CN111552440B - 一种电力物联网“云-边-端”数据同步方法 - Google Patents

一种电力物联网“云-边-端”数据同步方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电力物联网“云‑边‑端”数据同步方法，应用于电力物联网由业务终端、边缘节点和云平台构成的“云‑边‑端”三层结构，包括：边缘节点设备分配预设内存用作缓存区，将云平台和终端的交互数据通过内存地址的方式有序存放，按照预设参数将缓存区分成若干个缓存块，对缓存块管理；上行及下行数据均按实时性要求采用不同的缓存策略。本发明将位于同一边缘节点下的若干业务终端共享缓存区的数据，避免所有业务终端都从云平台单独获取，降低了网络访问的频次，边缘节点的缓存区分块进行管理，使得云平台和业务终端交换的数据不再是离散或长度不规则的数据，针对不同的数据采用不同的缓存策略，提升了网络传输效能，提高数据同步效率。

Description

一种电力物联网“云-边-端”数据同步方法
技术领域
本发明涉及电力通信技术领域，具体涉及一种电力物联网“云-边-端”数据同步方法。
背景技术
电力物联网是围绕电力系统各环节，充分应用移动互联、人工智能等现代信息技术、先进通信技术，实现电力系统各环节万物互联、人机交互，具有状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活特征的智慧服务系统。
边缘计算是将数据处理、应用程序运行等功能，由云计算中心下放到网络边缘节点上。以智能配电系统为例，配电保护算法需要系统有实时反应能力，如将数据传输到云计算中心集中计算，响应速度将无法满足需求。同时，测控装置也会产生大量数据，这些数据中包含很多无用数据，如将这些数据传输到云计算中心计算，会给网络传输造成很大压力，实际价值也并不大。边缘计算通过将计算任务下放到本地，边缘计算实现了数据本地化处理和存储，大大削减了数据传输数量，减少了请求响应时间，同时也保障了数据的安全性、私密性。
采用“云-边-端”三层架构的电力物联网需要进行三层间的数据同步，目前的方案主要采用复杂的边缘计算开源框架软件实现，此类框架往往使用了云端互联网软件的设计理念，功能和结构较为复杂，多采用JAVA或 Python等高级语言编写，数据同步的快速响应性能较弱实时性差，不能很好的适应电力系统的工控数据同步场景。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有的云-边-端”三层架构的电力物联网进行三层间的数据同步方式，快速响应性能较弱实时性差的缺陷，从而提供一种电力物联网“云-边-端”数据同步方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明实施例提供一种电力物联网“云-边-端”数据同步方法，应用于电力物联网由业务终端、边缘节点和云平台构成的“云-边-端”三层结构，包括如下步骤：
边缘节点设备分配预设内存用作缓存区，将云平台和业务终端之间的交互数据通过内存地址的方式进行有序存放，按照预设参数将缓存区分成若干个缓存块，采用缓存控制器对缓存块管理；将业务终端上传至云平台的上行数据，以及云平台下发至业务终端的下行数据均按实时性要求，采用不同的缓存策略。
在一实施例中，采用缓存控制器对缓存区分块管理，包括：缓存块的分配、数据刷新及数据写回。
在一实施例中，所述缓存控制器通过缓存块上的标志位识别当前缓存的状态，标志位包括：有效位和修改位，有效位为“1”表示缓存的数据块对应单元中存在有效数据，否则为空，修改位为“1”表示缓存块的数据被修改，未同步到内存池中。
在一实施例中，将业务终端上传至云平台的上行数据按实时性要求，采用不同的缓存策略，包括：将业务终端上传至云平台的上行数据按照实时性要求分为：紧急数据和非紧急数据；对于紧急数据，跳过边缘节点的缓存块管理，由业务终端直接发送至云平台；对于非紧急数据，由业务终端传送到边缘节点中的一个或多个缓存块，并设置修改位为“1”表示缓存中的块已经被修改过，采用预测监测策略监测网络较为空闲时，将缓存块存储的数据同步到云平台；如果云平台的内存数据块在加载到缓存后未被修改过，缓存控制器将该缓存块设置为无效，不将数据同步回云平台。
在一实施例中，云平台下发至业务终端的下行数据按实时性要求，采用不同的缓存策略，包括：将云平台下发至业务终端的数据按实时性要求分为：紧急数据和非紧急数据；对于紧急数据，跳过边缘节点的缓存块管理，由云平台直接发送至业务终端；对于非紧急数据，由云平台在本地修改内存区，修改完以后通知业务终端，由业务终端主动从云平台读取相关的数据，读取过程中，如果缓存命中，从位于边缘节点的缓存块中直接获取数据，否则，由边缘节点的缓存控制器先从云平台读取数据，再更新至业务终端。
在一实施例中，所述缓存策略通过参数进行优化配置与调整。
在一实施例中，根据云平台侧的数据存储区大小，将缓存区分为若干与云平台侧数据大小相匹配的缓冲块。
在一实施例中，将缓存区分为若干个1K字节大小的缓冲块。
在一实施例中，所述边缘节点设备采用嵌入式CPU主板。
本发明技术方案，具有如下优点：
1、本发明实施例提供的电力物联网“云-边-端”数据同步方法，应用于电力物联网由业务终端、边缘节点和云平台构成的“云-边-端”三层结构，包括：边缘节点设备分配预设内存用作缓存区，将云平台和终端的交互数据通过内存地址的方式有序存放，按照预设参数将缓存区分成若干个缓存块，采用缓存控制器对缓存块管理；将上行数据以及下行数据均按实时性要求，采用不同的缓存策略。将位于同一个边缘节点下的若干业务终端可以共享缓存区的数据，避免所有业务终端都从云平台单独获取，节省了网络资源。边缘节点的缓存区分块进行管理，使得云平台和业务终端交换的数据不再是离散或长度不规则的数据，针对不同的数据采用不同的缓存策略，提升了网络传输效能，提高数据同步效率。
2、本发明实施例提供的电力物联网“云-边-端”数据同步方法，采用支持参数可以调整的方法，可以针对不同的电力应用或者通信网络环境进行调整与适配，从而达到最优的数据同步效率。
3、本发明实施例提供的电力物联网“云-边-端”数据同步方法，对于采用嵌入式CPU主板的边缘节点，可以使用C语言等实现，从而降低复杂的同步算法带来的额外运算开销，提升系统可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中提供的“云-边-端”三层结构；
图2为本发明实施例中提供的电力物联网“云-边-端”数据同步方法的一个具体示例的流程图；
图3为本发明实施例中数据统一编址存放及缓存地址映射的示意图；
图4为本发明实施例中业务终端上传数据至云平台的上行数据的同步过程的示意图；
图5为本发明实施例中云平台下发数据至业务终端下行数据的同步过程的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例
本发明实施例提供一种电力物联网“云-边-端”数据同步方法，应用于如图1所示的电力物联网由业务终端组成的终端层、边缘节点组成的边缘层以及云平台组成的云平台层，构成的“云-边-端”三层结构。其中，云平台层由电力物联网管理中心和业务系统组成；边缘节点可以完成边缘计算、边缘存储、通信协议转换等功能；终端层主要由各种电力业务终端组成；云平台和边缘节点通过广域通信网络互联，业务终端和边缘节点则通过现场通信网络进行互联。如图2所示，该方法包括如下步骤：
步骤S1：边缘节点设备分配预设内存用作缓存区，将云平台和业务终端之间的交互数据通过内存地址的方式进行有序存放，按照预设参数将缓存区分成若干个缓存块，采用缓存控制器对缓存块管理。
本发明实施例中，位于同一个边缘节点下的若干业务终端可以共享缓存区的数据，例如配置参数或者升级固件代码，避免所有业务终端都从云平台单独获取，从而节省了通信网络资源。
如图3所示，本发明实施例将云平台和业务终端之间需要交互的数据通过内存地址方式进行有序存放，例如，交互数据总共为512M字节数据，起始地址为0x00000000，结束地址为0x1fffffff。将缓存区划分成1K字节大小的块(block)，目的是当位于边缘节点的缓存区与云平台进行数据交换时，以最小单位1K字节块进行传输。当边缘节点为嵌入式系统时，受到内存资源的限制，无法分配和云平台侧同样大小的数据存储区，例如，边缘节点只能分配32M字节的缓冲区，此时，将总共32bit地址的高7bit去掉，剩余的25位地址用作边缘节点缓冲区寻址，即相当于做了哈希映射。和云平台层类似，亦将边缘节点上的缓存区划分为1K字节块进行管理。对于采用嵌入式CPU主板的边缘节点，可以使用C语言等实现，从而降低复杂的同步算法带来的额外运算开销，提升系统可靠性。
本实施例采用边缘节点设备中的缓存控制器对缓存区进行分块管理，功能包括：缓存块的分配、数据刷新、数据写回等。缓存控制器通过缓存块(block)上的标志位识别当前缓存的状态。这些标志位包括：有效位(valid bit)和修改位(modifiy bit)。有效位为“1”表示缓存的数据块对应单元中存在有效数据，否则为空。修改位为“1”表示缓存数据块被修改了，但还没有同步到内存池中。
步骤S2：将业务终端上传至云平台的上行数据，以及云平台下发至业务终端的下行数据均按实时性要求，采用不同的缓存策略。
本发明实施例中，如图4所示，将业务终端上传至云平台的上行数据按实时性要求，采用不同的缓存策略，包括：将业务终端上传至云平台的上行数据按照实时性要求分为：紧急数据和非紧急数据；其中，对于紧急数据，有一定实时性要求，例如继电保护装置产生的跳闸信息或设备产生的重要告警信息等，采用“写通”操作，即立即将数据由业务终端传送到云平台；对于非紧急数据，没有实时性要求，例如电力设备监控数据或者环境监控数据等，采用“写回”操作，即将数据传送到边缘节点中的一个或多个缓存块中，并设置修改位(modify bit)为“1”，用来表示缓存中的块已经被修改过。后续采用定时策略或监测到网络较为空闲时，将缓存块同步到云平台。如果一个云平台上的内存数据块在加载到缓存后未被修改过，缓存控制器直接把该缓存块设置为无效(valid bit设置为“0”)。不需要把数据同步回云平台，这样可以有效降低从缓存到云平台的同步更新次数。
在本发明实施例中，如图5所示，云平台下发至业务终端的下行数据按实时性要求，采用不同的缓存策略，包括：将云平台下发至业务终端的数据按实时性要求也分为：紧急数据和非紧急数据；其中，紧急数据有一定实时性要求，例如手动控制切除负荷的操作指令，对于紧急数据跳过边缘节点的缓存块管理，由云平台直接发送至业务终端；对于非紧急数据，没有实时性要求，例如修改业务终端设备配置或定值参数、更新设备固件等。由云平台在本地修改内存区，修改完以后通知业务终端，由业务终端主动从云平台读取相关的数据，读取过程中，如果缓存命中，从位于边缘节点的缓存块中直接获取数据，否则，由边缘节点的缓存控制器先从云平台读取数据，再更新至业务终端。
在本发明实施例中，缓存策略可以通过参数进行优化配置与调整，如果网络的MTU为1500时，使用1K字节的块(block)作为最小的数据交换单位，如果MTU为其它值的时候，可以调整块(block)的大小。对网络流量进行优化。通过支持参数可以调整的方式，可以针对不同的电力应用或者通信网络环境进行调整与适配，从而达到最优的数据同步效率。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种电力物联网“云-边-端”数据同步方法，应用于电力物联网由业务终端、边缘节点和云平台构成的“云-边-端”三层结构，其特征在于，包括如下步骤：
边缘节点设备分配预设内存用作缓存区，将云平台和业务终端之间的交互数据通过内存地址的方式进行有序存放，按照预设参数将缓存区分成若干个缓存块，采用缓存控制器对缓存块管理，所述缓存控制器通过缓存块上的标志位识别当前缓存的状态，标志位包括：有效位和修改位，有效位为“1”表示缓存的数据块对应单元中存在有效数据，否则为空，修改位为“1”表示缓存块的数据被修改，未同步到内存池中；
将业务终端上传至云平台的上行数据，以及云平台下发至业务终端的下行数据均按实时性要求，采用不同的缓存策略，将业务终端上传至云平台的上行数据按实时性要求，采用不同的缓存策略，包括：
将业务终端上传至云平台的上行数据按照实时性要求分为：紧急数据和非紧急数据；
对于紧急数据，跳过边缘节点的缓存块管理，由业务终端直接发送至云平台；
对于非紧急数据，由业务终端传送到边缘节点中的一个或多个缓存块，并设置修改位为“1”表示缓存中的块已经被修改过，采用预测监测策略监测网络较为空闲时，将缓存块存储的数据同步到云平台；如果云平台的内存数据块在加载到缓存后未被修改过，缓存控制器将该缓存块设置为无效，不将数据同步回云平台；
云平台下发至业务终端的下行数据按实时性要求，采用不同的缓存策略，包括：
将云平台下发至业务终端的数据按实时性要求分为：紧急数据和非紧急数据；
对于紧急数据，跳过边缘节点的缓存块管理，由云平台直接发送至业务终端；
对于非紧急数据，由云平台在本地修改内存区，修改完以后通知业务终端，由业务终端主动从云平台读取相关的数据，读取过程中，如果缓存命中，从位于边缘节点的缓存块中直接获取数据，否则，由边缘节点的缓存控制器先从云平台读取数据，再更新至业务终端。
2.根据权利要求1所述的电力物联网“云-边-端”数据同步方法，其特征在于，采用缓存控制器对缓存区分块管理，包括：缓存块的分配、数据刷新及数据写回。
3.根据权利要求1-2任一所述的电力物联网“云-边-端”数据同步方法，其特征在于，所述缓存策略通过参数进行优化配置与调整。
4.根据权利要求3所述的电力物联网“云-边-端”数据同步方法，其特征在于，根据云平台侧的数据存储区大小，将缓存区分为若干与云平台侧数据大小相匹配的缓冲块。
5.根据权利要求4所述的电力物联网“云-边-端”数据同步方法，所述边缘节点设备采用嵌入式CPU主板。
6.根据权利要求4或5所述的电力物联网“云-边-端”数据同步方法，其特征在于，将缓存区分为若干个1K字节大小的缓冲块。
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