勝利水庫的算力分布式協同應用分析

畢春寧，吳兆田，孫 斌

（1.內蒙古科技大學經濟與管理學院，內蒙古 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 算力協同部署方案

中心云、邊緣云、計算協同構成勝利水庫的算力體系，其架構如圖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設施資源（IaaS），為庫區(qū)邊緣應用提供云服務，同時部署管理節(jié)點，依次對云上資源和邊緣資源進行統一調度、納管和融合管理，算法模型和算法任務控制通過管理節(jié)點分發(fā)到邊緣側進行算法部署和智能解析，業(yè)務解析結果均不回傳中心云，只有模型更新時與中心云產生交互。水質監(jiān)測站、水位監(jiān)測站、工業(yè)聽診器、滲壓監(jiān)測等前端感知設備通過LoRa 無線通信接入邊緣計算網關，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，并通過數據專線傳輸到墾利區(qū)水利局信息化機房邊緣分析節(jié)點。

圖1 勝利水庫算力協同部署架構圖

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

2 算力協同功能分析

中心云部署在云服務器，視頻解析和預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同的能力，在中心云進行算法模型訓練和模型開發(fā)等行為，依托智慧邊緣平臺服務功能將算法下發(fā)到勝利水庫業(yè)務網，基于勝利水庫信息化系統，結合庫區(qū)的應用場景和智能分析需求，建立智能分析算法庫。算法建設可分為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，主要實現以下功能：

1）實現算法的定期更新，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，從而節(jié)省算法更新的時間和帶寬。

2）實現邊緣節(jié)點的算法管理，墾利區(qū)水利局信息化機房管理節(jié)點通過內部接口，對邊緣節(jié)點資源和分析任務進行統一納管，進行算法作業(yè)任務的下發(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。

3）實現作業(yè)管理，管理節(jié)點可以內部接口管理邊緣節(jié)點的算法分析作業(yè)任務，在選擇的算法服務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 流協議、每路攝像頭的網絡帶寬充足、視頻流地址固定的條件，保證視頻流的穩(wěn)定和流暢。

5）實現資源管理，管理節(jié)點可以內部接口管理邊緣節(jié)點的分析任務，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，支持T4、P4 等GPU，同時支持國產D310 芯片；支持GPU 資源按視頻路數進行精細化調度，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上，充分利用了計算資源。

6）實現解析結果對接，前端邊緣計算網關通過內部接口將分析結果傳給管理節(jié)點，通過API接口，實現算法解析結果的輸出，便于上層應用快速集成，獲取關于勝利水庫全方位的業(yè)務分析數據，滿足管理單位相關業(yè)務的閉環(huán)管理要求。

前端邊緣計算網關實現以下功能：

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

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，以此降低運行風險，減少財產損失。

3 結 語

各類自動化監(jiān)測感知設備每天會產生海量數據，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、端計算協同部署方案進行了分析總結，其避免了傳統算力模式信息處理不及時或網絡帶寬延遲導致的錯誤出現。算力協同模式是承載多樣化場景應用的必然趨勢。