勝利水庫的算力分布式協(xié)同應(yīng)用分析

畢春寧，吳兆田，孫 斌

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.東營市墾利區(qū)水利局，山東 東營 257500）

勝利水庫原名東張水庫，位于山東省東營市墾利區(qū)城西4.5 km 的南展區(qū)末端梯形地帶，西五路以東，民豐水庫六號庫以西，臨黃堤以南，南展大堤以北，設(shè)計總庫容2 500 萬m3。勝利水庫主要解決墾利街道、勝坨鎮(zhèn)宋家、周家、胥家等20多個村（街道）的農(nóng)業(yè)灌溉用水及墾利區(qū)城區(qū)、勝坨鎮(zhèn)的生活用水、勝利油田部分工業(yè)用水。

1 算力協(xié)同部署方案

中心云、邊緣云、計算協(xié)同構(gòu)成勝利水庫的算力體系，其架構(gòu)如圖1 所示。墾利區(qū)水利局信息化機房通過部署計算和存儲等基礎(chǔ)設(shè)施資源（IaaS），為庫區(qū)邊緣應(yīng)用提供云服務(wù)，同時部署管理節(jié)點，依次對云上資源和邊緣資源進行統(tǒng)一調(diào)度、納管和融合管理，算法模型和算法任務(wù)控制通過管理節(jié)點分發(fā)到邊緣側(cè)進行算法部署和智能解析，業(yè)務(wù)解析結(jié)果均不回傳中心云，只有模型更新時與中心云產(chǎn)生交互。水質(zhì)監(jiān)測站、水位監(jiān)測站、工業(yè)聽診器、滲壓監(jiān)測等前端感知設(shè)備通過LoRa 無線通信接入邊緣計算網(wǎng)關(guān)，然后接入水利局信息化機房管理節(jié)點，新裝攝像機自帶邊緣計算功能，視頻流不直接回傳邊緣云和中心云，原有視頻攝像機由于不帶有邊緣計算功能，視頻管理平臺通過GB/T28181 或SDK 協(xié)議從勝利水庫機房的NVR 或視頻平臺中接入攝像機的實時視頻流，并通過數(shù)據(jù)專線傳輸?shù)綁ɡ麉^(qū)水利局信息化機房邊緣分析節(jié)點。

圖1 勝利水庫算力協(xié)同部署架構(gòu)圖

邊緣云集成了庫區(qū)水雨情預(yù)警規(guī)則、水泵聽診故障預(yù)警模型、滲流滲壓預(yù)警模型、水面漂浮物模型、人員行為分析及非常車輛入侵等模型。

2 算力協(xié)同功能分析

中心云部署在云服務(wù)器，視頻解析和預(yù)警模型的建立依托中心云彈性伸縮的計算資源和邊緣云協(xié)同的能力，在中心云進行算法模型訓(xùn)練和模型開發(fā)等行為，依托智慧邊緣平臺服務(wù)功能將算法下發(fā)到勝利水庫業(yè)務(wù)網(wǎng)，基于勝利水庫信息化系統(tǒng)，結(jié)合庫區(qū)的應(yīng)用場景和智能分析需求，建立智能分析算法庫。算法建設(shè)可分為2 類，其一是水利行業(yè)已成熟的算法集成；其二是針對勝利水庫特殊場景、特定需求的新型算法進行的開發(fā)研究。算法類型詳見表1。

表1 勝利水庫集成算法類型

墾利區(qū)水利局信息化機房通過邊緣管理節(jié)點，主要實現(xiàn)以下功能：

1）實現(xiàn)算法的定期更新，支持中心云同步算法模型，AI 算法模型采用Docker 鏡像標準格式，中心云提供標準的Docker 鏡像倉庫能力，同時，Docker 鏡像是分層模式，算法第一次下載時間較長，但由于其基礎(chǔ)層是相同的，因此不同的AI 算法鏡像的更新，僅需下載不同的鏡像層就可以實現(xiàn)，從而節(jié)省算法更新的時間和帶寬。

2）實現(xiàn)邊緣節(jié)點的算法管理，墾利區(qū)水利局信息化機房管理節(jié)點通過內(nèi)部接口，對邊緣節(jié)點資源和分析任務(wù)進行統(tǒng)一納管，進行算法作業(yè)任務(wù)的下發(fā)、查詢、刪除等操作，并能夠監(jiān)測邊緣節(jié)點的算法作業(yè)狀態(tài)，當(dāng)狀態(tài)異常時，能夠進行作業(yè)的重新下發(fā)；算法模型異常退出后，支持自動恢復(fù)。

3）實現(xiàn)作業(yè)管理，管理節(jié)點可以內(nèi)部接口管理邊緣節(jié)點的算法分析作業(yè)任務(wù)，在選擇的算法服務(wù)下進行視頻分析作業(yè)的創(chuàng)建、停止、更新、啟動和刪除。

4）視頻管理平臺通過GB/T28181 或SDK 協(xié)議從勝利水庫機房的NVR 或視頻平臺接入攝像機的實時視頻流，并通過RTSP 流協(xié)議將視頻流發(fā)給水利局信息化機房邊緣分析節(jié)點。水利局信息化機房邊緣分析節(jié)點滿足1080P 及4KH.264/H.265RTSP 流協(xié)議、每路攝像頭的網(wǎng)絡(luò)帶寬充足、視頻流地址固定的條件，保證視頻流的穩(wěn)定和流暢。

5）實現(xiàn)資源管理，管理節(jié)點可以內(nèi)部接口管理邊緣節(jié)點的分析任務(wù)，支持進行動態(tài)的組合和釋放，充分利用計算資源，有效降低成本；支持底層硬件資源異構(gòu)，支持T4、P4 等GPU，同時支持國產(chǎn)D310 芯片；支持GPU 資源按視頻路數(shù)進行精細化調(diào)度，降低硬件資源的浪費。對不同視頻源、不同計算資源、不同算法類型按業(yè)務(wù)需求進行動態(tài)的組合和釋放，在增加視頻分析靈活性的基礎(chǔ)上，充分利用了計算資源。

6）實現(xiàn)解析結(jié)果對接，前端邊緣計算網(wǎng)關(guān)通過內(nèi)部接口將分析結(jié)果傳給管理節(jié)點，通過API接口，實現(xiàn)算法解析結(jié)果的輸出，便于上層應(yīng)用快速集成，獲取關(guān)于勝利水庫全方位的業(yè)務(wù)分析數(shù)據(jù)，滿足管理單位相關(guān)業(yè)務(wù)的閉環(huán)管理要求。

前端邊緣計算網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)以下功能：

1）開展?jié)B壓以及滲流監(jiān)測，根據(jù)邊緣云下發(fā)的預(yù)測模型按照設(shè)定的時間尺度進行數(shù)據(jù)預(yù)測，通過滲壓計實測值與預(yù)測值的對比，及時判斷并推送預(yù)警信息。

2）利用工業(yè)聽診器實時監(jiān)測水泵的運行工況，通過聲音頻率變化對水泵故障進行及時診斷，以此降低運行風(fēng)險，減少財產(chǎn)損失。

3 結(jié) 語

各類自動化監(jiān)測感知設(shè)備每天會產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，需要大量的算力進行支撐保障，本研究對勝利水庫中心云、邊緣云、端計算協(xié)同部署方案進行了分析總結(jié)，其避免了傳統(tǒng)算力模式信息處理不及時或網(wǎng)絡(luò)帶寬延遲導(dǎo)致的錯誤出現(xiàn)。算力協(xié)同模式是承載多樣化場景應(yīng)用的必然趨勢。