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融合改进Jaya和集群中心选择算法的边缘网络数据调度优化方法

杨雯升 潘成胜

杨雯升, 潘成胜. 融合改进Jaya和集群中心选择算法的边缘网络数据调度优化方法[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT250317
引用本文: 杨雯升, 潘成胜. 融合改进Jaya和集群中心选择算法的边缘网络数据调度优化方法[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT250317
YANG Wensheng, PAN Chengsheng. Edge Network Data Scheduling Optimization Method Integrating Improved Jaya and Cluster Center Selection Algorithm[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT250317
Citation: YANG Wensheng, PAN Chengsheng. Edge Network Data Scheduling Optimization Method Integrating Improved Jaya and Cluster Center Selection Algorithm[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT250317

融合改进Jaya和集群中心选择算法的边缘网络数据调度优化方法

doi: 10.11999/JEIT250317 cstr: 32379.14.JEIT250317
基金项目: 国家自然科学基金(61931004)
详细信息
    作者简介:

    杨雯升:男,博士生,研究方向为边缘网络数据智能处理和分析

    潘成胜:男,教授,博士生导师,研究方向为边缘网络数据管理技术

    通讯作者:

    潘成胜 003150@nuist.edu.cn

  • 中图分类号: TN915.07

Edge Network Data Scheduling Optimization Method Integrating Improved Jaya and Cluster Center Selection Algorithm

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61931004)
  • 摘要: 在智能化浪潮与数据激增的推动下,物联网设备、传感器及智能终端数量迅速增长,传统集中式网络与云计算架构在带宽、延迟与存储等方面面临严峻挑战。边缘计算作为一种将计算与存储资源部署至靠近用户的网络边缘的新型计算范式,成为应对大规模数据处理与低时延需求的有效解决方案。然而,如何在边缘计算环境下应对数据密集型业务带来的挑战,合理划分边缘节点集群并优化资源调度,成为关键问题。为此,该文提出一种融合改进Jaya和集群中心选择算法的边缘网络数据调度优化方法,针对数据密集型业务,将业务所涉及到的边缘节点划分集群,选择出集群中心,以集群为单位,将边缘节点的数据先汇聚到多个集群中心,再通过集群中心进一步上传到云端,实现边缘网络数据资源的调度和优化管理。首先通过对传统Jaya算法进行改进,引入非线性衰减策略和构建多阶段搜索策略,提升路径规划的全局搜索能力与局部精细调整能力,从而求解边缘节点间的最短路径。在此基础上,提出优化集群中心选择算法,综合考虑最短路径和可用网络资源,选择通信与资源条件最优的节点作为集群中心,并为每个集群中心划分集群成员,构建合理的边缘网络集群结构。实验结果表明,改进后的Jaya算法在收敛速度与寻优精度方面均优于对比算法,所提集群中心选择方法表现出良好的鲁棒性,并且验证了该方法在边缘计算场景资源调度中的可行性与有效性。
  • 图  1  Jaya算法流程图

    图  2  余弦变化函数图像

    图  3  融合改进Jaya和集群中心选择算法的边缘网络数据调度优化方法架构图

    图  4  $ {f_1}(x) $测试函数及不同算法在$ {f_1}(x) $函数上的收敛曲线

    图  6  $ {f_3}(x) $测试函数及不同算法在$ {f_3}(x) $函数上的收敛曲线

    图  5  $ {f_2}(x) $测试函数及不同算法在$ {f_2}(x) $函数上的收敛曲线

    图  7  不同节点边缘网络拓扑

    图  8  不同边缘网络下各节点$ m_i^{} $值散点图

    图  9  不同边缘网络最优集群划分的情况

    图  10  38节点边缘网络环境下各优化算法的集群划分效果

    1  Jaya迭代优化

     输入:起始节点start node,结束节点end node, 当前种群pop,
     $ {\text{po}}{{\text{p}}_{{\text{size}}}} $, $ {t_{\max }} $, $ {{{\boldsymbol{P}}}_{{\text{best}}}} $, $ {{{\boldsymbol{P}}}_{{\text{worst}}}} $
     输出:最优路径$ {\bf{best\_path}} $和最短路径长度$ {L_{\min }} $
     (1) for $ 1 \to {t_{\max }} $
     (2)  根据式(3),计算余弦衰减因子$ r_{n} $
     (3)   遍历种群:对于每个个体$ i \in {\text{pop}} $
     (4)    根据式(4)选取$ {\text{nu}}{{\text{m}}_{{\text{dis}}}} $个节点:
     (5)    选取$ {\text{nu}}{{\text{m}}_{{\text{dis}}}} $个随机中间节点 (排除起点与终点)
     (6)   计算Jaya更新
     (7)    根据式(6)计算$ {{{\boldsymbol{P}}}_{{\text{new}}}} $,选择最接近$ {{{\boldsymbol{P}}}_{{\text{new}}}} $的邻居节点作
          为新节点
     (8)   计算新路径适应度:
     (9)    if 若新路径优于当前路径前阶段的瓶颈集群
     (10)     更新 $ {\text{pop}}\left[ i \right] \leftarrow {\bf{new\_path}} $
     (11)      $ {\text{fitness}}\left[ i \right] \leftarrow {\text{new\_fit}} $
     (12) end
     (13) $ {\bf{best\_path}} \leftarrow {\text{pop}}[\arg \min ({\text{fitness}})] $
     (14) return 最优路径$ {\bf{best\_path}} $,最短路径长度$ I_{\min } $
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    表  1  3种测试函数信息

    编号 函数名 表达式 最优值
    $ {f_1}(x) $ Sphere函数 $ {f_1}(x) = \displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n {x_i^2} $ 0
    $ {f_2}(x) $ Rastrigin函数 $ {f_2}(x) = \displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n {\left( {x_i^2 - 10\cos \left( {2{\pi}{x_i}} \right) + 10} \right)} $ 0
    $ {f_3}(x) $ Griewank函数 $ {f_3}(x) = \dfrac{1}{{4\;000}}\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^D {\left( {x_i^2} \right)} - \displaystyle\prod\limits_{i = 1}^D {\cos } \left( {\frac{{{x_i}}}{{\sqrt i }}} \right) + 1 $ 0
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    表  2  参数敏感性分析结果(平均适应度)

    种群规模 最大迭代次数
    250 500 750 1 000
    25 8.837 3 4.863 9 8.333 2 11.27 70
    50 4.025 5 0.275 8 0.144 2 1.338 5×10–4
    75 4.124 0 0.033 9 2.459 0×10–4 4.351 8×10–6
    100 4.210 1 0.029 1 4.145 0×10–4 5.441 3×10–6
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    表  3  参数敏感性分析结果(标准差)

    种群规模 最大迭代次数
    250 500 750 1000
    25 10.273 0 3.876 2 9.134 4 10.352 0
    50 2.819 5 0.338 7 0.388 4 2.086 0×10–4
    75 3.066 0 0.026 9 2.518 3×10–4 9.455 3×10–6
    100 2.236 4 0.017 7 3.960 8×10–4 1.110 4×10–6
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    表  4  算法参数信息

    SA GA ACO
    参数名称 参数名称 参数名称
    初始温度 200 交叉概率 0.8 蚂蚁数量 50
    冷却速率 0.95 变异概率 0.1 信息素重要性因子 1
    终止温度 0.1 - - 启发式因子 2
    - - - - 信息素挥发系数 0.1
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    表  5  集群中心选择信息

    集群中心数量25节点边缘网络38节点边缘网络50节点边缘网络
    nn + 1集群中心nn + 1集群中心nn+ 1集群中心
    39[25;14;20]13[14;4;28]17[47;32;6]
    47[25;14;20;8]10[14;4;28;21]13[47;32;6;11]
    55[25;14;20;8;5]8[14;4;28;21;18]10[47;32;6;11;50]
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    表  6  不同集群中心数目下各节点边缘网络AvgSSE值

    集群中心数目 25节点边缘网络 38节点边缘网络 50节点边缘网络
    3 27.74 34.47 45.65
    4 18.37 16.22 16.87
    5 40.16 30.69 48.6
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    表  7  38节点边缘网络环境下多算法集群划分实验结果

    对比方法集群中心各集群中心及分配集群成员AvgSSE值
    SA[14;4;28;21][14,29,8,36,13,19,24,27,1,26];[4,9,33,18,20,15,37,35,38,30]
    [28,2,32,6,10,31,16,22,25,5];[21,34,11,17,12,23,7,3]
    56.42
    GA[14;4;28;21][14,37,20,3,36,5,22,7,12,30];[4,8,33,38,32,18,15,1,24,2]
    [28,31,35,16,34,25,9,26,29,10];[21,6,13,23,19,17,27,11]
    58.82
    ACO[14;4;28;21][14,8,18,26,30,17,2,25,27,31];[4,15,11,9,1,29,24,7,16,23]
    [28,5,38,37,19,6,34,20,3,33];[21,10,12,35,22,32,13,36]
    19.46
    Jaya[14;4;28;21][14,19,37,31,3,18,34,33,26,16];[4,1,10,17,2,25,7,11,29,35]
    [28,30,32,13,15,36,5,6,27,20];[21,12,23,38,9,8,22,24]
    55.26
    Jaya*[14;4;28;21][14,8,18,25,17,26,30,31,27,2];[4,15,9,7,29,11,24,1,16,33]
    [28,5,38,23,6,20,34,19,37,3];[21,22,12,10,35,36,13,32]
    16.22
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-04-27
  • 修回日期:  2025-07-27
  • 网络出版日期:  2025-08-04

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