemon 監(jiān)控邊緣物聯(lián)代理的本地狀態(tài)，功能包括：查詢邊緣物聯(lián)代理的本地網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、Flash 存儲(chǔ)占用率、內(nèi)存占用率，響應(yīng)SensEdge Agent 的查詢指令。

4) Monitoring 監(jiān)測(cè)本地網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、flash 存儲(chǔ)使用狀況、內(nèi)存使用狀況。

5) CNI 提供容器APP 與網(wǎng)絡(luò)的接口。

6) CSI 提供容器APP 與數(shù)據(jù)庫(kù)的接口。

7) Edge Store 是邊緣物聯(lián)代理的本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)與容器管理有關(guān)的永久化存儲(chǔ)數(shù)據(jù)在本地的備份及其他數(shù)據(jù)。

8) Containerd 管理完整的容器生命周期，包括容器APP 的下載和備份、容器APP 的執(zhí)行和管理等。

9) RunC 負(fù)責(zé)運(yùn)行容器APP。

4 主要研究及實(shí)現(xiàn)內(nèi)容

4.1 云邊協(xié)同設(shè)計(jì)

本文在輕量型容器技術(shù)的基礎(chǔ)上研發(fā)云邊協(xié)同體系，主要通過云端SensEdgeManager 和邊緣SensEdge Agent 之間使用MQTT/HTTPS 協(xié)議的云邊交互，實(shí)現(xiàn)如圖7 所示的應(yīng)用APP 協(xié)同、數(shù)據(jù)協(xié)同、智能協(xié)同[14]。

圖7 配電站房云邊協(xié)同

應(yīng)用APP 協(xié)同：云端管理應(yīng)用APP 倉(cāng)庫(kù)，調(diào)度應(yīng)用APP 在各邊緣物聯(lián)代理的部署；邊緣物聯(lián)代理按照云端的調(diào)度管理運(yùn)行APP。

數(shù)據(jù)協(xié)同：邊緣物聯(lián)代理主要負(fù)責(zé)傳感數(shù)據(jù)的采集，并進(jìn)行本地處理和封裝，上傳給云端；云端提供數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、融合、綜合分析、存儲(chǔ)和展示。

智能協(xié)同：云端管理深度學(xué)習(xí)模型算法倉(cāng)庫(kù)及其在邊緣物聯(lián)代理的部署；邊緣物聯(lián)代理按照云端調(diào)度運(yùn)行深度學(xué)習(xí)模型，實(shí)現(xiàn)邊緣智能[15]。

云邊協(xié)同交付時(shí)序設(shè)計(jì)和步驟如圖8 所示。

圖8 云邊交互示例

設(shè)計(jì)說明：

1) SensEdge Manager 部署在云端，SensEdge Agent 和EdgeDaemon 部署在邊端；

2) SensEdge Manager 創(chuàng)建授權(quán)碼；SensEdge Agent 手動(dòng)或自動(dòng)輸入已分配的授權(quán)碼，并將授權(quán)碼發(fā)往SensEdge Manager 進(jìn)行校驗(yàn)；

3) SensEdge Manager 校驗(yàn)成果后進(jìn)行激活，并將狀態(tài)請(qǐng)求發(fā)往邊緣代理；SensEdge Agent 將狀態(tài)請(qǐng)求發(fā)往EdgeDaemon;

4) EdgeDaemon 獲取邊緣代理CPU 占用率、內(nèi)存占用率等資源信息，并發(fā)回狀態(tài)響應(yīng)到SensEdge Agent；SensEdge Agent 接收到狀態(tài)響應(yīng)后傳給SensEdge Manager；

5) SensEdge Manager 下發(fā)安裝容器命令給SensEdge Agent；SensEdge Agent 進(jìn)行容器文件包下載，并執(zhí)行安裝操作；

6) SensEdge Agent 回復(fù)容器安裝完畢響應(yīng)。

按照《物聯(lián)管理平臺(tái)技術(shù)和功能規(guī)范》第4 部分：《邊緣物聯(lián)代理與物聯(lián)管理平臺(tái)交互協(xié)議規(guī)范》(Q/GDW12106.4-2021)設(shè)計(jì)，對(duì)邊端協(xié)同間接口及交互協(xié)議進(jìn)行定義[16]，如表1 所示。

表1 交互接口類別表

4.2 業(yè)務(wù)APP 規(guī)劃

為支撐配電站房運(yùn)檢業(yè)務(wù)開展，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，對(duì)配電站房智能邊緣物聯(lián)代理容器內(nèi)研發(fā)部署的APP 進(jìn)行規(guī)劃，如圖9 所示。

圖9 配電站房APP 規(guī)劃

各APP 對(duì)應(yīng)的功能設(shè)計(jì)說明如下。

1)時(shí)序化數(shù)據(jù)封裝APP：將感知數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理結(jié)果、視頻分析結(jié)果等附加上時(shí)鐘信息、地理信息(或配電站房編號(hào))封裝，傳至云端。

2)環(huán)境APP：溫濕度監(jiān)測(cè)、煙霧監(jiān)測(cè)、水浸監(jiān)測(cè)、臭氧監(jiān)測(cè)、SF6+氧氣監(jiān)測(cè)等傳感數(shù)據(jù)的處理、異常判別，生成環(huán)境感知數(shù)據(jù)包。

3)中壓開關(guān)柜APP：電流、電壓、局放、溫度等傳感數(shù)據(jù)的處理、異常判別，生成中壓開關(guān)柜感知數(shù)據(jù)包。

4)中壓電纜APP：電纜接頭溫度、局放、接地引下線電流、負(fù)荷電流等傳感數(shù)據(jù)的處理、異常判別，生成中壓電纜感知數(shù)據(jù)包。

5)配電變壓器APP：溫度、電流、局放、噪聲等傳感數(shù)據(jù)的處理、異常判別，生成配電變壓器感知數(shù)據(jù)包。

6)低壓配電柜APP：三相電流、溫度等傳感數(shù)據(jù)的處理、異常判別，生成中壓低壓配電柜感知數(shù)據(jù)包。

7)運(yùn)行分析APP：進(jìn)行功率因數(shù)、負(fù)荷比、電壓水平和三相不平衡等數(shù)據(jù)的處理，對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行綜合研判和異常判別。

8)告警APP：有異常時(shí)報(bào)警。

9)違規(guī)判別APP：根據(jù)深度學(xué)習(xí)模型的識(shí)別結(jié)果，判別是否有違反安全規(guī)范的行為，生成違規(guī)判別數(shù)據(jù)包[17]。

4.3 AI 模型倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)

為支撐配電站房運(yùn)檢業(yè)務(wù)的開展，需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控采集到的人員和環(huán)境視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行視覺AI 智能分析。在本文邊緣代理裝置中，對(duì)模型倉(cāng)庫(kù)以及模型并行運(yùn)算調(diào)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1)算法及模型倉(cāng)庫(kù)

算法倉(cāng)庫(kù)集成了多種深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行統(tǒng)一管理。如圖10 所示，根據(jù)配電站房的需求，算法倉(cāng)庫(kù)集成人員管控、安全違章行為、電流電壓、指示燈狀態(tài)、開關(guān)位置和煙火等深度學(xué)習(xí)模型。算法倉(cāng)庫(kù)管理包括對(duì)深度學(xué)習(xí)模型使用授權(quán)的管理，并提供深度學(xué)習(xí)模型添加、刪除、查詢和下載的接口[18]。

圖10 算法倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)圖

2)模型并行運(yùn)算調(diào)度

視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)接入到邊緣代理后，如何實(shí)現(xiàn)多路視頻并發(fā)處理，需設(shè)計(jì)視頻數(shù)據(jù)與深度學(xué)習(xí)模型對(duì)應(yīng)的并行運(yùn)算及調(diào)度算法，如圖11 所示。

每個(gè)深度學(xué)習(xí)計(jì)算IC 按模型的復(fù)雜程度及運(yùn)算時(shí)間加載單個(gè)或多個(gè)深度學(xué)習(xí)模型。調(diào)度算法根據(jù)算法模型所對(duì)應(yīng)的對(duì)象開展不同頻率的識(shí)別任務(wù)。一般情況下，與人有關(guān)的識(shí)別任務(wù)優(yōu)先級(jí)高，頻度高(10～20 幀/s)，輸入的視頻數(shù)據(jù)流流量高。電壓電流、指示燈、開關(guān)等識(shí)別任務(wù)優(yōu)先級(jí)低，頻度低(1 幀/s)，輸入的視頻數(shù)據(jù)流流量低。

通過上述調(diào)度算法，將深度學(xué)習(xí)模型合理部署在各個(gè)深度學(xué)習(xí)計(jì)算IC 中，將視頻數(shù)據(jù)合理地分配到各個(gè)深度學(xué)習(xí)計(jì)算IC，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)、運(yùn)算不堵塞，各深度學(xué)習(xí)計(jì)算IC 負(fù)荷均衡[19]。

5 實(shí)驗(yàn)及性能評(píng)估

將K8S 進(jìn)行輕量型改造后，在邊緣側(cè)去掉了原集群調(diào)度組件，裁減其部分管理面及控制面的功能。由于改進(jìn)主要在agent 也即邊緣代理側(cè)，無(wú)須太關(guān)注云端server 側(cè)資源的消耗。測(cè)試方法主要從邊緣側(cè)分別用傳統(tǒng)K8S 容器及輕量型邊緣代理容器部署0～100 個(gè)相同的測(cè)試應(yīng)用，分別觀測(cè)兩者的內(nèi)存和CPU 占用情況進(jìn)行資源消耗性能的對(duì)比分析，測(cè)試機(jī)規(guī)格為4vCPU，8GB RAM，操作系統(tǒng)為linux。

1)內(nèi)存消耗測(cè)試對(duì)比

從圖12 可以看出，對(duì)K8S 傳統(tǒng)方式，其agent 的內(nèi)存消耗明顯高于輕量型agent。在不加載應(yīng)用的情況，K8S agent 占到150+MB 的內(nèi)存，輕量型內(nèi)存大概占用50 MB；滿載情況下，K8S agent 占到230+MB 的內(nèi)存，輕量型內(nèi)存占用70 MB。

2) CPU 消耗測(cè)試對(duì)比

從圖13 可以看出，輕量型agent CPU 消耗要比K8S agent 低不少。在不加載應(yīng)用的情況，K8S agent 占到9%的內(nèi)存，輕量型大概占用不到2%；滿載情況下，K8S agent 占到12%+的CPU，輕量型agent CPU 占用不到3%。

圖13 CPU 消耗圖

6 結(jié) 束 語(yǔ)

本文基于配電站房運(yùn)檢業(yè)務(wù)的需求，對(duì)基于邊緣物聯(lián)代理容器化技術(shù)進(jìn)行研究，并對(duì)大型軟件容器化及輕量型容器化技術(shù)展開對(duì)比分析，結(jié)合本文配電站房運(yùn)檢業(yè)務(wù)特點(diǎn)，進(jìn)行了輕量型容器技術(shù)的技術(shù)選型。同時(shí)，對(duì)如何實(shí)現(xiàn)容器與云邊有效協(xié)同進(jìn)行了研究，并對(duì)其接口協(xié)議進(jìn)行了設(shè)計(jì)。此外，基于本文研究的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，對(duì)滿足其業(yè)務(wù)應(yīng)用的APP 以及算法模型倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，通過在算法模型倉(cāng)庫(kù)中采用并行運(yùn)算及調(diào)度算法，可實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)接入到邊緣代理后，多路視頻的并發(fā)處理[20]。

本文研究基于邊緣代理的輕量型新型云邊端架構(gòu)體系，摒棄集群管理等冗余功能，簡(jiǎn)化了云邊通信協(xié)議，極大降低了容器管理部署的復(fù)雜度。同時(shí)針對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備監(jiān)控特點(diǎn)，重點(diǎn)加強(qiáng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)管理、日志記錄、應(yīng)用監(jiān)管、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)壓縮存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)加密傳輸?shù)裙δ?。?jīng)實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證，與傳統(tǒng)K8S 容器化技術(shù)對(duì)比，本文研究成果較大減少了邊緣代理對(duì)資源的需求，同時(shí)滿足了配電網(wǎng)尤其是配電站房運(yùn)檢業(yè)務(wù)應(yīng)用的開展，具備較好的先進(jìn)性和推廣性。