CN114449507B - 轨道交通应急通信系统 - Google Patents

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CN114449507B CN202210143552.2A CN202210143552A CN114449507B CN 114449507 B CN114449507 B CN 114449507B CN 202210143552 A CN202210143552 A CN 202210143552A CN 114449507 B CN114449507 B CN 114449507B
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Abstract

本申请涉及一种轨道交通应急通信系统。所述系统包括边缘层、汇聚层和微云层；边缘层用于接入铁路终端设备，获取任务数据；边缘层包括多个边缘节点，边缘节点将任务数据进行通信协议转换后输出待处理任务数据；边缘节点的设备类型为第一设备；汇聚层包括多个汇聚节点；汇聚节点基于工作域内的边缘节点，接收并转发待处理任务数据；工作域为根据对应的汇聚节点的通信范围所确定；汇聚节点的设备类型为第二设备；微云层包括一个或多个可跨域移动的微云节点；微云节点用于接收并处理当前所处工作域的待处理任务数据，还用于回传处理任务结果至当前所处工作域的汇聚节点；微云节点的设备类型为第三设备。本系统能够提高轨道交通通信的安全性。

Description

轨道交通应急通信系统
技术领域
本申请涉及通信技术领域，特别是涉及一种轨道交通应急通信系统。
背景技术
随着铁路系统迈进高速化、信息化时代，列车及场站的高效与智能化管理面临新的挑战，日常运营所需处理信息呈现海量性与计算密集的特点，因而对铁路云数据中心有较高的依赖性。为确保列车安全行驶，有效应对各种自然灾害及其次生灾害对铁路通信造成的影响，需要基于铁路云数据中心，建立一个更具弹性的，网络结构更加先进的通信系统。
在现有的铁路通信中，如果发生自然灾害及其他原因导致的局部断网，则仅能依靠人工抢修等措施保障临时通信，这种方式存在通信恢复时间长、通信质量无法保障、承载数据流有限等缺陷。同时，除网络通信故障外，自然灾害带来的影响往往伴随电力中断，通信及电力恢复将与受灾范围密切相关，而基于传统云计算中心的服务模式拥有较长的服务链，其不确定性将极大增加。
目前的轨道交通通信方法方式或者传统方法，存在安全性低等问题。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高安全性的轨道交通应急通信系统。
为了实现上述目的，本申请实施例提供了一种轨道交通应急通信系统，系统包括边缘层、汇聚层和微云层，其中：
边缘层用于接入铁路终端设备，获取任务数据；边缘层包括多个边缘节点，边缘节点将任务数据进行通信协议转换后输出待处理任务数据；边缘节点的设备类型为第一设备；
汇聚层包括多个汇聚节点；基于处于汇聚节点的工作域内的边缘节点，汇聚节点接收并转发待处理任务数据；工作域为根据对应的汇聚节点的通信范围所确定；汇聚节点的设备类型为第二设备；
微云层包括一个或多个可跨域移动的微云节点；微云节点用于接收并处理当前所处工作域的待处理任务数据；微云节点还用于回传处理任务结果至当前所处工作域的汇聚节点；微云节点的设备类型为第三设备。
在其中一个实施例中，第一设备包括列车、场站和轨边数据采集单元；第二设备包括基站和无人机；第三设备包括轨道检查车。
在其中一个实施例中，微云节点的计算能力大于边缘节点的计算能力。
在其中一个实施例中，汇聚节点还用于更新路由表以对跨域移动的微云节点寻址；路由表包括微云节点的IP地址。
在其中一个实施例中，汇聚节点的路由表还包括处于工作域内的边缘节点的IP地址、处于工作域内的边缘节点的任务负载，以及汇聚节点与处于工作域内的边缘节点之间的通信链路代价。
在其中一个实施例中，边缘节点用于输出计算能力以外的待处理任务数据；边缘节点还用于处理计算能力以内的待处理任务数据；
基于处于工作域内的边缘节点的可用算力、与处于工作域内的边缘节点之间的通信链路代价，汇聚节点接收并转发边缘节点计算能力以外的待处理任务数据。
在其中一个实施例中，在微云节点发生跨域移动的情况下，微云节点的本地代理为接收待处理任务数据时刻所处工作域的汇聚节点；微云节点的外地代理为得到处理任务结果时刻所处工作域的汇聚节点。
在其中一个实施例中，边缘节点采用MQTT协议转换任务数据。
在其中一个实施例中，汇聚节点与工作域内的边缘节点通过域内信息帧进行数据传输；域内信息帧包括节点类型标识和节点任务负载标识。
在其中一个实施例中，边缘节点还用于在进行通信协议转换之前对任务数据进行筛选及预处理。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：
因为采用什么技术手段，所以克服了什么技术问题，进而达到了什么技术效果。
本申请通过部署边缘层、汇聚层和微云层，有效匹配现有铁路通信基础设施，能够为终端提供可扩展的计算资源，在应急情况下，例如灾害事故导致的铁路网络局部中断，本申请提供的轨道交通应急通信系统能够有效应对，保障铁路通信系统的可靠性，提高轨道交通通信的安全性；其中，微云节点具有移动灵活、快速部署、弹性化配置的优点，极大缩短应急云平台部署时间，为受灾区域提供随到即用的IT服务，保障铁路安全运营。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为一个实施例中轨道交通应急通信系统的架构示意图；
图2为一个实施例中MQTT消息帧固定头格式示意图；
图3为一个实施例中域内信息帧格式示意图；
图4为一个实施例中基于轨道交通应急通信系统的边缘节点协作流程框图；
图5为一个实施例中基于轨道交通应急通信系统的汇聚节点和微云节点协作流程框图。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。
空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。此外，以下实施例中的“连接”，如果被连接的对象之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
需要说明的是，边缘计算是一种位于终端设备和云计算数据中心之间的虚拟化中间层，能够为用户终端提供计算、通信及存储服务。边缘计算作为云计算的补充，可以用于弥补云数据中心时延性高、周期性长、高度依赖网络通信等不足。
本申请提出一种层次化部署的轨道交通应急通信系统，在现有装备及网络架构基础上，构建具备较强移动性与生存性的移动式微云，实现拓扑动态可变的边-云网络群组，为通信中断的列车及场站提供可扩展的计算与网络资源。
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种轨道交通应急通信系统，系统包括边缘层、汇聚层和微云层，其中：
边缘层用于接入铁路终端设备，获取任务数据；边缘层包括多个边缘节点，边缘节点将任务数据进行通信协议转换后输出待处理任务数据；边缘节点的设备类型为第一设备；
具体的，边缘层作为任务数据接入层，可以为铁路终端设备提供网络接入；边缘层包括多个具有数据收发及处理能力的边缘节点(Edge Node，EN)；边缘节点可以用于任务数据接收与任务数据处理；任务数据处理可以包括数据筛选及通信协议转换；任务数据处理还可以包括执行运算任务，边缘节点可以提供有限的算力，在能力范围内执行运算任务，即处理待处理任务数据；
在一些示例中，边缘节点可以用于任务数据接收、数据筛选及预处理、通信协议转换、运算任务执行等；在灾害发生的情况下，边缘节点可为终端提供基本的算力服务；
在其中一个实施例中，边缘节点还用于在进行通信协议转换之前对任务数据进行筛选及预处理。
具体的，边缘节点对任务数据进行预处理，以降低任务数据冗余度；预处理包括清洗过滤处理，从而降低任务数据传输所需带宽；
在其中一个实施例中，边缘节点采用MQTT协议转换任务数据。
具体的，边缘节点通过采用MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输)协议转换任务数据，将差异化的底层通信协议统一转换为MQTT协议，以提供规范化的任务信息传输。
在一些示例中，可以使用MQTT协议作为网络内信息传输的通信协议规范，采用MQTT消息帧可以由三部分构成：固定头、可变头和有效内容。其中，固定头格式如图2所示，首字节(byte)决定了MQTT控制包的类型，MQTT控制包类型共占用4位，表示16种不同的组合对应14种不同类型，其中全0及全1组合为保留位；各类型及其定义参照MQTT标准协议执行；除首字节决定了MQTT控制包的类型之外，剩下的几个字节描述了消息帧除固定头本身之外的所有字节的长度；它是一个特殊的编码格式，可能占一个字节也可能占四个字节。可变头及有效内容采用可变长编码规则，即一个字节的最高位不代表具体数字，而是一个标志位，一旦其所需表达内容超过127，则最高位置用1表示，其余内容使用一个新的字节表示；可变头及有效内容定义参照MQTT标准协议执行。
汇聚层包括多个汇聚节点；基于处于汇聚节点的工作域内的边缘节点，汇聚节点接收并转发待处理任务数据；工作域为根据对应的汇聚节点的通信范围所确定；汇聚节点的设备类型为第二设备；
具体的，轨道交通应急通信系统的网络基本执行单元可以为工作域(例如，工作域1，工作域2……工作域N)，用于处理小范围内运算任务；基于汇聚节点(Aggregation Node，AN)的通信范围，确定每个工作域的范围为覆盖一个汇聚节点和该汇聚节点通信范围内的多个边缘节点；由于边缘节点可提供算力有限，在任务负载超过其处理能力时将会造成任务积压，汇聚节点可以接收边缘节点的任务协助请求和执行任务分流，例如，汇聚节点可以调用工作域内的可用边缘节点实现负载分配均衡；处于汇聚节点的工作域内的边缘节点可以处理工作域内其他边缘节点待处理任务数据；
在一些示例中，汇聚层邻近汇聚节点互相连通，可以用于跨工作域通信；汇聚节点还可以在日常维护路由表保障网络可达性；需要说明的是，可达性信息是指一个路由器到下一个路由器或IP的距离(跳数)，或者是指路由是不可达或源点抑制；根据可达性信息可以得到网络状况，目的网络路由是否繁忙等信息，例如，一个路由器到目的网络的路由是否可达以及目的网络的路由器运行状态等信息。
微云层包括一个或多个可跨域移动的微云节点；微云节点用于接收并处理当前所处工作域的待处理任务数据；微云节点还用于回传处理任务结果至当前所处工作域的汇聚节点；微云节点的设备类型为第三设备。
具体的，微云节点(Micro Cloud Node，MCN)可以移动，以提供应急云服务，例如，在轨道交通发生通讯中断的情况下，微云节点可以移动到通讯中断的工作域，为受灾区域提供随到即用的IT服务，保障铁路安全运营；
在一些示例中，根据微云节点能否提供为一工作域提供云服务，可以分为有云中心(即微云节点)参与的节点协作模型和无云中心参与的节点协作模型；汇聚节点的路由表持续动态更新，采用移动IP解决由于微云节点移动所引发的跨域问题；
本申请通过部署边缘层、汇聚层和微云层，有效匹配现有铁路通信基础设施，能够为终端提供可扩展的计算资源，在应急情况下，例如灾害事故导致的铁路网络局部中断，本申请提供的轨道交通应急通信系统能够有效应对，保障铁路通信系统的可靠性；其中，微云节点具有移动灵活、快速部署、弹性化配置的优点，极大缩短应急云平台部署时间，为受灾区域提供随到即用的IT服务，保障铁路安全运营。
在其中一个实施例中，第一设备包括列车、场站和轨边数据采集单元；第二设备包括基站和无人机；第三设备包括轨道检查车。
具体的，可以将具有一定数据收发及处理能力的列车(例如，智能列车)、场站和/或轨边数据采集单元看作边缘节点，作为任务数据的接入点，任务数据通信协议经边缘节点统一转换为MQTT协议后传输至汇聚节点；可以将将具有数据存储转发能力的存活基站和/或具有通信中继能力的无人机看作汇聚节点，汇聚节点用于根据各自的通信范围确定工作域；汇聚节点还用于根据当前工作域内边缘节点的任务负载与处理能力进行任务转移分发；汇聚节点还用于对微云节点发生跨域移动的情况下进行对微云节点的寻址；部分具有计算能力的汇聚节点也可以看作边缘节点；可以将具备较大的网络带宽与运算能力的铁路轨检车看作微云节点；铁路轨检车的计算能力远超边缘节点；微云节点可以用于在轨道交通发生通讯中断的情况下，移动到通讯中断的工作域以为受灾区域提供随到即用的算力；
在一些示例中，可以在铁路轨检车部署挂载集装箱式模块化微云平台，微云平台可以包括计算与存储单元、通信单元、管理单元以及供电、散热等辅助系统单元，具备较大的网络带宽与运算能力；相较传统云平台，由轨检车牵引的移动式微云平台具有移动灵活、快速部署、弹性化配置的优点，同时可以有效匹配现有铁路通信基础设施，极大缩短应急云平台部署时间，为受灾区域提供随到即用的IT服务，保障铁路安全运营。
在其中一个实施例中，微云节点的计算能力大于边缘节点的计算能力。
具体的，铁路轨检车的计算能力远超列车、场站或轨边数据采集单元；在一些示例中，铁路轨检车部署的挂载集装箱式模块化微云平台的计算能力远超列车、场站或轨边数据采集单元；微云节点可以搭载具有自持能力的箱式云服务器，为沿途工作域提供云算力支持。
在其中一个实施例中，汇聚节点还用于更新路由表以对跨域移动的微云节点寻址；路由表包括微云节点的IP地址。
具体的，汇聚节点各自维持一张路由表，路由表记录了微云节点的IP地址；根据汇聚节点更新的路由表，可以获得微云节点的位置，包括微云节点处于工作域内、微云节点处于可到达的邻域以及微云节点处于当前域通信无法到达的区域；
在一些示例中，若移动微云处于工作域内，则路由表记录的移动微云的IP地址为域内分配的动态地址；若移动微云处于可到达的邻域，则路由表记录的移动微云的IP地址为对应邻域汇聚节点IP地址；若移动微云处于当前域通信无法到达区域，则路由表记录距离为Inf。
在其中一个实施例中，汇聚节点的路由表还包括处于工作域内的边缘节点的IP地址、处于工作域内的边缘节点的任务负载，以及汇聚节点与处于工作域内的边缘节点之间的通信链路代价。
具体的，汇聚节点的路由表还用于记录工作域内的边缘节点的IP地址、处于工作域内的边缘节点的任务负载情况，以及汇聚节点与处于工作域内的边缘节点之间的通信链路代价；其中通信链路代价指的是汇聚节点与处于工作域内的边缘节点之间的通信传输代价，其值是两点之间某条路径上所有链路开销的总和。
在一些示例中，路由表可以按照可用节点的通信链路代价由低到高排序，即通信链路代价最小的边缘节点为首选任务分流节点，其余工作域内的边缘节点为候选节点。汇聚节点可以根据路由表执行任务分流，任务分流顺位可根据边缘节点的实际计算能力结合任务需要进行调整，若计算任务要求时延较小且任务需求计算量不高，可根据通信链路代价选取边缘节点；若计算密集型任务要求时延较为充裕，可优先考虑微云节点是否通过移动可达，结合通信链路代价，执行任务卸载至可达的微云节点。路由表中节点ID和对应的ETX值初始化值可以分别为-1和Inf。
在其中一个实施例中，边缘节点用于输出计算能力以外的待处理任务数据；边缘节点还用于处理计算能力以内的待处理任务数据；基于处于工作域内的边缘节点的可用算力、与处于工作域内的边缘节点之间的通信链路代价，汇聚节点接收并转发边缘节点计算能力以外的待处理任务数据。
具体的，边缘节点可以通过通信协议转换处理任务数据，并输出待处理任务数据；若根据边缘节点的实际计算能力和任务负载，边缘节点可以处理待处理任务数据，则边缘节点无需向汇聚节点发送任务协助请求；若根据边缘节点的实际计算能力和任务负载，处理待处理任务数据所需的算力超过边缘节点的实际计算能力，则边缘节点向汇聚节点发送任务协助请求；
在其中一个实施例中，在微云节点发生跨域移动的情况下，微云节点的本地代理为接收待处理任务数据时刻所处工作域的汇聚节点；微云节点的外地代理为得到处理任务结果时刻所处工作域的汇聚节点。
具体的，微云节点从一个工作域进入到另外一个工作域时，其对应网关发生变化，需要断开与原有汇聚节点连接后重新获取新工作域的IP地址，切换过程会产生明显的网络中断(即跨区漫游)，如果汇聚节点发出的任务由微云节点接收并执行了任务，微云节点必须保持固定的IP地址以确保可以回传计算结果。但IP路由是基于子网的，子网的位置相对固定，将包含计算结果的数据包正确地路由到子网取决于子网在网络中的位置。由于微云节点具有较强的移动性，其接入的工作域发生变化，即接入的的汇聚节点会发生变化；在微云节点发生跨域移动的情况下，以采集任务数据时刻(例如，接收待处理任务数据时刻)所处工作域的汇聚节点作为本地代理，并以任务处理完成时刻(例如，得到处理任务结果时刻)的网络接入点所处工作域的汇聚节点作为远端代理(即外地代理)建立通信隧道；汇聚节点(本地代理)基于工作域监测微云节点的位置，微云节点离开本地工作域后，向新进入的工作域的汇聚节点(外地代理)请求转交地址并向本地代理注册；通过采用移动IP技术，为接收任务的微云节点分配临时IP，可以实现计算结果的跨域交付；微云节点的计算任务结束后，将计算结果回传至本地代理，收回移动终端分配的固定IP；
在一些示例中，当微云节点转移至新区域时，向所在汇聚节点(外地代理)发送“代理请求”报文，当时所处工作域的汇聚节点作为外地代理会为其分配临时转交地址。微云节点向本地代理(家乡代理)发送“注册请求”报文，在接收“应答报文”后使用转交地址。此时，本地代理在路由表中更新移动终端的地址。计算结束后，由汇聚节点通过隧道向记录的移动终端地址反馈结果。
在其中一个实施例中，如图3所示，汇聚节点与工作域内的边缘节点通过域内信息帧进行数据传输；域内信息帧包括节点类型标识和节点任务负载标识。
具体的，域内信息帧由汇聚节点发起，至边缘节点终结，边缘节点向汇聚节点回复以确认连接性，并汇报边缘节点的可用计算资源、任务负载情况以及动态更新路由，域内信息帧以最小的链路开销实现域内信息的通信维持，能够减少更新节点信息所需占用的带宽。
在一些示例中，域内信息帧大小为2个字节，除了其中3个bit用作保留位，还包括：
标识(F)：用于区分当前帧的类型，用作区分信息帧的询问和答复。协议中取1bit，即0为询问信息帧，1为答复信息帧。
节点类型标识(N)：代表节点类型，2bit，其中00表示边缘节点，01表示微云节点，10表示本工作域的汇聚节点，11表示邻域的汇聚节点。
节点ID(Node ID)：作为本节点地址，可根据网络中节点数量做动态调整，例如，设定节点ID为6bit，即最多支持64个节点；
节点任务负载标识(L)：代表当前节点任务负载情况，4bit，首位表示现有任务是否存在积压；其中，0表示节点任务无积压可接受任务分配，1表示任务负载超限无法接受分配任务；若首位为0，则后三位表示二进制小数，表示节点算力占有率；若首位为1，后三位表示二进制整数，表示积压任务数量，若全为1表示队列溢出；
传输代价(Expected Transmission Cost,ETC)：记录边缘节点与汇聚节点之间的数据通信传输代价大小，由于同工作域内的边缘节点与汇聚节点为直连或限制在一定跳数以内，可忽略不计工作域内丢包率，以时延作为链路代价，设定为16bit。
在一个实施例中，考虑由k个边缘节点G＝{g1,…,gk}构成的相邻工作域，以A＝{a1,…,an}表示各工作域汇聚节点的集合，Gi＝{1,2,…,mi}表示工作域i所包含的边缘节点集合，以表示连接至汇聚节点ai的边缘节点gm；记微云节点为C，因轨检车需保持一定间距运行，故仅考虑区域内存在单个微云节点的情况。
在接收任务后，边缘节点结合自身算力与负载情况决定任务由本地或发往本工作域的其他边缘节点执行，汇聚节点根据与微云节点之间的链路开销及域内各边缘节点情况执行任务分发。计算任务可以抽象表示为taskk＝{datak,τk,Qk}的元组，其中datak表示传输任务所需的数据量，τk表示任务可容忍最大时延，Qk表示完成任务所需运算量。
每个边缘节点及微云节点的计算能力分别表示为rk和rc，和/>分别表示任务从源边缘节点到目的边缘节点以及从源边缘节点到微云节点传输单位任务的时延。边缘节点以速率λk接收终端产生的任务，则任务在边缘节点执行时间为/>其在微云节点处理时间为/>任务分流至边缘节点耗时表示为/>任务上传至微云节点耗时表示为/>为实现各节点负载均衡，边缘节点分流策略表示为/>其中/>为1*K的向量，在任务执行节点对应位置1，且有约束基于任务特征及系统架构，可建模为M/G/1-PS排队网络，并假设任务到达过程服从泊松分布。则边缘节点响应时间可表示为/>其中υ表示任务分流至边缘节点k的任务源边缘节点集合，微云节点响应时间表示为由此，系统平均响应时间表示为/>其中表示除边缘节点k以外边缘节点策略。为求解边缘节点任务最优分流策略/>以实现系统最小平均时延，需对如下优化问题进行求解：
其中约束条件(1)先定了边缘节点利用率，χmax边缘节点利用率的最大容限，其大小与任务可容忍最大时延τk相关。约束条件(2)和(3)对策略取值范围进行约束，约束条件(4)、(5)和(6)则对网络内流量进行约束，he,max、hc,max和ha,max分别表示工作域内汇聚节点至边缘节点、汇聚节点至微云节点、相邻工作域汇聚节点间的链路容量，其中表示向量中置1位的序号。上述问题可采用半定松弛算法结合MATLAB中CVX工具箱进行求解。
当微云节点驶出汇聚节点可达范围(即中继链路终端导致的不可达或通信时延过长)，则系统平均响应时间系统目标退化为求解以下优化问题：
该问题与问题Q-c形式相近，可使用相同方法进行求解。
在一个实施例中，轨道交通应急通信系统以减少任务评价响应时间为目标，为通信中断的铁路设施提供快捷的应急算力支持，其中：
如图4所示，边缘节点接收任务请求，并对任务进行评估；若边缘节点接收任务，则执行运算并输出计算结果；若边缘节点不接受任务，则将任务发送至本工作域的汇聚节点，并接收汇聚节点回传的计算结果；
如图5所示，汇聚节点根据任务协助请求，进行任务评估；若汇聚节点工作域内接受任务，则对任务进行分配，根据任务分配结果，域内的边缘节点执行任务，得到计算结果；若汇聚节点工作域内不接受任务，则汇聚节点将任务交付给微云节点，在微云节点执行任务的情况下，微云节点直接获得计算结果；在微云节点不执行任务的情况下，则微云节点将任务交付给邻域的汇聚节点，邻域的汇聚节点将任务发送至邻域(与邻域的汇聚节点同一工作域)的边缘节点，邻域的边缘节点执行任务，得到计算结果；汇聚节点接收上述计算结果，并将计算结果回传至发送任务协助请求的边缘节点；
在一些示例中，可以采用如下工作流程：
每隔固定时间T_1，汇聚节点向工作域内边缘节点广播域内信息帧，以询问各边缘节点情况发起一轮路由更新过程；边缘节点向汇聚节点回复域内信息帧告知当前负载情况以及评估的传输时延，汇聚节点在收到边缘节点回复的域内信息帧后更新路由表；
每间隔固定时间T_2，汇聚节点向网络广播其地址及可用算力并询问微云节点位置，邻近的汇聚节点收到广播后对其信息进行登记，微云节点所在工作域内的汇聚节点根据广播地址回复微云节点所在位置；
边缘节点在收到终端的任务请求后结合自身算力及负载情况评估是否上传至工作域协助计算，汇聚节点接收到协助请求后对任务所需计算资源进行评估，结合链路开销将任务转发至本工作域边缘节点、邻近工作域或在微云节点可达时发送至微云节点。若任务发送至微云节点则汇聚节点向微云节点分配工作域固定IP；
一旦汇聚节点到达微云节点跳数发生改变，则汇聚节点监测其是否跨出子网范围，并更新其到达路径。若微云节点跨出子网范围，则向当前工作域汇聚节点(外地代理)发出“代理请求”，并向本地代理(家乡代理)回复具有当前子网内转交地址的发送“注册请求”，等待“应答报文”；
本地代理接收“注册请求”后返回“应答请求”，同时更新本地路由表；
计算结束后，微云节点通过隧道将结果按照转交地址发送给本地代理，接收端将收到的结果解析后交付边缘节点；
传输完成后，接收微云节点本工作域内任务完成的报文并释放隧道。
在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种轨道交通应急通信系统，其特征在于，所述系统包括边缘层、汇聚层和微云层，其中：
所述边缘层用于接入铁路终端设备，获取任务数据；所述边缘层包括多个边缘节点，所述边缘节点将所述任务数据进行通信协议转换后输出待处理任务数据；所述边缘节点的设备类型为第一设备；所述第一设备包括列车、场站和轨边数据采集单元；
所述汇聚层包括多个汇聚节点；基于处于所述汇聚节点的工作域内的所述边缘节点，所述汇聚节点接收并转发所述待处理任务数据；所述工作域为根据对应的所述汇聚节点的通信范围所确定；所述汇聚节点的设备类型为第二设备；
所述微云层包括一个或多个可跨域移动的微云节点；所述微云节点用于接收并处理当前所处工作域的所述待处理任务数据；所述微云节点还用于回传处理任务结果至当前所处工作域的汇聚节点；所述微云节点的设备类型为第三设备；所述第三设备包括轨道检查车。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二设备包括基站和无人机。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微云节点的计算能力大于所述边缘节点的计算能力。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述汇聚节点还用于更新路由表以对跨域移动的所述微云节点寻址；所述路由表包括所述微云节点的IP地址。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述汇聚节点的路由表还包括处于工作域内的所述边缘节点的IP地址、处于工作域内的所述边缘节点的任务负载，以及所述汇聚节点与处于工作域内的所述边缘节点之间的通信链路代价。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述边缘节点用于输出计算能力以外的所述待处理任务数据；所述边缘节点还用于处理计算能力以内的所述待处理任务数据；
基于处于工作域内的所述边缘节点的可用算力、与处于工作域内的所述边缘节点之间的通信链路代价，所述汇聚节点接收并转发所述边缘节点计算能力以外的所述待处理任务数据。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述微云节点发生跨域移动的情况下，所述微云节点的本地代理为接收所述待处理任务数据时刻所处工作域的所述汇聚节点；所述微云节点的外地代理为得到所述处理任务结果时刻所处工作域的所述汇聚节点。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述边缘节点采用MQTT协议转换所述任务数据。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述汇聚节点与工作域内的所述边缘节点通过域内信息帧进行数据传输；所述域内信息帧包括节点类型标识和节点任务负载标识。
10.根据权利要求1至9任意一项所述的系统，其特征在于，所述边缘节点还用于在进行通信协议转换之前对所述任务数据进行筛选及预处理。
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