一种边缘计算与异构计算相结合的弓网监测系统

技术领域

本发明涉及弓网系统领域，具体是一种边缘计算与异构计算相结合的弓网监测系统。

背景技术

城市轨道交通受电弓-接触网系统简称弓网系统是一个电客车与基础设施相互耦合、相互作用的复杂非线性系统，其运行安全直接关乎轨道交通的运营安全，基于运营电客车为载体的弓网检测系统在线类检测设备，针对接触网的状态参数和弓网受流参数进行全方位的检测和测量，结果用于指导接触网维修具有使用简单，不需占用天窗点等优势，针对接触网及受电弓的服役性态进行检测。

现有技术主要通过车内设备计算资源对系统的进行计算与分析，但车载端实时分析的弊端主要包括以下几点：

1.计算资源有限：车载计算设备的计算资源相对有限，无法进行大规模、复杂的数据处理和分析。这意味着它可能无法处理大量数据或进行高级的算法和模型计算。

2.能耗和散热问题：车载计算设备在进行实时分析时需要消耗大量的电能，一方面可能会给车辆的电源供应带来挑战，另一方面系统散热问题比较棘手，对机柜内温度控制不利，降低了车载设备的使用寿命。如果计算设备无法有效管理电能和散热，可能会导致设备过热、性能下降或甚至损坏。

3.网络连接不稳定：车辆移动的特性使得车载计算设备的网络连接可能不够稳定。这会导致数据传输的不稳定性和延迟增加，从而影响实时分析的效果和准确性。

4.数据隐私和安全风险：在车载计算过程中，可能需要传输涉及到用户或敏感数据的信息。这会增加数据泄露和安全风险的可能性，特别是在网络连接不安全或计算设备被入侵的情况下。

因此，在设计车载实时分析方案时，可靠性、安全性和性能均受到较大的挑战。

发明内容

对于现有产生的弓网系统的可靠性、安全性及性能的一些问题，本发明的目的在于提供一种边缘计算与异构计算相结合的弓网监测系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种边缘计算与异构计算相结合的弓网监测系统，包括采集模组、边缘设备、车内主机和地面设备；

所述采集模组与边缘计算模块通信连接，采集模组设置在城市轨道车的车顶，采集模组用于采集城市轨道交通车的受电弓、接触网的信息；

所述边缘设备包括边缘计算模块，边缘计算模块内部设有异构计算模块，异构计算模块包括中央处理器CPU、图像处理器GPU以及CPU、GPU组合模块，边缘计算模块对各种数据进行计算，计算任务从后端转移到离数据源更近的边缘设备上进行处理，对图片进行采集压缩、对图像进行快速识别分析，对前端视频流的编解码、数据叠加进行初步处理，异构计算模块利用不同类型的计算资源，加速计算任务的执行，实现并行计算；

所述车内主机与边缘设备内的边缘计算模块通信连接，车内主机内部设有CPU、GPU，车内主机用于接收边缘计算模块初步处理的数据，并对数据进行汇总整合处理；

所述地面设备与车内主机通信连接，地面设备内设有CPU和GPU，车内主机将整合的检测数据传输到地面设备中，地面设备对其进行识别和分析。

作为本发明进一步的方案：所述的采集模组包括视频监控模组，视频监控模组与边缘计算模块内的CPU、GPU组合模块通信连接；视频监控模组用于监控车辆前进方向及其周围的情况，对车顶故障发生瞬时的图像抓拍

作为本发明进一步的方案：所述的采集模组包括受电弓结构异常模组、弓网异物检测模组、弓网燃弧检测模组和弓网温度检测模组，受电弓结构异常模组、弓网异物检测模组、弓网燃弧检测模组、弓网温度检测模组分别与边缘计算模块内的CPU、GPU组合模块通信连接；受电弓结构异常模组用于检测车辆受电弓结构是否有异常，对受电弓结构异常前端自动识别；弓网异物检测模组用于检测车辆受电弓和接触网之间是否有异物；弓网燃弧检测模组用于检测受电弓和接触网之间是否有燃弧产生，对弓网燃弧车顶自动识别；弓网温度检测模组用于随时检测受电弓工作时的温度。

作为本发明进一步的方案：所述的采集模组还包括接触网几何参数检测模组，触网几何参数检测模组与边缘计算模块内的CPU通信连接，接触网几何参数检测模组用于对几何参数图像实时分析，获得几何参数结果，得出导高值和拉出值。

作为本发明进一步的方案：所述的采集模组包括接触网硬点检测模组、接触网压力检测模组，接触网硬点检测模组、接触网压力检测模组与边缘计算模块内的CPU通信连接，接触网硬点检测模组用于检测受电弓和接触网是否有接触力突然变化的接触硬点，接触网压力检测模组用于检测接触网的压力情况。

作为本发明进一步的方案：所述的采集模组还包括接触网悬挂检测模组，接触网悬挂检测模组与边缘计算模块内的GPU模块通信连接，对前端悬挂检测模组采图的自动筛选。

作为本发明进一步的方案：所述接触网悬挂检测模组连接的GPU和地面设备的GPU无线连接，接触网悬挂检测模组主要用于对接触网悬挂系统的零部件实施高精度成像检测，地面设备的GPU在检测数据的自动识别与分析的基础上，形成维修建议。

作为本发明进一步的方案：所述的城市轨道车的车顶设有补充光源，补充光源设置在采集模组的一侧。

作为本发明进一步的方案：所述的城市轨道车的车底设有同步定位装置。

与现有技术相比；本发明的有益效果是：本发明边缘计算可以将实时数据处理和分析任务放在车载采集端上进行，减少对后端主机计算资源的依赖。边缘计算可以降低网络延迟、减轻网络带宽压力、提高数据隐私和安全性、增强离线功能。同时，通过异构计算的技术，可以充分利用不同类型的计算资源，提高计算效率和性能。异构计算具有提高计算性能、降低能耗、支持并行计算和适应不同应用场景等优势。本发明在许多领域都具有广泛的应用前景。这种结合边缘计算和异构计算的弓网监测系统可以实现实时监测和分析弓网的状态，同时具备较高的计算能力和灵活性。

附图说明

图1为一种边缘计算与异构计算相结合的弓网监测系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图；对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然；所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例；而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例；本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例；都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设有”、“相连”、“连接”应做广义理解；例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1，一种边缘计算与异构计算相结合的弓网监测系统，包括采集模组、边缘计算模块、车内主机和地面设备，

所述采集模组和边缘计算模块通信连接，采集模组设置在城市轨道车的车顶，通过采集模组内部的各种传感器方便清楚对城市轨道交通车进行各个方面的信息采集，并通过边缘计算模块及时对各种数据进行计算，将计算任务从后端转移到离数据源更近的边缘设备上进行处理，可以减少数据传输的距离和时间，从而降低网络延迟。这对于需要实时响应和低延迟的应用非常重要。从而提高了数据的隐私和安全性。对于一些需要离线操作或在网络不稳定的环境下工作的应用非常有用。

采集模组的前置处理能力，本发明主张对各检测模组进行前端边缘计算，通过边缘计算对图片进行采集压缩、对图像进行快速识别分析，对传感器数据进行整理；对前端的边缘计算布置，可根据检测模组的计算资源、计算要求进行综合配置，无需每个检测模组均配置，可以对不同模组进行融合配置。

边缘计算模块内部设有异构计算模块，异构计算模块包括中央处理器CPU、图像处理器GPU以及CPU、GPU组合模块，边缘计算模块设置子在车顶或车内，异构计算利用不同类型的计算资源，来加速计算任务的执行，可以提高计算性能和效率。将计算任务分配到最适合的计算资源上进行处理，可以避免不必要的能耗浪费，提高能源利用效率。异构计算中的不同计算资源可以同时进行计算任务，实现并行计算。适应不同应用场景：异构计算可以根据不同的应用场景和需求，选择最适合的计算资源进行任务处理。

所述边缘计算模块和车内主机通信连接，车内主机内部设有CPU、GPU，车内主机方便接收边缘计算模块初步处理的数据，并对所述数据进行汇总整合处理，方便后续统计城市轨道交通行驶时的各种检测数据，增加安全性，方便装置的使用。

所述车内主机和地面设备通信连接，地面设备也设有CPU和GPU，车内主机将各种整合的检测数据传输到地面设备中，通过地面设备对其进行识别分析，利于对城市轨道交通运行时的各个问题进行展示，方便后续对其进行维护和维修，增加安全性，方便装置的使用。

所述的采集模组包括视频监控模组、受电弓结构异常模组、弓网异物检测模组、弓网燃弧检测模组和弓网温度检测模组，视频监控模组、受电弓结构异常模组、弓网异物检测模组、弓网燃弧检测模组、弓网温度检测模组通过导线和边缘计算模块内的CPU、GPU组合模块电连接，视频监控模组用于监控车辆前进方向及其周围的情况，方便清楚的查看车辆周围的情况，利于后续对车辆进行调整，增加车辆行驶的安全性。受电弓结构异常模组用于检测车辆受电弓结构是否有异常，利用检测车辆行驶的安全，弓网异物检测模组用于检测车辆受电弓和接触网之间是否有异物，导致其影响车辆的行驶，增加城市轨道交通的安全性，方便装置的使用。弓网燃弧检测模组用于检测受电弓和接触网之间是否有燃弧产生，避免其影响车辆的安全性。弓网温度检测模组用于随时检测受电弓工作时的温度，避免温度太高引起电器元件的老化，提高城市轨道交通的安全性，方便装置的使用。

所述的采集模组还包括接触网几何参数检测模组，触网几何参数检测模组和边缘计算模块内的CPU电连接，接触网几何参数检测模组用于检测接触网的几何问题，得出导高值和拉出值，提高对接触网的检测安全，利于增加城市轨道交通的安全，方便装置的使用。

所述的采集模组还包括接触网硬点检测模组、接触网压力检测模组，接触网硬点检测模组、接触网压力检测模组通过导线和边缘计算模块内的CPU电连接，接触网硬点检测模组用于检测受电弓和接触网是否有接触力突然变化的接触硬点，方便后续对接触硬点产生的原因进行查找，利于后续对其进行维修和维护，增加安全性，方便装置的使用。接触网压力检测模组用于检测接触网的压力情况，避免接触网的压力过大引起断裂等安全隐患，利于提高城市轨道交通的安全性。

所述的采集模组还包括接触网悬挂检测模组，接触网悬挂检测模组和通过导线和边缘计算模块内的GPU模块电连接，边缘计算模块内的GPU和地面设备的GPU无线连接，接触网悬挂检测模组主要用于对接触网悬挂系统的零部件实施高精度成像检测，在检测数据的自动识别与分析的基础上，形成维修建议，指导接触网故障隐患的消缺。该装置安装在接触网作业车或检测车上，能在一定运行速度下，通过高速高清相机对接触网悬挂系统的零部件实施高精度成像，并对接触线的静态几何参数进行测量的设备。

城市轨道车的车顶设有补充光源，补充光源设置在采集模组的一侧，通过补充光源方便增加光亮，提高采集模组工作时对各种数据的采集，增加安全性，方便装置的使用。

所述的城市轨道车的车底设有同步定位装置，同步定位装置方便实时定位城市轨道车的位置，利于清楚将发生故障的位置在地面设备中显示出来，方便后续及时对其进行维护和维修，增加安全性，方便装置的使用。

在车顶设备、车底设备的前端根据不同的计算模式，布置不同的边缘计算资源，实现对数据的前端处理，处理的数据再接入车内主机，车内主机通过对边缘计算处理后的数据进一步分析，实现对数据的存储与缺陷上报，同时，针对悬挂检测的计算资源耗费较大的检测模组，需要进一步将疑似缺陷的故障图像下传至地面终端，布置在地面终端的GPU主机进一步对数据进行二次复核，实现对最终地面报警数据的有效补充与分析。

本发明可实现对受电弓结构异常前端自动识别、自动报警；实现前端视频流的编解码、数据叠加等功能；实现对弓网燃弧车顶自动识别；实现对车顶燃弧发生瞬时的图像抓拍；实现红网图像的故障抓拍；实现对几何参数图像实时分析，边缘段获得几何参数结果；实现对前端悬挂检测模组采图的自动筛选；实现检测主机的低配置，低功耗、高稳定性；本发明可实现弓网检测系统的整体计算资源优化。

边缘计算与异构计算相结合的弓网监测系统可以提供更高效、更灵活的计算能力。车载实时分析相关缺陷及计算结果，通过车地通道传输至地面系统，实现对缺陷数据的落地及地面管理。

边缘计算将计算任务从后端转移到离数据源更近的边缘设备上进行处理，可以减少数据传输延迟和网络带宽压力。边缘计算具有以下几个优势：

边缘计算能降低网络延迟：边缘计算将计算任务从后端转移到离数据源更近的边缘设备上进行处理，可以减少数据传输的距离和时间，从而降低网络延迟。这对于需要实时响应和低延迟的应用非常重要。

边缘计算能减轻网络带宽压力：边缘计算可以在边缘设备上进行数据处理和分析，减少对后端计算资源的依赖，从而减轻了网络的带宽压力。这对于大规模数据处理和分析的应用非常有益。

边缘计算可以提高数据隐私和安全性：边缘计算可以将数据处理和分析任务在本地进行，减少了数据传输的需求，从而提高了数据的隐私和安全性。

边缘计算增强离线功能：边缘计算可以在边缘设备上进行本地计算，即使在没有网络连接的情况下也能提供一定的功能。这对于一些需要离线操作或在网络不稳定的环境下工作的应用非常有用。

综上所述，边缘计算具有降低网络延迟、减轻网络带宽压力、提高数据隐私和安全性以及增强离线功能等优势。这使得边缘计算在许多应用领域都具有广泛的应用前景。

异构计算则利用不同类型的计算资源，如CPU、GPU和FPGA等，来加速计算任务的执行。异构计算具有以下几个优势：

异构计算可以提高计算性能：异构计算利用不同类型的计算资源，如CPU、GPU和FPGA等，来加速计算任务的执行。不同类型的计算资源具有不同的特点和优势，通过合理地利用它们，可以提高计算性能和效率。

异构计算能降低能耗：异构计算可以根据任务的特点和需求，将计算任务分配到最适合的计算资源上进行处理。这样可以避免不必要的能耗浪费，提高能源利用效率。

异构计算支持并行计算：异构计算中的不同计算资源可以同时进行计算任务，实现并行计算。这可以加快计算速度，提高系统的响应能力和处理能力。

异构计算适应不同应用场景：异构计算可以根据不同的应用场景和需求，选择最适合的计算资源进行任务处理。例如，GPU适合于图形处理和并行计算，FPGA适合于定制化计算和加速计算等。这样可以提供更灵活和多样化的计算能力。

综上所述，异构计算具有提高计算性能、降低能耗、支持并行计算和适应不同应用场景等优势。这使得异构计算在许多领域都具有广泛的应用前景。

在弓网监测系统中，边缘计算可以将实时数据处理和分析任务放在车载采集端上进行，减少对后端主机计算资源的依赖。同时，通过异构计算的技术，可以充分利用不同类型的计算资源，提高计算效率和性能。

这种结合边缘计算和异构计算的弓网监测系统可以实现实时监测和分析弓网的状态，同时具备较高的计算能力和灵活性。然而，设计和实现这样的系统需要考虑到硬件和软件的兼容性、数据传输和安全等方面的挑战。

上述技术的替代方案主要有三种：

一种是在车顶/车底，整体配置一台边缘计算盒子，将车顶/车底的前端处理整合为一台边缘计算盒子处理；

另一种为在图像底层板卡中增加处理能力，相比本方案，其处理能力较弱，且主要适用于图像传感器部分；

第三种为前端数据通过云端进行数据上传，在云端进行数据处理，通过将结果分析、整理与显示，该方法整体可取消车内主机、地面主机，可直接通过云端进行数据查询，但该方案需要较大数据流量、且数据安全性无法保障。

对于本领域技术人员而言；显然本发明不限于上述示范性实施例的细节；而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下；能够以其他的具体形式实现本发明。因此；无论从哪一点来看；均应将实施例看作是示范性的；而且是非限制性的；本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定；因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外；应当理解；虽然本说明书按照实施方式加以描述；但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案；说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见；本领域技术人员应当将说明书作为一个整体；各实施例中的技术方案也可以经适当组合；形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。