本發(fā)明屬于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和邊緣計算，尤其涉及一種基于環(huán)境邊緣計算的交通燈控制方法。

背景技術(shù)：

1、在經(jīng)濟(jì)和科技快速發(fā)展的二十一世紀(jì)，增強現(xiàn)實、聯(lián)合學(xué)習(xí)、目標(biāo)檢測和邊緣緩存等創(chuàng)新移動應(yīng)用和服務(wù)日益興起。這些應(yīng)用大大增加了對計算資源的需求，而計算資源通常由云服務(wù)器提供。然而，由于回程鏈路負(fù)載重、距離遠(yuǎn)，通信延遲較高。對于交通控制服務(wù)，可接受的延遲時間從?10?毫秒到?100?毫秒不等。

2、邊緣計算被認(rèn)為是云計算的補充，傾向于在網(wǎng)絡(luò)邊緣提供彈性資源。為減少通信延遲，使用了在物理上比云基礎(chǔ)設(shè)施更接近網(wǎng)絡(luò)的邊緣設(shè)備。這些邊緣設(shè)備被稱為邊緣服務(wù)器。edgego是一個移動資源共享框架，它使用移動邊緣服務(wù)器（安裝在移動機(jī)器人或無人機(jī)上）來實現(xiàn)?6g?邊緣計算的低成本部署。遺憾的是，該框架沒有充分利用日益強大的環(huán)境設(shè)備（如智能手機(jī)）的豐富處理能力。mivecc是一個車輛端-邊緣-云仿真框架，旨在優(yōu)化具有多個交叉路口的大型區(qū)域內(nèi)的車輛協(xié)同控制。但是，它沒有考慮資源預(yù)算以及通信和計算變化的影響。

3、在智能城市中，資源受限的終端設(shè)備可以通過連接邊緣服務(wù)器來增強各種ai服務(wù)。然而，部署專用重量級邊緣服務(wù)器和資源來建立大規(guī)模的服務(wù)覆蓋可能非常昂貴，需要付出更多的人力、物力和財力。傳統(tǒng)邊緣服務(wù)器的部署需要購買物理設(shè)備、場地租賃、安裝和維護(hù)成本、電力和回程傳輸?shù)念~外成本，基站的資本和運營費用昂貴，且基站部署通常需要較長的部署周期。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于提供一種基于環(huán)境邊緣計算的交通燈控制方法，以解決交通燈控制部署移動邊緣設(shè)備成本高，部署周期長的技術(shù)問題。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的基于環(huán)境邊緣計算的交通燈控制方法包括如下步驟：

3、步驟s1，數(shù)據(jù)中心部分通過接入點定期廣播嵌入請求服務(wù)的wifi信標(biāo)，通過服務(wù)管理器發(fā)現(xiàn)能夠作為邊緣服務(wù)器的移動設(shè)備；

4、步驟s2：攝像頭開始采集視頻幀，每個幀會通過兩條路徑傳送；一條用于數(shù)據(jù)中心部分的本地檢測器進(jìn)行本地檢測，另一條用于邊緣計算部分的遠(yuǎn)程檢測；

5、步驟s3：數(shù)據(jù)中心部分在本地檢測器運行yolov5s網(wǎng)絡(luò)檢測模型，在資源有限的本地執(zhí)行視頻幀的分析，進(jìn)行初始目標(biāo)檢測即目標(biāo)定位和分類；對視頻幀劃分邊界線，根據(jù)檢測到的目標(biāo)的坐標(biāo)位置信息，提取出跨越邊界線的目標(biāo)，將其所在幀的索引和目標(biāo)檢測結(jié)果發(fā)送到整合管理器；

6、目標(biāo)檢測結(jié)果包括檢測框、標(biāo)簽和分?jǐn)?shù)，由本地檢測模型和遠(yuǎn)程檢測模型對視頻幀檢測后直接得到；所述的檢測框是指檢測出的目標(biāo)的邊界框，用于描述目標(biāo)在視頻幀中的位置和大小，所述的標(biāo)簽是指檢測出的目標(biāo)所屬類別，所述的分?jǐn)?shù)是指屬于該類別的概率，即置信度；

7、步驟s4：數(shù)據(jù)中心部分的裁剪管理器根據(jù)邊界線將每個視頻幀裁剪成若干個主片；隨后，用周圍的填充片填充每個主片，以創(chuàng)建新的視頻子幀；然后編碼成可用于傳輸?shù)淖止?jié)流；

8、步驟s5：數(shù)據(jù)中心部分的卸載管理器根據(jù)服務(wù)管理器傳入的關(guān)于各個邊緣服務(wù)器的cpu負(fù)載、rssi信息，通過冗余服務(wù)器選擇機(jī)制為每個視頻子幀分配對應(yīng)的邊緣服務(wù)器；并將邊緣服務(wù)器對應(yīng)的ip、端口和編碼后的視頻子幀組裝成傳輸數(shù)據(jù)存儲到發(fā)送隊列中，等待發(fā)送到選定的邊緣服務(wù)器；

9、所述的冗余服務(wù)器選擇機(jī)制是一種為每個視頻子幀分配給多個邊緣服務(wù)器進(jìn)行處理而不只是分配給單個邊緣服務(wù)器處理的機(jī)制。因為邊緣服務(wù)器計算資源受限和邊緣服務(wù)器移動導(dǎo)致的通信不穩(wěn)定會使得任務(wù)可靠性低，所以需要選擇更多的邊緣服務(wù)器處理同一任務(wù)，即選擇冗余服務(wù)器。

10、步驟s6：邊緣計算部分的邊緣服務(wù)器接收數(shù)據(jù)中心部分發(fā)送的傳輸數(shù)據(jù)，對接收隊列中的傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，并通過遠(yuǎn)程檢測器的nanodet-plus目標(biāo)檢測模型執(zhí)行目標(biāo)檢測，并將目標(biāo)檢測得到的當(dāng)前視頻子幀索引和目標(biāo)檢測結(jié)果發(fā)送到數(shù)據(jù)中心部分；

11、步驟s7：數(shù)據(jù)中心部分的整合管理器對本地檢測得到的目標(biāo)檢測結(jié)果和邊緣服務(wù)器遠(yuǎn)程檢測得到的目標(biāo)檢測結(jié)果進(jìn)行整合，得出最終目標(biāo)檢測結(jié)果，根據(jù)最終目標(biāo)檢測結(jié)果控制交通燈。

12、進(jìn)一步地，步驟s1中，數(shù)據(jù)中心部分在信標(biāo)中嵌入服務(wù)信息讓數(shù)據(jù)中心部分高效地發(fā)現(xiàn)可提供請求服務(wù)的移動設(shè)備；附近的移動設(shè)備通過解析信標(biāo)信息進(jìn)行服務(wù)查詢；如果移動設(shè)備可以提供數(shù)據(jù)中心部分所請求的服務(wù)，則會主動與數(shù)據(jù)中心部分建立?wifi?連接，成為邊緣服務(wù)器。

13、進(jìn)一步地，數(shù)據(jù)中心部分有一個布隆過濾器，并且提供一個請求服務(wù)的列表；每個邊緣設(shè)備都有一個布隆過濾器，并且提供一個可提供服務(wù)的列表；在數(shù)據(jù)中心部分的服務(wù)映射中，位數(shù)組??最初被設(shè)置為一個全為0的數(shù)組；然后數(shù)據(jù)中心部分對請求服務(wù)的列表中每個請求服務(wù)的名稱進(jìn)行哈希處理，通過多個哈希函數(shù)映射到對應(yīng)的位置，將位數(shù)組?中這些位置對應(yīng)的位設(shè)為1；接著將位數(shù)組??嵌入信標(biāo)中，定期廣播信標(biāo)；在邊緣計算部分的服務(wù)查詢中，每個邊緣設(shè)備在接收到信標(biāo)后進(jìn)行解析以獲得位數(shù)組?，并查詢自身可提供服務(wù)的列表；邊緣設(shè)備對自身可提供的每個服務(wù)的名稱進(jìn)行哈希映射，映射結(jié)果與接收位數(shù)組??比較，映射結(jié)果為1的位在位數(shù)組??中相應(yīng)位都是1時，邊緣設(shè)備才擁有數(shù)據(jù)部分中心所請求的服務(wù)；如果邊緣設(shè)備至少有一個可提供的服務(wù)滿足要求，即邊緣設(shè)備可提供的服務(wù)至少有一個與數(shù)據(jù)中心部分請求的服務(wù)匹配，則該邊緣設(shè)備連接到數(shù)據(jù)中心部分的無線網(wǎng)絡(luò)，成為邊緣服務(wù)器。

14、進(jìn)一步地，邊緣服務(wù)器向數(shù)據(jù)中心部分發(fā)送網(wǎng)絡(luò)連接請求，連接成功后，邊緣服務(wù)器向數(shù)據(jù)中心部分注冊設(shè)備狀態(tài)和服務(wù)信息；數(shù)據(jù)中心部分根據(jù)邊緣卸載需要向邊緣計算部分發(fā)起服務(wù)請求，邊緣計算部分對請求進(jìn)行處理并返回結(jié)果。

15、進(jìn)一步地，數(shù)據(jù)中心部分將每個視頻幀裁剪成若干個主片之前，預(yù)先確定填充尺寸。由于邊緣服務(wù)器是在裁剪后的視頻幀上即視頻子幀上執(zhí)行目標(biāo)檢測，而裁剪可能會將一個目標(biāo)實例拆分成多個錯誤的實例，故需要通過確定最小可檢測的目標(biāo)寬度和最小可檢測的目標(biāo)高度以計算出填充尺寸，在每個主片上填充相應(yīng)的幀部分可以減小錯誤實例的數(shù)量。具體地，將要檢測的目標(biāo)類別記為，包括人、自行車、汽車、摩托車、公共汽車和卡車；對于每個類別，本地檢測器可以檢測到的最小寬度和最小高度記為，其中表示類別的最小寬度，表示類別的最小高度，表示所有類別的最小寬度和最小高度的集合，表示所有類別的最小寬度，表示所有類別的最小高度；通過選擇所有類別中最小寬度和最小高度乘積的最大值來確定小型目標(biāo)的寬度閾值和高度閾值，記為。然后，通過將小型目標(biāo)的寬度閾值和高度閾值減半來確定填充寬度和填充高度，即；

16、數(shù)據(jù)中心部分根據(jù)可用邊緣服務(wù)器將完整視頻幀均勻分成多個主片，每個主片的寬度和高度記為??和?，即?；其中??表示每個主片的索引，?表示邊緣服務(wù)器的數(shù)量，?和??表示完整視頻幀的寬度和高度；此外，每個主片將在填充后其大小相應(yīng)地被調(diào)整，形成視頻子幀。

17、進(jìn)一步地，每個主片的填充規(guī)則如下：每個主片包含兩條寬度的邊緣線和兩條高度的邊緣線，若其邊緣線與完整幀邊緣線非重合，則對該邊緣線進(jìn)行填充；若對某個主片在寬度方向上填充一次，則調(diào)整后的寬度為：，同理，若在高度方向上填充一次，則調(diào)整后的高度為：。

18、進(jìn)一步地，步驟s5中，卸載管理器不僅可以加速檢測流程，還能確保任務(wù)的可靠性和低成本性；對于每個子任務(wù)/視頻子幀，根據(jù)端到端延遲和支付估算每個邊緣服務(wù)器的成本；然后，選擇成本最低且滿足截止時間要求的邊緣服務(wù)器；如果沒有邊緣服務(wù)器滿足截止時間要求，則選擇端到端延遲最小的邊緣服務(wù)器，以確保當(dāng)前子任務(wù)不被遺漏；在為每個子任務(wù)選擇第一個最優(yōu)邊緣服務(wù)器后，根據(jù)當(dāng)前子任務(wù)的可靠性決定是否繼續(xù)選擇更多的邊緣服務(wù)器。

19、進(jìn)一步地，每當(dāng)產(chǎn)生一個視頻幀時，將其分成??個視頻子幀，視頻子幀集合為；有??個可提供服務(wù)的邊緣服務(wù)器連接到數(shù)據(jù)中心部分，其集合為；用??表示視頻子幀??是否分配給邊緣服務(wù)器?；

20、視頻子幀??在邊緣服務(wù)器??上的計算時間為：

21、

22、其中，?為解碼所需的cpu周期數(shù)；?為檢測所需的cpu周期數(shù)；?表示邊緣服務(wù)器??的cpu負(fù)載；?是一個關(guān)于??的計算時間函數(shù)；?為邊緣服務(wù)器??的cpu頻率；

23、數(shù)據(jù)中心部分到邊緣服務(wù)器??的通信時間為：

24、

25、其中，?表示輸入數(shù)據(jù)的大??；?為數(shù)據(jù)中心部分到邊緣服務(wù)器??的數(shù)據(jù)傳輸速率；?表示邊緣服務(wù)器到數(shù)據(jù)中心部分的檢測結(jié)果數(shù)據(jù)下載時間，檢測結(jié)果數(shù)據(jù)的大小相對于輸入數(shù)據(jù)較小，因此下載時間根據(jù)往返時間（rtt）設(shè)為固定常數(shù)值；

26、視頻子幀??在邊緣服務(wù)器??上的處理延遲計算為：

27、。

28、進(jìn)一步地，視頻子幀??在邊緣服務(wù)器??的支付??計算為：

29、

30、其中，?表示單位支付；

31、在邊緣服務(wù)器??上的成本??計算為：

32、

33、其中，??和??分別是支付和延遲的加權(quán)系數(shù)；

34、當(dāng)前幀的總成本??可以計算為：

35、

36、進(jìn)一步地，在為每個子任務(wù)選擇第一個最優(yōu)邊緣服務(wù)器后，根據(jù)當(dāng)前子任務(wù)的可靠性決定是否繼續(xù)選擇更多的邊緣服務(wù)器通過如下方式實現(xiàn)：如果子任務(wù)的可靠性低于任務(wù)可靠性閾值，則逐一選擇冗余邊緣服務(wù)器，直到滿足可靠性要求；接著邊緣服務(wù)器集合排除已選的邊緣服務(wù)器，按成本升序排列，以選擇子任務(wù)的冗余邊緣服務(wù)器；每當(dāng)決定是否選擇邊緣服務(wù)器時，邊緣服務(wù)器可靠性必須大于最小閾值，以避免選擇過多的冗余邊緣服務(wù)器；同時，必須滿足截止時間要求；且為了避免隊列延遲，每個邊緣服務(wù)器不能在一組視頻子幀中被選擇兩次。

37、進(jìn)一步地，步驟s7具體包括：所有來自數(shù)據(jù)中心部分的目標(biāo)檢測結(jié)果和邊緣服務(wù)器返回的目標(biāo)檢測結(jié)果作為初始結(jié)果收集，然后添加到檢測列表中；在完整視頻幀中不跨越任何邊界線的目標(biāo)將從檢測列表中刪除；如果視頻子幀之間目標(biāo)的檢測框的交集超過75%，表示同一目標(biāo)可能被多個邊緣服務(wù)器重復(fù)檢測，則分?jǐn)?shù)較高的那個被接受為更好的選擇，即高分?jǐn)?shù)的目標(biāo)繼續(xù)保留在檢測列表中，且該分?jǐn)?shù)對應(yīng)的標(biāo)簽則作為目標(biāo)的類別，而另一個較低分?jǐn)?shù)的目標(biāo)則被刪除；最后，如果完整視頻幀中跨越邊界線的目標(biāo)和視頻子幀之間目標(biāo)的檢測框的交集超過75%，表示同一目標(biāo)可能被本地和邊緣服務(wù)器重復(fù)檢測，由于該目標(biāo)可能輸入到邊緣服務(wù)器時是非完整的而導(dǎo)致邊緣服務(wù)器檢測錯誤，故認(rèn)為完整幀中的那個更好，另一個則被刪除。

38、相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益技術(shù)效果：本發(fā)明的不是預(yù)先部署基站和服務(wù)器，而是將片級目標(biāo)檢測任務(wù)卸載到人群擁有的設(shè)備上，以實現(xiàn)智能交通燈控制。本發(fā)明的主要工作是如何發(fā)現(xiàn)可用設(shè)備和如何卸載任務(wù)。其中，接入點會定期發(fā)送嵌入所需服務(wù)的信標(biāo)，以發(fā)現(xiàn)作為邊緣服務(wù)器的可用設(shè)備。在本地上運行檢測模型進(jìn)行初始目標(biāo)檢測。然后提取跨越任何邊界的目標(biāo)。為了提高檢測精度并縮短解碼時間，每個幀都被裁剪成多個片，以便在選定的服務(wù)器上進(jìn)行細(xì)粒度檢測。有效的冗余服務(wù)器機(jī)制確保了任務(wù)完成的可靠性。此外，利用服務(wù)器的?cpu?負(fù)載來估算其計算能力以及利用計算能力估算資源支付。最后，對本地和遠(yuǎn)程檢測到的目標(biāo)進(jìn)行整合，得出最終目標(biāo)檢測結(jié)果，為開發(fā)低成本、可靠的系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)。本發(fā)明通過提出的輕量級任務(wù)拆分、冗余邊緣選擇和快速服務(wù)發(fā)現(xiàn)方案，可以以輕量級和機(jī)會主義的方式將視頻幀卸載到邊緣移動設(shè)備上，并將其用于實時控制交通燈。

39、本發(fā)明中的發(fā)現(xiàn)邊緣服務(wù)器的人群輔助系統(tǒng)非常靈活，可根據(jù)需要迅速擴(kuò)展。最后，暴雨、山體滑坡、森林火災(zāi)和地震等頻繁發(fā)生的災(zāi)害可能會破壞網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，導(dǎo)致該地區(qū)沒有端到端通信網(wǎng)絡(luò)，但本發(fā)明中由人群輔助的機(jī)會性網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)可確保災(zāi)后可用性。