基于邊緣計(jì)算的變電站無人機(jī)巡檢云邊協(xié)同策略研究

李游

摘要：隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大化，電力設(shè)備的不斷復(fù)雜化，傳統(tǒng)的變電站巡檢方式已經(jīng)無法適應(yīng)電力系統(tǒng)快速發(fā)展的要求。本文對(duì)無人機(jī)巡檢特點(diǎn)進(jìn)行了分析，提出了基于邊緣計(jì)算的無人機(jī)巡檢云邊協(xié)同策略，對(duì)云邊協(xié)同策略進(jìn)行了深入研究。采用云邊協(xié)同策略能夠大大提高無人機(jī)巡檢的工作效率，有效降低電力系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。

關(guān)鍵詞：邊緣計(jì)算;無人機(jī)巡檢;云邊協(xié)同策略

近年來，國(guó)家大力推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)，電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，電力設(shè)備復(fù)雜程度不斷加深，電力系統(tǒng)正在逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，因此對(duì)于變電站的巡檢也提出了更高的要求[1]?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)及云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，將無人機(jī)技術(shù)、邊緣計(jì)算技術(shù)、云邊協(xié)同策略進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，為變電站巡檢技術(shù)升級(jí)提供了有效的解決方案[2][3]，更加有利于促進(jìn)變電站的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

1 無人機(jī)

采用無人機(jī)進(jìn)行變電站巡檢，能夠避免傳統(tǒng)巡檢方式的不足，獲取大量數(shù)據(jù)用于進(jìn)行缺陷識(shí)別，提高識(shí)別的準(zhǔn)確率[4]。無人機(jī)是變電站巡檢任務(wù)的承載主體，也是邊緣計(jì)算的主要實(shí)現(xiàn)主體，其巡檢的主要特點(diǎn)有：

（1）集群協(xié)同性：多臺(tái)無人機(jī)攜帶不同的設(shè)備，各自完成自身承擔(dān)的巡檢項(xiàng)點(diǎn)，之后再將巡檢采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，協(xié)調(diào)配合共同完成變電站巡檢工作。

（2）可預(yù)測(cè)性：無人機(jī)巡檢目的明確、巡檢目標(biāo)清晰，可以通過程序設(shè)定具體的巡檢任務(wù)，自主完成巡檢工作;也可以在人工操作下進(jìn)行巡檢，將巡檢數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳到控制中心。

（3）時(shí)空局部性：由于檢測(cè)目標(biāo)存在一定的差異性，巡檢獲取的數(shù)據(jù)也不相同，從而導(dǎo)致了時(shí)空角色差異與變化，巡檢空間也存在一定的時(shí)空局部性。

（4）巡檢互動(dòng)性：無人機(jī)通過物聯(lián)網(wǎng)接入到云計(jì)算中心，能夠從多個(gè)維度對(duì)設(shè)備的健康狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)判定;通過邊緣計(jì)算能夠快速診斷設(shè)備缺陷，并實(shí)時(shí)調(diào)整巡檢路徑，從而形成互動(dòng)的巡檢態(tài)勢(shì)。

2 邊緣計(jì)算

2.1 邊緣計(jì)算概念

邊緣計(jì)算的核心思想是要在大限度保證計(jì)算任務(wù)在離數(shù)據(jù)源最近的計(jì)算資源上完成，“邊緣”是指數(shù)據(jù)源與云計(jì)算中心之間的計(jì)算資源及網(wǎng)絡(luò)資源[5][6]。邊緣計(jì)算模型中的每一層都能夠提供資源與服務(wù)，無人機(jī)在邊緣計(jì)算模型中以承擔(dān)邊緣服務(wù)器的作用，需要具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析及資源調(diào)度功能，這樣能夠緩解網(wǎng)絡(luò)帶寬及云計(jì)算中心的壓力，并且加快了響應(yīng)速度。但是，大數(shù)據(jù)運(yùn)算還是需要云計(jì)算中心來完成。這樣將邊緣計(jì)算和云計(jì)算結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)分析資源的優(yōu)化配置[7]。

2.2 邊緣計(jì)算架構(gòu)

在無人機(jī)執(zhí)行巡檢作業(yè)時(shí)，無人機(jī)是邊緣計(jì)算任務(wù)的發(fā)起方，其具體的邊緣服務(wù)器系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

從資源調(diào)度的角度出發(fā)，邊緣設(shè)備承擔(dān)計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源的調(diào)度任務(wù)，邊緣服務(wù)器可以通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)，從而將巡檢區(qū)域中的邊緣服務(wù)器有效協(xié)同起來，共同配合完成巡檢工作[8]。變電站內(nèi)的云計(jì)算中心還能夠完成更改復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)，采用云邊協(xié)同策略，將巡檢采集到的數(shù)據(jù)與巡檢任務(wù)有效結(jié)合起來。

3 邊緣計(jì)算與云邊協(xié)同關(guān)系分析

變電站的云邊協(xié)同體系一般來說由一個(gè)云計(jì)算中心和多個(gè)邊緣計(jì)算終端組成，云計(jì)算中心和邊緣計(jì)算終端都可以劃分為業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層、資源層三部分，云計(jì)算中處于核心位置，負(fù)責(zé)對(duì)變電站內(nèi)的多個(gè)邊緣計(jì)算終端進(jìn)行協(xié)同管理實(shí)現(xiàn)云邊業(yè)務(wù)協(xié)同、云邊數(shù)據(jù)協(xié)同、云邊資源協(xié)同[9]，云邊協(xié)同架構(gòu)如圖2所示。

4 基于邊緣計(jì)算的無人機(jī)巡檢云邊協(xié)同策略分析

4.1 業(yè)務(wù)處理協(xié)同策略

變電站電力巡檢業(yè)務(wù)被拆分成多個(gè)巡檢微業(yè)務(wù)分散部署在云計(jì)算中心和邊緣計(jì)算終端，無人機(jī)采集到的數(shù)據(jù)先進(jìn)行邊緣計(jì)算后，再上傳到云計(jì)算中心進(jìn)行綜合處理云邊協(xié)同機(jī)制下的微業(yè)務(wù)能夠根據(jù)實(shí)際靈活部署。云邊協(xié)同體系下的業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)，要依托于云計(jì)算中心和邊緣計(jì)算終端。云邊業(yè)務(wù)處理協(xié)同就是在云計(jì)算中心對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行部署，云計(jì)算中心和邊緣計(jì)算終端實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)得協(xié)同處理。云計(jì)算中心根據(jù)巡檢業(yè)務(wù)得具體流程拆分成多個(gè)微業(yè)務(wù)，針對(duì)邊緣計(jì)算終端的實(shí)際情況進(jìn)行微業(yè)務(wù)的部署;邊緣計(jì)算終端將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到云計(jì)算中心，由云計(jì)算中心進(jìn)行處理，并將相關(guān)數(shù)據(jù)反饋給邊緣計(jì)算終端;通過云計(jì)算中心，能夠?qū)崿F(xiàn)不同業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)共享，避免了部分功能的重復(fù)開發(fā)。

4.2 數(shù)據(jù)協(xié)同策略

變電站的巡檢進(jìn)行中會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，既包括了設(shè)備相關(guān)信息，也包括了除此之外的信息，根據(jù)其運(yùn)用功能可以分為運(yùn)行過程數(shù)據(jù)、設(shè)備管理數(shù)據(jù);運(yùn)行過程數(shù)據(jù)為電力設(shè)備運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)電壓、電流、功率因數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)、控制命令等數(shù)據(jù);設(shè)備管理數(shù)據(jù)為設(shè)備的型號(hào)、部署信息、拓?fù)湫畔⒌取＿吘売?jì)算將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，在上傳到云計(jì)算中心進(jìn)行數(shù)據(jù)協(xié)同處理，以保證數(shù)據(jù)的安全性、有效性、實(shí)時(shí)性。數(shù)據(jù)在向云計(jì)算中心傳輸時(shí)需要經(jīng)過加密模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)加密處理;云計(jì)算中心對(duì)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析后，想邊緣計(jì)算終端下發(fā)控制策略和需求響應(yīng)結(jié)果。

4.3 計(jì)算資源協(xié)同策略

邊緣計(jì)算終端的計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源是收到外部條件限制的，由于變電站巡檢項(xiàng)目的存在差異性，需要用到的資源也不盡相同，所以可以通過云計(jì)算中心將微巡檢業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到云計(jì)算中心和距離該邊緣計(jì)算終端較近的其他邊緣計(jì)算終端。云計(jì)算中心根據(jù)云邊網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行負(fù)載均衡化處理，云邊計(jì)算資源協(xié)同策略合理分配了計(jì)算資源及存儲(chǔ)資源提高了業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性，優(yōu)化了計(jì)算資源的利用率，降低了云邊體系的計(jì)算資源投資成本。

5 結(jié)論

云邊協(xié)同策略是變電站無人機(jī)巡檢中的重要控制策略，該策略對(duì)變電站無人機(jī)巡檢作業(yè)中的業(yè)務(wù)處理協(xié)同分配、數(shù)據(jù)資源系統(tǒng)分配、計(jì)算資源協(xié)同分配起到了重要作用。本文從邊緣計(jì)算的概念出發(fā)，分析了邊緣計(jì)算與云計(jì)算中心各自承擔(dān)的任務(wù)，以及二者之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，深入研究了基于邊緣計(jì)算的無人機(jī)巡檢云邊協(xié)同策略。采用云邊協(xié)同策略能夠大大提高云邊體系的靈活性，提高巡檢業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源的優(yōu)化配置，降低變電站運(yùn)營(yíng)維護(hù)的成本。

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