邊緣計(jì)算計(jì)算卸載與資源分配聯(lián)合優(yōu)化算法

來源：中國指揮與控制學(xué)會(huì)

作者：CICC

摘要

針對后勤資產(chǎn)管理系統(tǒng)“本地—云”結(jié)構(gòu)的不足，設(shè)計(jì)了邊緣計(jì)算卸載決策與資源分配服務(wù)聯(lián)合優(yōu)化算法，將原始數(shù)據(jù)解算任務(wù)卸載至邊緣端，提供更優(yōu)卸載決策與資源分配方式。根據(jù)任務(wù)、計(jì)算能力、功率等信息建立時(shí)延能耗系統(tǒng)代價(jià)模型，基于二分法、拉格朗日乘子法、改進(jìn)的粒子群算法完成問題的求解，實(shí)現(xiàn)多用戶多節(jié)點(diǎn)有云參與的聯(lián)合迭代尋優(yōu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法有效降低系統(tǒng)總代價(jià)，降低Random算法總代價(jià)的59.34%，Greedy算法的45.74%，STPSO算法的24.07%。

固定資產(chǎn)管理是企事業(yè)單位中一項(xiàng)非常嚴(yán)肅，政策性、原則性、技術(shù)性很強(qiáng)的后勤工作，它將把控資產(chǎn)信息、提高管理效率、降低支出成本作為管理目標(biāo)，提升了企業(yè)的資產(chǎn)管理水平[1]。早在2020年，財(cái)政部發(fā)布了《關(guān)于加強(qiáng)行政事業(yè)單位固定資產(chǎn)管理的通知》，來加強(qiáng)事業(yè)單位的后勤資產(chǎn)管理水平。除此之外，我國在軍事后勤建設(shè)的投入逐年增加，后勤工作會(huì)議指出：加快建設(shè)現(xiàn)代軍事物流體系和軍隊(duì)現(xiàn)代資產(chǎn)管理體系[2]。無論軍事還是民用，后勤資產(chǎn)管理建設(shè)都是現(xiàn)階段發(fā)展重點(diǎn)，必須探索出一條能夠推進(jìn)后勤資產(chǎn)管理工作向現(xiàn)代化和智能化方向發(fā)展的道路，引領(lǐng)我國后勤資產(chǎn)管理實(shí)力邁向新臺(tái)階。

我國資產(chǎn)管理經(jīng)歷手工記賬、二三維條碼的發(fā)展過程，形成了信息化管理系統(tǒng)。由于資產(chǎn)管理特殊性，現(xiàn)有系統(tǒng)普遍存在以下問題：精細(xì)化程度低、平臺(tái)功能有限；資產(chǎn)辨認(rèn)與定位難、可視化程度低；編碼體系不統(tǒng)一、編碼覆蓋信息不全[3]。因此，結(jié)合傳感定位、網(wǎng)格剖分、實(shí)時(shí)監(jiān)控等技術(shù)，建設(shè)統(tǒng)一后勤資產(chǎn)業(yè)務(wù)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)可以為全天候、全地域環(huán)境提供精細(xì)化保障的“可視化后勤”，是現(xiàn)代后勤建設(shè)的主要目標(biāo)[4]。

專家學(xué)者對相關(guān)技術(shù)開展研究來提升資產(chǎn)管理系統(tǒng)服務(wù)水平。LIN Y完成了基于射頻識(shí)別的倉庫研究與實(shí)踐物流管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，針對倉儲(chǔ)管理中手工作業(yè)多、效率低的問題，設(shè)計(jì)了基于射頻識(shí)別（radio frequency identification，RFID）倉庫自動(dòng)化解決方案，滿足大型倉儲(chǔ)企業(yè)需求[5]。WANG T等利用RFID技術(shù)建立基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的固定資產(chǎn)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)合理高效使用和部署固定資產(chǎn)，優(yōu)化和簡化管理過程，確保得到可靠和完整的資產(chǎn)數(shù)據(jù)[6]。LEE C等提出了一種基于藍(lán)牙定位用于跟蹤資產(chǎn)的室內(nèi)定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一種經(jīng)濟(jì)高效的資產(chǎn)管理解決方案[7]。

應(yīng)用北斗網(wǎng)格剖分技術(shù)解算資產(chǎn)位置構(gòu)建統(tǒng)一定位編碼標(biāo)準(zhǔn)，基于RFID系統(tǒng)、北斗定位系統(tǒng)、攝像頭等設(shè)備采集資產(chǎn)數(shù)據(jù)，利用軟件及數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)具備實(shí)時(shí)監(jiān)控與資產(chǎn)可視化功能的先進(jìn)資產(chǎn)管理系統(tǒng)。在后勤資產(chǎn)管理系統(tǒng)發(fā)展過程中，傳統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)架直接將企業(yè)管理系統(tǒng)連接至后勤云計(jì)算中心，隨著接入硬件設(shè)備逐漸增多，大量原始數(shù)據(jù)未經(jīng)過解算全部上傳至云端會(huì)占用更多的帶寬和服務(wù)器資源，給系統(tǒng)的運(yùn)維帶來極大資源負(fù)擔(dān)，也不利于對資產(chǎn)環(huán)境視頻監(jiān)控畫面進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)取，在一定程度上影響用戶體驗(yàn)，限制了后勤資產(chǎn)管理系統(tǒng)向現(xiàn)代化發(fā)展[8]。

云計(jì)算、聯(lián)邦學(xué)習(xí)、邊緣計(jì)算等分布式計(jì)算技術(shù)被提出用于協(xié)調(diào)共享資源的使用，邊緣計(jì)算具有實(shí)時(shí)性高、計(jì)算能力強(qiáng)、帶寬高、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，在眾多通信新技術(shù)中脫穎而出[9]。在系統(tǒng)構(gòu)架中引入邊緣層，能在數(shù)據(jù)源頭實(shí)現(xiàn)定位、RFID標(biāo)簽等原始數(shù)據(jù)的及時(shí)處理與響應(yīng)，向云端直接傳輸解碼結(jié)果減少數(shù)據(jù)傳輸消耗。同時(shí)邊緣計(jì)算及多碼流處理技術(shù)的結(jié)合運(yùn)用，也為實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控需求提供了解決方案，能夠提高視頻圖像數(shù)據(jù)價(jià)值，降低帶寬與時(shí)延，提高處理效率。

邊緣計(jì)算技術(shù)核心是基于分布式邊緣服務(wù)器，在數(shù)據(jù)源頭提供具有網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)等功能的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，完成被卸載的計(jì)算任務(wù)，經(jīng)過資源分配等步驟將結(jié)果返回設(shè)備端[10]。為了提升技術(shù)服務(wù)性能，本文針對邊緣計(jì)算服務(wù)模型中資源分配、計(jì)算卸載兩項(xiàng)業(yè)務(wù)開展研究，優(yōu)化調(diào)度模型、尋找更佳的控制策略來提供最優(yōu)服務(wù)。

相關(guān)專家也對邊緣計(jì)算計(jì)算卸載以及資源分配等問題開展相關(guān)研究，SONG H K等研究了無線邊緣網(wǎng)絡(luò)中邊緣計(jì)算服務(wù)器部署和用戶卸載關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)遺傳算法來解決該問題，有效減少平均服務(wù)延遲[11]。TANG C G等提出了一個(gè)通用的支持緩存的車載邊緣計(jì)算方案，同時(shí)考慮任務(wù)緩存帶來的響應(yīng)延遲和能耗，同其他算法相比具有優(yōu)勢性[12]。XU F等提出了兩階段計(jì)算卸載算法，能夠有效降低時(shí)延[13]。黃冬晴等提出一種面向多用戶的聯(lián)合計(jì)算卸載和資源分配策略，利用拉格朗日乘子法獲得最佳計(jì)算資源分配，基于貪心算法獲得最佳卸載決策，不斷迭代降低系統(tǒng)成本[14]。

目前許多專家對資產(chǎn)管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，開展邊緣計(jì)算技術(shù)業(yè)務(wù)研究，但大多針對單一目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。也有不少專家對單一業(yè)務(wù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，例如針對卸載決策或資源分配問題進(jìn)行時(shí)延能耗多目標(biāo)優(yōu)化。隨著研究不斷深入，逐漸向多業(yè)務(wù)聯(lián)合優(yōu)化方向發(fā)展，也提出了計(jì)算卸載和資源分配聯(lián)合優(yōu)化的概念，通過不斷迭代兩個(gè)業(yè)務(wù)問題的求解獲得更優(yōu)解。由于聯(lián)合優(yōu)化計(jì)算過程復(fù)雜，現(xiàn)有論文一般采用復(fù)雜度較低的算法來求解卸載決策計(jì)算問題，例如文獻(xiàn)[14]采用貪心算法計(jì)算。因此，本文研究計(jì)算卸載和資源分配問題，基于數(shù)學(xué)推導(dǎo)解決計(jì)算資源分配問題，基于進(jìn)化類算法計(jì)算卸載決策，迭代計(jì)算聯(lián)合優(yōu)化時(shí)延和能耗兩個(gè)目標(biāo)，得到最優(yōu)控制策略。

審核編輯：湯梓紅