CN113873461B - 基于智慧输电线路低功耗基站的边缘计算框架系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于智慧输电线路低功耗基站的边缘计算框架系统，安装于智慧输电线路低功耗基站并且用于兼容各个传感器设备，包括蓝图单元、模块化单元和下载单元，所述模块化单元包括基础子单元和增加子单元，所述增加子单元用于匹配对应传感器设备的采集工作，将基础子单元和增加子单元以模块化的形式进行加载和运行。本发明公开的基于智慧输电线路低功耗基站的边缘计算框架系统，对各类传感器数据进行统一接入、数据解析、实时计算、有效存储，与信息化平台双向互联，实现业务数据与运维数据通道分离。

Description

基于智慧输电线路低功耗基站的边缘计算框架系统

技术领域

本发明属于高压基站技术领域，具体涉及一种基于智慧输电线路低功耗基站的边缘计算框架系统。

背景技术

近年来，特高压领域为国家重点发展新基建之一，电网基础设施智能化为重中之重，主要通过物联网系统实现实时感知、全息互联、自主预警，因此感知传感器和(边缘计算)低功耗基站是该监测系统的重要组成部分。其中低功耗基站由主机模块、通信模块、光伏组件、蓄电池等低功耗可充发电相关元件组成，能够在靠近传感器的网络边缘侧聚合通信、算法、存储、应用等核心功能，就近提供边缘计算服务，实现监测传感器的敏捷连接、实时业务、数据优化、应用智能、网络安全等服务。

百万级规模的基站面临着以下问题：

1)输电电网以无人区为主，现场巡检成本高难度大，因此低功耗、高可靠、可远程维护是该系统的必备要求，其中低功耗甚至无操作系统的指标限制了绝大多数高级框架的引入，造成基站硬件与软件绑定紧密，系统兼容性差、升级困难的局面；

2)传感器种类多，生产厂家不一，数据类型各异，现有厂家多数采用私有协议，即使使用相同的硬件通信模块，软件协议上依然互不兼容，具有南向接口标准化的迫切需求；

3)各省市信息化平台独立，存在几十种接入协议与标准，需要基站的应用功能即时变更与随需迭代。

因此，针对上述问题，予以进一步改进。

发明内容

本发明的主要目的在于提供基于智慧输电线路低功耗基站的边缘计算框架系统，对各类传感器数据进行统一接入、数据解析、实时计算、有效存储，与信息化平台双向互联，实现业务数据与运维数据通道分离，实现多厂家设备一机采集，实现通信协议版本按需变更，实现了本框架系统对硬件资源的集中管理和对业务模块的动态加载、部署、配置、升级等操作。

本发明的另一目的在于提供基于智慧输电线路低功耗基站的边缘计算框架系统，其是独立于基站的具体业务应用层和硬件层，以提高低功耗基站的灵活性、互操作性和减少开发、升级成本为目的，着重解决输电线路场景中新老传感器统一接入问题，解决客户要监测数据、厂家要运维设备的需求问题，填补行业内低功耗、跨平台(或无操作系统平台)的边缘计算框架空缺。

为达到以上目的，本发明提供一种基于智慧输电线路低功耗基站的边缘计算框架系统，安装于智慧输电线路低功耗基站并且用于兼容各个传感器设备，包括蓝图单元、模块化单元和下载单元，其中：

所述模块化单元包括基础子单元(例如数据存储子单元等作为基站的基础功能，在出产时就已经具有)和增加子单元(在基站出产时不具有，根据后续传感器设备的类型进行下载相对应功能的子单元，例如温度采集子单元、数据告警子单元)，所述增加子单元用于匹配对应传感器设备的采集工作，将基础子单元和增加子单元以模块化的形式进行加载和运行；

所述蓝图单元将所述模块化单元的各个子单元(包括基础子单元和增加子单元)通过临时对接接口，以建立数据流通道，从而完成当前临时对接所对应的任务功能，并且通过蓝图单元将智慧输电线路低功耗基站的基站运维数据和设备采集数据进行分离为至少两条数据流；

在基于智慧输电线路低功耗基站和传感器设备通信兼容的前提下，下载单元根据传感器设备的类型通过运营商网络向信息化平台下载具有匹配当前传感器设备的通信协议的增加子单元，以使得基于智慧输电线路低功耗基站正常采集当前传感器设备传输的数据。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，基于智慧输电线路低功耗基站的边缘计算框架系统与传感器设备进行数据交互，以完成当前传感器设备的采集工作，其中：

传感器设备通过对应具有的通信方式将数据发送到智慧输电线路低功耗基站，并且智慧输电线路低功耗基站将采集到的数据驱动推送至基于智慧输电线路低功耗基站的边缘计算框架系统，基于智慧输电线路低功耗基站的边缘计算框架系统通过蓝图单元将当前传感器设备在采集工作中需要的模块化单元的对应的各个子单元按照预设的数据流传顺序进行传输，最终通过与营商网络传输到信息化平台以实现采集工作。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，智慧输电线路低功耗基站将采集到的数据驱动推送至基于智慧输电线路低功耗基站的边缘计算框架系统时，通过与当前传感器设备匹配的增加子单元(采集子单元)进行采集，当采集数据符合该增加子单元的数据属性描述时，将采集数据执行包括数据解析、处理和存储的工作，并流转至数据总线，数据总线依照启动时加载的蓝图子单元对应的描述，判定采集数据的下一位节点对应的增加子单元，通过流水化的对采集数据进行程序处理，从而通过运营商网络流转至信息化平台。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，基于智慧输电线路低功耗基站的边缘计算框架系统还包括安全通信协议单元，并且所述安全通信协议单元根据需求自定义开发。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，通过蓝图单元和模块化单元进行采集工作，所述增加子单元包括数据采集子单元、数据处理子单元、告警判定子单元、告警上报子单元和数据上报子单元，所述基础子单元包括数据存储子单元，其中：

基于智慧输电线路低功耗基站的边缘计算框架系统根据当前传感器设备的类型加载蓝图单元对应的蓝图文件并且根据蓝图文件加载模块化模块所需要的增加子单元和基础子单元，通过数据采集子单元将传感器设备的数据进行接入，所述数据处理子单元将接入的数据进行处理后再通过所述数据存储子单元进行数据存储，所述告警判定子单元对存储的数据进行判定，以判断当前存储数据是否达到预设的告警阈值，如果是则依次通过告警上报子单元和数据上报子单元进行上报，否则直接通过数据上报子单元进行上报。

本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的边缘计算框架系统，将设备运维协议应用与数据通信协议应用分离，两者独立存在、管控和升级，使关心数据的平台只接收数据流，关心设备运行状态的平台(一般为厂家)接收设备运维信息。通过证书签名等方式，既保证了电力客户对数据安全性、唯一性的需求，又满足厂家对设备运行管理的需求；

2、将蓝图和模块化的技术引入边缘计算框架系统，建立采集应用、通信应用、存储应用、计算应用等基础模块，通过框架系统协同业务模块之间的元数据交互。以上发明是为解决新老系统难以兼容、升级困难、设备厂家协议众多的问题，是将现有功能一体式的软件进行模块化的过程，减少了后期运维人员操作负担。例如某智慧监测系统引入新一代监测传感器设备，通过本发明的框架系统升级设备的蓝图文件，增加数据流与节点模块即完成新传感器的接入工作。本发明抽取了智慧电力监测领域可通用可标准内容，作为边缘计算框架系统的基本功能，将不可确定的业务内容模块化，又由蓝图技术分离多样的数据流。

3、在基站和传感器硬件通信兼容的前提下，框架系统可下载特定的传感器通信协议应用，使基站正常采集该传感器的数据，解決传感器和基站之间的兼容性问题。

4、通过模块化通信协议应用的方式，开发多种信息化平台的协议应用，按需下载和迭代。现在的基站和基站软件由于耦合度较高，当信息化平台升级时，必须联系所有基站厂家对设备软件进行再次联调和升级，工作量较大、成本较高。通过本发明的模块化技术，只需开发一次对接协议模块，解决基站与信息化平台同步迭代问题。

附图说明

图1是本发明的基于智慧输电线路低功耗基站的边缘计算框架系统的数据交互图。

图2是本发明的基于智慧输电线路低功耗基站的边缘计算框架系统的应用图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

在本发明的优选实施例中，本领域技术人员应注意，本发明所涉及的智慧输电线路低功耗基站和传感器设备等可被视为现有技术。

优选实施例。

本发明公开了一种基于智慧输电线路低功耗基站的边缘计算框架系统，安装于智慧输电线路低功耗基站并且用于兼容各个传感器设备，包括蓝图单元、模块化单元和下载单元，其中：

所述模块化单元包括基础子单元(例如数据存储子单元等作为基站的基础功能，在出产时就已经具有)和增加子单元(在基站出产时不具有，根据后续传感器设备的类型进行下载相对应功能的子单元，例如温度采集子单元、数据告警子单元)，所述增加子单元用于匹配对应传感器设备的采集工作，将基础子单元和增加子单元以模块化的形式进行加载和运行；

优选地，为了有效管理节点与节点所占资源，节点运行以模块化的方式在边缘计算框架上加载、运行。本发明提供了边缘计算框架，具体的业务节点模块由后期具体的业务人员开发和补充，可以是传感器厂家、信息化平台协议开发人员等。边缘计算框架提供节点的接口文件，规范了标准节点的接口内容，其中一部分接口需要应用节点依据业务编码实现，可以是一类传感器数据的解析，或是数据的边缘算法(图像识别、预警识别等)；另一部分接口是已实现的可用接口，如数据存取接口、数据采集接口、数据上报信息化平台接口或是算法库等。基于框架下的模块化开发技术，简化大量的开发细节，标准化输入输出，统一部署和调配，开发人员可专注编写业务逻辑，无需关注数据缓存、数据流转、模块管理等业务无关的程序逻辑。此外，框架系统管理所有在设备上实例化的节点模块，一般包含传感器的属性描述、事件描述和测量数据描述和定义。模块在设备启动时通过脚本语言逐一实例化和建立交互关系，该脚本可独立下载、模块可独立下载。在低功耗基站资源有限的情况下，按需保留必要的模块。

所述蓝图单元将所述模块化单元的各个子单元(包括基础子单元和增加子单元)通过临时对接接口，以建立数据流通道，从而完成当前临时对接所对应的任务功能，并且通过蓝图单元将智慧输电线路低功耗基站的基站运维数据和设备采集数据进行分离为至少两条数据流；

优选地，蓝图单元的蓝图描述是节点和节点关系的描述，通过脚本语言(XML或JSON)进行编写，其中节点表示某个业务应用的高内聚实现封装，节点关系表示数据流向。蓝图中的每一个节点都是独立的模块代码(模块化单元的各个子单元)，通过节点间接口的临时对接(函数指针、中介者等方式)，建立起数据流通道，如此完成某个特定的功能。例如某一温度传感器的数据采集、处理、存储、告警判断到上报，某一视频图像的数据采集、图像动态告警识别到告警上报。通过蓝图单元，开发人员可将基站运维功能和设备采集功能分离为两条或多条数据流，在硬件资源的充足的情况下独立运行，这既解耦了实际业务和设备的关系，也分流信息化平台的工作内容。

在基于智慧输电线路低功耗基站和传感器设备通信兼容的前提下，下载单元根据传感器设备的类型通过运营商网络向信息化平台下载具有匹配当前传感器设备的通信协议的增加子单元，以使得基于智慧输电线路低功耗基站正常采集当前传感器设备传输的数据。

具体的是，基于智慧输电线路低功耗基站的边缘计算框架系统与传感器设备进行数据交互，以完成当前传感器设备的采集工作，其中：

传感器设备通过对应具有的通信方式将数据发送到智慧输电线路低功耗基站，并且智慧输电线路低功耗基站将采集到的数据驱动推送至基于智慧输电线路低功耗基站的边缘计算框架系统，基于智慧输电线路低功耗基站的边缘计算框架系统通过蓝图单元将当前传感器设备在采集工作中需要的模块化单元的对应的各个子单元按照预设的数据流传顺序进行传输，最终通过与营商网络传输到信息化平台以实现采集工作。

更具体的是，智慧输电线路低功耗基站将采集到的数据驱动推送至基于智慧输电线路低功耗基站的边缘计算框架系统时，通过与当前传感器设备匹配的增加子单元(采集子单元)进行采集，当采集数据符合该增加子单元的数据属性描述时，将采集数据执行包括数据解析、处理和存储的工作，并流转至数据总线，数据总线依照启动时加载的蓝图子单元对应的描述，判定采集数据的下一位节点对应的增加子单元，通过流水化的对采集数据进行程序处理，从而通过运营商网络流转至信息化平台。

图1为本发明边缘计算框架系统内部与外部之间的数据交互图，外部的传感器设备通过特有的通信方式将数据发送至低功耗基站，低功耗基站硬件采集到数据后由驱动层推送至边缘计算框架，这时依照特定业务开发的增加子单元(采集子单元)进行采集工作，当采集数据符合该模块的数据属性描述时，数据解析、处理、存储等工作依次完成(通过各个不同功能的增加子单元进行完成)，并流转至数据总线，数据总线依照启动时加载的蓝图描述，判定数据的下一位节点模块，如此流水化的对数据进行程序处理，最后流转至信息化平台。

进一步的是，基于智慧输电线路低功耗基站的边缘计算框架系统还包括安全通信协议单元，并且所述安全通信协议单元根据需求自定义开发(互联网技术引入电力生产中必然带来较大的安全隐患，但由于低功耗基站的资源限制、实时特性等导致不能直接使用IT领域的安全解决方案。基于边缘计算框架的安全通信协议模块可自定义开发，框架提供TF卡、加密芯片等接口，通过安全验证、加密传输、数字证书和密钥等手段，强化数据在本地存储及传输、接入安全。安全协议通信也是信息化平台的定制功能，在满足客户对安全需求的前提下，可定制化开发安全协议对接模块，按需迭代版本。安全服务是边缘计算框架直接提供的标准化接口内容，是对现有电力信息化平台通用安全标准的实现。)。

更进一步的是，如图2所示为本法具体在基站的采集工作流程图，通过蓝图单元和模块化单元进行采集工作，所述增加子单元包括数据采集子单元、数据处理子单元、告警判定子单元、告警上报子单元和数据上报子单元，所述基础子单元包括数据存储子单元，其中：

基于智慧输电线路低功耗基站的边缘计算框架系统根据当前传感器设备的类型加载蓝图单元对应的蓝图文件并且根据蓝图文件加载模块化模块所需要的增加子单元和基础子单元，通过数据采集子单元将传感器设备的数据进行接入，所述数据处理子单元将接入的数据进行处理后再通过所述数据存储子单元进行数据存储，所述告警判定子单元对存储的数据进行判定，以判断当前存储数据是否达到预设的告警阈值，如果是则依次通过告警上报子单元和数据上报子单元进行上报，否则直接通过数据上报子单元进行上报。

优选地，本发明处于基站的驱动层与应用层之间，将应用层业务内容模块化。本发明提供的边缘计算框架系统，包括边缘计算框架程序、框架标准化文件(描述框架接口内容、节点模块编程方式等)与框架基础模块，其中框架基础模块是本发明针对输电行业已实现的通用模块，可以直接使用，例如国网密文通信协议栈、I1协议栈、IEC101/104协议栈、数据总线等。

优选地，本发明具有跨平台功能，实现边缘计算框架一次编写，到处运行的结果。通过标准C/C++对边缘计算框架的开发，支持gcc编译器，支持大小端配置，字符重定义，支持多版本keil、iar、vs、qtcreater等开发工具。边缘计算框架首次应用于新设备时，需要实现框架系统与驱动层的接口对接，使框架可调用系统硬件功能，如采集数据接口、本地读写函数、网络层通信接口、加解密芯片调用接口等。

值得一提的是，本发明专利申请涉及的智慧输电线路低功耗基站和传感器设备等技术特征应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本发明专利的发明点所在，本发明专利不做进一步具体展开详述。

对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于智慧输电线路低功耗基站的边缘计算框架系统，安装于智慧输电线路低功耗基站并且用于兼容各个传感器设备，其特征在于，包括蓝图单元、模块化单元和下载单元，其中：

所述模块化单元包括基础子单元和增加子单元，所述增加子单元用于匹配对应传感器设备的采集工作，将基础子单元和增加子单元以模块化的形式进行加载和运行；

节点业务模块以模块化的方式在边缘计算框架上加载、运行，业务节点模块由后期开发和补充，边缘计算框架提供业务节点模块的接口文件，用于规范标准节点的接口内容，一部分接口依据业务编码实现，另一部分接口是已实现的可用接口；边缘计算框架管理所有在设备上实例化的业务节点模块，包含传感器的属性描述、事件描述和测量数据描述以及定义，业务节点模块在设备启动时通过脚本语言逐一实例化和建立交互关系；

所述蓝图单元将所述模块化单元的各个子单元通过临时对接接口，以建立数据流通道，从而完成当前临时对接所对应的任务功能，并且通过蓝图单元将智慧输电线路低功耗基站的基站运维数据和设备采集数据进行分离为至少两条数据流；

所述蓝图单元的蓝图描述是业务节点模块和业务节点模块关系的描述，通过脚本语言进行编写，其中业务节点模块表示某个业务应用的高内聚实现封装，节点关系表示数据流向，蓝图中的每一个节点都是独立的模块代码，通过节点间接口的临时对接，建立起数据流通道；

在基于智慧输电线路低功耗基站和传感器设备通信兼容的前提下，下载单元根据传感器设备的类型通过运营商网络向信息化平台下载具有匹配当前传感器设备的通信协议的增加子单元，以使得基于智慧输电线路低功耗基站正常采集当前传感器设备传输的数据；

基于智慧输电线路低功耗基站的边缘计算框架系统与传感器设备进行数据交互，以完成当前传感器设备的采集工作，其中：

传感器设备通过对应具有的通信方式将数据发送到智慧输电线路低功耗基站，并且智慧输电线路低功耗基站将采集到的数据驱动推送至基于智慧输电线路低功耗基站的边缘计算框架系统，基于智慧输电线路低功耗基站的边缘计算框架系统通过蓝图单元将当前传感器设备在采集工作中需要的模块化单元的对应的各个子单元按照预设的数据流传顺序进行传输，最终通过与运营商网络传输到信息化平台以实现采集工作；

智慧输电线路低功耗基站将采集到的数据驱动推送至基于智慧输电线路低功耗基站的边缘计算框架系统时，通过与当前传感器设备匹配的增加子单元进行采集，当采集数据符合该增加子单元的数据属性描述时，将采集数据执行包括数据解析、处理和存储的工作，并流转至数据总线，数据总线依照启动时加载的蓝图子单元对应的描述，判定采集数据的下一位节点对应的增加子单元，通过流水化的对采集数据进行程序处理，从而通过运营商网络流转至信息化平台。

2.根据权利要求1所述的一种基于智慧输电线路低功耗基站的边缘计算框架系统，其特征在于，基于智慧输电线路低功耗基站的边缘计算框架系统还包括安全通信协议单元，并且所述安全通信协议单元根据需求自定义开发。

3.根据权利要求2所述的一种基于智慧输电线路低功耗基站的边缘计算框架系统，其特征在于，通过蓝图单元和模块化单元进行采集工作，所述增加子单元包括数据采集子单元、数据处理子单元、告警判定子单元、告警上报子单元和数据上报子单元，所述基础子单元包括数据存储子单元，其中：

基于智慧输电线路低功耗基站的边缘计算框架系统根据当前传感器设备的类型加载蓝图单元对应的蓝图文件并且根据蓝图文件加载模块化模块所需要的增加子单元和基础子单元，通过数据采集子单元将传感器设备的数据进行接入，所述数据处理子单元将接入的数据进行处理后再通过所述数据存储子单元进行数据存储，所述告警判定子单元对存储的数据进行判定，以判断当前存储数据是否达到预设的告警阈值，如果是则依次通过告警上报子单元和数据上报子单元进行上报，否则直接通过数据上报子单元进行上报。