[发明专利]一种基于边缘计算的低能耗高铁轮对轴温监测及诊断方法

说明书

本发明提出了一种基于边缘计算的低能耗高铁轮对轴温监测及诊断方法，针对将轮对实时轴温数据全部上传云端计算时延较大，影响高铁运行时温度监测系统效率的情况，提出了一种利用边缘计算的低能耗轴温数据监测及诊断方案。该方案将轴温监测数据划分为两部分，一部分轴温数据发送给云计算中心进行计算，另一部分轴温数据发送给边缘结点（多台边缘计算设备）进行计算，实现低时延低能耗的监测和诊断，提高轮对轴温数据监测的实时性，从而提高轮对轴温监测系统的效率。

技术领域

本发明属于边缘计算、轴温数据监测与诊断、工业互联网、网络资源分配等研究领域，具体涉及一种基于边缘计算的低能耗高铁轮对轴温监测及诊断方法。

背景技术

轨道交通产业已经成为现代城市出行最重要的一环，其安全、快捷、便利、舒适的出行方式受到人们的青睐。随着我国进入“高铁时代”，列车速度大幅提升，高铁速度已经达到350km/h。由于运行速度的提升，牵引功率增大，使得高铁与钢轨的冲击、动力效应和振动增大，导致列车走形部分和齿轮箱的发热增多。当车轴和大、小齿轮发生磨损或者产生缺陷时，非正常发热增大。当温度超过一定界限时，会引起热轴、切轴等现象，严重危害高铁的运行安全。轮对轴温数据异常诊断对及时发现安全隐患以保证高铁的正常运行具有重大意义。轴温实时监测数据量不断增长，造成网络传输拥堵和计算复杂度增加等问题，轴温数据在传输及计算中时延及能耗增大，诊断时间增加等问题会使高铁的行驶安全面临风险。利用边缘计算的优势，减少轴温数据诊断的时延和能耗，提升轴温数据的诊断能力，能够保证监测诊断的时效性。

发明内容

本发明针对现有技术中将轮对实时轴温数据全部上传云端计算时延较大，影响高铁运行时轴温监测系统效率的情况，提供一种基于边缘计算的低能耗高铁轮对轴温监测及诊断方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于边缘计算的低能耗高铁轮对轴温监测及诊断方法，用于通过数据采集进行轴温诊断的高铁轮对轴温监测系统中，其特征在于，包括如下步骤：

S1：建立边缘计算与云计算结合的模型；

S2：基于步骤S1所建立的模型，将轴温数据分别发送给边缘结点(多台边缘计算设备)和云计算中心进行计算，以此来监测和诊断轴温数据；高铁轮对轴温监测系统结合边缘结点和云计算中心反馈的计算结果，完成对轴温数据的故障诊断。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，步骤S1具体如下：

S1.1：在对高铁轮对进行轴温监测时，将高铁轮对的轴温数据划分为两部分，一部分分配到多个边缘结点进行边缘计算，一部分分配到云计算中心进行云计算；

S1.2：分别计算出边缘计算消耗的能量和数据传输到云计算中心消耗的能量；

S1.3：根据边缘计算消耗的能量和数据传输到云计算中心消耗的能量，建立最小化总能量消耗问题并求解得出最佳的轴温数据分配的比例，即最佳的计算任务分配的比例。

进一步地，步骤S1.1中，将一部分轴温数据，即计算任务分配到离数据源较近且计算能力较弱的n个边缘结点进行计算，将另一部分轴温数据，即计算任务分配到计算能力较强但是距离数据源较远的编号为n+1的云计算中心进行计算。

进一步地，步骤S1.2中，通过计算边缘结点的计算时延和云计算中心的通信时延，进而得到边缘结点和云计算中心的能量消耗，具体如下：

设轴温数据在n个边缘结点上的计算时延t_i为：

其中，V_i中V₁...V_n为n个边缘结点的计算速率，单位为bit/s；B为轮对进行轴温数据监测诊断时的总计算量，单位为bit；