基于基站的城市物联网边缘计算网点的设置与管理方法与流程

本发明属于物联网技术领域，涉及基于基站的城市物联网边缘计算网点的设置与管理方法。

背景技术：

(一)在基站处装设物联网边缘计算网点的问题点与机会

1、区域及城市基础设施传感设备具多量性与多样性，非单一基站能够全部涵盖

区域及城市基础设施的智能化，涉及到多种类型的传感器设施、物联网设备及通信、数据融合和应用系统；这些传感器可以分成两大类。

第一类是侦测某类城市设施状态是否正常，例如井盖传感器、智慧垃圾桶传感器、路灯故障传感器、停车位驻车传感器、…等等；这类传感器构造简单，只传感是与否、有与无，并不检测他的时间变量；其数量庞大但与边缘计算关系较小。第二类是侦测广义物理量随时间变化的传感器，例如温度传感器、应力传感器、应变传感器、交通流量传感器、水流量传感器、流速传感器、水位传感器、水体污染传感器、pm2.5传感器、监控摄像器、…等等，其数量虽不如第一类的多，但种类很多。

第二类传感器又可再依其布建位置分为两种，第一种是针对特定的单一设施(例如桥梁、隧道等)所布建的专用传感器(应变传感器、震动传感器、温度传感器等)，其位置固定，长度或面积也特定化。另一种是分散在城市内各个不特定部位的传感器，例如交通监测传感器、地下水位传感器、沿雨(污)水排水管道设置的传感器、土壤墒情传感器、水体污染传感器等。

第一种传感器因位置固定、功能特定，有专业公司装设、采集数据、分析信息、维护保养，问题不算很大。其较可虑的是所取得数据常需以因特网传送到专业公司的专业平台加以分析，再将分析所得信息传输提供给委托单位(例如监管部门)，这仍存在着数据传输塞车、失误、信息被破解等问题。若能依靠边缘计算在数据产生点加以计算处理，直接由政府监管单位掌控，毋宁是未来发展趋势。

第二种传感器根据市政设施的智慧化，逐渐而普遍地装设在城市各个地方。一个小型城市装设上万个、中型城市上千万个、大型城市上亿个传感器不等。其品牌及供应商众多，由于缺乏相关技术标准，不同厂家产品的通信协议、技术指标和功能性存在较大差异。面对不同传感设备和通信设备的异构接入，需要一种面向广泛信息的数据采撷、传输的物联网中间件，以高效而安全的将物联网中感知层设备采集的数据传输给应用层各个用户。

此外，城市物联网传感器的数据传输多使用各种窄带或超窄带(如zigbee、lora、nb-iot等)传输方式之一运作，各自基站不同，彼此不能互通。大多数现有解决方案是把异源传感器各自以自己的网关设备上传到云端去做综合处理，产生判断与决策。即使如此，其针对五花八门的市政设施，由各行业专业公司设置完成验收后交给市政当局，其后续运作、维护、数据采颉、信息处理等相当纷杂，产生很多问题。

本发明针对第二种传感器的问题，提出在基站旁设置物联网边缘计算网点，至少解决与该基站同类通信的传感器数据撷取，然后在该计算网点内加装本区域内其他通信种类的数据解码模块，以广泛撷取在该基站周边因进行特定边缘计算所需传感器的数据，如此可以降低成本。所设置计算网点对所辖相关传感器具有侦错功能，可就近侦知故障传感器，方便维护管理所打包的传感器，也利于大量传感器的布建与运用。

2、基站位置明确，且其对数据传输已做到区域平衡

再见设定置式边缘计算网点的时候，第一个也是最大的困扰问题，在于到底建置在何处做合适？无论是采取何种方式选择建置地点，总免不了跟周边基站的互动；因此，位置已经很明确的基站毋宁是最好选择；只要考虑边缘计算的目的及其牵涉的局地性，选择在该局地旁边的基站，实在是一个最直接有效的方法。既可善用基站周边的同类通信手段传感器，也可将计算结果直接透过基站传送，哪怕每次只节省0.1毫秒，累计下来的功效就很大。

(二)物联网产品商业(经营)模式：

现有的物联网产品商业模式中，有以下三类类型：

(1)按服务维护收费：产品就是服务，硬件结合软件平台，进行数据分析，并依使用量收费。如：美国通用电器公司ge本身是以租用引擎为主，而引擎本身拥有许多的传感器，所以引擎连上网之后，就可以把从引擎收集来的数据，结合预测与资产管理平台predix，可以算出引擎的耗损程度，及判断是否要更换引擎，让ge就从租用引擎的公司，变成卖预警及维修服务，当顾客使用引擎越久，钱付得越多。

(2)依用量或成效收费：硬件结合软件平台，依用量或成效收费。如：保险公司metromile会提供设备搜集车况、汽车检测、超速警示等服务，保费则是按实际里程数计算。

(3)跨领域收入：从原来的硬件和平台，跨界到新的应用领域。如：汽车品牌特斯拉从生产电动车，跨界延伸到研发车用充电、家用供电等新的领域。这类公司的产品、技术、内容出众，加上品牌及行销能力强大，可从非主流的市场切入，满足特定族群喜好。

这些由全球性大公司、或者如被称为物联网经营模式典范的共享单车、共享电动机车，或共享电动车等，都是在掌控特定产品(如飞机引擎、保险业务、单车及各种电动车辆)以及特定市场资源，再加上这些公司厚实、优势技术积垒下所展开的商业模式。其能否应用于无特定产品、全面设置普及到街墎、农田、管网、道路、地下、路面以上等处所的物联网除传感器、网关、基站等设备外，这些城市物联网甚至于连传统意义上的“市场”都不是。

因此，上述的成功商业模式显然无法直接搬过来用。本发明拟提出解决方法，以利于智慧城市建设的推动。

但在选择城市物联网商业模式时存在以下问题与机会：

(1)市政设施或公司设施管理者不是万能

警政、交通、教育、水利等部门的公务人员或公司管理层几乎都不是物联网专业；要求各公共单位(或公司)自行将该部门(公司)所管辖设施的组建物联网、自行管理，并进行边缘计算，不切实际也不可行。这提供物联网业者一个很好的机会，可以利用其专长帮公共单位(公司)建置并运营设施物联网，特别是需要以边缘计算提供决策者，将计算所得各种有价值信息提供给公共单位(公司)，收取服务费，是一个可双赢的机会。

(2)体制性障碍

所有行政管理都分成各个部门(例如市政中的警政、交通、教育、水利、农业、管网、消防等)，各管理部门各自为政的现象非常普遍，使得大量信息零散分布，除少数例如警政与安监、消防与交通等外，部门彼此之间鲜有资讯互通者，想打破藩篱共建物联网其实相当不易,这对于想拓展此一领域经营模式的人造成很大困扰。经营者可逐一跟个别管理部门打交道，协助建立该单一部门的城市物联网边缘计算网点，反而是一个机会。

(3)网络互通与信息共享

此问题不仅存在于电信网、互联网、电视网等公共网络之间，也存在于公共网与行业专网，以及行业专网与行业专网之间，窄带与宽带之间等。这同样对于拓展此一领域经营模式时有相当妨碍，但也提供经营者一个拓展解决的机会。

(4)信息资源的深度开发

目前，许多已经小范围建立城市物联网的城市，其某一些领域之间(如道路交通、灾难预防等)虽然已经实现了内部小范围的互联互通，但基本上停留在技术和网络链接层面，对所采集的数据挖掘不充分，使分析处理环节受到限制，在很大程度上影响了物联网的智能化进程。因此，本发明提出一个由经营者逐一跟个别管理部门打交道，协助建立该单一部门的城市物联网边缘计算网点，等有多个管理部门已建立个别的物联网边缘计算网点，就可以将资源整合利用；等绝大多数部门都建好个别物联网的边缘计算网点，全市的数据信息挖掘、互联互通就水到渠成。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于基站的城市物联网边缘计算网点的设置与管理方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于基站的城市物联网边缘计算网点的设置与管理方法，所述方法为：

在基站旁边，通常一公里以内，设置一个具有通讯传输与计算功能的定置式边缘计算网点，该计算网点的特色在于能取得由附近、进行该边缘计算所需传感器发送到所述基站的数据(例如在nb-iot基站旁收取以nb-iot方式发送的传感器数据)，以及附近与该基站的窄带通信方式不同但又需要的传感器数据(例如其他非nb-iot方式发送者)，经计算网点内建的各种解码模块解得取得所需异源感知信息；

不同传感器通信协议识别转换功能：

对使用不同厂家提供的不同协议的传感器设备数据的撷取时，通过在计算点内部设置物联网网关来实现不同通信协议之间的识别和转换。所述物联网网关功能包括但不限于：

①解决感知层异构性融合方面，本系统拥有多标准互通接入的功能，能够融合现代传感技术不同协议产生数据格式的差异或者使用同一种协议数据格式的差异。例如使用通用物联网通信协议(generalnetworkingcommunicationprotocol，gncp)，使不同设备之间的数据进行共享，即互联互通，可集成同类物联网设备生产厂家的系统共性，并进行重新的函数定义，从而达到不同系统之间的信息共享、数据读取及可受控的数据写入、控制等功能的通信协议。

②接入扩展性方面，当有新的协议类型厂家传感器接入的时候，网关可以从驱动服务器下载相应的驱动，使该协议传感器正常工作；当不再使用某种协议类型的传感器时，也可以停用相应的驱动，即多协议动态适配过程。

③在控制方面，用户可以选择要启动需要的驱动，网关具有驱动状态记忆功能。在数据上传和访问方面，当配置ip和端口参数之后，通过tcp面向连接的方式周期性自动上传数据。

④在准确性和安全方面，每个网关可以配置独立的id，数据存储服务器可以根据id来区分多个网关；每个传感器也有独立的sensor_id，网关具有智能数据实时报警功能，通过位置或者sensor_id可以快速找到对应的传感器。

多协议动态适配可以在不更新整个程序的情况下实现独立模块的安装、运行、卸载、更新，使其适应传感层数据采集模块动态的插拔，对采集层传感器的接入扩展和对物联网网关数据的访问变的更容易。同时，它还具有能自动识别或手动添加相应模块的能力。

所述计算网点具有所需各式运算模块，对感知信息就地计算分析，筛除无效信息，仅将有效计算信息存储、并利用两种以上有效信息对未来非可感知的信息进行预测，然后获得决策信息；

最后将各种信息加密后上传到后台服务器，并就近下达动作指令给附近应用端的致动器，或相关联的其他计算网点；

其中，所述计算网点对所辖各传感器侦错；

上述计算网点称为定置式计算网点，由边缘计算网点经营者规划该定置式边缘计算网点的基站旁的位置和计算、存储能力大小，相应后台服务器以及与所需的各传感器的数据传输联结；

在基站旁设置物联网边缘计算网点输出的计算信息传输到信息接收端，由信息接收端按计算时间、所接收信息的比特数以及因该计算网点产生的效益，来支付费用，其付费标准由双方合议；

所述边缘计算网点经营者负责维护规划的边缘计算网点与相应后台；

所述边缘计算网点撷取各传感器所需通信协议由城市管理部门提供。

进一步，所述基站包括但不限于nb-iot基站、lora基站、zigbee基站、sigfox基站或其他窄带通信基站中的一种。

进一步，所述边缘计算网点设置于基站附近取得基站信号大于20db的位置。

进一步，所述边缘计算网点设置位置对于非该基站通信类型的其他需要传感器信号如果太弱，可针对该通信类型装设复数个中继站，取得信号后。

进一步，所述边缘计算网点之建置资金由经营者自筹。

所述计算网点系统可按不同行政区域、、不同管理部门、不同边缘计算类别分包给不同的边缘计算网点经营者，受发包人监管；

其中，同一分包行政区域内或同一种管理部门之同一类别边缘计算网点由同一承包单位承包为原则，以统一事权；

进一步，当所述计算网点系统进行信息过滤时，产生的效益为：边缘计算网点经营者根据信息过滤后节省的网路通信费用，计入业务部门要支付的费用之一；

进一步，当所述计算网点系统进行信息采矿、重新分类整理时，产生的效益为：边缘计算网点经营者根据信息采矿的时间、重新分类的层级数进行计费；

进一步，当所述计算网点系统进行信息融合产生新的即时信息时，产生的效益为：边缘计算网点经营者根据产生的即时信息流量进行计费；

进一步，当所述计算网点系统进行预测信息计算时，产生的效益为：边缘计算网点经营者根据预测信息产生的防灾效益，经评估后计费；

进一步，当所述计算网点系统进行决策信息计算时，产生的效益为：边缘计算网点经营者根据决策信息导致的时间节省、人力节省及产生的经济效益，经评估后计费；

进一步，当所述计算网点系统进行机器学习时，产生的效益为：边缘计算网点经营者系统进步性导致的时间人力节约以及经济效益，经评估后计费；

再进一步指出，如表一所示，综合归纳边缘计算网网点经营者可以提供城市管理部门的服务，以及建议城市管理部门需要支付费用的指导原则，期使本发明的经营模式更清楚。当然，在实务上，城市管理部门可用既有的招标或征求手段，公开招缆有意愿投入边缘计算网点建置与经营的业者投入建造与经营计算网点。表一所述只是一个指导原则，在实务上具体的收费标准当然由双方商议。

表一边缘计算网点经营者可以提供城市管理部门的服务，以及计价的指导性原则

本发明的有益效果在于：

1.边缘计算是即时解决城市局地问题的利器，也是智慧化的象征；本发明将分布在城市各处的、数量庞大的市政传感器按边缘计算类别划分，在已经广泛建置的nb-iot基站以及其他建置中的基站旁边设置边缘计算网点，可善用这些基站资源，利于城市物联网边缘计算网点的广泛实施；

2.本发明提出由专业公司自筹资金帮公共单位或私营业者建置基站旁的边缘计算网点，将分布在都市各处、数量成万上亿极为庞大的离散设施传感器，依据边缘计算需要打包管理，撷取数据进行深度分析，得到利于市政和私营业者设施监控与重要决策下达；公共单位或私营业者只需支付租金与服务费，可以专心于市政或私营业者的业务经营；是一种双赢方式。

3.因基站旁的计算网点与所辖传感器链接，可以即时侦知异常知传感器，故经打包的传感器可由计算网点业者侦错维修，城市管理者可将这些城市传感器的维护或新设置剥除，双方共赢、效益大。

4.基站旁的计算网点可局地进行信息解码、筛选出有效数据、加密存储并上传计算站；计算站将计算点的数据分类、更广泛的同类数据以及异源数据再计算，使结果更大幅提高城市管理的效率。相较于传统上将传感器数据都直接上传到云平台，可大幅减少初级数据的传输量，缓解信息拥堵和存储压力，节省大量网路费用。

5.基站旁的边缘计算网点经营者所设置的计算网点拥有的通信功能与计算能力越强大，其所能获得的利益越高，城市管理者的效益越大，经营者更有动力研发迭代产品提供更好服务。

6.相较于过去的云计算、边缘计算、雾计算等在先进地区提出的理念，本发明提出的由专业公司自筹资金设置基站旁的物联网边缘计算网点，把计算位置从云雾中解脱出来加以局域化、定置化，公共单位只要支付资金与服务费，在基础设施相对落后的发展中地区更容易实施。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明在城市分布设置示意图；

图2为本发明流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图1所示，本发明中的系统，主要利用物联网的特质--窄带、近距或远距离通讯，如果善用已经在全果普遍设置的基站，以及建设中或规划中的其他种类基站，在其旁边设置边缘计算网点，可以加速城市物联网的建设脚步。图1内每个黑点代表的是该区域内成万、上百万个传感器的平均位置。

计算网点具有多种协议识别转换、数据筛选、信息传输等功能，可撷取该基站附近有效通信距离内所链接传感器发送的数据，加以解码、筛选出有效信息、存储和收发。

计算网点并需能够江撷取的物理信息加以分类整理，例如农业信息、交通信息、水利信息、环保信息等，更进一步分析计算(即数据融合)，实时取得进一步信息，供决策管理所需。

本发明计算网点具体为：

在基站旁边，设置的计算网点以解码与该基站通信方式相同的传感器数据，但为通用性还须顾及以他种通讯发送的其他异源传感数据，经内建解码模块解得感知信息，此为本发明重要特征之一；

所述计算网点具有所需各式运算模块，对感知信息就地计算分析，筛除无用信息，仅将有效计算信息存储、并利用有效计算信息对未来、非可感知的信息进行预测，然后获得决策信息；

最后将各种信息加密后上传到后台服务器，就近下达动作指令给附近应用端的致动器，或相关联的其他计算网点；

其中，所述计算网点对所辖各传感器侦错；

如图2所示，所述计算网点的管理方法包括以下步骤：

在基站旁边，设置至少一个具有通讯传输与计算功能的定置式边缘计算网点，该计算网点撷取该基站附近有效距离内的传感器数据，包括非该基站通信类别的其他异源数据，经内建解码模块解得感知信息；

所述基站旁边指取得基站信号大于20db的位置；若所述边缘计算网点设置位置对于非该基站通信类型的其他需要传感器信号如果太弱，可设计装设复数个该通信类型的中继站，取得信号后以该基站通信类型传送数据；

所述计算网点具有所需各式运算模块，对感知信息就地计算分析，筛除无效信息，仅将有效计算信息存储、并利用两种以上有效信息对未来非可感知的信息进行预测，然后获得决策信息；

最后将各种信息加密后上传到后台服务器，并可就近下达动作指令给附近应用端的致动器，或相关联的其他计算网点；

其中，所述计算网点对所辖各传感器侦错；

本发明系统的管理方法包括以下步骤：

由边缘计算网点经营者规划该定置式边缘计算网点的基站旁位置和计算、存储能力大小，相应后台服务器以及与各传感器的数据传输联结；

在基站旁设置物联网边缘计算网点输出的计算信息传输到信息接收端，由信息接收端按计算时间、所接收信息的比特数以及因该计算网点产生的效益，来支付费用，其付费标准由双方合议；

所述边缘计算网点经营者负责维护规划的边缘计算网点与相应后台；

所述边缘计算网点撷取各传感器所需通信协议由城市管理部门提供。

一个边缘计算网点之所以能被城市管理部门接受，愿意购买其服务，绝非因为硬体建设而是这些计算网点所能提供的计算服务。

所述计算服务指其系统具有数据融合能力(即物联网信息融合)，利用经营者所组建多个处理器的强大计算能力，对多个传感器获得的监测信息，在一定算法下加以自动分析、综合，以产生相应的原始信息；然后对各初级信息加以数据筛选，通过交叉运算实现数据融合，达到预测决策功能。例如：如下为计算系统对现场数据的筛选、交叉运算处理过程采用的部分算法(即包括但不限于如下所列算法)：

①信息叠加，如累积雨量、累积流量等；

②信息相减，如影像档案中将静止的背景画素减除，只保留变动部分的画素以节省存储空间；

③信息对时间微分取得变化速率，如温度或雨量微分后取得升(降)温速率、雨量变化速率等；

④信息对时间积分取得某段时间区段内的总变量，如水流速率积分后得到总流水量；

⑤产生即时性统计表并随时间往后续延伸；

⑥产生即时性统计图并随时间往后续延伸；

⑦依据输入的阀值对信息加以甄别、筛选；

⑧依据图形处理法则对所撷取影像做分析甄别等。

⑨两种或两种以上前述传感信息或计算信息深度融合，产生新信息；这种新信息是无法由传感器感知、极为有用的信息。

上述算法①到⑧是习用常规的方法，不需特别延伸说明。⑨信息深度融合算法其实是智能化的基础和展现，在业界多是以各行各业以营业秘密方式自行开发应用，各该行业的信息融合都以该行业的信息为主，外界不得而知。本发明边缘计算网点特别强调这个算法以及其通用性法则，在此对它延伸揭露，以使之更能被广泛推广利用，促进城市物联网的智能化。

表二举例说明由传感器取得数据，上传到计算点解码成物理信息，筛选后上传到计算站的各单一有效信息，以及为方便说明而赋予的各该信息编号。表三显示将不同的单一信息互相融合的方式及所产生的新信息；这些新信息示无法由传感器取得者。

表二由传感器取得数据经计算点解码成物理信息、筛选后的各单一有效信息及其编号

表三将不同单一信息互相融合的方式举例及所产生的新信息

传感器所能传感的信息成千、上万种，无法一一列举；但由表二、表三的举例中可以得知信息融合的法则如下：

1)选取相关但不同的两种或两种以上传感器感知解码的有效信息，在此分别以ma,mb两者为代表；

2)分别将各该单一信息对时间(t)取得变化曲线(ma对t、mb对t)，必要时微分或积分以取得某时间点的变化斜率，或某时间区段内的变化率；再两相比较、取得新信息；

3)ma对mb(mb为主变数)，或者mb对ma(ma为主变数)取得变化曲线，必要时微分或积分；

4)ma、mb单位相同时可以相加、相减、相除(成无单位因子)，取得新信息；

5)采取必要的其他数学手段，例如傅立叶转换，将ma、mb信号分别在时域(或空域、相域)和频域之间作变换后比对；典型的应用之一例是用在声波传感器数据分析，可将传感器收录到的声纹做傅立叶转换，在频域或相域比较该声波特质，选出特征频谱加以利用；应用例之二是在图像分析上，将空间域的图像经傅立叶变换成可在频域中进行滤波处理的数字谱，既快速方便又可量化。

为能进行上述算法功能，所述计算系统至少包括信息接收模块、信息发送模块、各型处理器模块及其操作系统；例如计算速度常在ghz以上的多核中央处理器(cpu)、图形处理器(gpu)、影像处理器(isp)、数字信号处理器(dsp)等的各种计算器(逻辑计算单元alu)，高速缓冲存储器(cache)，高容量(例如几十gb到数个tb以上)内存存储器等；以及附属的各种输入输出(i/o)、api接口等功能模块。由于经营者一定是这方面的专业公司，其有能力依据所述原则选用适当模块。

所述计算系统都含有操作系统、必要的内建嵌入式计算软件、算法所需的相关建模，并可依需要随时取得由后台支持的大数据以及计算软件，如paas、saas、daas、开源软件或闭源软件以及大数据等。所述计算系统内嵌的边缘计算软件，包含有预测决策功能的软件；如有相关的商用云端软件可用，边缘计算站根据需求自云端下载使用。

各城市管理部门向边缘计算网点经营者支付费用的方式可以是依据同一城市管理部门在一定期间内使用边缘计算网点的机器时间(machinetime)来计算，此一机器时间也可议定由租金折抵。

各城市管理部门向边缘计算网点经营者支付费用的方式也可以是按月或按年向边缘计算网点经营者支付使用费用，或者是租金。

基于基站设置计算点与计算站的位置，能涵盖公共单位施政上划分的街道办、乡镇、区市内的特定范围，居民小区和大楼、旅游景区和公园、科学工业园区、桥隧坡道监测区、潜在地质灾害好发区、公路街道和城市设施沿线区段。

各城市管理部门向边缘计算网点经营者支付费用的方式为还可以是双方对定置式边缘计算网点设置能够产生的成效及价值，亦即效益进行评估，约定一个效益分配的使用费用。此所谓的分配指计算站点经营者与城市部门间以何种比率(1:1,1:2,…)来分配，所述产生的效益及价值的评估内容包括：

(1)过滤数据和信息产生节约网路通信费用的功效，例如某个计算站点使用前，该处所链接传感器上传的数据流量平均1gbps下降为100mbps以下；

(2)信息采矿和重新分类整理对于市政管理效率提升产生的功效，例如使用计算网点后原需五分钟才可解决的一个通报缩短为一分钟以内；

(3)信息融合产生新的即时信息产生的功效,例如使交通更流畅，使医疗服务更有效等；

(4)所计算的预测信息能够产生预防灾害的功效，依照该灾害如果没有预先防范可能造成的损害以一定奖励金发给经营者；

(5)所能计算的决策信息能够产生的功效；

(6)由于计算网点业者提供的计算服务而减少聘用管理人员用量产生的功效，这部份是最明显、很容易计算的，此效益的分配比率当然由双方议定。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。