XTU 4.0 智慧网关容器化软件架构设计方案

1. 项目背景与目标回顾

XTU 4.0智慧网关旨在成为配电台区的边缘计算核心，解决传统XTU算力与存储瓶颈，并提升配网智能化水平。其核心硬件配置，如全志 T527 主控芯片（八核 ARM Cortex-A55 CPU，内置 2 TOPS NPU，Mali-G52 GPU）、8GB LPDDR4 内存、64GB eMMC 系统存储以及可扩展的 256GB/512GB SSD/TF 数据存储，加上丰富的通信接口（多路以太网、4G/5G、RS485/RS232、USB），为容器化应用的部署提供了坚实的基础。

本软件架构设计的核心目标是：

• 充分利用XTU 4.0硬件能力：特别是NPU的AI算力、大内存和可扩展存储。
• 实现应用容器化：将不同业务逻辑（如计量、设备健康分析、电池监控、AI分析等）封装为独立的容器应用。
• 支持灵活部署与升级：通过容器编排和远程管理，实现应用的快速迭代和远程更新。
• 保障系统稳定性与安全性：提供健壮的底层平台和安全机制。
• 促进云边协同：与云端平台无缝对接，实现统一管理和数据流转。

2. 总体软件架构分层设计

我们将XTU 4.0的软件架构划分为三个主要层次，并明确容器在其中的定位：

1. 系统软件层 (System Software Layer)：作为硬件和上层软件之间的桥梁，提供稳定的操作系统环境和硬件驱动。
2. 边缘平台层 (Edge Platform Layer)：这是容器化架构的核心，提供容器运行时、编排管理、数据总线、南向设备接入、北向云端通信等共享服务。
3. 应用服务层 (Application Service Layer)：由一系列独立的容器应用组成，承载具体的业务逻辑和AI分析功能。

3. 各层详细设计

3.1. 系统软件层 (System Software Layer)

该层直接运行在XTU 4.0硬件之上，为上层提供稳定、安全的运行环境。

• 操作系统 (Operating System)

  • 选择：根据原文档建议，采用基于 Yocto 或 Buildroot 或 麒麟/鸿蒙 构建的定制化 Linux 发行版。考虑到ARM架构和嵌入式环境，Yocto或Buildroot能提供极高的定制性和裁剪能力，生成最小化的系统镜像，减少资源占用和攻击面。
  • 特性：
    • 轻量化：裁剪不必要的服务和组件，只保留核心功能。
    • 硬化内核：应用安全补丁，禁用不必要的内核模块，提升系统安全性。
    • 实时性优化 (可选)：针对部分对实时性有要求的应用，可考虑集成PREEMPT_RT补丁。
    • 文件系统：推荐使用只读根文件系统（Read-Only Root Filesystem）配合可写数据分区，提高系统稳定性，防止意外修改和恶意篡改。
  • 启动安全：支持 Secure Boot，确保只有经过签名的固件和操作系统才能启动，防止恶意代码注入。

• 设备驱动 (Device Drivers)

  • NPU驱动：提供全志T527内置2 TOPS NPU的稳定驱动和SDK，供上层AI应用容器调用。这通常包括TensorFlow Lite、ONNX Runtime等推理框架的优化支持。
  • GPU驱动：提供Mali-G52的驱动，用于视频解码和图形处理。
  • 通信接口驱动：包括以太网、4G/5G模组、RS485/RS232、USB等所有接口的稳定驱动。
  • 存储驱动：eMMC、M.2 SSD、TF卡等存储设备的驱动。
  • 看门狗 (Watchdog)：硬件看门狗的驱动和管理接口，确保系统在异常时能自动恢复。

3.2. 边缘平台层 (Edge Platform Layer)

这是XTU 4.0智慧网关软件架构的核心，负责容器的生命周期管理、数据路由、设备接入和云端通信。它提供了一系列共享服务，供上层应用容器调用。

• 容器引擎 (Container Engine)

  • 选择：推荐使用 Podman。相比Docker CE，Podman是无守护进程（daemonless）的，更轻量级，更适合资源受限的边缘设备，且兼容Docker镜像和CLI命令。它也支持以非root用户运行容器，提高了安全性。
  • 功能：负责容器的创建、启动、停止、删除、资源限制、网络隔离等生命周期管理。

• 边缘容器编排与管理 (Edge Container Orchestration & Management)

  • 选择：强烈建议集成如 KubeEdge 的 EdgeCore 或 百度智能云 Baetyl 等开源边缘计算框架。
  • 功能：
    • 云边协同：与云端的Kubernetes (K8s) 或其他容器管理平台无缝对接，实现应用容器的远程部署、升级、回滚和配置管理。
    • 边缘自治：在与云端断开连接时，边缘节点能够独立运行已部署的应用，并在恢复连接后同步状态。
    • 资源调度：根据XTU 4.0的硬件资源（CPU、NPU、内存、存储），合理分配给不同的容器应用。
    • 健康监控：监控容器的运行状态、资源使用情况，并在异常时自动重启或告警。
    • 服务发现：允许容器应用之间通过服务名称进行通信，无需关心IP地址。

• 数据总线 / 消息中间件 (Data Bus / Message Middleware)

  • 选择：内置轻量级 MQTT Broker (如 EMQX-Nano 或 Mosquitto)。
  • 功能：
    • 解耦：实现网关内部各应用容器间的松耦合通信，应用只需关注数据主题，无需了解数据源或消费者。
    • 高效通信：基于发布/订阅模式，支持多对多通信。
    • 数据路由：作为所有南向数据和应用处理结果的汇聚点和分发中心。
    • 本地缓存：支持消息持久化，确保在消费者离线时消息不丢失。

• 南向驱动 / 协议栈服务 (Southbound Driver / Protocol Stack Service)

  • 设计：作为一个独立的平台服务（或运行在专用容器中），以插件化形式提供。
  • 功能：
    • 统一设备接入：负责与终端感知层设备（XTU、FTU、传感器、摄像头等）进行通信。
    • 协议支持：支持电力行业标准协议（Modbus RTU/TCP、IEC60870-5-101/103/104、DL/T645等）和视频协议（ONVIF/RTSP）。
    • 数据采集：将采集到的原始数据标准化后发布到内部数据总线。
    • 设备控制：支持对终端设备的远程控制指令下发。
    • 配置管理：提供API供上层应用配置采集点、采集频率等。

• 北向代理服务 (Northbound Agent Service)

  • 设计：作为独立的平台服务（或运行在专用容器中）。
  • 功能：
    • 云端通信：负责与云端业务主站 (OCS) 和运维管控平台 (OMP) 进行安全通信。
    • 协议：采用 MQTT 协议，支持 TLS 1.2/1.3 加密和双向认证，确保数据传输安全。
    • 断线重连：具备断线自动重连机制，保障通信可靠性。
    • 数据上报：将经过边缘处理后的高价值结果数据、告警信息、网关自身运维数据（如容器健康状态、资源使用率）安全上报至云端。
    • 指令下发：接收云端下发的配置更新、应用部署/升级指令。

• 本地数据存储服务 (Local Data Storage Service)

  • 设计：提供一个共享的、高性能的本地数据存储服务，利用XTU 4.0的可扩展SSD/TF卡存储。
  • 功能：
    • 时序数据库：可部署轻量级时序数据库（如 InfluxDB 或 TimescaleDB on PostgreSQL）容器，用于存储基础数据处理应用采集的时序数据（三遥、SOE、电能质量等）。
    • 文件存储：提供共享存储卷，用于缓存原始录波文件、视频片段、日志文件、AI模型文件等大文件。
    • 数据管理：支持数据生命周期管理，如定期清理、压缩或按策略上报后删除。

• 资源管理与监控服务 (Resource Management & Monitoring Service)

  • 功能：监控XTU 4.0的整体硬件资源（CPU、NPU、内存、存储、网络带宽）使用情况，以及各容器的资源占用。
  • 告警：在资源达到阈值时触发告警，并通过北向代理上报至云端。
  • 日志收集：统一收集所有容器和平台服务的日志，进行本地存储和按需上报。

3.3. 应用服务层 (Application Service Layer)

该层是具体的业务逻辑实现，每个应用都以独立的容器形式部署和运行。

• 容器化原则：

  • 单一职责：每个容器只负责一个核心业务功能。
  • 轻量化：容器镜像尽可能小，只包含应用运行所需的最小依赖。
  • 无状态 (尽可能)：应用容器本身不存储持久化数据，所有数据通过数据总线或本地存储服务进行交互。
  • 资源限制：为每个容器配置CPU、内存等资源限制，防止单个应用耗尽系统资源。
  • 健康检查：容器内提供健康检查接口，供边缘编排框架监控。

• 典型应用容器示例 (可根据业务需求扩展)：

  1. 基础数据处理应用 (Basic Data Processing App)

     • 功能：订阅南向协议服务采集到的原始数据（三遥、SOE、电能参数等），进行数据清洗、格式转换、时序对齐，并存储到本地时序数据库。
     • 上报策略：根据配置（周期上报、变化上报、告警触发上报），将处理后的精简数据发布到数据总线，供北向代理上报。

  2. 计量应用 (Metering App) (用户需求)

     • 功能：从数据总线订阅电能计量数据，进行本地存储、结算、异常检测。
     • 上报：将计量结果和异常信息发布到数据总线。

  3. 配网设备健康分析应用 (Grid Device Health Analysis App)

     • 功能：订阅变压器、开关、线路的电流、电压、温度、振动等数据。
     • AI分析：利用内置NPU，运行预训练的AI模型（如基于LSTM的时间序列异常检测），对设备健康度进行评分和异常预警。
     • 输出：生成健康报告或预警信息，发布到数据总线。

  4. 电池监控应用 (Battery Monitoring App) (用户需求)

     • 功能：订阅电池组的电压、电流、温度、SOC、SOH等数据。
     • AI分析：利用NPU执行电池寿命预测、故障诊断（如过充过放、内阻异常）等AI模型。
     • 输出：实时电池状态、告警和预测结果。

  5. 暂态录波智能分析应用 (Transient Waveform AI Analysis App)

     • 功能：订阅录波数据文件（或触发录波事件），利用NPU对录波数据进行特征提取。
     • AI模型：运行基于CNN、RNN或Transformer的AI模型，判断故障类型（如金属性接地、弧光接地、相间短路等）。
     • 输出：生成故障研判报告（包括故障类型、发生时间、故障相别等），发布到数据总线。

  6. 视频 / 红外智能巡检应用 (Video / Infrared AI Inspection App)

     • 功能：订阅南向协议服务提供的视频流或红外图像流。
     • AI分析：利用NPU进行实时图像识别和分析，例如：
       • 表计读数识别（数字OCR）。
       • 开关分合状态识别。
       • 设备发热异常点检测（红外图像分析）。
       • 异物入侵、人员闯入检测。
     • 输出：识别结果、告警截图或视频片段，发布到数据总线。

  7. 本地管理与运维应用 (Local Management & O&M App)

     • 功能：提供本地Web界面或API接口，供现场运维人员进行：
       • 南向采点配置。
       • 数据上报策略调整。
       • 本地日志查看。
       • 容器状态查看。
     • 安全性：需严格的认证授权机制。

• 容器间通信：

  • MQTT：主要通过订阅/发布MQTT主题进行数据交换。
  • 共享存储卷：对于大文件（如录波文件、视频片段、AI模型），可以通过挂载共享存储卷进行传递。
  • RESTful API：部分管理类服务可以通过HTTP/HTTPS API进行调用。

4. 协同模式与部署运维

4.1. 云边协同模式

• 云端运维管控平台 (OMP) 的角色：

  • 统一编排：作为云端K8s集群的扩展，通过KubeEdge或Baetyl的云端组件，统一管理所有边缘XTU 4.0网关上的容器应用。
  • 镜像仓库：维护容器应用镜像仓库，支持版本管理和安全扫描。
  • 远程部署与升级：将新的应用容器镜像或配置远程部署到指定的XTU 4.0网关，实现应用的灰度发布、回滚。
  • 配置下发：统一管理和下发所有边缘应用的配置参数。
  • 状态监控：实时监控边缘网关和其上所有容器应用的健康状态、资源使用情况。
  • 日志与告警：收集边缘上报的日志和告警信息，进行集中分析和展示。

• XTU 4.0 智慧网关的角色：

  • 边缘自治：即使与云端断开连接，已部署的容器应用也能继续独立运行。
  • 数据预处理：在本地完成海量原始数据的清洗、聚合、AI推理，将高价值信息上报云端。
  • 实时决策：对于部分实时性要求高的业务（如温度超限告警、简单联动控制），可在本地完成决策和执行。

4.2. 部署与运维

• CI/CD流程：

  • 开发：应用开发人员开发各自的业务逻辑，并编写Dockerfile。
  • 构建：通过CI工具（如Jenkins, GitLab CI）自动构建容器镜像，并推送到云端镜像仓库。
  • 测试：在仿真环境或测试边缘设备上进行自动化测试。
  • 部署：通过OMP远程部署到XTU 4.0网关。

• 远程升级与回滚：

  • 利用边缘编排框架，可以实现应用的无缝升级（滚动更新）和快速回滚到旧版本，最大程度减少业务中断。

• 监控与日志：

  • 本地日志：容器日志统一收集到本地存储服务，并通过北向代理按需上报。
  • 远程监控：OMP通过北向代理接收XTU 4.0上报的设备状态、容器健康状态、资源使用率等指标，进行可视化展示和告警。

5. 安全设计

在容器化架构中，安全是重中之重。

• 系统层安全：

  • Secure Boot：确保启动链的完整性。
  • 只读根文件系统：防止系统文件被篡改。
  • 内核硬化：减少攻击面。
  • 防火墙：严格限制入站和出站连接，仅开放必要的端口。

• 平台层安全：

  • 容器镜像安全：
    • 来源可信：只使用来自可信源的镜像，并进行数字签名验证。
    • 漏洞扫描：在镜像构建和部署前进行漏洞扫描。
    • 最小化镜像：避免不必要的组件和依赖。
  • 容器运行时安全：
    • 资源隔离：通过Cgroups和Namespace实现容器间的资源和进程隔离。
    • 权限最小化：容器以非root用户运行，并限制其系统调用能力（Seccomp）。
    • 网络隔离：为不同安全级别的容器配置独立的网络，限制容器间的直接通信。
  • 通信安全：
    • 北向通信：MQTT over TLS 1.2/1.3，支持双向认证。
    • 南向通信：根据协议标准，支持加密和认证。
    • 内部通信：MQTT Broker可配置ACL（访问控制列表），限制不同容器对主题的读写权限。
  • 配置与数据安全：
    • 敏感配置加密：本地存储的敏感配置（如API密钥、证书）进行加密。
    • 数据加密：本地缓存的敏感数据可进行加密存储。

• 应用层安全：

  • RBAC (基于角色的访问控制)：对本地管理接口和API进行严格的权限控制。
  • 安全编码：应用开发遵循安全编码规范，防止常见漏洞（如SQL注入、XSS）。

6. 总结

本方案为XTU 4.0智慧网关设计了一个基于容器化的软件架构，充分利用了其强大的硬件能力（特别是NPU的AI算力、大内存和可扩展存储），并解决了应用部署、升级和管理的灵活性问题。通过将系统划分为系统软件层、边缘平台层和应用服务层，并引入容器引擎、边缘编排框架、数据总线等核心组件，实现了：

• 高度模块化和可扩展性：每个业务功能作为独立容器，易于开发、部署和维护。
• 灵活的AI能力：NPU驱动和AI推理框架集成到平台层，上层应用可便捷调用。
• 高效的云边协同：通过边缘编排框架实现云端统一管理和边缘自治。
• 强大的数据处理能力：本地存储和计算能力，有效缓解云端压力。
• 高安全性：从系统、平台到应用层面的多重安全保障。

该架构不仅能满足当前配网智能化建设的需求，也为未来更多高级应用和算法的快速迭代提供了坚实、灵活的平台。