基于邊緣計(jì)算技術(shù)的融合終端APP 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王伏亮，葛永高，李澄，陸玉軍

（江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇南京 211100）

隨著信息時(shí)代的發(fā)展，數(shù)據(jù)處理是維持社會(huì)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的必要工序之一，被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，但是超過正常處理量的額外數(shù)據(jù)，會(huì)增加系統(tǒng)工作的負(fù)載，增加系統(tǒng)運(yùn)行的誤差率[1]。在建設(shè)成本不變的基礎(chǔ)上，保證數(shù)據(jù)處理的精度和效率，文章借鑒邊緣計(jì)算技術(shù)的計(jì)算原理和計(jì)算方法，調(diào)用融合終端APP 系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備的關(guān)系度，完善系統(tǒng)的性能。最后通過對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證基于邊緣計(jì)算技術(shù)的融合終端APP 系統(tǒng)具有實(shí)用性，可以投入使用。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

為了使融合終端APP 系統(tǒng)與前端系統(tǒng)的匹配工作效率達(dá)到最佳，該文首先設(shè)計(jì)了融合終端監(jiān)控APP 系統(tǒng)框架。結(jié)合邊緣計(jì)算技術(shù)，終端監(jiān)控APP系統(tǒng)框架的結(jié)構(gòu)由邊緣智能服務(wù)器、邊緣分布式集群、邊緣容器、邊緣網(wǎng)絡(luò)控制器共同組成[2]。

邊緣智能服務(wù)器的工作任務(wù)是維持融合終端監(jiān)控APP 系統(tǒng)內(nèi)部的正常工作，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行錯(cuò)誤，邊緣智能服務(wù)器立即根據(jù)實(shí)際狀況，解決系統(tǒng)終端出現(xiàn)的問題。器件的主要特點(diǎn)是成本低、占系統(tǒng)硬件區(qū)域的有效空間小、耗能少，對于終端的服務(wù)調(diào)用速度快，邊緣智能服務(wù)器最突出的優(yōu)勢是具有網(wǎng)絡(luò)交換能力。器件的網(wǎng)絡(luò)交換能力依靠的是邊緣智能服務(wù)器內(nèi)部各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的計(jì)算存儲(chǔ)特性，由于邊緣智能服務(wù)器的功能多，因此器件內(nèi)部可以調(diào)控的指令集合內(nèi)容多[3-4]。

邊緣智能服務(wù)器通過虛擬技術(shù)模擬實(shí)現(xiàn)融合終端控制APP 系統(tǒng)框架的融合功能，邊緣計(jì)算的融合終端監(jiān)控APP 系統(tǒng)框架的基本結(jié)構(gòu)是主從分布式結(jié)構(gòu)，這種模式架構(gòu)的優(yōu)勢是主架構(gòu)出現(xiàn)運(yùn)行錯(cuò)誤，次架構(gòu)立即補(bǔ)運(yùn)，保證終端架構(gòu)的穩(wěn)定性。邊緣分布式集群主要包括邊緣中心節(jié)點(diǎn)、邊緣網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以及邊緣服務(wù)節(jié)點(diǎn)3 個(gè)類型。邊緣分布式集群的本質(zhì)是一個(gè)節(jié)點(diǎn)集合，雖然內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的類型有所不同，但是所有節(jié)點(diǎn)的動(dòng)力來源于系統(tǒng)內(nèi)部的同一個(gè)硬件設(shè)備。邊緣分布式集群在各類節(jié)點(diǎn)的調(diào)用方式采取一一調(diào)用協(xié)議，只能同時(shí)調(diào)用同一類型的節(jié)點(diǎn)，不同類型節(jié)點(diǎn)不能同時(shí)調(diào)用，保證了系統(tǒng)終端融合功能的穩(wěn)定性[5]?；谶吘売?jì)算的融合終端監(jiān)控APP 系統(tǒng)框架如圖1 所示。

圖1 基于邊緣計(jì)算的融合終端監(jiān)控APP系統(tǒng)框架

基于邊緣計(jì)算技術(shù)的融合終端監(jiān)控APP 系統(tǒng)框架內(nèi)部的邊緣容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的，即使終端系統(tǒng)內(nèi)部硬件器件調(diào)用工作時(shí)具有一定規(guī)律，計(jì)算系統(tǒng)終端的資源，為了達(dá)到終端監(jiān)控系統(tǒng)的融合功能，在邊緣容器內(nèi)部設(shè)置一種器件編排法則，維護(hù)邊緣器件設(shè)備的工作[6]。邊緣容器的編排法則內(nèi)容是在邊緣中心節(jié)點(diǎn)和邊緣網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部完成一定的部署安排[7]。

邊緣中心節(jié)點(diǎn)是監(jiān)控APP系統(tǒng)的主節(jié)點(diǎn)，可以完成系統(tǒng)內(nèi)部資源的存儲(chǔ)，主要的工作任務(wù)是控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的任意行為調(diào)用、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)日志的分析。在邊緣中心節(jié)點(diǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的部署方面，要考慮到實(shí)時(shí)終端系統(tǒng)資源的調(diào)用和利用情況，不可以使資源無故耗用，另外彌補(bǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)空間調(diào)用數(shù)據(jù)速度的缺點(diǎn)，在邊緣中心節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)鏡像處理空間，提高系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的調(diào)用率，保證系統(tǒng)的性能[8]。

邊緣網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是融合終端監(jiān)控APP 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點(diǎn)，作為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的交節(jié)點(diǎn)，可以維持系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)信息資源的交換，另外也可以構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)，為邊緣服務(wù)器提供驅(qū)動(dòng)支持。邊緣網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的部署內(nèi)容是系統(tǒng)的組件部署，部署要求是一切以實(shí)現(xiàn)終端監(jiān)控APP 系統(tǒng)融合功能為目的，保證資源的持續(xù)利用即可。邊緣網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以通過指令的部署，設(shè)計(jì)邊緣節(jié)點(diǎn)集群的交互操作[9]。

邊緣網(wǎng)絡(luò)控制器的設(shè)計(jì)目的是制衡終端APP 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)各類型節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)調(diào)用，控制器以邊緣網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)協(xié)議作為控制理念完成工作。邊緣網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)計(jì)的前提需要搭建一個(gè)器件運(yùn)行環(huán)境，否則邊緣控制器不具有運(yùn)行基礎(chǔ)，無法實(shí)現(xiàn)融合終端監(jiān)控的目的[10-11]。搭建器件的運(yùn)行環(huán)境需要應(yīng)用到GF 網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)管調(diào)器內(nèi)，將兩個(gè)硬件設(shè)備連接，然后在邊緣節(jié)點(diǎn)內(nèi)部進(jìn)行編碼，即可完成搭建。邊緣網(wǎng)絡(luò)控制器實(shí)物圖如圖2 所示。

圖2 邊緣網(wǎng)絡(luò)控制器

邊緣網(wǎng)絡(luò)控制器的網(wǎng)絡(luò)信息轉(zhuǎn)發(fā)功能通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，在控制器內(nèi)每一個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)都具有一個(gè)唯一的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)包，如果出現(xiàn)監(jiān)控信息復(fù)盤，通過判斷數(shù)據(jù)包類別即可完成校驗(yàn)，進(jìn)一步節(jié)省了校驗(yàn)時(shí)間。器件的邊緣網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的搭建首先通過邊緣容器編排規(guī)則將融合終端APP 的運(yùn)行節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息變量的初始化操作，然后計(jì)算網(wǎng)絡(luò)虛擬交換機(jī)與各個(gè)邊緣核心網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)發(fā)路徑長度和邊緣網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。如果兩個(gè)路徑長度符合要求，那么進(jìn)行下一步；如果路徑長度不符合要求，交換機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議向邊緣網(wǎng)絡(luò)控制器重新規(guī)劃監(jiān)控調(diào)用路徑，重新計(jì)算，直到路徑長度符合要求。最終將符合要求的路徑節(jié)點(diǎn)共同調(diào)用，構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)[12]。系統(tǒng)電路圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)電路圖

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 邊緣計(jì)算原理和數(shù)據(jù)融合處理方案

邊緣計(jì)算是一種在物理層面與數(shù)據(jù)源頭相鄰的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，具有邊云協(xié)同、運(yùn)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用支撐、采集等功能的一種可就近供應(yīng)邊緣智能服務(wù)執(zhí)行運(yùn)算的新型運(yùn)算模式。其主要針對萬物互聯(lián)服務(wù)的上行數(shù)據(jù)及云服務(wù)的下行數(shù)據(jù)實(shí)施操作，可對融合終端監(jiān)控APP 的運(yùn)行及管理控制等實(shí)現(xiàn)較大幅度的改善[13]。

利用邊緣計(jì)算設(shè)計(jì)融合終端監(jiān)控APP 系統(tǒng)時(shí)，首先采用數(shù)據(jù)匹配的方式對源信息進(jìn)行集中匹配，并在此基礎(chǔ)上完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理，其次通過大數(shù)據(jù)的監(jiān)控和分析力度對數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理[14]，以此來完成數(shù)據(jù)的融合處理。數(shù)據(jù)融合過程如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)融合過程

2.2 海量數(shù)據(jù)資源處理合理分配方案

基于上述數(shù)據(jù)的采集和融合處理方案，分別對物理信息數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)資源數(shù)據(jù)進(jìn)行資源處理分配。資源的合理化分配要堅(jiān)持可用性、結(jié)構(gòu)化原則，保證數(shù)據(jù)資源的完整性和條理性，能夠滿足快捷搜索和查閱的功能要求[15]。

對接收到的物理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，篩選排除存在問題或內(nèi)容缺失的信息，調(diào)整糾正數(shù)據(jù)信息的格式和內(nèi)容邏輯，然后將所有的數(shù)據(jù)信息按照內(nèi)容類別、時(shí)間、相關(guān)性等指標(biāo)進(jìn)行分類和關(guān)系劃分，形成多個(gè)獨(dú)立又存在關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集，構(gòu)建適用于移動(dòng)終端的具有邊緣關(guān)系的數(shù)據(jù)信息庫[16]。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)資源需要通過Python 編制適用于移動(dòng)終端的抓取程序，將采集數(shù)據(jù)信息訪問到的網(wǎng)頁及網(wǎng)址等信息進(jìn)行抓取記錄，并能夠?qū)W(wǎng)頁內(nèi)容和文件信息進(jìn)行提取。移動(dòng)終端系統(tǒng)進(jìn)行資源搜索時(shí)的訪問頁面和內(nèi)容能夠被抓取程序保留下來，根據(jù)搜索任務(wù)和訪問資源的順序和關(guān)聯(lián)性構(gòu)建合理的網(wǎng)絡(luò)資源數(shù)據(jù)的分配方案。

2.3 邊緣計(jì)算下的邊緣節(jié)點(diǎn)調(diào)度優(yōu)化

海量的信息數(shù)據(jù)資源存在一定的特性和異常因素，因此需要對邊緣計(jì)算的一些邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。結(jié)合系統(tǒng)程序運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對信息數(shù)據(jù)資源的特征進(jìn)行限制規(guī)劃，對存在空缺或序列不完整的信息資源進(jìn)行數(shù)據(jù)填補(bǔ)。通過拉格朗日插值法將已知存在的數(shù)據(jù)資源節(jié)點(diǎn)按一定規(guī)律或特征構(gòu)造為一個(gè)插值函數(shù)p(x)，數(shù)據(jù)集內(nèi)的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)通過函數(shù)(x,y)表達(dá)出來，插值函數(shù)能夠根據(jù)各數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的函數(shù)信息獲取到所求位置數(shù)據(jù)信息的函數(shù)表達(dá)：

式中，anxn表示該插值函數(shù)數(shù)據(jù)集中對應(yīng)順序插值節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)位置，再將上式與拉格朗日插值公式聯(lián)立：

經(jīng)過上式運(yùn)算，計(jì)算得到缺失數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的所在位置，再將其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)內(nèi)容與插值位置進(jìn)行對應(yīng)，可大致推斷出該節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息內(nèi)容，完善優(yōu)化了系統(tǒng)邊緣計(jì)算的邊緣節(jié)點(diǎn)內(nèi)容和數(shù)據(jù)信息資源內(nèi)容。

3 實(shí) 驗(yàn)

為了驗(yàn)證研究的基于邊緣計(jì)算技術(shù)的融合終端APP 系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，以人體活動(dòng)為研究對象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試[17-18]。通過外部傳感器監(jiān)測人體活動(dòng)的物理變化數(shù)據(jù)信息，采集并記錄了人體在走路、跑步、站立等狀態(tài)下的心率變化數(shù)據(jù)。通過終端APP 對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將不同時(shí)段、不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息按照邊緣計(jì)算方案劃分為不同的數(shù)據(jù)集。劃分過程在保證數(shù)據(jù)信息真實(shí)完整的條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)分配，并對數(shù)據(jù)分配的合理性和劃分速度進(jìn)行監(jiān)測。

表1 融合時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)終端APP 程序處理決策樹的變化情況來看，融合終端APP 系統(tǒng)能夠?qū)Υ罅繑?shù)據(jù)進(jìn)行多層次迭代的數(shù)據(jù)分類，且數(shù)據(jù)信息仍保持很高的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。系統(tǒng)的決策樹深度表現(xiàn)了其數(shù)據(jù)融合處理時(shí)所進(jìn)行的數(shù)據(jù)劃分次數(shù)，在相關(guān)性條件下進(jìn)行合理劃分也說明系統(tǒng)具有良好的任務(wù)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和重要內(nèi)容提取的能力；從監(jiān)測到的時(shí)間可以看出，系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)劃分和信息分配的處理時(shí)間不長，處理效率很高，數(shù)據(jù)融合處理的效果也十分良好，證明了系統(tǒng)具有優(yōu)秀的分類性能。

從融合數(shù)據(jù)處理結(jié)果的準(zhǔn)確度來看，系統(tǒng)融合處理的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度均保持在90%以上，說明了系統(tǒng)的基于邊緣計(jì)算的融合處理準(zhǔn)確度較高。而且系統(tǒng)的監(jiān)測準(zhǔn)確度會(huì)隨著決策樹深度的增加而增加，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分類處理的層次越多，能夠推斷得到的數(shù)據(jù)信息越多，優(yōu)化完善了融合處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源，進(jìn)行邊緣計(jì)算時(shí)有更全面的數(shù)據(jù)集合數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分配關(guān)系，因此能夠得到更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)融合處理結(jié)果。

表2 融合準(zhǔn)確率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

綜上所述，研究的基于邊緣計(jì)算技術(shù)的融合終端APP 系統(tǒng)具有良好的分類性能和較高的數(shù)據(jù)融合處理準(zhǔn)確率，能夠在移動(dòng)終端設(shè)備上對海量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行合理分配和融合處理，而且可以實(shí)現(xiàn)實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)的融合處理，能夠在保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實(shí)性、完整性的同時(shí)進(jìn)行物理信息和網(wǎng)絡(luò)資源信息數(shù)據(jù)的融合處理，提高了終端系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合處理的準(zhǔn)確率和工作效率。

4 結(jié)束語

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對比分析論述，驗(yàn)證了文中設(shè)計(jì)的基于邊緣計(jì)算的融合終端監(jiān)控APP 系統(tǒng)比傳統(tǒng)的系統(tǒng)性能高，并且達(dá)到了系統(tǒng)性能規(guī)范的基礎(chǔ)值，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期效果。該文突破傳統(tǒng)的系統(tǒng)硬件區(qū)域和軟件區(qū)域分別設(shè)計(jì)的理念，首先構(gòu)建基于邊緣技術(shù)的融合終端APP 系統(tǒng)框架，然后在系統(tǒng)框架的有效結(jié)構(gòu)內(nèi)，分析邊緣計(jì)算的原理、數(shù)據(jù)融合處理方案以及海量數(shù)據(jù)資源處理合理分配的最佳方案，最后完成系統(tǒng)的邊緣節(jié)點(diǎn)調(diào)度的優(yōu)化，完成融合終端APP 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。將以上的研究成果作為論述依據(jù)，可以進(jìn)一步完善融合前端APP 系統(tǒng)的功能，促進(jìn)數(shù)據(jù)融合領(lǐng)域的發(fā)展。