CN117119500A - 基于智能cpe模组的巡检机器人数据传输优化方法 - Google Patents

基于智能cpe模组的巡检机器人数据传输优化方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及电网通讯技术领域，提供了基于智能CPE模组的巡检机器人数据传输优化方法，基于由巡检规划模块、任务估算和分配模块、智能CPE模块的任务传输优化系统，依托遍及全站的通讯资源，及时通过无线资源将计算任务分配至云端，利用云边协同处理合理分配计算任务，在完成计算任务的同时维持巡检机器人算力的冗余性，保证对下一作业目标的有效巡检作业，提高了巡检效率。

Description

基于智能CPE模组的巡检机器人数据传输优化方法
技术领域
本申请涉及电网通讯技术领域，特别涉及基于智能CPE模组的巡检机器人数据传输优化方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本申请相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着应用的巡检机器人智能化水平的提高，高精度的远程操控、大范围的图像识别、高分辨率的实时视频、大范围的传感数据获取、故障识别模型的实时演算都带来了海量的计算任务，对巡检机器人的任务处理能力提出了严峻的考验，如何依托现有通讯资源，利用云边协同将计算任务及时传输至云端，以提高巡检效率以及保证巡检机器人有足够的的冗余算力维持巡检作业，防止其处理器卡顿遗漏巡检目标，保证对每一个巡检作业目标的精细作业成为了我们研究的重点。
发明内容
为了解决上述问题，本申请提出了基于智能CPE模组的巡检机器人数据传输优化方法，依托遍及全站的通讯资源，及时通过无线资源将计算任务分配至云端，利用云边协同处理合理分配计算任务，在完成计算任务的同时维持巡检机器人算力的冗余性，保证对下一作业目标的有效巡检作业，提高了巡检效率。
本申请提供了基于智能CPE模组的巡检机器人数据传输优化方法，基于由巡检规划模块、任务估算和分配模块、智能CPE模块的任务传输优化系统，所述智能CPE模块具备同时接入多个AP的能力，具体包括如下步骤：
S1：巡检规划模块获取巡检作业信息，生成作业目标集合C并规划巡检路径：
S2：智能CPE模块实时监测巡检路径上AP信号分布，在巡航路段选择当前信号质量最好的AP平稳切换接入；
S3：任务估算和分配模块在到达任一作业目标c_i时，对c_i作业的计算任务进行估算生成作业需求f_i（t），判断f_i（t）是否超出巡检机器人的安全计算负载D_r,若是，跳转到步骤S4，若否，则跳转到步骤S5；
S4：任务估算和分配模块根据c_i的预设作业时间T_i、c_i当前位置各AP的信号传输能力，对作业需求f_i（t）在巡检机器人本地和云端进行鲁棒优化分配，在不影响下一作业目标的巡检作业的情况下完成c_i的计算任务；
S5：智能CPE模块选择当前信号质量最好的AP与云端通讯，任务估算和分配模块配置巡检机器人完成作业需求f_i（t）；
所述i为巡检目标集合C中的元素编号，i=1,2,...I,I为作业目标数量；作业需求f_i（t）中t取值[0,T_i]。
优选地，所述步骤S2中，所述智能CPE模块根据信号强度指示RSSI、信噪比SNR、接收功率Rx中的任意一种或几种组合来衡量AP的信号质量。
优选地，所述步骤S2中，所述智能CPE模块平稳切换接入信号质量最好的AP的方法为：
智能CPE模块接入信号质量前二的两路AP信号源，将其加入接入列表，并使用传输质量最好的AP信号源进行数据传输，当接入的信号源信号质量的抖动值超过预设门槛Limit1时，切换另一路AP信号源进行数据传输;
智能CPE模块根据信号质量实时更新接入列表，具体更新方法为：
若需要被移出接入列表的AP信号源空闲则直接移出接入列表，若需要被移出的AP信号源正在传输数据，则首先切换传输信号源，再将其移出接入列表。
优选地，所述巡检机器人的安全计算负载Dr_i=D_f-Dw_i,D_f为巡检机器人的满负荷计算资源,Dw_i为作业目标c_i的免计算操作需求以及路径导航需求。
优选地，所述任务估算和分配模块对作业目标c_i的计算任务进行估算的具体方法为：
根据预设的针对于作业目标c_i的作业流程类比历史操作流程对计算任务进行估算以及根据现场图像识别隐患或故障，再根据预设的历史隐患或故障处理流程对计算任务进行估算。
优选地，所述步骤S4中，各AP的信号传输能力的计算方法为：
S401：获取上行、下行信道增益；
其中，Gup_zero为AP距智能CPE模块单位距离时的接收功率，Gdw_zero为智能CPE模块的单个接收模块距AP单位距离时的接收功率，S_j为巡检机器人与AP之间的距离,j为作业目标c_i处的AP编号，j=1,2...J,J的取值为信号质量大于预设门槛值Limit2的AP数量以及智能CPE模块收发模块的数量中的最小值；
S402：计算巡检机器人到各AP的数据传输速率；
;
其中，Bup、Txr分别为智能CPE模块的单个发射模块的通讯带宽、发射功率，N为传输过程中的信道噪声的功率谱密度；
计算各AP至巡检机器人的数据传输速率：
;
其中，Bdw_j为各AP可用带宽，Txa为AP的发射功率，N为传输过程中的信道噪声的功率谱密度。
优选地，所述步骤S401中，任务估算和分配模块获取巡检机器人的位置坐标P_i，调取预存于巡检规划模块内的作业现场3D地图，在作业现场3D地图上模拟各AP和巡检机器人之间的传输路径，判断作业现场阻隔物对各传输路径的阻隔度，若阻隔度大于预设门槛值Limit3，则通过智能CPE模块对巡检机器人和各AP之间的信道增益进行实际测量修正，若阻隔度小于预设门槛值Limit3，则利用步骤S401的公式计算信道增益。
优选地，所述任务估算和分配模块对作业需求f_i（t）进行鲁棒优化分配的具体方法为：
S411：定义分配至各个AP传输的任务量为DS_j（t）,那传输至云端进行计算的任务量为：
，
巡检机器人的计算任务量为：
；
S412：计算任务上行传输时间成本：
；
云端任务执行时间成本：
;
计算任务下行传输时间成本：
；
总的时间成本为:
T_total（t）=T_up(t)+T_down(t)+T_cl(t);
其中，k为云端计算常量，f为云端计算频率，l为返回数据量比例，取值为[0,1],l的数值取决于作业目标c_i执行的任务类型；
S413：为了求取传输至云端的计算任务量以及每个AP信号源传输的任务量，定义以下优化公式：
；
其中，为目标函数，求取各个AP信号源最大的传输任务量，任务量之和即为云端的计算任务量，利用分布式鲁棒算法求解。
优选地，若所述步骤S413中的优化公式无解，则对每个AP信号源传输的任务量进行二次优化：
；
其中，T_(i,i+1)为巡检机器人从作业目标c_i结束位置至到下一个作业目标c_(i+1)起始位置的巡航时间。
优选地，所述智能CPE模块还用于巡检机器人的位置定位，基于各AP的位置以及智能CPE模块连接各AP后发送测量信号以对巡检机器人的位置进行定位，具体定位算法包括指纹定位法、TDOA定位法、AOA+TA定位法中的任意一种或几种的组合。
与现有技术相比，本申请的有益效果为：
本申请通过对作业目标AP信号质量和传输能力的监测，依托可信Wi-Fi的通讯资源，及时将计算任务分配至云端，利用云边协同处理合理分配计算任务，在完成计算任务的同时维持巡检机器人算力的冗余性，保证对下一作业目标的有效巡检作业，提高了巡检效率。
本申请通过鲁棒算法对通过各个AP传输的数据量以及云端计算任务量进行求解，可以对处理过程中作业任务、AP传输能力的不确定性进行平衡，根据各个作业节点的任务不同，合理分配计算任务，增强了分配算法的兼容性和适应性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本申请的系统原理框图，
图2为本申请的方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本申请作进一步说明。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
实施例1
如图1至图2所示，本申请提供了基于智能CPE模组的巡检机器人数据传输系统，由巡检规划模块、任务估算和分配模块、智能CPE模块构成，各模块功能如下：
巡检规划模块，用于获取巡检作业信息，根据巡检作业信息生成作业目标集合并规划巡检路径；
智能CPE模块，用于巡检机器人和云端的通讯，具备同时接入多个AP的能力，实时监测巡检路径上AP信号分布，在巡航路段选择当前信号质量最好的AP接入，在巡检作业目标根据任务估算和分配模块的指示接入各个AP，进行大数据传输；
任务估算和分配模块，用于对任一作业目标的计算任务进行估算，并在云端和巡检机器人本地分配计算任务。
所述巡检作业信息至少包括巡检作业目标的位置信息和针对于各个目标的巡检作业流程，所述 AP为信号接入点，CPE为Customer Premise Equipment,直译为客户前置设备,实际是一种接收移动信号并以无线WIFI信号转发出来的移动信号接入设备，本系统依托遍及全站的通讯资源，及时通过无线资源将计算任务分配至云端，利用云边协同处理技术合理分配计算任务，在完成计算任务的同时维持巡检机器人算力的冗余性，保证对下一作业目标的有效巡检作业，提高了巡检效率。
基于系统，本申请还提供一种基于智能CPE模组的巡检机器人数据传输优化方法，具体包括如下步骤：
S1：巡检规划模块获取巡检作业信息，生成作业目标集合C并规划巡检路径：
S2：智能CPE模块实时监测巡检路径上AP信号分布，在巡航路段选择当前信号质量最好的AP平稳切换接入；
S3：任务估算和分配模块在到达任一作业目标c_i时，对c_i作业的计算任务进行估算生成作业需求f_i（t），判断f_i（t）是否超出巡检机器人的安全计算负载D_r,若是，跳转到步骤S4，若否，则跳转到步骤S5；
S4：任务估算和分配模块根据c_i的预设作业时间T_i、c_i当前位置各AP的信号传输能力，对作业需求f_i（t）在巡检机器人本地和云端进行鲁棒优化分配，在不影响下一作业目标的巡检作业的情况下完成c_i的计算任务；
S5：智能CPE模块选择当前信号质量最好的AP与云端通讯，任务估算和分配模块配置巡检机器人完成作业需求f_i（t）；
所述i为巡检目标集合C中的元素编号，i=1,2,...I,I为作业目标数量；作业需求f_i（t）中t取值[0,T_i]。
循环进行步骤S3至S5，完成对集合C内所有巡检目标的巡检作业。
具体地，所述步骤S2中，所述智能CPE模块根据信号强度指示RSSI、信噪比SNR、接收功率Rx中的任意一种或几种组合来衡量AP的信号质量。
具体地，所述步骤S2中，所述智能CPE模块平稳切换接入信号质量最好的AP的方法为：
智能CPE模块接入信号质量前二的两路AP信号源，将其加入接入列表，并使用传输质量最好的AP信号源进行数据传输，当接入的信号源信号质量的抖动值超过预设门槛Limit1时，切换另一路AP信号源进行数据传输;
智能CPE模块根据信号质量实时更新接入列表，具体更新方法为：
若需要被移出接入列表的AP信号源空闲则直接移出接入列表，若需要被移出的AP信号源正在传输数据，则首先切换传输信号源，再将其移出接入列表，保证了通讯数据的实时平稳传输，防止因信号源信号质量波动或者信号源切换导致数据传输漏包、丢失甚至终端。
优选地，所述巡检机器人的安全计算负载Dr_i=D_f-Dw_i,D_f为巡检机器人的满负荷计算资源,Dw_i为作业目标c_i的免计算操作需求以及路径导航需求，所述免计算操作需求为巡检机器人控制自身运动、自检以及基本作业需求（比如，获取现场实时视频）所需的计算资源，各个作业目标点的操作需求以及障碍物分布不一致，因此，其免计算操作需求以及路径导航需求也不一致。
优选地，所述任务估算和分配模块对作业目标c_i的计算任务进行估算的具体方法为：
根据预设的针对于作业目标c_i的作业流程类比历史操作流程对计算任务进行估算以及根据现场图像识别隐患或故障，再根据预设的历史隐患或故障处理流程对计算任务进行估算，根据历史操作流程以及历史隐患或故障处理流程所需的计算任务量对作业目标c_i的作业流程进行估算。
具体地，所述步骤S4中，各AP的信号传输能力的计算方法为：
S401：获取上行、下行信道增益；
其中，Gup_zero为AP距智能CPE模块单位距离时的接收功率，Gdw_zero为智能CPE模块的单个接收模块距AP单位距离时的接收功率，S_j为巡检机器人与AP之间的距离,j为作业目标c_i处的AP编号，j=1,2...J,J的取值为信号质量大于预设门槛值Limit2的AP数量以及智能CPE模块收发模块的数量中的最小值，各个AP为标准化统一配置的设备，其包括收发功率在内的通讯参数一致，同样，智能CPE模块的各个收发模块其通讯参数也一致；
S402：计算巡检机器人到各AP的数据传输速率；
;
其中，Bup、Txr分别为智能CPE模块的单个发射模块的通讯带宽、发射功率，N为传输过程中的信道噪声的功率谱密度；
计算各AP至巡检机器人的数据传输速率：
;
其中，Bdw_j为各AP可用带宽，Txa为AP的发射功率，N为传输过程中的信道噪声的功率谱密度。
优选地，所述步骤S401中，任务估算和分配模块获取巡检机器人的位置坐标P_i，调取预存于巡检规划模块内的作业现场3D地图，在作业现场3D地图上模拟各AP和巡检机器人之间的传输路径，判断作业现场阻隔物对各传输路径的阻隔度，若阻隔度大于预设门槛值Limit3，则通过智能CPE模块对巡检机器人和各AP之间的信道增益进行实际测量修正，若阻隔度小于预设门槛值Limit3，则利用步骤S401的公式计算信道增益。
具体地，AP至巡检机器人之间的模拟传输路径以及巡检机器人至AP的传输路径为两个交叠的锥形空域，取所述锥形空域的交集为AP和巡检机器人之间的传输路径，所述预设门槛值Limit3即用于衡量各个阻隔物对相应位置处的传输路径横截面的阻隔比例。
具体地，所述任务估算和分配模块对作业需求f_i（t）进行鲁棒优化分配的具体方法为：
S411：定义分配至各个AP传输的任务量为DS_j（t）,那传输至云端进行计算的任务量为：
，
巡检机器人的计算任务量为：
；
S412：计算任务上行传输时间成本：
；
云端任务执行时间成本：
;
计算任务下行传输时间成本：
；
总的时间成本为:
T_total（t）=T_up(t)+T_down(t)+T_cl(t);
其中，k为云端计算常量，f为云端计算频率，l为返回数据量比例，取值为[0,1],l的数值取决于作业目标c_i执行的任务类型；
S413：为了求取传输至云端的计算任务量以及每个AP信号源传输的任务量，定义以下优化公式：
；
其中，为目标函数，即求取各个AP信号源最大的传输任务量，任务量之和即为云端的计算任务量，利用分布式鲁棒算法求解，第一个约束条件的含义为分配至巡检机器人本地的计算任务不大于巡检机器人的安全计算负载D_r，第二个约束条件的含义是云端协同处理的总耗时不大于预设作业时间T_i，第三、第四约束条件则是作业需求和分配至各个AP传输的任务量大于等于0。
所述步骤S412中，MAX函数为计算最大值，在计算上行、下行传输时间时，只需计算耗时最大的一路AP信号源的耗时。
优选地，若所述步骤S413中的优化公式无解，则对每个AP信号源传输的任务量进行二次优化：
；
其中，T_(i,i+1)为巡检机器人从作业目标c_i结束位置至到下一个作业目标c_(i+1)起始位置的巡航时间。
优选地，所述智能CPE模块还用于巡检机器人的位置定位，基于各AP的位置以及智能CPE模块连接各AP后发送测量信号以对巡检机器人的位置进行定位，具体定位算法包括指纹定位法、TDOA定位法、AOA+TA定位法中的任意一种或几种的组合。
所述指纹定位法涉及的测量量为接收功率，TDOA（到达时间差），涉及的测量量为定时提前量，AOA+TA（到达角+定时提前量）涉及的测量量为到达角及定时提前量；指纹定位(finger-printing localization)算法是基于室内环境复杂，信号反射折射所形成的在不同位置形成的不同的信号强度信息而提出的一套算法；TDOA定位是一种利用时间差进行定位的方法；AOA 定位方法，主要是测量信号移动台和基站之间的到达角度，以基站为起点形成的射线必经过移动台，两条射线的交点即为移动台的位置。
以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本申请的具体实施方式进行了描述，但并非对本申请保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本申请的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本申请的保护范围以内。

Claims (10)

1.基于智能CPE模组的巡检机器人数据传输优化方法，其特征在于，基于由巡检规划模块、任务估算和分配模块、智能CPE模块的任务传输优化系统，所述智能CPE模块具备同时接入多个AP的能力，具体包括如下步骤：
S1：巡检规划模块获取巡检作业信息，生成作业目标集合C并规划巡检路径：
S2：智能CPE模块实时监测巡检路径上AP信号分布，在巡航路段选择当前信号质量最好的AP平稳切换接入；
S3：任务估算和分配模块在到达任一作业目标c_i时，对c_i作业的计算任务进行估算生成作业需求f_i（t），判断f_i（t）是否超出巡检机器人的安全计算负载D_r,若是，跳转到步骤S4，若否，则跳转到步骤S5；
S4：任务估算和分配模块根据c_i的预设作业时间T_i、c_i当前位置各AP的信号传输能力，对作业需求f_i（t）在巡检机器人本地和云端进行鲁棒优化分配，在不影响下一作业目标的巡检作业的情况下完成c_i的计算任务；
S5：智能CPE模块选择当前信号质量最好的AP与云端通讯，任务估算和分配模块配置巡检机器人完成作业需求f_i（t）；
所述i为巡检目标集合C中的元素编号，i=1,2,...I,I为作业目标数量；作业需求f_i（t）中t取值[0,T_i]。
2.根据权利要求1所述的基于智能CPE模组的巡检机器人数据传输优化方法，其特征在于：
所述步骤S2中，所述智能CPE模块根据信号强度指示RSSI、信噪比SNR、接收功率Rx中的任意一种或几种组合来衡量AP的信号质量。
3.根据权利要求2所述的基于智能CPE模组的巡检机器人数据传输优化方法，其特征在于：
所述步骤S2中，所述智能CPE模块平稳切换接入信号质量最好的AP的方法为：
智能CPE模块接入信号质量前二的两路AP信号源，将其加入接入列表，并使用传输质量最好的AP信号源进行数据传输，当接入的信号源信号质量的抖动值超过预设门槛Limit1时，切换另一路AP信号源进行数据传输;
智能CPE模块根据信号质量实时更新接入列表，具体更新方法为：
若需要被移出接入列表的AP信号源空闲则直接移出接入列表，若需要被移出的AP信号源正在传输数据，则首先切换传输信号源，再将其移出接入列表。
4.根据权利要求1所述的基于智能CPE模组的巡检机器人数据传输优化方法，其特征在于：
所述巡检机器人的安全计算负载Dr_i=D_f-Dw_i,D_f为巡检机器人的满负荷计算资源,Dw_i为作业目标c_i的免计算操作需求以及路径导航需求。
5.根据权利要求3所述的基于智能CPE模组的巡检机器人数据传输优化方法，其特征在于：
所述任务估算和分配模块对作业目标c_i的计算任务进行估算的具体方法为：
根据预设的针对于作业目标c_i的作业流程类比历史操作流程对计算任务进行估算以及根据现场图像识别隐患或故障，再根据预设的历史隐患或故障处理流程对计算任务进行估算。
6.根据权利要求5所述的基于智能CPE模组的巡检机器人数据传输优化方法，其特征在于：
所述步骤S4中，各AP的信号传输能力的计算方法为：
S401：获取上行、下行信道增益；
其中，Gup_zero为AP距智能CPE模块单位距离时的接收功率，Gdw_zero为智能CPE模块的单个接收模块距AP单位距离时的接收功率，S_j为巡检机器人与AP之间的距离,j为作业目标c_i处的AP编号，j=1,2...J,J的取值为信号质量大于预设门槛值Limit2的AP数量以及智能CPE模块收发模块的数量中的最小值；
S402：计算巡检机器人到各AP的数据传输速率；
;
其中，Bup、Txr分别为智能CPE模块的单个发射模块的通讯带宽、发射功率，N为传输过程中的信道噪声的功率谱密度；
计算各AP至巡检机器人的数据传输速率：
;
其中，Bdw_j为各AP可用带宽，Txa为AP的发射功率，N为传输过程中的信道噪声的功率谱密度。
7.根据权利要求6所述的基于智能CPE模组的巡检机器人数据传输优化方法，其特征在于：
所述步骤S401中，任务估算和分配模块获取巡检机器人的位置坐标P_i，调取预存于巡检规划模块内的作业现场3D地图，在作业现场3D地图上模拟各AP和巡检机器人之间的传输路径，判断作业现场阻隔物对各传输路径的阻隔度，若阻隔度大于预设门槛值Limit3，则通过智能CPE模块对巡检机器人和各AP之间的信道增益进行实际测量修正，若阻隔度小于预设门槛值Limit3，则利用步骤S401的公式计算信道增益。
8.根据权利要求1或6或7任一权利要求所述的基于智能CPE模组的巡检机器人数据传输优化方法，其特征在于：
所述任务估算和分配模块对作业需求f_i（t）进行鲁棒优化分配的具体方法为：
S411：定义分配至各个AP传输的任务量为DS_j（t）,那传输至云端进行计算的任务量为：
，
巡检机器人的计算任务量为：
；
S412：计算任务上行传输时间成本：
；
云端任务执行时间成本：
;
计算任务下行传输时间成本：
；
总的时间成本为:
T_total（t）=T_up(t)+T_down(t)+T_cl(t);
其中，k为云端计算常量，f为云端计算频率，l为返回数据量比例，取值为[0,1],l的数值取决于作业目标c_i执行的任务类型；
S413：为了求取传输至云端的计算任务量以及每个AP信号源传输的任务量，定义以下优化公式：
；
其中，为目标函数，求取各个AP信号源最大的传输任务量，任务量之和即为云端的计算任务量，利用分布式鲁棒算法求解。
9.根据权利要求8所述的基于智能CPE模组的巡检机器人数据传输优化方法，其特征在于：
若所述步骤S413中的优化公式无解，则对每个AP信号源传输的任务量进行二次优化：
；
其中，T_(i,i+1)为巡检机器人从作业目标c_i结束位置至到下一个作业目标c_(i+1)起始位置的巡航时间。
10.根据权利要求1所述的基于智能CPE模组的巡检机器人数据传输优化方法，其特征在于：
所述智能CPE模块还用于巡检机器人的位置定位，基于各AP的位置以及智能CPE模块连接各AP后发送测量信号以对巡检机器人的位置进行定位，具体定位算法包括指纹定位法、TDOA定位法、AOA+TA定位法中的任意一种或几种的组合。
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