边缘计算插件方案 PRD / 产品设计说明书

（基础规则引擎 + 时间窗口 + 状态管理一体化版本）

一、文档信息

项目	内容
产品名称	边缘计算插件系统（Edge Plugin Framework）
文档类型	PRD / 系统设计说明
适用阶段	第一 + 第二阶段合并版
目标用户	边缘网关运维人员、系统集成工程师、平台运维人员
文档版本	V1.0
编写日期	2026-03-27

二、产品背景与目标

2.1 背景

在边缘侧设备数量快速增长、协议多样化、业务规则不断变化的背景下，传统“采集-上报”模式已无法满足：

本地实时告警与联动控制需求；
边缘侧减负、带宽节省需求；
业务规则快速配置与变更需求；
多项目、多场景的可复用能力需求。

因此需要构建一个插件化、规则驱动、可扩展、可观测的边缘计算能力平台，使边缘节点具备独立决策与分析能力。

2.2 产品目标

本系统目标是构建一个：

结构清晰、稳定可靠的边缘规则执行框架
支持：
- 实时事件处理
- 时间窗口计算
- 规则状态管理
- 位操作与表达式计算
实现完整数据闭环：

南向采集 / 北向订阅 → 输入适配 → 调度引擎 → 规则执行 → 结果处理 → 北向输出 / 本地控制
提供：
- 可配置规则
- 可视化运维界面
- 可观测运行状态
- 可扩展插件架构

三、总体架构与数据流

3.1 数据流向

系统数据流标准路径如下：

南向采集模块(映射内部影子设备 ) / 北向订阅 → 输入适配器 → 数据管道 → 边缘计算管理器 → 规则执行单元 → 结果处理器 → 北向输出 / 本地动作（南向控制设备）

3.2 系统分层架构

系统采用事件驱动型数据流处理模型，整体架构划分为五个核心层次：

数据输入层（Input Layer）
数据调度层（Dispatch Layer）- 包含数据管道（DataPipeline）
规则执行层（Rule Execution Layer）- 包含边缘计算管理器（EdgeComputeManager）
结果处理层（Result Handling Layer）
运维监控层（Observability Layer）

各层职责清晰、解耦明确、支持插件化扩展。

四、核心功能模块设计

4.1 数据输入层（Input Layer）

职责

接收来自南向采集系统或北向订阅系统的实时数据流；
将原始数据转换为统一标准数据结构；
负责数据的基础校验与清洗。

功能要求

支持多协议接入：
- Modbus、BACnet、OPC UA、MQTT、HTTP、S7 等；
统一数据结构抽象：
- SourceID（数据源ID）
- Metric（指标名称）
- Value（数据值）
- Timestamp（时间戳）
- Quality（质量标识，可选）
数据校验能力：
- 时间戳合理性检查；
- 数据类型校验；
- 异常质量标识过滤（通信异常、CRC错误等）。

设计约束

输入层不承担业务计算逻辑；
不进行长期数据缓存；
必须保证输出数据结构一致性。

4.2 数据调度层（Dispatch Layer）

职责

接收标准化数据事件；
根据规则订阅关系，将数据分发给对应规则；
管理规则注册、启停、卸载生命周期。

功能要求

规则注册与注销；
支持规则启用 / 停用（不删除配置）；
支持运行时规则热更新（不中断系统运行）；
支持规则执行优先级控制；
数据管道缓冲与并发处理。

调度模型

每条输入数据事件会广播给所有启用规则；
每条规则独立处理数据，不共享运行上下文（共享源机制留作后续阶段）。

4.3 规则执行层（Rule Execution Layer）

职责

承载具体业务逻辑计算；
基于事件驱动方式执行规则；
输出规则结果（匹配事件、计算值、状态变化等）。

支持规则类型（合并版）

（一）基础规则

条件判断规则：
- 阈值告警（>、<、≥、≤）
- 状态切换（OFF → ON，0 → 1）
- 变化幅度判断（Δ值超限）
简单计算规则：
- 单位换算、线性变换
- 枚举值映射
- 固定公式计算
状态判断规则：
- 去抖处理（防抖动）
- 状态保持时间判断

（二）窗口统计规则

滑动窗口统计：
- 滑动平均、最大值、最小值、变化率
跳跃窗口统计：
- 定期聚合统计、批量报表
跨窗口对比规则：
- 当前窗口 vs 上一窗口对比

（三）状态驱动规则

持续状态规则：
- 持续超限 N 秒后告警；
- 连续异常 K 次后告警；
状态变化规则：
- 状态从异常恢复到正常时触发；
- 状态变化才触发动作（防止重复告警）；
有限状态机规则：
- 支持 NORMAL → WARNING → ALARM → RECOVER 转移模型。

规则生命周期

创建 → 校验 → 启用 → 执行 → 停用 → 删除

执行约束

单次规则执行时间可控（建议 < 20ms）；
不允许阻塞主数据通道；
不允许直接操作外部系统，必须通过结果处理层。

4.4 结果处理层（Result Handling Layer）

职责

接收规则执行结果；
根据规则配置触发相应动作；
解耦规则逻辑与外部系统调用。

支持的输出动作类型

1. 北向上报

MQTT 发布；
HTTP 推送；
WebSocket 推送；
数据入云平台接口。

2. 本地动作

本地日志记录；
本地数据库存储；
文件缓存（支持断网续传）。

3. 控制指令

下发控制命令到设备：
- Modbus 写寄存器；
- BACnet 写属性；
联动本地系统（空调、照明、门禁等）。

4. 告警通知

UI 界面告警提示；
短信 / 邮件 / 企业微信 / 钉钉。

5. 工作流动作

序列执行（sequence）：按顺序执行多个动作
延迟（delay）：延迟指定时间执行
条件检查（check）：根据条件决定是否继续执行

设计原则

所有输出动作均需配置化；
同一规则可绑定多个输出动作；
输出失败必须支持重试或失败记录；
支持批量控制多个设备。

4.5 运维与监控层（Observability Layer）

职责

提供系统运行状态可视化；
支持调试、诊断、审计与性能分析。

基础监控指标

数据输入吞吐量；
规则执行次数；
规则执行耗时分布；
告警触发频率；
输出成功率 / 失败率；
窗口缓存使用率；
状态存储容量与命中率。

运维功能

规则运行状态监控；
规则最近一次触发时间与结果；
最近一次失败原因；
系统健康状态与资源使用情况；
规则执行记录（BBLOT）。

五、时间窗口与状态管理设计（合并能力）

5.1 窗口管理子系统

支持窗口类型

滑动窗口（Sliding Window）
跳跃窗口（Tumbling Window）

窗口参数模型

窗口ID；
窗口类型；
绑定规则ID；
绑定数据源ID；
窗口大小（时间 / 条数）；
滑动步长；
最大延迟容忍时间；
数据过期策略；
内存上限。

窗口生命周期管理

规则创建 → 窗口创建；
规则启用 → 窗口激活；
规则停用 → 窗口暂停；
规则删除 → 窗口销毁。

支持窗口配置变更时平滑过渡与资源释放。

5.2 规则状态管理子系统

规则状态模型

每条规则维护独立状态对象，包括：

最近一次触发时间；
最近一次触发值；
当前状态值（NORMAL / WARNING / ALARM / RECOVER）；
持续时间计数器；
连续异常计数器；
触发次数统计；
最近一次错误信息。

状态持久化策略

内存态（实时运行）；
本地持久态（文件 / 嵌入式数据库）；
系统重启后可恢复运行上下文。

状态驱动规则逻辑支持

持续时间条件；
连续次数条件；
状态变化触发条件；
状态转移模型（有限状态机）。

六、配置模型设计

6.1 数据源配置模型

数据源ID；
数据源类型（南向采集 / 北向订阅）；
协议类型；
连接参数；
数据点映射关系；
采集频率；
数据质量策略。

6.2 规则配置模型

规则ID；
规则名称；
规则类型（基础 / 窗口 / 状态 / 组合）；
绑定数据源；
条件表达式 / 计算表达式；
窗口配置（如适用）；
状态条件配置；
输出动作列表；
启用状态；
优先级。

6.3 输出动作配置模型

动作类型（device_control / log / sequence / delay / check）；
目标地址或通道；
数据格式；
重试策略；
失败处理策略；
频率限制（interval）。

七、表达式与位操作支持

7.1 表达式语法

支持标准数学运算：+、-、*、/、%、^、()
支持逻辑运算：&&、、!、==、!=、>、<、>=、<=
支持位操作函数：bitget、bitset、bitand、bitor
支持特殊语法：v.N（1-based索引的位访问）

7.2 位操作功能

bitget(value, bitIndex)：获取指定位的值
bitset(value, bitIndex, bitValue)：设置指定位的值
bitand(value1, value2)：位与操作
bitor(value1, value2)：位或操作

7.3 表达式预处理

支持 v.N 语法转换为 bitget(v, N-1)
支持 v.bit.N 语法转换为 bitget(v, N-1)

八、批量控制功能

8.1 功能描述

支持在单个动作中控制多个设备
每个目标设备可配置独立的表达式
支持批量位操作和计算

8.2 配置示例

{
  "type": "device_control",
  "config": {
    "targets": [
      {
        "channel_id": "ch1",
        "device_id": "DeviceA",
        "point_id": "p1",
        "expression": "v.1"
      },
      {
        "channel_id": "ch1",
        "device_id": "DeviceB",
        "point_id": "p1",
        "expression": "v.4"
      }
    ]
  }
}

九、异常处理与健壮性设计

系统必须具备以下能力：

窗口异常处理：
- 缓存溢出保护；
- 数据格式错误过滤；
- 时间戳异常修正或丢弃；
状态异常处理：
- 状态对象损坏恢复机制；
- 状态持久化失败重试；
- 状态与规则配置不一致修复；
规则执行异常处理：
- 单规则异常不得影响其他规则；
- 异常必须记录并可追溯；
- 支持规则自动降级或自动禁用（可配置）。
表达式异常处理：
- 表达式语法错误降级到静态值；
- 运行时错误捕获与记录；

十、前端页面功能设计（管理控制台）

本系统需提供完整的可视化管理界面，支持配置、监控、调试与运维。需要增加的页面如下:

10.1 系统总览页（Dashboard）

功能

系统运行状态概览：
- 当前在线数据源数；
- 启用规则数；
- 当前告警数；
- 数据输入吞吐量；
- 输出成功率；
规则执行趋势图；
告警趋势图；
系统资源使用情况（CPU / 内存 / 窗口缓存 / 状态存储）。

10.2 数据源管理页面

功能

数据源列表展示：
- 数据源ID、类型、协议、状态；
数据源新增 / 编辑 / 删除；
数据点映射配置；
采集频率配置；
数据质量策略配置；
实时数据预览；
数据源连接测试与状态检测。

10.3 规则管理页面

功能

规则列表：
- 规则名称、类型、状态、绑定数据源、最近触发时间；
规则创建向导：
- 选择数据源；
- 选择规则类型；
- 配置条件表达式 / 窗口参数 / 状态条件；
- 配置输出动作；
规则启用 / 停用 / 删除；
规则优先级调整；
规则配置导入 / 导出。

10.4 规则运行状态与调试页面

功能

单规则运行状态详情：
- 当前状态值；
- 最近一次触发值与时间；
- 连续异常次数；
- 持续时间计数；
规则执行历史记录：
- 时间、输入值、计算结果、输出动作结果；
规则测试功能：
- 手动输入测试数据；
- 模拟窗口数据；
- 预览规则执行结果；
规则异常与错误日志查看。

10.5 窗口管理页面

功能

窗口实例列表：
- 绑定规则、窗口类型、窗口大小、缓存使用率；
窗口参数配置查看与编辑；
窗口数据实时预览；
窗口内数据统计视图（均值、最大、最小等）；
窗口资源占用告警配置。

10.6 状态管理页面

功能

规则状态列表：
- 当前状态、持续时间、触发次数；
状态历史记录查询；
状态持久化策略配置；
状态恢复测试；
状态异常修复操作。

10.7 输出动作与通道管理页面

功能

输出通道配置（MQTT、HTTP、数据库等）；
输出动作模板管理；
输出动作绑定规则配置；
输出失败记录查看；
输出重试策略配置；
输出通道连通性测试。

10.8 告警中心页面

功能

当前告警列表；
告警历史记录；
告警级别分类与过滤；
告警确认 / 清除；
告警通知策略配置（短信、邮件、IM 等）。

10.9 日志与审计页面

功能

系统运行日志；
规则执行日志；
输出动作日志；
操作审计日志（配置变更、规则启停、数据源修改等）；
日志过滤、搜索、导出。

10.10 系统设置页面

功能

全局系统参数配置；
默认窗口参数模板；
默认规则模板；
数据保留策略；
备份与恢复配置；
系统升级与插件管理。

十一、非功能性需求

11.1 性能要求

单规则执行时间建议 < 20ms；
窗口缓存读写延迟 < 5ms；
状态读写延迟 < 5ms；
支持高频数据流下稳定运行。

11.2 可扩展性要求

支持新增协议插件；
支持新增规则类型插件；
支持新增输出通道插件；
支持后续引入共享源、并行调度、分布式执行能力。

11.3 可靠性要求

系统异常不影响整体运行；
单规则异常不影响其他规则；
支持系统重启后状态恢复；
支持断网续传与本地缓存。

十二、交付成果标准

系统达到以下条件即视为合格交付：

支持标准数据流闭环（采集 → 规则 → 输出 / 控制）；
支持基础规则、窗口规则、状态规则三大类；
支持规则热启停与动态更新；
支持窗口与状态可视化管理；
支持至少两种输出通道与一种控制动作；
支持系统运行监控与规则执行可观测；
支持位操作与表达式计算；
支持批量控制功能；
支持工作流动作（序列、延迟、条件检查）；
系统稳定运行无明显性能退化。