移動(dòng)工業(yè)邊緣云技術(shù)研究

中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院|王智明

移動(dòng)工業(yè)邊緣云技術(shù)架構(gòu)將數(shù)據(jù)管理與工業(yè)制造原理結(jié)合，幫助工業(yè)制造企業(yè)構(gòu)建海量工業(yè)數(shù)據(jù)分析能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)深度挖掘。

近年來(lái)，隨著工業(yè)云及物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，邊緣終端設(shè)備的數(shù)量迅速增加，同時(shí)邊緣終端設(shè)備所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量已達(dá)到澤字節(jié)（ZB）級(jí)別。集中式數(shù)據(jù)處理已經(jīng)不能有效處理邊緣終端設(shè)備所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。隨著萬(wàn)物互聯(lián)的廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)中心的集中式處理時(shí)代已逐漸轉(zhuǎn)入以萬(wàn)物互聯(lián)為核心的邊緣計(jì)算時(shí)代。

據(jù)IDC數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2020年將有超過(guò)500億的終端與設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。邊緣端數(shù)據(jù)規(guī)模的不斷增大對(duì)數(shù)據(jù)處理性能、能耗等方面的需求不斷提高。為了解決面向數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)算和存儲(chǔ)過(guò)程中的計(jì)算負(fù)載和數(shù)據(jù)傳輸帶寬不足問(wèn)題,未來(lái)超過(guò)50%的數(shù)據(jù)需要在網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)分析、處理與存儲(chǔ)，同時(shí)移動(dòng)邊緣計(jì)算（Mobile Edge Computing,MEC）也隨之成為新興技術(shù)。

移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)備受關(guān)注

移動(dòng)邊緣計(jì)算將傳統(tǒng)云計(jì)算平臺(tái)的部分或全部計(jì)算任務(wù)遷移到接入域，并將傳統(tǒng)工業(yè)服務(wù)與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)進(jìn)行深度融合，減少傳統(tǒng)工業(yè)服務(wù)交付的端到端時(shí)延，進(jìn)而建立全新的工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈及生態(tài)圈。移動(dòng)邊緣計(jì)算的基本特點(diǎn)包括低計(jì)算負(fù)載、業(yè)務(wù)本地化、高工業(yè)數(shù)據(jù)處理效率、低工業(yè)數(shù)據(jù)隱私泄露風(fēng)險(xiǎn)。

歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）于2014年成立移動(dòng)邊緣計(jì)算規(guī)范工作組（ETSI Mobile Edge Computing Industry Specification Group），開(kāi)始推動(dòng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作。ETSI于2016年將移動(dòng)邊緣計(jì)算概念擴(kuò)展為多接入邊緣計(jì)算（Multi Access Edge Computing），將邊緣計(jì)算能力從電信蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步延伸至其他無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)。

同時(shí)，移動(dòng)邊緣云的相關(guān)技術(shù)也不斷受到來(lái)自學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注，而代表性邊緣計(jì)算系統(tǒng)實(shí)例主要包含Cloudlet、ParaDrop、Firework，其中的Cloudlet相對(duì)成熟。

移動(dòng)工業(yè)邊緣云技術(shù)架構(gòu)及應(yīng)用

傳統(tǒng)工業(yè)數(shù)據(jù)中心的集中式處理模式在萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代存在諸多問(wèn)題及需求：工業(yè)設(shè)備和傳感器數(shù)量巨大，要實(shí)現(xiàn)海量設(shè)備的接入和管理，必須依靠移動(dòng)工業(yè)邊緣云平臺(tái)；在工業(yè)流程各階段會(huì)產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)工業(yè)數(shù)據(jù)中心架構(gòu)是無(wú)法承載的，必須依靠工業(yè)邊緣云平臺(tái)的存儲(chǔ)匯聚及分析能力；工業(yè)邊緣終端設(shè)備涉及協(xié)議眾多，設(shè)備的協(xié)議轉(zhuǎn)換會(huì)產(chǎn)生較大生產(chǎn)成本，需要以邊緣云平臺(tái)的方式實(shí)現(xiàn)；工業(yè)大數(shù)據(jù)的處理能力必須依賴于海量數(shù)據(jù)的積累與匯聚，需要移動(dòng)工業(yè)邊緣云平臺(tái)承載。

基于工業(yè)云、物聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的垂直行業(yè)既帶來(lái)沖擊也帶來(lái)機(jī)遇。移動(dòng)工業(yè)邊緣云平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)海量設(shè)備的接入和管理，提供存儲(chǔ)匯聚及分析能力，實(shí)現(xiàn)工業(yè)邊緣終端設(shè)備協(xié)議統(tǒng)一轉(zhuǎn)換；同時(shí)能較好地保護(hù)工業(yè)隱私數(shù)據(jù)，降低工業(yè)邊緣終端敏感數(shù)據(jù)隱私泄露的風(fēng)險(xiǎn)。因此，移動(dòng)工業(yè)邊緣云技術(shù)研究工作具有重要意義。

● 移動(dòng)工業(yè)邊緣云技術(shù)架構(gòu)

基于邊緣計(jì)算的移動(dòng)工業(yè)邊緣云技術(shù)架構(gòu)圖如圖1所示，移動(dòng)工業(yè)通信管理、制造設(shè)備控制管理、制造能耗監(jiān)控、工業(yè)數(shù)據(jù)管理、制造流程管理、故障及運(yùn)維管理主要完成對(duì)消費(fèi)者、協(xié)作企業(yè)的移動(dòng)工業(yè)邊緣云服務(wù)需求進(jìn)行分析。

移動(dòng)工業(yè)邊緣云服務(wù)提供功能架構(gòu)采用分層結(jié)構(gòu)，其基于IT通用硬件平臺(tái)構(gòu)建的IT物理資源，IT物理資源包含物理計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源。移動(dòng)工業(yè)邊緣云服務(wù)提供功能架構(gòu)提供各類移動(dòng)工業(yè)邊緣云應(yīng)用，如移動(dòng)工業(yè)通信管理、制造設(shè)備控制管理、制造能耗監(jiān)控、工業(yè)數(shù)據(jù)管理、制造流程管理、故障及運(yùn)維管理等。

移動(dòng)工業(yè)邊緣云服務(wù)技術(shù)架構(gòu)總共分為七個(gè)層次：數(shù)據(jù)采集及邊緣云接入層、運(yùn)營(yíng)商邊緣網(wǎng)絡(luò)傳輸層、移動(dòng)工業(yè)邊緣云網(wǎng)關(guān)接入層、移動(dòng)工業(yè)邊緣云平臺(tái)層、移動(dòng)工業(yè)邊緣云分析層、移動(dòng)工業(yè)邊緣云服務(wù)提供層、基礎(chǔ)設(shè)施層。

圖1 移動(dòng)工業(yè)邊緣云技術(shù)架構(gòu)圖

其中數(shù)據(jù)采集及邊緣云接入層包含電氣、動(dòng)力、智能控制、智能節(jié)能的智能制造終端設(shè)備，可以接收傳感器數(shù)據(jù)、機(jī)器運(yùn)行數(shù)據(jù)、工廠管理數(shù)據(jù)、企業(yè)經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)等海量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)底層數(shù)據(jù)的匯聚處理，并實(shí)現(xiàn)底層數(shù)據(jù)向移動(dòng)工業(yè)邊緣云服務(wù)提供層的集成；運(yùn)營(yíng)商邊緣網(wǎng)絡(luò)傳輸層包含運(yùn)營(yíng)商微基站，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)商邊緣網(wǎng)絡(luò)的傳輸與接入；移動(dòng)工業(yè)邊緣云網(wǎng)關(guān)接入層包含移動(dòng)邊緣網(wǎng)關(guān)和協(xié)議轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)工業(yè)邊緣云平臺(tái)層的接入與網(wǎng)關(guān)控制及多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的歸一化；移動(dòng)工業(yè)邊緣云平臺(tái)層包含移動(dòng)邊緣服務(wù)器，可以基于高性能計(jì)算芯片、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、邊緣分析算法等技術(shù)支撐，在靠近設(shè)備或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、存儲(chǔ)以及智能分析應(yīng)用，提升操作響應(yīng)靈敏度，消除網(wǎng)絡(luò)堵塞，并與云端分析形成協(xié)同；移動(dòng)工業(yè)邊緣云分析層包含數(shù)據(jù)路由及分析和工業(yè)管理數(shù)據(jù)庫(kù)，分別實(shí)現(xiàn)根據(jù)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能的算法對(duì)移動(dòng)工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的聚類、關(guān)聯(lián)和預(yù)測(cè)分析和路由，工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)管理；移動(dòng)工業(yè)邊緣云服務(wù)提供層包含移動(dòng)工業(yè)通信管理、制造設(shè)備控制管理、制造能耗監(jiān)控、工業(yè)數(shù)據(jù)管理、制造流程管理、故障及運(yùn)維管理等，實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者、協(xié)作企業(yè)的移動(dòng)工業(yè)邊緣云服務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)工業(yè)通信管理、制造設(shè)備的智能控制管理、制造平臺(tái)的視頻監(jiān)控、工業(yè)數(shù)據(jù)的管理、制造流程的管理、制造設(shè)備故障及運(yùn)行維護(hù)的管理，工業(yè)數(shù)據(jù)管理通過(guò)分布式文件系統(tǒng)、NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)等不同的數(shù)據(jù)管理引擎實(shí)現(xiàn)海量工業(yè)數(shù)據(jù)的分區(qū)選擇、存儲(chǔ)、編目與索引，并滿足海量數(shù)據(jù)的批處理和流處理計(jì)算需求，運(yùn)用數(shù)據(jù)冗余剔除、異常檢測(cè)、歸一化等方法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，為后續(xù)存儲(chǔ)、管理與分析提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)來(lái)源，制造能耗監(jiān)測(cè)基于預(yù)先設(shè)計(jì)的能耗監(jiān)測(cè)模型，對(duì)車間能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行解讀、分析和實(shí)時(shí)控制反饋，并進(jìn)行長(zhǎng)期管理；基礎(chǔ)設(shè)施層包含邊緣計(jì)算虛擬資源管理、IT虛擬資源、IT物理資源，分別實(shí)現(xiàn)計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)的物理及虛擬資源管理。移動(dòng)工業(yè)邊緣云技術(shù)架構(gòu)將數(shù)據(jù)管理與工業(yè)制造原理結(jié)合，幫助工業(yè)制造企業(yè)構(gòu)建海量工業(yè)數(shù)據(jù)分析能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)深度挖掘。

● 移動(dòng)工業(yè)邊緣云應(yīng)用

本文基于邊緣計(jì)算的移動(dòng)工業(yè)邊緣云應(yīng)用場(chǎng)景如圖2所示。

基于邊緣計(jì)算的移動(dòng)工業(yè)邊緣云應(yīng)用場(chǎng)景主要分5個(gè)層面：1.數(shù)據(jù)采集及邊緣云接入層，包含電氣、動(dòng)力、智能控制、智能節(jié)能等設(shè)備；2.運(yùn)營(yíng)商邊緣網(wǎng)絡(luò)傳輸層，包含運(yùn)營(yíng)商微基站；3.移動(dòng)工業(yè)邊緣云網(wǎng)關(guān)接入層，由若干移動(dòng)邊緣網(wǎng)關(guān)及協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備組成；4.移動(dòng)工業(yè)邊緣云平臺(tái)層，由若干移動(dòng)邊緣服務(wù)器組成；5.移動(dòng)工業(yè)邊緣云分析層，由若干數(shù)據(jù)路由及分析器和工業(yè)管理數(shù)據(jù)庫(kù)組成，實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者、協(xié)作企業(yè)的移動(dòng)工業(yè)邊緣云服務(wù)需求的核心處理，實(shí)現(xiàn)低時(shí)延、低流量成本、實(shí)時(shí)的優(yōu)勢(shì)。

圖2 基于邊緣計(jì)算的移動(dòng)工業(yè)邊緣云應(yīng)用場(chǎng)景圖

圖2中，共有10個(gè)實(shí)現(xiàn)流程，具體如下：

1.數(shù)據(jù)采集及邊緣云接入層的電氣、動(dòng)力、智能控制、智能節(jié)能等工業(yè)邊緣設(shè)備通過(guò)運(yùn)營(yíng)商邊緣網(wǎng)絡(luò)傳輸層的運(yùn)營(yíng)商微基站接入到運(yùn)營(yíng)商邊緣網(wǎng)絡(luò)傳輸層，并傳送工業(yè)邊緣設(shè)備的數(shù)據(jù)處理請(qǐng)求；

2.運(yùn)營(yíng)商邊緣網(wǎng)絡(luò)傳輸層的運(yùn)營(yíng)商微基站接入移動(dòng)工業(yè)邊緣云網(wǎng)關(guān)接入層的移動(dòng)邊緣網(wǎng)關(guān)及協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備，并傳送工業(yè)邊緣設(shè)備的數(shù)據(jù)處理請(qǐng)求及轉(zhuǎn)換上傳的數(shù)據(jù)；

3.移動(dòng)邊緣網(wǎng)關(guān)接入到移動(dòng)工業(yè)邊緣云平臺(tái)層的移動(dòng)邊緣服務(wù)器，并根據(jù)傳送的數(shù)據(jù)處理請(qǐng)求及轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)獲取相應(yīng)智能制造等服務(wù)；

4&5&6.相應(yīng)智能制造等服務(wù)通過(guò)運(yùn)營(yíng)商邊緣網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)營(yíng)商微基站提供給電氣、動(dòng)力、智能控制、智能節(jié)能等設(shè)備；

7.由消費(fèi)者和協(xié)作企業(yè)訪問(wèn)移動(dòng)工業(yè)邊緣云分析層，并提交業(yè)務(wù)定制請(qǐng)求；

8.數(shù)據(jù)路由及分析器處理業(yè)務(wù)定制請(qǐng)求，并從工業(yè)管理數(shù)據(jù)庫(kù)中提取所需工業(yè)管理數(shù)據(jù)；

9.數(shù)據(jù)路由及分析器將業(yè)務(wù)定制請(qǐng)求處理成功結(jié)果返回給消費(fèi)者和協(xié)作企業(yè)；

10.數(shù)據(jù)路由及分析器將處理后的業(yè)務(wù)定制請(qǐng)求方案?jìng)魉徒o移動(dòng)邊緣服務(wù)器。

結(jié)語(yǔ)

本文提出的移動(dòng)工業(yè)邊緣云技術(shù)架構(gòu)及應(yīng)用，充分利用了移動(dòng)邊緣計(jì)算海量數(shù)據(jù)分析低時(shí)延、流量成本低、實(shí)時(shí)處理等優(yōu)點(diǎn)，智能學(xué)習(xí)機(jī)制的近似最優(yōu)算法，在研究移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)低時(shí)延、低流量成本且實(shí)時(shí)的移動(dòng)工業(yè)邊緣云技術(shù)架構(gòu)和優(yōu)智能學(xué)習(xí)機(jī)制，有效降低了工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施成本性支出和工業(yè)設(shè)備運(yùn)營(yíng)及運(yùn)維成本，并使得工業(yè)業(yè)務(wù)的定制及部署具有較高的靈活性和彈性，有效增強(qiáng)了工業(yè)業(yè)務(wù)創(chuàng)新能力。