本發明涉及嵌入式控制，尤其涉及一種基于邊緣計算的嵌入式架構控制系統。
背景技術：
1、隨著工業自動化系統和智能設備的發展，嵌入式控制系統被廣泛應用于生產控制、設備調度以及智能監測等場景。現有嵌入式控制系統通常由多個嵌入式控制節點組成，通過通信網絡實現設備運行數據采集、控制指令下發以及設備狀態監測。在部分系統中，為提高系統運行效率，還引入邊緣計算技術，使部分數據處理和控制決策在靠近設備側的節點完成，從而減少中心處理負擔并提升響應速度。
2、現有技術中的嵌入式控制系統多以單節點控制或簡單分布式控制為主，各控制節點之間協同能力有限，在多節點協同控制場景下，往往缺乏統一的協同任務分配機制和穩定的節點協同決策方式，導致控制任務調度效率較低。同時，節點間控制狀態與執行結果缺乏系統化的一致性校驗與效果評估機制，在復雜控制環境下容易出現控制結果偏差累積和協同狀態失衡的問題，影響整體嵌入式控制系統的穩定性和協同控制效果。
3、因此，如何提供一種基于邊緣計算的嵌入式架構控制系統是本領域技術人員亟需解決的問題。
技術實現思路
1、本發明的一個目的在于提出一種基于邊緣計算的嵌入式架構控制系統，本發明通過邊緣協同控制與合同網任務分配，實現嵌入式節點協同控制，具有實時性高和穩定性強的優點。
2、根據本發明實施例的一種基于邊緣計算的嵌入式架構控制系統，包括：
3、數據處理模塊，用于獲取多個嵌入式控制節點的控制數據，并按照統一時間基準進行預處理，生成對應各嵌入式控制節點的標準化輸入數據集；
4、拓撲構建模塊，用于基于各嵌入式控制節點的基礎信息構建邊緣協同控制拓撲，生成網絡拓撲狀態信息，在各嵌入式控制節點內部署邊緣計算處理單元、控制策略計算單元、執行控制接口單元和節點通信單元，并建立節點間狀態共享通道與任務協同通道；
5、狀態分析模塊，用于對標準化輸入數據集進行實時特征提取與狀態分析，生成節點狀態表征結果并寫入對應節點狀態緩存區；
6、本地控制模塊，用于基于節點狀態緩存區中的節點狀態表征結果計算本地控制策略，生成局部控制指令集合，并通過執行控制接口單元輸出至對應執行機構，以完成邊緣側實時閉環控制；
7、協同分配模塊，用于通過節點通信單元交換節點狀態表征結果和網絡拓撲狀態信息生成候選協同評估數據，基于候選協同評估數據采用合同網協議篩選候選協同節點，并通過嚴格雙邊匹配方法確定任務分配結果集合；
8、策略更新模塊，用于基于標準化輸入數據集、節點狀態表征結果和任務分配結果集合執行自適應控制策略生成，得到更新控制參數集合和更新控制策略集合，并加載至控制策略計算單元；
9、效果評估模塊，用于對執行控制接口單元返回的控制響應數據進行一致性校驗與控制效果評估，生成控制結果記錄和協同狀態記錄。
10、可選的，所述數據處理模塊獲取的控制數據包括設備運行數據、環境感知數據以及節點通信狀態數據，所述預處理包括時間戳對齊、異常值剔除、缺失值補全、量綱歸一化和數據分段處理。
11、可選的，所述拓撲構建模塊，包括：
12、采集各嵌入式控制節點的基礎信息，所述基礎信息包括硬件資源信息、控制對象標識、網絡連接關系和控制任務類型；
13、基于各嵌入式控制節點的硬件資源信息，計算對應各嵌入式控制節點的節點資源評價結果；
14、基于各嵌入式控制節點的控制對象標識和控制任務類型，計算對應各嵌入式控制節點的任務適配評價結果；
15、基于網絡連接關系對任意兩個嵌入式控制節點之間的通信鏈路狀態進行分析，計算節點間鏈路協同評價結果；
16、基于節點資源評價結果、任務適配評價結果和鏈路協同評價結果，確定各嵌入式控制節點之間的節點連接優先級，并按照節點連接優先級建立節點鄰接關系表、鏈路狀態關聯表和任務協同關聯表，對滿足預設協同建立條件的節點對生成拓撲連接邊；
17、基于節點鄰接關系表、鏈路狀態關聯表和任務協同關聯表構建邊緣協同控制拓撲，確定各嵌入式控制節點之間的節點連接結果，并在各拓撲連接邊上標定對應的鏈路狀態信息和任務協同狀態信息，得到網絡拓撲狀態信息；
18、按照邊緣協同控制拓撲的節點連接結果和任務協同關聯表，在各嵌入式控制節點內部署邊緣計算處理單元、控制策略計算單元、執行控制接口單元和節點通信單元，并依據拓撲連接邊建立節點間狀態共享通道與任務協同通道。
19、可選的，所述狀態分析模塊，包括：
20、各嵌入式控制節點調用邊緣計算處理單元讀取標準化輸入數據集，并按照統一時間窗口進行同步分段，生成對應各時間窗口的數據片段集合；
21、針對各時間窗口的數據片段集合提取設備運行特征、環境狀態特征和通信狀態特征；
22、基于設備運行特征和環境狀態特征對嵌入式控制節點當前運行狀態進行綜合判定，得到節點局部狀態表征結果；
23、基于設備運行特征和通信狀態特征對嵌入式控制節點資源占用情況進行負載評估，得到節點負載表征結果；
24、基于設備運行特征、環境狀態特征和通信狀態特征對嵌入式控制節點控制需求狀態進行識別，得到控制需求表征結果；
25、基于節點局部狀態表征結果、節點負載表征結果和控制需求表征結果進行融合處理，生成節點狀態表征結果并按照時間窗口順序寫入對應節點狀態緩存區。
26、可選的，所述本地控制模塊，包括：
27、各嵌入式控制節點從對應節點狀態緩存區中讀取當前控制周期對應的節點狀態表征結果，并按照控制對象標識對節點狀態表征結果進行關聯映射，生成對應控制對象的本地控制輸入數據；
28、基于本地控制輸入數據，提取控制狀態量、負載約束量和控制需求量并計算本地控制策略，生成局部控制參數集合；
29、基于局部控制參數集合和控制對象標識確定控制指令參數值，并按照控制對象對應的執行接口類型對控制指令參數值進行接口適配處理，生成局部控制指令集合；
30、將局部控制指令集合寫入對應執行控制接口單元，并依據指令輸出順序將局部控制指令集合輸出至對應執行機構，以驅動對應執行機構執行控制動作；
31、采集執行控制接口單元返回的接口反饋信息和執行機構返回的動作反饋信息，并基于接口反饋信息和動作反饋信息對局部控制指令集合的輸出狀態進行一致性校驗，得到局部控制響應結果；
32、基于局部控制響應結果對局部控制參數集合進行閉環修正，生成修正后的局部控制參數集合，并將修正后的局部控制參數集合回寫至對應節點狀態緩存區，以形成對應控制對象的邊緣側實時閉環控制。
33、可選的，所述協同分配模塊，包括：
34、各嵌入式控制節點通過節點通信單元向相鄰嵌入式控制節點發送本節點的節點狀態表征結果和網絡拓撲狀態信息，接收并關聯整理相鄰嵌入式控制節點發送的節點狀態表征結果和網絡拓撲狀態信息，生成候選協同評估數據；
35、基于候選協同評估數據，采用合同網協議對相鄰嵌入式控制節點進行協同能力評估，生成候選協同節點集合；
36、讀取待分配控制任務集合，并按照控制對象標識、控制任務類型、控制周期要求、資源調用需求和通信連接約束對各待分配控制任務進行任務屬性解析，生成任務匹配屬性集合；
37、基于候選協同節點集合和任務匹配屬性集合，采用嚴格雙邊匹配方法對候選協同節點集合與待分配控制任務集合進行匹配，生成任務分配結果集合；
38、根據任務分配結果集合對控制任務進行動態調整，將動態調整后的控制任務分配狀態寫入任務協同記錄，并將任務分配結果集合發送至對應候選協同節點。
39、可選的，所述策略更新模塊，包括：
40、按照控制對象標識、任務標識和節點標識對標準化輸入數據集、節點狀態表征結果和任務分配結果集合進行關聯整理，得到策略更新輸入數據；
41、基于策略更新輸入數據，提取運行狀態變化量、任務協同變化量和資源調度變化量并進行策略適應性分析，得到狀態調節量、協同補償量和資源約束修正量；
42、基于狀態調節量、協同補償量和資源約束修正量執行自適應控制策略生成處理，得到更新控制參數集合；
43、基于更新控制參數集合和任務分配結果集合對本地控制策略進行策略重構，得到更新控制策略集合；
44、對更新控制參數集合和更新控制策略集合進行一致性校驗，將通過一致性校驗的更新控制參數集合和更新控制策略集合加載至控制策略計算單元。
45、可選的，所述效果評估模塊，包括：
46、采集執行控制接口單元返回的控制響應數據，并按照控制對象標識、節點標識和控制周期標識進行關聯整理，得到響應校驗輸入數據；
47、基于響應校驗輸入數據提取指令執行狀態量、設備運行結果狀態量和節點協同響應狀態量并進行一致性校驗，得到一致性校驗結果；
48、基于一致性校驗結果和響應校驗輸入數據進行控制效果評估，得到控制效果評估結果；
49、基于一致性校驗結果和控制效果評估結果生成控制結果記錄，并基于控制結果記錄提取節點協同響應狀態量對應的協同響應狀態標識和協同偏差值對應的協同偏差標識生成協同狀態記錄。
50、本發明的有益效果是：
51、本發明提供了一種基于邊緣計算的嵌入式架構控制系統，通過在多個嵌入式控制節點之間構建邊緣協同控制拓撲，并在各嵌入式控制節點內部署邊緣計算處理單元、控制策略計算單元、執行控制接口單元和節點通信單元，使控制數據能夠在節點側進行實時處理與狀態分析。通過對多個嵌入式控制節點的控制數據進行統一時間基準下的預處理，生成標準化輸入數據集，并基于標準化輸入數據集提取節點狀態特征，生成節點狀態表征結果并寫入節點狀態緩存區，使各嵌入式控制節點能夠基于本地狀態信息進行實時控制決策，從而減少對中心控制系統的依賴，提升嵌入式控制系統的實時響應能力和邊緣側控制效率。
52、在多節點協同控制方面，本發明通過節點通信單元交換節點狀態表征結果和網絡拓撲狀態信息生成候選協同評估數據，并采用合同網協議對相鄰嵌入式控制節點進行協同能力評估，篩選候選協同節點，在此基礎上進一步通過嚴格雙邊匹配方法對候選協同節點集合與待分配控制任務集合進行匹配，生成任務分配結果集合，使控制任務能夠根據節點實時狀態、資源承載能力以及通信連接條件進行動態協同分配。通過上述機制，使嵌入式控制節點之間能夠形成穩定的協同任務分配關系，提高多節點協同控制任務的匹配合理性和執行效率，從而增強嵌入式控制系統在復雜控制環境下的協同控制能力。
53、同時，本發明通過對執行控制接口單元返回的控制響應數據進行一致性校驗與控制效果評估，生成控制結果記錄和協同狀態記錄，并結合任務分配結果集合與節點狀態表征結果執行自適應控制策略更新，使控制參數和控制策略能夠根據節點運行狀態、任務協同關系以及控制執行效果進行動態調整。通過形成節點狀態分析、本地控制決策、協同任務分配以及控制效果評估之間的閉環控制機制，能夠有效減少控制偏差的累積，提高控制策略的適應性和穩定性，從而提升整個嵌入式架構控制系統的運行可靠性和協同控制效果。