CN116545927A - 一种窄带宽网络下物联网设备的流量控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种窄带宽网络下物联网设备的流量控制方法,包括以下步骤:上位机对于采集到的每个物联网设备的物联网设备状态数据,计算延时发送时间:生成随机数x,标准化处理,得到距离z,根据距离z的大小,确定延时发送时间。本发明结合局域网内工业机器人定时并发上报状态数据的场景,利用随机算法及中心极限定理、正态分布的数学原理,实现高并发下机器人上传数据的流量控制,使得大量状态数据在时间上均匀上报,避免了高并发的瞬时压力,实现了精准的流量控制。
Description
技术领域
本发明属于流量控制技术领域,具体涉及一种窄带宽网络下物联网设备的流量控制方法。
背景技术
随着工业智能技术的不断发展,制造业广泛使用机器人作为生产工具,随着机器人的广泛使用,对机器人管理平台的要求也愈来愈高。由于机器人需要与机器人管理平台进行交互,当机器人管理平台接入较多数量机器人时,会并发产生大量机器人需上报给机器人管理平台的并发消息,由此导致网络拥塞等问题,因此,现有技术亟需一种适用于机器人场景的流量控制方法,以解决网络拥塞问题。
目前,主要通过计数器或缓存方案进行流量控制:
(一)通过计数器进行流量控制
通过计数器进行流量控制是一种比较简单的限流算法,使用非常广泛,其主要实现方式为:选择一个时间周期,根据经验设置在该时间周期内系统可承受的最大消息数量阈值。在该时间周期内,对消息进行计数,并与最大消息数量阈值进行比较,当计数到达最大消息阈值时,则将计数器清零,并不再进行消息的传送。直到进入新一轮的时间周期,再重新开始计数,如此循环,以达到流量控制的效果。
通过计数器进行流量控制具有以下问题:使用计数器进行流量控制的技术方案,存在一个时间零界点的问题。当到达时间周期的时间零界点时,如果此时瞬间产生大量消息,系统在这个时间零界点有可能会承受恶意用户的大量请求,有时超过系统预期的承受能力。
(二)通过缓存进行流量控制
通过缓存进行流量控制的技术方案为:首先建立一个消息缓冲区,一般占用内存空间或硬盘空间。当系统收到消息时,首先将消息缓存到消息缓冲区,然后,首先从消息缓冲区取出消息,再进行消息发送,通过这种方式实现流量控制的目的。
通过缓存进行流量控制的方案,具有以下问题:由于发送时的速率可控,当系统收到大量消息时,会使得消息在消息缓冲区大量堆积,对系统而言,产生成较大的存储压力。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷,本发明提供一种窄带宽网络下物联网设备的流量控制方法,可有效解决上述问题。
本发明采用的技术方案如下:
本发明提供一种窄带宽网络下物联网设备的流量控制方法,包括以下步骤:
步骤1,上位机设置物联网设备状态采样定时器和上报消息延时计时器;其中,设置所述物联网设备状态采样定时器的定时时间间隔为T,T为采样时间周期,即:每隔时间T,触发进行物联网设备状态获取;
步骤2,上位机检索其管理范围内接入的物联网设备的数量n;
步骤3,上位机基于物联网设备数量n和采样时间周期T,采用随机数生成算法,生成与物联网设备数量n相同数量的随机数,表示为随机数x1,x2,...,xn;
步骤4,计算n个随机数x1,x2,...,xn的均值μ和标准差σ;
步骤5,上位机开启物联网设备状态采样定时器;每当达到物联网设备状态采样定时器的定时时间间隔T时,代表定时时间被触发,假设本次触发的定时时间点为t1,则同时执行操作1和操作2:
操作1,在定时时间点t1,开启上报消息延时计时器,上报消息延时计时器开始从0计时;
操作2:在定时时间点t1,上位机采集当前连接的每个物联网设备的物联网设备状态数据,由于当前上位机连接n个物联网设备,因此,上位机采集到n条物联网设备状态数据,表示为:物联网设备状态数据data1,data2,...,datan;
步骤6,对于采集到的每个物联网设备状态数据datai,i=1,2,...,n,上位机计算该条物联网设备状态数据datai的延时发送时间Δti,当消息延时计时器计时到延时发送时间Δti时,上位机将该条物联网设备状态数据datai通过网络发送给管理平台;
本步骤具体为:
步骤6.1,在随机数生成区间[0,T],生成随机数x;
步骤6.2,采用下式将随机数x按照正态分布特点进行标准化,得到随机数x在标准正态分布中偏离均值的标准差倍数,作为距离z:
z=(x-μ)/σ
步骤6.3,判断z的绝对值|z|是否大于0.5,如果大于,使用随机数x作为物联网设备状态数据datai的延时发送时间Δti;如果不大于,执行步骤6.4;
步骤6.4,判断距离z是否大于0,如果z>0,则将距离z平滑到均值右侧时间段,得到平滑后的距离如果z<0,则将距离z平滑到均值左侧时间段,得到平滑后的距离/>
步骤6.5,采用下式,使用平滑后的距离反推延时发送时间随机数/>
步骤6.6,使用延时发送时间随机数作为物联网设备状态数据datai的延时发送时间Δti。
优选的,步骤3具体为:
步骤3.1,根据采样时间周期T,确定随机数生成区间为[0,T];
步骤3.2,在随机数生成区间[0,T]内,随机采样n次,得到n个属于随机数生成区间[0,T]的随机数,表示为:x1,x2,...,xn。
优选的,步骤6.4中,如果z>0,采用公式得到平滑后的距离/>
如果z<0,采用公式得到平滑后的距离/>
优选的,物联网设备为工业机器人。
本发明提供的一种窄带宽网络下物联网设备的流量控制方法具有以下优点:
本发明结合局域网内工业机器人定时并发上报状态数据的场景,利用随机算法及中心极限定理、正态分布的数学原理,实现高并发下机器人上传数据的流量控制,使得大量状态数据在时间上均匀上报,避免了高并发的瞬时压力,实现了精准的流量控制。
附图说明
图1为本发明提供的一种窄带宽网络下物联网设备的流量控制方法的架构图;
图2为本发明提供的一种窄带宽网络下物联网设备的流量控制方法的流程示意图;
图3为本发明提供的未进行平滑时随机数概率分布图;
图4为本发明提供的进行平滑后随机数概率分布图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明结合局域网内工业机器人定时并发上报状态数据的场景,利用随机算法及中心极限定理、正态分布的数学原理,实现高并发下机器人上传数据的流量控制,使得大量状态数据在时间上均匀上报,避免了高并发的瞬时压力,实现了精准的流量控制。
本发明提供一种窄带宽网络下物联网设备的流量控制方法中,涉及到的物联网设备为物联网上任何设备均可,包括但不限于工业机器人。在图1和图2中,以工业机器人为例示意。当采用工业机器人时,流量控制算法相关组件说明如下:
1)多个工业机器人:实现具体业务操作的多个工业机器人;
2)工业机器人上位机:工业机器人上位机用于连接局域网内的所有工业机器人,从机器人获取相关状态信息;
3)流量控制模块:对并发流量进行流量控制的模块;
4)工业机器人管理平台:管理工业机器人的接入,删除,并负责转发相关信息到web展示平台
5)工业机器人管理web展示平台:用于展示工业机器人相关状态的web页面,可通过浏览器访问。
参考图1和图2,本发明提供一种窄带宽网络下物联网设备的流量控制方法,包括以下步骤:
步骤1,上位机设置物联网设备状态采样定时器和上报消息延时计时器;其中,设置所述物联网设备状态采样定时器的定时时间间隔为T,T为采样时间周期,即:每隔时间T,触发进行物联网设备状态获取;例如,T为30秒,则:从第0秒开始,每隔30秒,触发一次进行物联网设备状态获取。
步骤2,上位机检索其管理范围内接入的物联网设备的数量n;
步骤3,上位机基于物联网设备数量n和采样时间周期T,采用随机数生成算法,生成与物联网设备数量n相同数量的随机数,表示为随机数x1,x2,...,xn;
步骤3具体为:
步骤3.1,根据采样时间周期T,确定随机数生成区间为[0,T];
步骤3.2,在随机数生成区间[0,T]内,随机采样n次,得到n个属于随机数生成区间[0,T]的随机数,表示为:x1,x2,...,xn。
步骤4,计算n个随机数x1,x2,...,xn的均值μ和标准差σ;
步骤5,上位机开启物联网设备状态采样定时器;每当达到物联网设备状态采样定时器的定时时间间隔T时,代表定时时间被触发,假设本次触发的定时时间点为t1,则同时执行操作1和操作2:
操作1,在定时时间点t1,开启上报消息延时计时器,上报消息延时计时器开始从0计时;
操作2:在定时时间点t1,上位机采集当前连接的每个物联网设备的物联网设备状态数据,由于当前上位机连接n个物联网设备,因此,上位机采集到n条物联网设备状态数据,表示为:物联网设备状态数据data1,data2,...,datan;
步骤6,对于采集到的每个物联网设备状态数据datai,i=1,2,...,n,上位机计算该条物联网设备状态数据datai的延时发送时间Δti,当消息延时计时器计时到延时发送时间Δti时,上位机将该条物联网设备状态数据datai通过网络发送给管理平台;
本步骤具体为:
步骤6.1,在随机数生成区间[0,T],生成随机数x;
步骤6.2,采用下式将随机数x按照正态分布特点进行标准化,得到随机数x在标准正态分布中偏离均值的标准差倍数,作为距离z:
z=(x-μ)/σ
步骤6.3,判断z的绝对值|z|是否大于0.5,如果大于,使用随机数x作为物联网设备状态数据datai的延时发送时间Δti;如果不大于,执行步骤6.4;
步骤6.4,判断距离z是否大于0,如果z>0,则将距离z平滑到均值右侧时间段,得到平滑后的距离如果z<0,则将距离z平滑到均值左侧时间段,得到平滑后的距离/>
本步骤具体为:
如果z>0,采用公式得到平滑后的距离/>
如果z<0,采用公式得到平滑后的距离/>
步骤6.5,采用下式,使用平滑后的距离反推延时发送时间随机数/>
步骤6.6,使用延时发送时间随机数作为物联网设备状态数据datai的延时发送时间Δti。
本发明提供的一种窄带宽网络下物联网设备的流量控制方法中,举例如下:假设采样时间周期T为30秒;上位机管理范围内接入的物联网设备的数量n为10000个。则在[0,30]的区间,生成10000个随机数,并计算这10000个随机数的均值μ和标准差σ。
假设当前为第30秒,达到物联网设备状态采样定时器的定时时间间隔T,此时开启上报消息延时计时器开始计时,同时,上位机采集当前连接的每个物联网设备的物联网设备状态数据,对于每个物联网设备状态数据,采用本发明的方法,计算得到延时发送时间,假设对于某条物联网设备状态数据,其延时发送时间为0.2秒,则在第30.2秒,发送该条物联网设备状态数据。假设另一条物联网设备状态数据,其延时发送时间为0.3秒,则在第30.3秒,发送该条物联网设备状态数据。
本发明提供一种窄带宽网络下物联网设备的流量控制方法中,原理为:
本发明利用中心极限定律,结合随机数,当达到采样时间周期T时,将每一条需要上报的物联网设备状态数据的延时发送时间进行平滑处理,进而实现流量控制,发明原理:
由中心极限定理可知,对于延时发送时间的确认,随机数x的值标准化后,得到随机数x在标准正态分布中偏离均值的标准差倍数,作为距离z,距离z服从正态分布,对于正态分布而言,大量的值集中在均值附近。本发明的主要思路,将距离均值较近的z平滑到距离均值较远的两侧,从而实现距离z平滑处理,由于距离z和随机数x相关,进而实现随机数x的平滑处理,经过平滑处理后,随机数x的值在周期内比较均匀,例如,当本周期需要发送1000个物联网设备状态数据时,每个物联网设备状态数据对应一个平滑后的随机值,因此,一共产生1000个平滑后的随机值,这1000个平滑后的随机值在周期内比较均匀,平滑后的随机值为延时发送时间,因此,对于需要发送的1000个物联网设备状态数据,从本周期开始时间点算,分别经过各自的延时发送时间,再将对应的物联网设备状态数据发送出去,进而实现流量的控制,避免瞬时流量爆发对系统造成瓶颈。
具体的,在没有进行本发明步骤6.4的平滑处理操作以前,随机数满足图3的概率分布,即:对于随机产生的M个随机数,大约68%的随机数,其取值落在距离均值一倍标准差的范围内;大约39%的随机数,其取值落在距离均值0.5倍标准差的范围内;大约99%的随机数,其取值落在距离均值2.58倍标准差的范围内。
由图3可以看出,距离均值0.5倍标准差范围内产生的随机数的概率,明显高于其左右两侧范围内产生的随机数的概率。因此,如果按图3所示随机数作为延时时间,则0.5倍标准差距离对应的随机数较多,此范围延时时间集中,会发生堵塞情况。
采用本发明方法,将距离均值0.5倍标准差范围内的部分随机数,平移到距离均值[1,2.58]倍标准差范围内;
在平移之前,距离均值一倍标准差范围内的随机数大约有68%,距离均值[1,2.58]倍标准差范围内的随机数大约有31%;平移之后,得到图4所示概率分布图。由图4可知,距离均值一倍标准差范围内的随机数大约有50%;距离均值[1,2.58]倍标准差范围内的数据大约有50%,左右侧各25%,从而实现了较为均匀的随机数取值,由于[1,2.58]相比0.5区间宽度更大,赋予更高的概率权重,也会使得产生的随机值更加平滑。
通过本发明,在工业机器人弱网环境下,机器人定时发送数据的网络压力得到有效的缓解。
本发明根据正态分布及中心极限定理的特性,实现了对时间上的基本均匀平滑,通过平滑延时发送时间,实现了对流量的控制,进而减少了系统的并发压力,提高系统整体的网络吞吐能力。本发明是一种窄带宽环境下,工业机器人并发上传数据的一种流量控制方法。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种窄带宽网络下物联网设备的流量控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,上位机设置物联网设备状态采样定时器和上报消息延时计时器;其中,设置所述物联网设备状态采样定时器的定时时间间隔为T,T为采样时间周期,即:每隔时间T,触发进行物联网设备状态获取;
步骤2,上位机检索其管理范围内接入的物联网设备的数量n;
步骤3,上位机基于物联网设备数量n和采样时间周期T,采用随机数生成算法,生成与物联网设备数量n相同数量的随机数,表示为随机数x1,x2,...,xn;
步骤4,计算n个随机数x1,x2,...,xn的均值μ和标准差σ;
步骤5,上位机开启物联网设备状态采样定时器;每当达到物联网设备状态采样定时器的定时时间间隔T时,代表定时时间被触发,假设本次触发的定时时间点为t1,则同时执行操作1和操作2:
操作1,在定时时间点t1,开启上报消息延时计时器,上报消息延时计时器开始从0计时;
操作2:在定时时间点t1,上位机采集当前连接的每个物联网设备的物联网设备状态数据,由于当前上位机连接n个物联网设备,因此,上位机采集到n条物联网设备状态数据,表示为:物联网设备状态数据data1,data2,...,datan;
步骤6,对于采集到的每个物联网设备状态数据datai,i=1,2,...,n,上位机计算该条物联网设备状态数据datai的延时发送时间Δti,当消息延时计时器计时到延时发送时间Δti时,上位机将该条物联网设备状态数据datai通过网络发送给管理平台;
本步骤具体为:
步骤6.1,在随机数生成区间[0,T],生成随机数x;
步骤6.2,采用下式将随机数x按照正态分布特点进行标准化,得到随机数x在标准正态分布中偏离均值的标准差倍数,作为距离z:
z=(x-μ)/σ
步骤6.3,判断z的绝对值|z|是否大于0.5,如果大于,使用随机数x作为物联网设备状态数据datai的延时发送时间Δti;如果不大于,执行步骤6.4;
步骤6.4,判断距离z是否大于0,如果z>0,则将距离z平滑到均值右侧时间段,得到平滑后的距离如果z<0,则将距离z平滑到均值左侧时间段,得到平滑后的距离/>
步骤6.5,采用下式,使用平滑后的距离反推延时发送时间随机数/>
步骤6.6,使用延时发送时间随机数作为物联网设备状态数据datai的延时发送时间Δti。
2.根据权利要求1所述的窄带宽网络下物联网设备的流量控制方法,其特征在于,步骤3具体为:
步骤3.1,根据采样时间周期T,确定随机数生成区间为[0,T];
步骤3.2,在随机数生成区间[0,T]内,随机采样n次,得到n个属于随机数生成区间[0,T]的随机数,表示为:x1,x2,...,xn。
3.根据权利要求1所述的窄带宽网络下物联网设备的流量控制方法,其特征在于,步骤6.4中,如果z>0,采用公式得到平滑后的距离/>
如果z<0,采用公式得到平滑后的距离/>
4.根据权利要求1所述的窄带宽网络下物联网设备的流量控制方法,其特征在于,物联网设备为工业机器人。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
CB02 | Change of applicant information | ||
CB02 | Change of applicant information |
Address after: Room 711C, Floor 7, Building A, Yard 19, Ronghua Middle Road, Daxing District, Beijing Economic-Technological Development Area, 100176 Applicant after: Beijing Zhongke Flux Technology Co.,Ltd. Address before: Room 711C, Floor 7, Building A, Yard 19, Ronghua Middle Road, Daxing District, Beijing Economic-Technological Development Area, 100176 Applicant before: Beijing Ruixin high throughput technology Co.,Ltd. |
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GR01 | Patent grant | ||
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