一种基于边缘计算的海洋VMS数据传输优化方法技术

本发明专利技术涉及一种基于边缘计算的海洋VMS数据传输优化方法。传统的海洋VMS都是采用中心化的集中运算模式，所有对于渔船数据的可视化展示和模式挖掘都在监控中心完成，但是海上通信资源匮乏，渔船终端设备采集到的数据无法充分传输到岸上监控中心，并且通信延时导致实时性高的需求无法满足。本发明专利技术将边缘计算模式应用到海洋VMS中，利用边缘节点的计算能力，在渔船和监控中心建立统一完善的自适应轨迹传输策略。其中通过LDR和SQUISH算法减少冗余数据，降低卫星通信次数；通过丢包反馈机制和差错校验策略保证数据传输的可靠性。

An Optimal Method of Data Transmission for Ocean VMS Based on Edge Computing

【技术实现步骤摘要】
一种基于边缘计算的海洋VMS数据传输优化方法
本专利技术将边缘计算模式应用到海洋VMS(渔船监控系统)中，并在此基础上对渔船数据传输进行了优化。
技术介绍
海洋VMS是结合全球定位导航技术、卫星通信技术、计算机技术以及地理信息技术的综合型渔船监控系统，主要分为地面监控中心和船载终端设备两部分。其中监控中心的主要作用是要提供低成本的弹性计算和存储服务，可以通过岸基或卫星接收船载终端设备传输过来的渔船信息并基于GIS(地理信息系统)进行可视化展示，从而方便相关部门对渔船进行监管。监控中心旨在提供中央控制，主要分为数据中心和计算中心两部分。其中数据中心负责对渔船数据进行持久化，计算中心则提供包括数据可视化、语音通信、数据分析等服务。船载终端设备是安装在渔船上、具备海上通信功能和全天候定位功能的设备。可以实时采集渔业相关信息，并把相关数据传输给监控中心。传统的VMS都是采用中心化的集中运算模式，即终端只负责渔船定位信息的采集和传输，自身不对轨迹数据进行任何处理和分析。所有对于渔船数据的可视化展示和模式挖掘都是在监控中心完成，从而会产生以下三个问题：(1)数据中包含了无用冗余数据，增加了数据传输量，浪费了通信资源。(2)相应服务需要通过中心化的集中运算得到最终结果，这会大大增加服务的响应时间，降低服务的实时性。(3)海上通信(尤其是远海通信)资源匮乏，通信带宽远无法满足船载终端设备采集的所有数据进行实时传输的需要，从而导致相关渔业信息无法被有效利用，对数据分析功能产生直接影响。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术的目的在于提供一种基于边缘计算的海洋VMS数据传输优化方法，主要利用边缘计算模式可以在靠近物或数据源头处就近提供服务的特点来有效解决传统海洋VMS基于北斗卫星通信而带来的高延迟、低带宽的问题。不足的问题(二)技术方案针对上述传统的海洋VMS存在的问题，本专利技术提出一种将边缘计算模式应用到海洋VMS中，利用边缘节点的计算和存储能力，在边缘层和云层建立统一完善的自适应轨迹传输机制。其中通过LDR预测算法和SQUISH压缩算法减少冗余数据，降低卫星通信次数；通过丢包反馈机制和差错校验策略保证数据传输的可靠性。本专利技术方法分为边缘层和云层两部分。(1)边缘层船载终端设备和边缘设备设置在渔船上，其中船载终端设备负责实时采集渔船定位信息(包括经纬度、时间、速度和方向等)，即当前时刻的观测轨迹点，并将其发送至边缘设备；边缘设备负责航位跟踪以及接收船载终端设备传输的数据和监控中心发送的卫星通信回执。具体步骤如下：步骤a)、边缘设备判断接收到的数据类型，若为卫星通信回执，执行步骤b)的报文重传过程，若为观测轨迹点，则转入执行步骤d)。步骤b)、根据卫星通信回执中监控中心期望接收到的报文序号和边缘层已发送的报文序号进而判断传输失败的报文，然后将这些需要进行重传的报文添加到传输缓冲队列中，最后转入执行步骤g)。例如通信回执中的报文序号为i，边缘层已发送的报文序号为k(i和k均为正整数，且k≥i)，则需要将丢失的报文序号为i、i+1、……、k的报文进行重传。步骤c)、判断观测轨迹队列是否为空，如果是，则执行步骤d)，否则转入执行步骤e)。步骤d)、基于LDR算法进行轨迹点预测。LDR算法通过线性函数计算预测轨迹点。其中lb为预测基点(即边缘层发送的最新观测轨迹点)，包括定位坐标和时间lb.t；为速度矢量，t为待预测轨迹点的时间。步骤e)、判断预测轨迹点和观测轨迹点之间的距离是否大于阈值，如果是，则执行步骤f)，否则转入执行步骤g。步骤f)、将当前观测轨迹点添加到观测轨迹队列中。步骤g)、判断当前时刻距离上次发送报文的时刻是否大于北斗短报文通信的最小通信间隔，如果是，则执行步骤h)，否则转入执行步骤m)。步骤h)、判断传输缓冲队列是否为空，如果是，则执行步骤i)，否则转入执行步骤l)。步骤i)、判断观测轨迹队列是否为空，如果是，转入执行步骤m)，否则，执行步骤j)。步骤j)、基于SQUISH算法对观测轨迹队列中的数据进行压缩，得到压缩后的近似轨迹。步骤k)、基于上述步骤j)获得的近似轨迹和船载终端设备采集到的速度矢量生成新的报文，并将报文添加到传输缓冲队列中。步骤l)、从传输缓冲队列中取出报文，并基于北斗短报文通信发送给云层。步骤m)、本次循环结束，等待接收新的数据。(2)云层云层位于地面监控中心，主要负责根据最新观测点的位置坐标和速度矢量进行轨迹预测，并且在接收到边缘层的更新报文时自动对预测轨迹进行修正，具体步骤如下：步骤a)、判断是否接收到边缘层发送过来的报文，如果是，则执行步骤b)，否则转入执行步骤g)。步骤b)、通过差错校验策略，判断报文是否失真，如果是，转入执行步骤d)，否则，执行步骤c)。步骤c)、对接收的报文进行解码，并判断报文序号和期望接收到的报文序号是否一致，如果是，转入执行步骤e)，否则，执行步骤d)的丢包反馈机制。步骤d)、将当前期望接收到的报文序号，通过北斗短报文通信发送给边缘层。步骤e)、根据报文中包含的轨迹信息，修正预测错误的轨迹点。监控中心首先对接收到的报文进行解码得到近似轨迹TR′＝{Pk,…,Pn}，然后用TR′替换预测轨迹TR＝{P1,…,Pn}，采用存储首尾轨迹点方法，保留P1和Pk-1轨迹点，最终得到修正后的轨迹序列TR＝{P1,Pk-1,Pk,…,Pn}。步骤f)、更新失效的预测基点和速度矢量。步骤e)监控中心对接收到的报文解码后得到最新的速度矢量和预测基点lb(Pn)，步骤f)用步骤e)得到的和lb替换失效的速度矢量和预测基点。步骤g)、根据预测基点和速度矢量进行LDR轨迹预测。云层主要提供低成本的弹性计算和存储服务。可以通过岸基或卫星接收边缘层传输过来的渔船信息并基于GIS(地理信息系统)进行可视化展示，从而方便相关部门对渔船进行监管。云层旨在提供中央控制，主要分为数据中心和计算中心两部分。其中数据中心负责对渔船数据进行持久化，计算中心则提供包括数据可视化、语音通信、数据分析等服务。本专利技术基于北斗短报文格式自定义报文内容，通过报文序号位和校验位二个字段来保证卫星通信的可靠性，具体如表1所示：表1自定义报文格式标识位报文序号位数据净荷校验位12字节4字节57字节2字节(1)标识位：渔船的唯一标识字段(船舶ID)，占用12个字节，以ASCII码进行表示，不满12字节的用空格填充，例如“267291”，1后面6个空格(第一个空格表示标识字段结束)。(2)报文序号位：用于标识当前报文的序号，边缘层设备每次生成新的报文，报文序号加一。报文序号主要用于保证传输的可靠性。(3)数据净荷：边缘层需要进行传输的具体内容，占用57个字节，主要分成三个部分，具体如表2所示。表2数据净荷内容格式速度矢量长度预测基点定位数据定位数据8字节1字节16字节16字节16字节1)速度矢量：用于地面监控中心进行航位推算，占用8个字节。包括速度(4字节)和方向(4字节)两部分。2)长度：进行传输的轨迹点数量(包括预测基点)，占用1个字节。3)预测基点：用于监控中心进行轨迹预测，占用16个字节，具体格式和定位数据相同。4)定位数据：需要进行传输的轨迹点，占用16个字节。每个轨迹点包含轨迹点序号(4字节)、经度(4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于边缘计算的海洋VMS数据传输优化方法，其特征在于该方法包括边缘层和云层以下步骤；(1)边缘层船载终端设备和边缘设备设置在渔船上，其中船载终端设备负责实时采集渔船定位信息(包括经纬度、时间、速度和方向等)，即当前时刻的观测轨迹点，并将其发送至边缘设备；边缘设备负责航位跟踪以及接收船载终端设备传输的数据和监控中心发送的卫星通信回执；具体步骤如下：步骤a)、边缘设备判断接收到的数据类型，若为卫星通信回执，执行步骤b)的报文重传过程，若为观测轨迹点，则转入执行步骤d)；步骤b)、根据卫星通信回执中监控中心期望接收到的报文序号和边缘层已发送的报文序号进而判断传输失败的报文，然后将这些需要进行重传的报文添加到传输缓冲队列中，最后转入执行步骤g)；步骤c)、判断观测轨迹队列是否为空，如果是，则执行步骤d)，否则转入执行步骤e)；步骤d)、基于LDR算法进行轨迹点预测；步骤e)、判断预测轨迹点和观测轨迹点之间的距离是否大于阈值，如果是，则执行步骤f)，否则转入执行步骤g；步骤f)、将当前观测轨迹点添加到观测轨迹队列中；步骤g)、判断当前时刻距离上次发送报文的时刻是否大于北斗短报文通信的最小通信间隔，如果是，则执行步骤h)，否则转入执行步骤m)；步骤h)、判断传输缓冲队列是否为空，如果是，则执行步骤i)，否则转入执行步骤l)；步骤i)、判断观测轨迹队列是否为空，如果是，转入执行步骤m)，否则，执行步骤j)步骤j)、基于SQUISH算法对观测轨迹队列中的数据进行压缩，得到压缩后的近似轨迹；步骤k)、基于上述步骤j)获得的近似轨迹和船载终端设备采集到的速度矢量生成新的报文，并将报文添加到传输缓冲队列中；步骤l)、从传输缓冲队列中取出报文，并基于北斗短报文通信发送给云层；步骤m)、本次循环结束，等待接收新的数据；(2)云层云层位于地面监控中心，主要负责根据最新观测轨迹点的位置坐标和速度矢量进行轨迹预测，并且在接收到边缘层的更新报文时自动对预测轨迹进行修正，具体步骤如下：步骤a)、判断是否接收到边缘层发送过来的报文，如果是，则执行步骤b)，否则转入执行步骤g)；步骤b)、通过差错校验策略，判断报文是否失真，如果是，转入执行步骤d)，否则，执行步骤c)；步骤c)、对接收的报文进行解码，并判断报文序号和期望接收到的报文序号是否一致，如果是，转入执行步骤e)，否则，执行步骤d)的丢包反馈机制；步骤d)、将当前期望接收到的报文序号，通过北斗短报文通信发送给边缘层，本次循环结束；步骤e)、根据报文中包含的轨迹信息，修正预测错误的轨迹点；步骤f)、更新失效的预测基点和速度矢量；步骤g)、根据预测基点和速度矢量进行LDR轨迹预测。...

【技术特征摘要】
1.一种基于边缘计算的海洋VMS数据传输优化方法，其特征在于该方法包括边缘层和云层以下步骤；(1)边缘层船载终端设备和边缘设备设置在渔船上，其中船载终端设备负责实时采集渔船定位信息(包括经纬度、时间、速度和方向等)，即当前时刻的观测轨迹点，并将其发送至边缘设备；边缘设备负责航位跟踪以及接收船载终端设备传输的数据和监控中心发送的卫星通信回执；具体步骤如下：步骤a)、边缘设备判断接收到的数据类型，若为卫星通信回执，执行步骤b)的报文重传过程，若为观测轨迹点，则转入执行步骤d)；步骤b)、根据卫星通信回执中监控中心期望接收到的报文序号和边缘层已发送的报文序号进而判断传输失败的报文，然后将这些需要进行重传的报文添加到传输缓冲队列中，最后转入执行步骤g)；步骤c)、判断观测轨迹队列是否为空，如果是，则执行步骤d)，否则转入执行步骤e)；步骤d)、基于LDR算法进行轨迹点预测；步骤e)、判断预测轨迹点和观测轨迹点之间的距离是否大于阈值，如果是，则执行步骤f)，否则转入执行步骤g；步骤f)、将当前观测轨迹点添加到观测轨迹队列中；步骤g)、判断当前时刻距离上次发送报文的时刻是否大于北斗短报文通信的最小通信间隔，如果是，则执行步骤h)，否则转入执行步骤m)；步骤h)、判断传输缓冲队列是否为空，如果是，则执行步骤i)，否则转入执行步骤l)；步骤i)、判断观测轨迹队列是否为空，如果是，转入执行步骤m)，否则，执行步骤j)步骤j)、基于SQUISH算法对观测轨迹队列中的数据进行压缩，得到压缩后的近似轨迹；步骤k)、基于上述步骤j)获得的近似轨迹和船载终端设备采集到的速度矢量生成新的报文，并将报文添加到传输缓冲队列中；步骤l)、从传输缓冲队列中取出报文，并基于北斗短报文通信发送给云层；步骤m)、本次循环结束，等待接收新的数据；(2)云层云层位于地面监控中心，主要负责根据最新观测轨迹点的位置坐标和速度矢量进行轨迹预测，并且在接收到边缘层的更新报文时自动对预测轨迹进行修正，具体步骤如下：步骤a)、判断是否接收到边...

【专利技术属性】
技术研发人员：万健，黄杰，朱丰炜，张伟，司华友，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33