1.一种基于在线激励的边缘计算合作计算资源分配方法,其特征在于,该方法具体包括以下步骤:
S1.基于边缘计算工业物联网模型,建立任务合作计算模型,任务合作计算模型利用三种合作计算任务分配方式协同执行任务,三种合作计算任务分配方式的执行者包括主边缘计算服务器,相邻边缘计算服务器和设备集群,其中,主边缘计算服务器为用于汇总所有待处理任务的边缘计算服务器,
所述边缘计算工业物联网模型表示为:一组边缘计算服务器M={1,2,…M}和工业物联网终端设备N={1,2,…N},通过任一边缘计算服务器j∈M作为主边缘计算服务器接收其覆盖范围下工业物联网终端设备的任务请求,或通过相邻边缘计算服务器接收其它工业物联网终端设备的任务请求,当边缘计算服务器j∈M作为多个工业物联网终端设备的主边缘计算服务器时,使用Gj={1,2,…Gj}, 表示选择第j个边缘计算服务器作为主边缘计算服务器的一组工业物联网终端设备集合,相邻的边缘计算服务器集合表示为Qj={1,
2,…Qj},Qj∈M,第j个边缘计算服务器作为主边缘计算服务器下的工业物联网终端设备通过聚类形成多个集群,设备集群表示为Hj={H1,H2,…Hj},Hj表示第j个边缘计算服务器作为主边缘计算服务器下的工业物联网终端设备通过聚类形成的第Hj个集群,其中,边缘计算服务器包括主边缘计算服务器和相邻边缘计算服务器;
S2.利用任务合作计算模型,建立主边缘计算服务器与三种合作计算任务分配方式的执行者之间的在线拍卖模型,主边缘计算服务器为买方,三种合作计算任务分配方式的执行者为卖方,可信的第三方机构为拍卖商,其中,可信的第三方机构为位于边缘计算服务器的智能代理,负责交易过程和在线决策,交易过程和在线决策包括执行模式的选择和价格的确定;
S3.基于在线拍卖模型,建立买方所获得的效用模型和卖方所获得的效用模型,从而建立系统的效用模型;
S4.基于边缘计算服务器和工业物联网终端设备中计算资源的异构性,任务的动态性和异构性,根据任务的三种合作计算任务分配方式,通过系统的效用模型和在线拍卖特性,构建了系统效用最大化问题;
S5.任务到达主边缘计算服务器,主边缘计算服务器向拍卖商提供投标;
S6.拍卖商得到投标信息后,以最大化系统效用为目标决定任务的最优分配方案;
S7.判断拍卖过程中的个人理性特性,即确定买方付给赢家的支付价格,买方付给赢家的支付价格小于或等于投标价格,买方付给未获胜方支付价格为零,其中,赢家表示中标的卖家,即任务最优分配方案的执行者,未获胜方表示没中标的卖家;
S8.在买家付给赢家支付价格后,以最优分配方案执行任务。
2.根据权利要求1所述的基于在线激励的边缘计算合作计算资源分配方法,其特征在于,所述步骤S1中,在时间跨度T内,工业物联网终端设备i∈N的任务Aij在tij时刻到达主边缘计算服务器j∈M时,收集任务Aij相应的参量属性Aij={Sij,Wij,τij,tij},Sij是数据量大小,Wij是完成任务所需要的计算资源,τij是最大可容忍的延迟,tij表示任务Aij到达主边缘计算服务器的时间;
所述主边缘计算服务器承担汇集其管辖区域内所有工业物联网终端设备的任务请求,并负责处理这些任务请求,使用 i∈Gj∈N,j∈M,k∈K={ec,nc,dc}表示任务的分配方式,其中,ec,nc,dc分别表示主边缘计算服务器、相邻边缘计算服务器和设备集群, 表示任务Aij由主边缘计算服务器分配方式执行,否则表示任务Aij由相邻边缘计算服务器分配方式执行,否则 表示任务Aij由设备集群分配方式执行,否则 在设备集群分配方式中,首先将任务Aij分成较小的计算任务 然后,将每个计算任务 l=1,2,...,σij分配给设备集群中的设备v∈Hj,σij表示拆分的较小的计算任务数量,并采用 和 分别表示任务 数据量大小以及所需要的计算资源。
3.根据权利要求2所述的基于在线激励的边缘计算合作计算资源分配方法,其特征在于,所述步骤S2中,所述主边缘计算服务器汇集的任务请求可由其自行处理,也可分配由其相邻边缘计算服务器处理或由其管辖下的设备集群处理;所述主边缘计算服务器和合作计算任务分配方式的执行者之间的交互建模为在线拍卖,其中主边缘计算服务器是买方,合作计算任务分配方式的执行者是卖方,并且受信任的第三方是拍卖商;如果合作计算任务分配方式的执行者是主边缘计算服务器,则主边缘计算服务器既是买方也是卖方;如果合作计算任务分配方式的执行者是相邻边缘计算服务器和设备集群,则主边缘计算服务器是买方,相邻边缘计算服务器和设备群集是卖方。
4.根据权利要求3所述的基于在线激励的边缘计算合作计算资源分配方法,其特征在于,所述步骤S3包括以下步骤:
S31.所述买方,即主边缘计算服务器所获得的效用模型为:其中,Uij表示主边缘计算服务器j∈M对于设备i∈N的任务Aij的买方效用,k表示任务的分配方式,即k表示卖家,所述任务的分配方式包括主边缘计算服务器、相邻边缘计算服务器和设备集群三种, 表示任务的分配方式为k时任务Aij的投标价格, 表示买方对中标的任务的分配方式k执行任务Aij所付的支付价格;
S32.所述卖方所获得的效用模型为:其中,Uk表示卖家k的收益,对于主边缘计算服务器j∈M收到的来自设备i∈N的任务Aij,卖方的效用还取决卖方提供计算服务的成本, 为卖家k执行任务Aij消耗实际成本;
S33.基于在线拍卖模型,所述的系统的效用模型为:其中, i∈Gj∈N,j∈M,k∈K={ec,nc,dc}表示任务Aij由主边缘计算服务器、相邻边缘计算服务器和设备集群方式三种分配方式中的一种执行, 表示在线拍卖模型通过分配方式k执行任务Aij的总效用,表示为
5.根据权利要求4所述的基于在线激励的边缘计算合作计算资源分配方法,其特征在于,所述步骤S4具体包括以下内容:,所述的系统效用最大化问题为:
所述的系统效用最大化问题的约束条件为:任务的分配方式k在满足任务的时延、动态性、计算资源需求的同时,还满足边缘计算服务器中计算资源Rj的约束、工业物联网终端设备中计算资源Rv的约束以及主边缘计算服务器与相邻边缘计算服务器、主边缘计算服务器与工业物联网设备之间的带宽资源约束的限制条件时,卖家的投标才会被接受,任务才能够被成功完成;
此外,所述的系统效用最大化问题还需要满足在线拍卖特性,所述的在线拍卖特性包括激励兼容性、个人理性和计算效率特性,激励兼容性表示主边缘计算服务器不能虚报其收到的任务的投标信息,个人理性表示主边缘计算服务器对于其收到的任务的效用,即买方的效用不能少于0,计算效率表示所提的在线激励方式能够在多项式时间内求解问题;
在能够成功完成任务并且满足在线拍卖特性的卖家中选择系统效用最大的卖家作为赢家。
6.根据权利要求5所述的基于在线激励的边缘计算合作计算资源分配方法,其特征在于,所述步骤S5中,所述任务到达主边缘计算服务器,主边缘计算服务器向拍卖商提供投标具体包括:任务Aij到达主边缘计算服务器j∈M,主边缘计算服务器向拍卖商提供投标其中,tij表示任务Aij到达主边缘计算服务器的时间, 表示任务的分配方式为k时任务Aij的投标价格。
7.根据权利要求6所述的基于在线激励的边缘计算合作计算资源分配方法,其特征在于,所述步骤S6中:
所述拍卖商得到投标信息后,以最大化系统效用为目标决定任务Aij的最优分配方案,*
选择使任务Aij效用,即买方效用最大的分配方式k其中,Kij表示任务Aij的可行分配方式,所有分配方式中满足任务的时延、动态性、计算资源需求的同时,还满足边缘计算服务器中计算资源Rj的约束、工业物联网终端设备中计算资源Rv的约束以及主边缘计算服务器与相邻边缘计算服务器、主边缘计算服务器与工业物联网设备之间的带宽资源约束条件的为可行分配方式, 表示任务在tij时刻到达主边缘计算服务器时由分配方式k执行所需要的支付价格,其中,边缘计算服务器包括主边缘计算服务器和相邻边缘计算服务器;
将任务Aij效用,即买方效用Uij定义为选择分配方式k时的效用与0之间的较大值+
其中,函数[x]表示max{x,0};
当Uij>0时,表示任务Aij能够从在线拍卖过程中得到收益,即接受该任务Aij的投标;反之,当Uij<0时,则拒绝投标。
8.根据权利要求7所述的基于在线激励的边缘计算合作计算资源分配方法,其特征在于,所述步骤S7中:
所述确定赢家的支付价格,具体内容包括:任务Aij的支付价格 与资源使用量有关;
所述任务Aij的支付价格为任务Aij的分配方式为k时执行的时间段内各时刻支付价格的总和,因此,根据分配方式为k时各时刻单位资源价格计算任务Aij的支付价格;
任务Aij分配方式为k时的单位资源价格包括计算资源单位价格和传输带宽资源单位价格,采用pj(tij),pi(tij)分别表示在tij时刻任务Aij到达时,边缘计算服务器和工业物联网终端设备在tij时刻的计算资源单位价格;pj,q(tij),pj,v(tij)分别表示在tij时刻任务Aij到达时,主边缘计算服务器j∈M到相邻的边缘计算服务器q∈Qj在tij时刻传输带宽资源单位价格,以及主边缘计算服务器j∈M到其覆盖下的工业物联网终端设备v∈Hj在tij时刻传输带宽资源单位价格,其中,边缘计算服务器包括主边缘计算服务器和相邻边缘计算服务器;
由于单位资源价格与在tij时刻到达的任务Aij采用任务分配方式k的资源使用量有关,如果资源使用量发生改变,任务分配方式k同时更新计算资源使用量和传输带宽资源使用量,采用gj(t,tij),gi(t,tij)分别表示在tij时刻到达的任务Aij在t时刻的边缘计算服务器j∈M和工业物联网终端设备i∈N的计算资源使用量,gj,q(t,tij),gj,v(t,tij)分别表示在tij时刻到达的任务Aij在t时刻的主边缘计算服务器j∈M到相邻的边缘计算服务器q∈Qj的传输带宽资源使用量,以及主边缘计算服务器j∈M到其覆盖下的终端设备v∈Hj的传输带宽资源使用量,单位资源价格函数表示为:上述公式中,参数βj,βi分别表示边缘计算服务器j∈M和工业物联网终端设备i∈N的计算资源在在线拍卖模型中的相对权值,参数βj,q,βj,v分别表示主边缘计算服务器j∈M到相邻边缘计算服务器q∈Qj,以及主边缘计算服务器j∈M到其覆盖下的终端设备v∈Hj的传输带宽资源在在线拍卖模型中的相对权值; 分别表示边缘计算服务器j∈M和终端设备i∈N的单位计算资源的初始价格, 分别表示主边缘计算服务器j∈M到相邻边缘计算服务器q∈Qj以及主边缘计算服务器j∈M到其覆盖下的终端设备v∈Hj的单位传输带宽资源初始价格,α≥0决定了单位资源价格的函数形式; 分别表示任务Aij在主边缘计算服务器j∈M开始处理和结束处理的时刻, 分别表示任务Aij划分后的较小的计算任务 在终端设备v∈Hj开始处理和结束处理的时刻, 分别表示任务Aij从主边缘计算服务器j∈M到相邻边缘计算服务器q∈Qj开始传输和传输结束的时刻, 分别表示任务Aij划分后的较小的计算任务 从主边缘计算服务器j∈M到其覆盖下的终端设备v∈Hj开始传输和传输结束的时刻,根据任务Aij的可行分配方式Kij,如果分配方式为主边缘计算服务器,消耗边缘计算服务器的计算资源为Wij;如果分配方式为相邻边缘计算服务器,消耗边缘计算服务器的计算资源和传输带宽资源分别为Wij, 如果分配方式为工业物联网终端设备集群,任务Aij中的较小的计算任务 消耗设备集群中终端设备v的计算资源为消耗的传输带宽资源为 因此,支付价格表示为其中,pq(tij)表示在tij时刻任务Aij到达时,相邻边缘计算服务器q∈Qj在tij时刻的计算资源单位价格,由pj(tij)转换而来,cij表示任务Aij由主边缘计算服务器执行消耗的时间和能量代价, 表示任务Aij由相邻边缘计算服务器执行消耗的时间和能量代价, 表示任务Aij中的较小的计算任务 由终端设备v∈Hj执行消耗的时间和能量代价;
计算资源使用量发生改变时,资源提供者,即边缘计算服务器和工业物联网终端设备会同时更新gj(t,tij),gi(t,tij),单位资源价格也随之更新,gj(t,tij),gi(t,tij)的更新公式为:
其中,tcu表示当前时刻,Wij, 分别表示任务Aij和任务 所需的计算资源,传输带宽资源gj,q(t,tij),gj,v(t,tij)的值也会随时间变化而更新其中, 分别表示任务Aij从主边缘计算服务器j∈M到相邻的边缘计算服务器q∈Qj,以及任务 从主边缘计算服务器j∈M到其覆盖下的终端设备v∈Hj消耗的传输带宽资源。