面向配電網(wǎng)的邊端協(xié)同語義通信方法及系統(tǒng)與流程

本發(fā)明涉及通信，具體地涉及一種面向配電網(wǎng)的邊端協(xié)同語義通信方法及一種面向配電網(wǎng)的邊端協(xié)同語義通信系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、配電網(wǎng)作為電力輸送的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其穩(wěn)定、高效的運(yùn)行直接關(guān)系到電力供應(yīng)的保障。在現(xiàn)代配電網(wǎng)絡(luò)中，隨著電力系統(tǒng)的智能化發(fā)展，終端設(shè)備的數(shù)量和種類不斷增加，這些終端設(shè)備廣泛部署在各類環(huán)境中，用于采集電壓、電流、頻率、設(shè)備狀態(tài)、故障狀況以及安全狀況等大量數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的收集和傳輸對于實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、控制和優(yōu)化具有重要意義。然而，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸方案在實(shí)際應(yīng)用中面臨著諸多技術(shù)問題，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的整體性能和可靠性。

2、隨著終端設(shè)備數(shù)量的增加，數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級增長，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式需要將這些數(shù)據(jù)通過無線通信方式傳輸至邊緣服務(wù)器進(jìn)行處理。這種集中式的數(shù)據(jù)處理模式帶來了巨大的通信負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致傳輸通道的擁塞和傳輸延遲的增加。此外，數(shù)據(jù)的集中處理也導(dǎo)致邊緣服務(wù)器承受著巨大的計(jì)算壓力，容易形成處理瓶頸，降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。在復(fù)雜的配電環(huán)境中，數(shù)據(jù)傳輸面臨電磁干擾、網(wǎng)絡(luò)延遲、信道干擾以及惡意攻擊等多重威脅。這些因素不僅導(dǎo)致了數(shù)據(jù)傳輸過程中誤比特率的增加，還可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失和傳輸錯(cuò)誤，最終影響到邊緣服務(wù)器對原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確恢復(fù)。這種信息恢復(fù)的困難，直接影響了故障監(jiān)測、狀態(tài)監(jiān)測等關(guān)鍵應(yīng)用的準(zhǔn)確性，可能導(dǎo)致故障檢測滯后，甚至對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來隱患。

3、現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸方案在應(yīng)對動(dòng)態(tài)變化的配電環(huán)境時(shí)，缺乏足夠的靈活性和魯棒性。面對不確定的信道條件和網(wǎng)絡(luò)狀況，傳統(tǒng)的傳輸方式難以自適應(yīng)調(diào)整傳輸策略，進(jìn)一步加劇了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t和可靠性問題。總體而言，現(xiàn)有方案在大規(guī)模配電網(wǎng)中存在的技術(shù)問題包括：通信負(fù)擔(dān)重、傳輸延遲大、處理瓶頸明顯，以及在復(fù)雜環(huán)境下的高誤比特率和數(shù)據(jù)恢復(fù)困難。這些問題嚴(yán)重制約了配電網(wǎng)監(jiān)測與控制的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，亟需一種能夠有效降低通信負(fù)擔(dān)、提高數(shù)據(jù)傳輸效率和抗干擾能力的改進(jìn)方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明實(shí)施方式的目的是提供一種面向配電網(wǎng)的邊端協(xié)同語義通信方法及系統(tǒng)，以至少解決現(xiàn)有配電網(wǎng)邊端協(xié)同通信存在的通信負(fù)擔(dān)重和傳輸延遲大的問題。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明第一方面提供一種面向配電網(wǎng)的邊端協(xié)同語義通信方法，應(yīng)用于邊緣服務(wù)器與終端側(cè)設(shè)備之間的語義通信，所述邊緣服務(wù)器與多個(gè)終端側(cè)設(shè)備通信連接，所述方法由終端側(cè)設(shè)備執(zhí)行，所述方法包括：周期性地采集設(shè)置位置的圖像數(shù)據(jù)，并周期性地構(gòu)建對應(yīng)的圖像測試樣本集；對所述圖像測試樣本集依次執(zhí)行語義編碼和信道編碼，獲得傳輸樣本集，并將所述傳輸樣本集發(fā)送到對應(yīng)的邊緣服務(wù)器；供所述邊緣服務(wù)器對接收的各終端側(cè)設(shè)備的傳輸樣本集依次執(zhí)行信道解碼和語義解碼，對應(yīng)獲得各終端側(cè)設(shè)備的解碼圖像樣本集，并基于各解碼圖像樣本集與對應(yīng)的圖像測試樣本集對比關(guān)系計(jì)算傳輸損失值；以傳輸損失值最小為迭代目標(biāo)，執(zhí)行與邊緣服務(wù)器之間的多輪圖像測試樣本集傳輸，邊緣服務(wù)器基于隨機(jī)梯度下降算法執(zhí)行語義編碼模型參數(shù)、信道編碼模型參數(shù)、信道解碼模型參數(shù)和語義解碼模型參數(shù)迭代，并基于對應(yīng)輸出的各模型參數(shù)建立與各終端側(cè)設(shè)備之間的通信連接；基于建立的通信連接周期性地將采集的實(shí)際圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到對應(yīng)的邊緣服務(wù)器。

3、可選的，對所述圖像測試樣本集執(zhí)行語義編碼的編碼規(guī)則為：

4、

5、其中，為語義編碼器；αk為第k個(gè)終端側(cè)設(shè)備的語義編碼模型參數(shù)；i為圖像測試樣本集；r為圖像的特征嵌入維度；h和w分別為各圖像的高度和寬度；ei為語義編碼后的語義特征。

6、可選的，對所述圖像測試樣本集執(zhí)行信道編碼的編碼規(guī)則：

7、

8、其中，為信道編碼器；βk為第k個(gè)終端側(cè)設(shè)備的信道編碼模型參數(shù)i為圖像測試樣本集；r為圖像的特征嵌入維度；h和w分別為各圖像的高度和寬度；xi為信道編碼后的語義特征。

9、可選的，所述將所述傳輸樣本集發(fā)送到對應(yīng)的邊緣服務(wù)器的傳輸規(guī)則為：基于加性白高斯噪聲信道，將對應(yīng)的邊緣服務(wù)器作為接收端執(zhí)行所述傳輸樣本集傳輸，傳輸規(guī)則為：

10、

11、其中，為受到干擾后的語義特征；xi為信道編碼后的語義特征；n為噪聲；r為圖像的特征嵌入維度；h和w分別為各圖像的高度和寬度。

12、可選的，所述邊緣服務(wù)器在對接收的各終端側(cè)設(shè)備的傳輸樣本集執(zhí)行解碼時(shí)被配置為：

13、對接收的各終端側(cè)設(shè)備的傳輸樣本集依次執(zhí)行信道解碼和語義解碼，獲得對應(yīng)的解碼圖像樣本集；其中，信道解碼規(guī)則為：語義解碼規(guī)則為：其中，表示信道編碼器；χ表示部署在邊緣服務(wù)器上的信道解碼模型參數(shù)；表示信道編碼器；δ表示部署在邊緣服務(wù)器上的語義解碼模型參數(shù)；r為圖像的特征嵌入維度；h和w分別為各圖像的高度和寬度；yi為信道解碼后的語義特征；為解碼圖像樣本集。

14、可選的，在執(zhí)行第一輪迭代時(shí)，所述邊緣服務(wù)器被配置為：基于各終端側(cè)設(shè)備的語義編碼模型參數(shù)和信道編碼模型參數(shù)執(zhí)行參數(shù)聚合，獲得全局模型參數(shù)；基于所述全局模型參數(shù)，完成一次傳輸樣本集解碼，將對應(yīng)的信道解碼模型參數(shù)和語義解碼模型參數(shù)作為迭代的初始信道解碼模型參數(shù)和初始語義解碼模型參數(shù)。

15、可選的，邊緣服務(wù)器基于各終端側(cè)設(shè)備的語義編碼模型參數(shù)和信道編碼模型參數(shù)執(zhí)行參數(shù)聚合，獲得全局模型參數(shù)，包括：邊緣服務(wù)器分別對比各終端側(cè)設(shè)備對應(yīng)的傳輸損失值，基于各終端側(cè)設(shè)備對應(yīng)的傳輸損失值執(zhí)行各終端側(cè)設(shè)備權(quán)重分配，傳輸損失值越小，對應(yīng)的權(quán)重越大；基于權(quán)重分配結(jié)果，執(zhí)行各終端側(cè)設(shè)備的語義編碼模型參數(shù)和信道編碼模型參數(shù)執(zhí)行參數(shù)聚合，獲得全局模型參數(shù)，表示為：

16、

17、

18、其中，α和β為全局模型參數(shù)；k為終端側(cè)設(shè)備數(shù)量；ωk為第k個(gè)終端側(cè)設(shè)備的分配權(quán)重；αk為第k個(gè)終端側(cè)設(shè)備的語義編碼模型參數(shù)；βk為第k個(gè)終端側(cè)設(shè)備的信道編碼模型參數(shù)；nk為第k個(gè)終端側(cè)設(shè)備與邊緣服務(wù)器之間無線通信的信道噪聲。

19、可選的，在每一輪迭代過程中，所述邊緣服務(wù)器被配置為：分別發(fā)送對應(yīng)的語義編碼模型參數(shù)和信道編碼模型參數(shù)，并基于本輪次迭代后傳輸損失值更新各終端側(cè)設(shè)備的語義編碼模型參數(shù)和信道編碼模型參數(shù)，作為下一迭代輪次對應(yīng)終端側(cè)設(shè)備的初始語義編碼模型參數(shù)和初始信道編碼模型參數(shù)；基于各終端側(cè)設(shè)備的語義編碼模型參數(shù)和信道編碼模型參數(shù)對各終端側(cè)設(shè)備執(zhí)行順序?qū)W習(xí)，每完成一個(gè)終端側(cè)設(shè)備的學(xué)習(xí)，執(zhí)行一次信道解碼模型參數(shù)和語義解碼模型參數(shù)更新，直到完成本輪迭代，將最后一個(gè)終端側(cè)設(shè)備學(xué)習(xí)后更新的信道解碼模型參數(shù)和語義解碼模型參數(shù)作為下一迭代輪次邊緣服務(wù)器的初始信道解碼模型參數(shù)和初始語義解碼模型參數(shù)。

20、可選的，邊緣服務(wù)器進(jìn)行下一迭代輪次各終端側(cè)設(shè)備的初始編碼模型參數(shù)和初始信道編碼模型參數(shù)更新的更新規(guī)則為：

21、

22、

23、其中，為第k個(gè)終端側(cè)設(shè)備下一迭代輪次的初始語義編碼模型參數(shù)；為第k個(gè)終端側(cè)設(shè)備下一迭代輪次的初始信道編碼模型參數(shù)；為本輪次第k個(gè)終端側(cè)設(shè)備的初始語義編碼模型參數(shù)；為本輪次第k個(gè)終端側(cè)設(shè)備的初始信道編碼模型參數(shù)；η為學(xué)習(xí)率；為本輪次第k個(gè)終端側(cè)設(shè)備對應(yīng)的傳輸損失值的梯度。

24、可選的，邊緣服務(wù)器基于各終端側(cè)設(shè)備的語義編碼模型參數(shù)和信道編碼模型參數(shù)對各終端側(cè)設(shè)備執(zhí)行順序?qū)W習(xí)，每完成一個(gè)終端側(cè)設(shè)備的學(xué)習(xí)，執(zhí)行一次信道解碼模型參數(shù)和語義解碼模型參數(shù)更新的更新規(guī)則為：

25、

26、

27、其中，為邊緣服務(wù)器執(zhí)行第k個(gè)終端側(cè)設(shè)備信道解碼時(shí)對應(yīng)的信道解碼模型參數(shù)；為邊緣服務(wù)器執(zhí)行第k個(gè)終端側(cè)設(shè)備語義解碼時(shí)對應(yīng)的語義解碼模型參數(shù)；為邊緣服務(wù)器執(zhí)行第k-1個(gè)終端側(cè)設(shè)備信道解碼時(shí)對應(yīng)的信道解碼模型參數(shù)；為邊緣服務(wù)器執(zhí)行第k-1個(gè)終端側(cè)設(shè)備語義解碼時(shí)對應(yīng)的語義解碼模型參數(shù)；η為學(xué)習(xí)率；為第k-1個(gè)終端側(cè)設(shè)備對應(yīng)的傳輸損失值的梯度。

28、可選的，邊緣服務(wù)器將最后一個(gè)終端側(cè)設(shè)備學(xué)習(xí)后更新的信道解碼模型參數(shù)和語義解碼模型參數(shù)作為下一迭代輪次邊緣服務(wù)器的初始信道解碼模型參數(shù)和初始語義解碼模型參數(shù)的規(guī)則為：

29、

30、

31、其中，χ(t+1)為下一迭代輪次邊緣服務(wù)器的初始信道解碼模型參數(shù)；δ(t+1)為下一迭代輪次邊緣服務(wù)器的初始語義解碼模型參數(shù)；為本輪次邊緣服務(wù)器執(zhí)行最后一個(gè)終端側(cè)設(shè)備信道解碼的信號(hào)解碼模型參數(shù)；為本輪次邊緣服務(wù)器執(zhí)行最后一個(gè)終端側(cè)設(shè)備語義解碼的語義解碼模型參數(shù)；η為學(xué)習(xí)率；為第本輪次最后一個(gè)終端側(cè)設(shè)備對應(yīng)的傳輸損失值的梯度。

32、本發(fā)明第二方面提供一種面向配電網(wǎng)的邊端協(xié)同語義通信方法，應(yīng)用于邊緣服務(wù)器與終端側(cè)設(shè)備之間的語義通信，所述邊緣服務(wù)器與多個(gè)終端側(cè)設(shè)備通信連接，所述方法由邊緣服務(wù)器執(zhí)行，所述方法包括：周期性地接收各終端側(cè)設(shè)備上傳的傳輸樣本集；其中，所述傳輸樣本集基于各終端側(cè)設(shè)備通過以下規(guī)則獲得：周期性地采集設(shè)置位置的圖像數(shù)據(jù)，并周期性地構(gòu)建對應(yīng)的圖像測試樣本集；對所述圖像測試樣本集依次執(zhí)行語義編碼和信道編碼，獲得傳輸樣本集；對接收的各終端側(cè)設(shè)備的傳輸樣本集依次執(zhí)行信道解碼和語義解碼，對應(yīng)獲得各終端側(cè)設(shè)備的解碼圖像樣本集，并基于各解碼圖像樣本集與對應(yīng)的圖像測試樣本集對比關(guān)系計(jì)算傳輸損失值；以傳輸損失值最小為迭代目標(biāo)，執(zhí)行與各終端側(cè)設(shè)備之間的多輪圖像測試樣本集傳輸，基于隨機(jī)梯度下降算法執(zhí)行語義編碼模型參數(shù)、信道編碼模型參數(shù)、信道解碼模型參數(shù)和語義解碼模型參數(shù)迭代，并基于對應(yīng)輸出的各模型參數(shù)建立與各邊緣側(cè)設(shè)備之間的通信連接；基于建立的通信連接周期性地回收各邊緣側(cè)設(shè)備采集的實(shí)際圖像數(shù)據(jù)。

33、可選的，在每一輪迭代過程中，所述方法包括：分別發(fā)送對應(yīng)的語義編碼模型參數(shù)和信道編碼模型參數(shù)，并基于本輪次迭代后傳輸損失值更新各終端側(cè)設(shè)備的語義編碼模型參數(shù)和信道編碼模型參數(shù)，作為下一迭代輪次對應(yīng)終端側(cè)設(shè)備的初始語義編碼模型參數(shù)和初始信道編碼模型參數(shù)；基于各終端側(cè)設(shè)備的語義編碼模型參數(shù)和信道編碼模型參數(shù)對各終端側(cè)設(shè)備執(zhí)行順序?qū)W習(xí)，每完成一個(gè)終端側(cè)設(shè)備的學(xué)習(xí)，執(zhí)行一次信道解碼模型參數(shù)和語義解碼模型參數(shù)更新，直到完成本輪迭代，將最后一個(gè)終端側(cè)設(shè)備學(xué)習(xí)后更新的信道解碼模型參數(shù)和語義解碼模型參數(shù)作為下一迭代輪次邊緣服務(wù)器的初始信道解碼模型參數(shù)和初始語義解碼模型參數(shù)。

34、可選的，邊緣服務(wù)器進(jìn)行下一迭代輪次各終端側(cè)設(shè)備的初始編碼模型參數(shù)和初始信道編碼模型參數(shù)更新的更新規(guī)則為：

35、

36、

37、其中，為第k個(gè)終端側(cè)設(shè)備下一迭代輪次的初始語義編碼模型參數(shù)；為第k個(gè)終端側(cè)設(shè)備下一迭代輪次的初始信道編碼模型參數(shù)；為本輪次第k個(gè)終端側(cè)設(shè)備的初始語義編碼模型參數(shù)；為本輪次第k個(gè)終端側(cè)設(shè)備的初始信道編碼模型參數(shù)；η為學(xué)習(xí)率；為本輪次第k個(gè)終端側(cè)設(shè)備對應(yīng)的傳輸損失值的梯度。

38、可選的，邊緣服務(wù)器基于各終端側(cè)設(shè)備的語義編碼模型參數(shù)和信道編碼模型參數(shù)對各終端側(cè)設(shè)備執(zhí)行順序?qū)W習(xí)，每完成一個(gè)終端側(cè)設(shè)備的學(xué)習(xí)，執(zhí)行一次信道解碼模型參數(shù)和語義解碼模型參數(shù)更新的更新規(guī)則為：

39、

40、

41、其中，為邊緣服務(wù)器執(zhí)行第k個(gè)終端側(cè)設(shè)備信道解碼時(shí)對應(yīng)的信道解碼模型參數(shù)；為邊緣服務(wù)器執(zhí)行第k個(gè)終端側(cè)設(shè)備語義解碼時(shí)對應(yīng)的語義解碼模型參數(shù)；為邊緣服務(wù)器執(zhí)行第k-1個(gè)終端側(cè)設(shè)備信道解碼時(shí)對應(yīng)的信道解碼模型參數(shù)；為邊緣服務(wù)器執(zhí)行第k-1個(gè)終端側(cè)設(shè)備語義解碼時(shí)對應(yīng)的語義解碼模型參數(shù)；η為學(xué)習(xí)率；為第k-1個(gè)終端側(cè)設(shè)備對應(yīng)的傳輸損失值的梯度。

42、可選的，邊緣服務(wù)器將最后一個(gè)終端側(cè)設(shè)備學(xué)習(xí)后更新的信道解碼模型參數(shù)和語義解碼模型參數(shù)作為下一迭代輪次邊緣服務(wù)器的初始信道解碼模型參數(shù)和初始語義解碼模型參數(shù)的規(guī)則為：

43、

44、

45、其中，χ(t+1)為下一迭代輪次邊緣服務(wù)器的初始信道解碼模型參數(shù)；δ(t+1)為下一迭代輪次邊緣服務(wù)器的初始語義解碼模型參數(shù)；為本輪次邊緣服務(wù)器執(zhí)行最后一個(gè)終端側(cè)設(shè)備信道解碼的信號(hào)解碼模型參數(shù)；為本輪次邊緣服務(wù)器執(zhí)行最后一個(gè)終端側(cè)設(shè)備語義解碼的語義解碼模型參數(shù)；η為學(xué)習(xí)率；為第本輪次最后一個(gè)終端側(cè)設(shè)備對應(yīng)的傳輸損失值的梯度。

46、本發(fā)明第三方面提供一種面向配電網(wǎng)的邊端協(xié)同語義通信系統(tǒng)，應(yīng)用于邊緣服務(wù)器與終端側(cè)設(shè)備之間的語義通信，所述邊緣服務(wù)器與多個(gè)終端側(cè)設(shè)備通信連接，所述系統(tǒng)包括：用于執(zhí)行上述的面向配電網(wǎng)的邊端協(xié)同語義通信方法的終端側(cè)設(shè)備，以及用于執(zhí)行上述的面向配電網(wǎng)的邊端協(xié)同語義通信方法的邊緣服務(wù)器。

47、本發(fā)明第四方面提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)該計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)上儲(chǔ)存有指令，其在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)使得計(jì)算機(jī)執(zhí)行上述的面向配電網(wǎng)的邊端協(xié)同語義通信方法。

48、本發(fā)明第五方面提供一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序在被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)上述的面向配電網(wǎng)的邊端協(xié)同語義通信方法。

49、通過上述技術(shù)方案，本發(fā)明方案提出的面向配電網(wǎng)的邊端協(xié)同語義通信方法通過在邊緣服務(wù)器與多個(gè)終端設(shè)備之間應(yīng)用語義通信技術(shù)，顯著提升了配電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃?。首先，終端設(shè)備周期性地采集圖像數(shù)據(jù)，并在本地執(zhí)行語義編碼和信道編碼，大大減少了數(shù)據(jù)維度，從而降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ咆?fù)擔(dān)。隨后，經(jīng)過編碼處理后的數(shù)據(jù)被發(fā)送至邊緣服務(wù)器，邊緣服務(wù)器對接收到的樣本集進(jìn)行信道解碼和語義解碼，恢復(fù)出原始圖像數(shù)據(jù)，并計(jì)算傳輸損失值。通過多輪迭代優(yōu)化，邊緣服務(wù)器利用隨機(jī)梯度下降算法不斷調(diào)整和優(yōu)化語義編碼、信道編碼、信道解碼和語義解碼的模型參數(shù)，使得系統(tǒng)能夠自適應(yīng)地降低傳輸損失值。這種協(xié)同優(yōu)化過程不僅提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_性，還增強(qiáng)了系統(tǒng)對信道干擾的抗擾能力。

50、本發(fā)明實(shí)施方式的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的具體實(shí)施方式部分予以詳細(xì)說明。