CN111935241B - 基于数据分发网络的边缘服务智能协同方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于数据分发网络的边缘服务智能协同方法，构建了包括智能家居、智能社区和安防中心等三种Agent，通过基于MQTT协议的数据分发集群网络，实现边缘服务智能协同处理复杂事件。另外，在本发明采用的数据分发网络中，包括了多个基于“发布/订阅”模型的代理节点，Agent和这些MQTT‑Broker之间构成相互连通的网络拓扑，实现分布式环境下边缘节点的实时交互。因此，本发明可以在资源受限的边缘环境中，实现智能服务中边缘节点对复杂情景事件的智能协同执行。

Description

基于数据分发网络的边缘服务智能协同方法

技术领域

本发明涉及物联网技术领域，具体涉及一种基于数据分发网络的边缘服务智能协同方法。

背景技术

随着物联网的发展，人们对物联网应用的需求越来越大，希望物联网应用可以提高人们生活的智能化。物联网设备的大规模部署，使得基于云计算的物联网智能服务需要传递大量的数据，增大了网络的通信压力。随着一些传感器设备处理能力的增强，它们可以作为物联网的边缘节点，负责本地数据存储、处理、通信以及服务提供，因此，越来越多的物联网应用采用基于边缘计算范型的物联网体系来实时地处理本地数据，应对情景动态变化，降低网络延时。在边缘服务中，通过对感知数据的情景推理，会有许多复杂情景事件被触发，需要边缘节点执行相关的业务流程对变化的情景做出实时反应。这就需要边缘服务自适应协同规划和执行。另外，在物联网边缘环境下，处理复杂事件需要多个边缘节点协同完成。面向物联网边缘环境的数据通信机制是构建边缘服务间协同的基础环境，现有的分布式数据通信机制通常采用发布/订阅模型，但是需要耗费较多的资源，不适用于边缘环境。

发明内容

本发明所要解决的是现有分布式数据通信机制需要耗费较多的资源，不适用于边缘环境的问题，提供一种基于数据分发网络的边缘服务智能协同方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

基于数据分发网络的边缘服务智能协同方法，包括步骤如下：

步骤1，智能家居Agent通过各类传感器收集的感知信息，利用物联网边缘情景感知服务进行实时情景事件推理，得到情景事件结果；

步骤2，智能家居Agent将情景事件结果及情景事件所在地址信息组装成包含相关主题的MQTT报文，发布到所连接的数据分发网络；

步骤3，数据分发网络的消息代理节点根据报文的主题，转发给各个主题报文的订阅者，此时主题报文的订阅者主要是智能社区Agent；

步骤4，各个智能社区Agent在接收到订阅的主题报文后，通过分析MQTT报文，得到情景事件结果及情景事件所在地址信息；

步骤5，各个智能社区Agent从MQTT报文分析的地址信息中确认发布警报的智能家居Agent是否处于自己负责的社区子网中：如是，则该智能社区Agent根据情景事件结果确定情景事件警报等级，并转至步骤6；否则，该智能社区Agent丢弃该MQTT报文；

步骤6、智能社区Agent基于回答集程序设计，根据智能社区中心的复杂情景规则集和协同中需要执行的计划集，得到智能社区中心的服务执行规划序列，为智能社区中心提供提前救援的决策信息；

步骤7、智能社区Agent将情景事件警报等级及情景事件所在地址信息组装成包含相关主题的MQTT报文，发布到所连接的数据分发网络；

步骤8，数据分发网络的消息代理节点根据报文的主题，转发给各个主题报文的订阅者，此时主题报文的订阅者主要是安防中心Agent；

步骤9，各个安防中心Agent在接收到订阅的主题报文后，通过分析MQTT报文，得到情景事件警报等级及情景事件所在地址信息；

步骤10，各个安防中心Agent从MQTT报文分析的地址信息中确认发布警报的智能社区Agent是否处于自己负责的社区子网中：如是，则该安防中心Agent根据情景事件警报等级确定情景事件警报，并转至步骤11；否则，该安防中心Agent丢弃该MQTT报文；

步骤11，安防中心Agent基于回答集程序设计，根据安防中心的复杂情景规则集和协同中需要执行的计划集，得到安防中心的服务执行规划序列，为安防中心提供后续救援的决策信息。

上述步骤1的具体过程如下：

步骤1.1，智能家居Agent对感知信息进行收集与预处理，通过行为分析机制和模糊处理机制获取低层次情景信息；

步骤1.2，智能家居Agent利用低层次情景信息通过本体的建模方式来构建基础情景信息，并将低层次情景感知中获取的基础情景信息、结合本体领域知识与规则进行情景推理，实现复杂情景感知；

步骤1.3，智能家居Agent对复杂情景感知进行情景事件分析，通过情景与事件映射机制提供相关服务或进一步的情景事件处理。

上述步骤2还进一步包括如下过程：智能家居Agent将情景事件结果通过短信形式通知智能家居Agent所属的用户。

上述步骤5中，在一个社区子网中，智能社区Agent和智能家居Agent是一对多关系。

上述步骤10中，在一个社区子网中，智能社区Agent和安防中心Agent是一对多关系。

作为改进，基于数据分发网络的边缘服务智能协同方法，还进一步包括如下步骤：步骤12，安防中心Agent通过数据分发网络向智能社区Agent回复报警确认信息；

作为改进，基于数据分发网络的边缘服务智能协同方法，还进一步包括如下步骤：步骤13，智能社区Agent通过数据分发网络向智能家居Agent回复报警确认信息。

作为改进，基于数据分发网络的边缘服务智能协同方法，还进一步包括如下步骤：步骤14，智能家居Agent将报警确认信息通过短信形式通知智能家居Agent所属的用户。

步骤6和步骤11的具体过程如下：

步骤1)输入复杂情景的的规则集Π和协同中需要执行的计划的计划集H；

步骤2)把决策g作为约束加入规则集Π中，形成新的规则集Π'；如果新的规则集Π'中有回答集，则转到步骤9)；如果新的规则集Π'中没有回答集，则转到步骤3)；

步骤3)任选并删除计划集H中的一个计划，将其加入到新的计划集H'中；

步骤4)将新的计划集H'加入到新的规则集Π'；如果新的规则集Π'中有回答集，则转到步骤5)；如果新的规则集Π'中没有回答集，则转到步骤3)；

步骤5)若新的计划集H'为空，则转到步骤9)；若新的计划集H'不为空，则转到步骤6)；

步骤6)从新的计划集H'中，任选并删除一个计划；

步骤7)将步骤6)得到的新的计划集H'加入新的规则集Π'；如果新的规则集Π'中有回答集，则转到步骤5)；如果新的规则集Π'中没有回答集，则转到步骤8)；

步骤8)将步骤6)所删除的规划加入新的规则集Π'，转到步骤5)；

步骤9)当前新的规则集Π'的回答集与计划集H的交集即为生成的服务执行规划序列。

与现有技术相比，本发明构建了包括智能家居、智能社区和安防中心等三种Agent，通过基于MQTT协议的数据分发集群网络，实现边缘服务智能协同处理复杂事件。另外，在本发明采用的数据分发网络中，包括了多个基于“发布/订阅”模型的代理节点，Agent和这些MQTT-Broker之间构成相互连通的网络拓扑，实现分布式环境下边缘节点的实时交互。因此，本发明可以在资源受限的边缘环境中，实现智能服务中边缘节点对复杂情景事件的智能协同执行。

附图说明

图1为本发明中使用的设备拓扑结构图。

图2为物联网边缘情景感知服务框架图。

图3为本发明中Agent之间协同处理复杂事件的时序图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

针对边缘智能服务在资源受限的物联网边缘环境下的智能协同，本发明提出基于数据分发网络的边缘服务智能协同***，其拓扑结构图如图1所示，主要由数据分发网络以及智能服务Agent两大部分组成。所述数据分发网络由多个使用“发布/订阅”模型的消息代理节点(MQTT-Broker)组成，MQTT-Broker使用基于MQTT协议的“发布/订阅”数据分发机制，它们之间构成相互连通的网络拓扑，实现分布式环境下的实时交互。所述智能服务Agent包括智能家居Agent、智能社区Agent和安防中心Agent。各个智能服务Agent(智能体)之间通过数据分发网络以发布/订阅模式进行交互，协同处理情景事件。智能家居Agent负责通过感知数据进行情景推理，并发布情景事件消息。智能社区Agent负责为情景事件的发出警报信息。安防中心Agent在接收到警报信息后执行救援，最后实现边缘服务协同处理复杂事件。本***适用于需要多个节点协同完成的业务环境，如智能安防、智能交通领域。

图2为本发明利用物联网边缘情景感知服务框架图。该服务首先对感知数据进行收集与预处理，通过行为分析机制和模糊处理机制获取低层次情景信息。然后采用本体与规则相结合的方式实现复杂情景感知，利用低层次情景信息通过本体的建模方式来构建基础情景信息模型，将低层次情景感知中获取的基础情景信息、结合本体领域知识与规则进行情景推理，实现复杂情景感知。最后对高层次情景感知模块感知的情景进行情景事件分析，通过情景-事件映射机制提供相关服务或进一步的情景事件处理。

以火灾事件为例，当智能家居Agent推理出火灾情景事件，根据本发明的基于数据分发网络的边缘服务智能协同方法，其智能服务Agent之间的协同处理流程如图3的时序图所示。智能家居Agent通过数据通信机制与智能社区Agent、安防中心Agent实时交互，完成火灾警报事件的处理，实现对智能家居中火灾警报的实时监控与报警功能。其具体步骤如下：

步骤1，智能家居Agent通过各类传感器收集的感知信息，利用物联网边缘情景感知服务进行实时情景事件推理，得到火灾事件结果。

步骤1.1，智能家居Agent对感知数据进行收集与预处理，通过行为分析机制和模糊处理机制获取低层次情景信息；

步骤1.2，智能家居Agent采用本体与规则相结合的方式实现复杂情景感知，利用低层次情景信息通过本体的建模方式来构建基础情景信息，将低层次情景感知中获取的基础情景信息、结合本体领域知识与规则进行情景推理，实现复杂情景感知；

步骤1.3，智能家居Agent对高层次情景感知模块感知的情景进行情景事件分析，通过情景-事件映射机制提供相关服务(如直接发出报警)或进一步的情景事件处理(如向下一级发送事件结果)。

步骤2，智能家居Agent将情景推理得到的火灾事件结果以及所在地址信息组装成包含相关主题的MQTT报文，发布到所连接的数据分发网络。

智能家居Agent作为发布者发布消息时，采用使用两阶段确认的Qos2(Quality ofService level 2)来保证消息的不丢失和不重复。在Qos2情况下，Broker肯定会收到消息，且只收到一次。

步骤3，智能家居Agent将情景事件通过短信形式通知智能家居Agent所属用户。

步骤4，数据分发网络的消息代理节点MQTT-Broker根据报文的主题，转发给各个主题订阅者。

上述智能家居Agent主题报文的订阅者主要是智能社区Agent。当其他Agent需要自主订阅感兴趣的主题，它可以使用消息发布的确切主题，或者可以使用通配符一次订阅更多主题。当智能家居中可以推理的复杂情景事件被一些新的传感器扩展时，可以将它们添加到主题树中，以供其他Agent订阅。

步骤5，智能社区Agent在接收到订阅的主题消息后，通过分析MQTT报文，得到火灾情景事件信息以及所在地址信息。

智能社区Agent对接收到的信息包进行分析时，需要判定该报文是否能正确解析，如果正确则进行下一步骤；否则丢弃该信息包，并回复解析错误信息。

步骤6，智能社区Agent确定情景事件警报等级，并发布警报信息，规划提前救援决策。

步骤6.1，智能社区Agent从MQTT报文分析中确认发布警报的智能家居Agent是否处于自己负责的社区子网中：如果是，则该智能社区Agent确定情景事件警报等级；否则，智能社区Agent丢弃该MQTT报文。在一个社区子网中，智能社区Agent和智能家居Agent是一对多关系；

步骤6.2，智能社区Agent基于回答集程序设计(ASP)的复杂情景处理模型，根据社区中心的复杂情景规则集Π₁和协同中需要执行的计划集H，得到服务执行规划序列，为社区中心提供提前救援的决策信息；

步骤6.3，智能社区Agent将火灾警报以及所在地址信息组装成包含相关主题的MQTT报文，发布到所连接的数据分发网络。

智能社区Agent作为发布者发布消息时，采用使用两阶段确认的Qos2(Quality ofService level 2)来保证消息的不丢失和不重复。在Qos2情况下，Broker肯定会收到消息，且只收到一次。

步骤7，数据分发网络的消息代理节点MQTT-Broker根据报文的主题，转发给各个主题订阅者。

上述智能社区Agent主题报文的订阅者主要是安防中心Agent。当其他Agent需要自主订阅感兴趣的主题，它可以使用消息发布的确切主题，或者可以使用通配符一次订阅更多主题。当智能家居中可以推理的复杂情景事件被一些新的传感器扩展时，可以将它们添加到主题树中，以供其他Agent订阅。

步骤8，安防中心Agent在接收到订阅的主题消息后，通过分析MQTT报文，得到警报信息。

安防中心Agent对接收到的信息包进行分析时，需要判定该报文是否能正确解析，如果正确则进行下一步骤；否则丢弃该信息包，并回复解析错误信息。

步骤9，安防中心Agent确定火灾情景事件警报，并规划后续救援决策。

步骤9.1，安防中心Agent从MQTT报文分析中确认发布警报的智能社区Agent是否处于自己负责的社区子网中：如果是，则安防中心Agent确定情景事件警报；否则，安防中心Agent丢弃该MQTT报文。在一个社区子网中，智能社区Agent和安防中心Agent是一对多关系；

步骤9.2，安防中心Agent通过基于回答集程序设计(ASP)的复杂情景处理模型，根据安防中心的复杂情景规则集Π₂和协同中需要执行的计划集H，得到服务执行规划序列，为安防中心提供后续救援的决策信息。

步骤10，安防中心Agent通过数据分发网络向智能社区Agent回复报警确认信息。

步骤11，智能社区Agent通过数据分发网络向智能家居Agent回复报警确认信息。

步骤12，智能家居Agent将报警确认信息通过短信形式通知智能家居Agent所属的用户。

步骤11，智能家居Agent在接收到安防中心Agent的警报确认信息和智能社区Agent救援回复信息后，通过短信等通知相关用户。

上述步骤6.3智能社区Agent基于回答集程序设计(ASP)的复杂情景处理模型，根据社区中心的复杂情景规则集Π₁和协同中需要执行的计划集H，得到服务执行规划序列与上述步骤9.2安防中心Agent通过基于回答集程序设计(ASP)的复杂情景处理模型，根据安防中心的复杂情景规则集Π₂和协同中需要执行的计划集H，得到服务执行规划序列，其具体内容如下：

步骤1)输入复杂情景的的规则集Π和协同中需要执行的计划的计划集H；

步骤2)把决策g作为约束加入规则集Π中，形成新的规则集Π'；如果新的规则集Π'中有回答集，则转到步骤9)；如果新的规则集Π'中没有回答集，则转到步骤3)；

步骤3)任选并删除计划集H中的一个计划，将其加入到新的计划集H'中；

步骤4)将新的计划集H'加入到新的规则集Π'；如果新的规则集Π'中有回答集，则转到步骤5)；如果新的规则集Π'中没有回答集，则转到步骤3)；

步骤5)若新的计划集H'为空，则转到步骤9)；若新的计划集H'不为空，则转到步骤6)；

步骤6)从新的计划集H'中，任选并删除一个计划；

步骤7)将步骤6)得到的新的计划集H'加入新的规则集Π'；如果新的规则集Π'中有回答集，则转到步骤5)；如果新的规则集Π'中没有回答集，则转到步骤8)；

步骤8)将步骤6)所删除的规划加入新的规则集Π'，转到步骤5)；

步骤9)当前新的规则集Π'的回答集与计划集H的交集即为生成的服务执行规划序列。

定义1.知识库的定义：

智能社区agent和安防中心agent的协同知识库是一个三元组<Π,H,G>，其中：

Π为复杂情景的知识的集合，即规则的集合；

H为在协同中需要执行的计划的集合，即计划集；

G为协同决策的集合以及其优先级，即决策集。

根据上述定义，每个协同工作的agent对复杂情景最少拥有一个协同决策，并且每个决策之间是分离的，具有各自的优先级顺序的。所以在协同过程中，首先实现优先级最高的决策，若实现不了，则考虑次一级的目标。

在协同中，每个协同工作的agent都是通过协同执行规划序列与其他agent进行协同的。在基于ASP的模型中，执行规划序列可以通过计算协同知识库的回答集来生成。

定义2.协同执行规划序列的定义：

已知agent的协同知识库为<Π,H,G>，并且决策g∈G。协同执行规划序列R的定义如下：

(1)如果程序(Π∪{:-not g.})有回答集，那么

(2)如果程序(Π∪{:-not g.})没有回答集，那么R就是H的一个子集，且R＝M∩H，其中M为程序(Π∪{:-not g.}∪R)的回答集。

协同执行规划序列的生成算法getEPS(Π,H,g)：

在算法中getEPS(Π,H,g)中，第2-8行描述了寻找H的子集H’的过程，其中H’可以使程序(Π∪{:-not g.}∪H')产生回答集。第9-16行确保如果程序Π’不包含规划h还能得到回答集M，其中h∈H’，则确保M中不包含规划。函数select(h,H)表示随机挑选集合H中的一个规划h。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (9)

1.基于数据分发网络的边缘服务智能协同方法，其特征是，包括步骤如下：

步骤1，智能家居Agent通过各类传感器收集的感知信息，利用物联网边缘情景感知服务进行实时情景事件推理，得到情景事件结果；

步骤2，智能家居Agent将情景事件结果及情景事件所在地址信息组装成包含相关主题的MQTT报文，发布到所连接的数据分发网络；

步骤3，数据分发网络的消息代理节点根据报文的主题，转发给各个主题报文的订阅者，此时主题报文的订阅者主要是智能社区Agent；

步骤4，各个智能社区Agent在接收到订阅的主题报文后，通过分析MQTT报文，得到情景事件结果及情景事件所在地址信息；

步骤5，各个智能社区Agent从MQTT报文分析的地址信息中确认发布警报的智能家居Agent是否处于自己负责的社区子网中：如是，则该智能社区Agent根据情景事件结果确定情景事件警报等级，并转至步骤6；否则，该智能社区Agent丢弃该MQTT报文；

步骤6、智能社区Agent基于回答集程序设计，根据智能社区中心的复杂情景的规则集和协同中需要执行的计划集，得到智能社区中心的服务执行规划序列，为智能社区中心提供提前救援的决策信息；

步骤7、智能社区Agent将情景事件警报等级及情景事件所在地址信息组装成包含相关主题的MQTT报文，发布到所连接的数据分发网络；

步骤8，数据分发网络的消息代理节点根据报文的主题，转发给各个主题报文的订阅者，此时主题报文的订阅者主要是安防中心Agent；

步骤9，各个安防中心Agent在接收到订阅的主题报文后，通过分析MQTT报文，得到情景事件警报等级及情景事件所在地址信息；

步骤10，各个安防中心Agent从MQTT报文分析的地址信息中确认发布警报的智能社区Agent是否处于自己负责的社区子网中：如是，则该安防中心Agent根据情景事件警报等级确定情景事件警报，并转至步骤11；否则，该安防中心Agent丢弃该MQTT报文；

步骤11，安防中心Agent基于回答集程序设计，根据安防中心的复杂情景的规则集和协同中需要执行的计划集，得到安防中心的服务执行规划序列，为安防中心提供后续救援的决策信息。

2.根据权利要求1所述的基于数据分发网络的边缘服务智能协同方法，其特征是，步骤1的具体过程如下：

步骤1.1，智能家居Agent对感知信息进行收集与预处理，通过行为分析机制和模糊处理机制获取低层次情景信息；

步骤1.2，智能家居Agent利用低层次情景信息通过本体的建模方式来构建基础情景信息，并将低层次情景感知中获取的基础情景信息、结合本体领域知识与规则进行情景推理，实现复杂情景感知；

步骤1.3，智能家居Agent对复杂情景感知进行情景事件分析，通过情景与事件映射机制提供相关服务或进一步的情景事件处理。

3.根据权利要求1所述的基于数据分发网络的边缘服务智能协同方法，其特征是，步骤2还进一步包括如下过程：智能家居Agent将情景事件结果通过短信形式通知智能家居Agent所属的用户。

4.根据权利要求1所述的基于数据分发网络的边缘服务智能协同方法，其特征是，步骤5中，在一个社区子网中，智能社区Agent和智能家居Agent是一对多关系。

5.根据权利要求1所述的基于数据分发网络的边缘服务智能协同方法，其特征是，步骤10中，在一个社区子网中，智能社区Agent和安防中心Agent是一对多关系。

6.根据权利要求1所述的基于数据分发网络的边缘服务智能协同方法，其特征是，还进一步包括如下步骤：

步骤12，安防中心Agent通过数据分发网络向智能社区Agent回复报警确认信息。

7.根据权利要求6所述的基于数据分发网络的边缘服务智能协同方法，其特征是，还进一步包括如下步骤：

步骤13，智能社区Agent通过数据分发网络向智能家居Agent回复报警确认信息。

8.根据权利要求7所述的基于数据分发网络的边缘服务智能协同方法，其特征是，还进一步包括如下步骤：

步骤14，智能家居Agent将报警确认信息通过短信形式通知智能家居Agent所属的用户。

9.根据权利要求7所述的基于数据分发网络的边缘服务智能协同方法，其特征是，步骤6和步骤11的具体过程如下：

步骤1)输入复杂情景的规则集Π和协同中需要执行的计划的计划集H；

步骤2)把决策g作为约束加入规则集Π中，形成新的规则集Π'；如果新的规则集Π'中有回答集，则转到步骤9)；如果新的规则集Π'中没有回答集，则转到步骤3)；

步骤3)任选并删除计划集H中的一个计划，将其加入到新的计划集H'中；

步骤4)将新的计划集H'加入到新的规则集Π'；如果新的规则集Π'中有回答集，则转到步骤5)；如果新的规则集Π'中没有回答集，则转到步骤3)；

步骤5)若新的计划集H'为空，则转到步骤9)；若新的计划集H'不为空，则转到步骤6)；

步骤6)从新的计划集H'中，任选并删除一个计划；

步骤7)将步骤6)得到的新的计划集H'加入新的规则集Π'；如果新的规则集Π'中有回答集，则转到步骤5)；如果新的规则集Π'中没有回答集，则转到步骤8)；

步骤8)将步骤6)所删除的规划加入新的规则集Π'，转到步骤5)；

步骤9)当前新的规则集Π'的回答集与计划集H的交集即为生成的服务执行规划序列。

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