邊緣計算及其在航空發(fā)動機領(lǐng)域的應(yīng)用探索

■ 程會川 張建超 / 中國航發(fā)研究院

邊緣計算（Edge Computing）是一種可滿足工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)時代對快速連接、實時計算、優(yōu)化數(shù)據(jù)、智能應(yīng)用等關(guān)鍵需求的新型大數(shù)據(jù)處理模式，目前正處于快速發(fā)展階段。將邊緣計算與航空發(fā)動機相結(jié)合，探索邊緣計算在航空發(fā)動機生產(chǎn)制造、試驗測試、運行維護等重要場景的潛在應(yīng)用，可助力航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和傳感器數(shù)量的快速增加，工業(yè)數(shù)據(jù)的數(shù)量急劇增加，對傳統(tǒng)集中式工業(yè)數(shù)據(jù)處理方式產(chǎn)生了嚴峻的挑戰(zhàn)，在延時性和帶寬擁堵方面的局限性逐漸顯現(xiàn)出來。為應(yīng)對萬物互聯(lián)時代工業(yè)數(shù)據(jù)處理中存在的這些問題，邊緣計算（Edge Computing）逐漸進入人們的視野。邊緣計算將計算資源分散到網(wǎng)絡(luò)邊緣來接受用戶的計算任務(wù)，大量的臨時數(shù)據(jù)不用全部上傳到云數(shù)據(jù)中心，直接在網(wǎng)絡(luò)邊緣進行處理，能夠有效減輕數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)帶寬的壓力，減少網(wǎng)絡(luò)擁堵。而在距離數(shù)據(jù)生產(chǎn)者更近的網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點部署邊緣服務(wù)器，可減少數(shù)據(jù)在傳輸過程中的時延，保證數(shù)據(jù)計算任務(wù)的實時性，大幅提升服務(wù)響應(yīng)能力[1-2]。

邊緣計算的發(fā)展

目前，邊緣計算處于創(chuàng)新觸發(fā)后的快速發(fā)展階段，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展對邊緣計算技術(shù)的需求越來越強烈。邊緣計算得到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的廣泛關(guān)注和普遍認可，一些工業(yè)和科技巨頭也推出了與邊緣計算平臺相關(guān)的產(chǎn)品。

在學(xué)術(shù)界方面，2016年美國韋恩州立大學(xué)施巍松教授對邊緣計算的體系模式、理論要點、挑戰(zhàn)等進行了探索[3]。邊緣計算研討會（Symposium on Edge Computing）2018年開始由電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）和國際計算機協(xié)會（ACM）聯(lián)合舉辦，對邊緣計算的應(yīng)用價值、研究方向等進行了討論。后續(xù)一些其他重要國際會議，例如，國際分布式計算系統(tǒng)會議（ICDCS）、國際計算機通信會議（INFOCOM）等，也以邊緣計算為主題增加分會場或?qū)ｎ}研討會，主要涉及計算卸載、網(wǎng)絡(luò)控制、內(nèi)容緩存、數(shù)據(jù)聚合以及安全卸載等問題。

在產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟方面，思科公司、英特爾公司、戴爾公司、微軟公司、ARM公司和普林斯頓大學(xué)在2015年聯(lián)合成立了開放霧（OpenFog）計算聯(lián)盟。全球性工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC）于2017年成立邊緣計算工作組，定義邊緣計算參考架構(gòu)，并在2018年與OpenFog聯(lián)盟合并。中國百余家單位在2016年共同發(fā)起成立工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（Alliance of Industrial Internet），并設(shè)立邊緣計算工作組，組織開展邊緣計算技術(shù)研究和驗證工作。華為公司、中科院沈陽自動化研究所、中國信息通信研究院、英特爾公司、ARM公司和軟通動力公司作為創(chuàng)始成員在2016年成立邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（ECC），聯(lián)合推動產(chǎn)業(yè)資源合作，引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟聯(lián)合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟分別在2017年和2018年發(fā)布了邊緣計算參考架構(gòu)2.0和3.0。

在邊緣計算平臺產(chǎn)品方面，GE公司在2012年提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的概念，隨后推出了第一個為工業(yè)企業(yè)提供應(yīng)用和服務(wù)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析平臺——Predix平臺，跨越了云計算和邊緣設(shè)備，分為邊緣端、平臺端和應(yīng)用端3大部分。在2015年，GE公司將發(fā)動機的診斷數(shù)據(jù)遷移至Predix平臺，用來對發(fā)動機工作狀態(tài)進行監(jiān)控，通過準確快捷地分析來捕捉更多有價值的數(shù)據(jù)，為發(fā)動機提供異常預(yù)警。西門子公司在2016年推出了基于云的開放式物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)MindSphere，用戶可以針對不同場景來開發(fā)相應(yīng)的軟件，向下提供數(shù)據(jù)采集方案MindConnect能夠連接車間級現(xiàn)場設(shè)備，向上提供應(yīng)用程序MindApp為應(yīng)用軟件的開發(fā)層提供一個開放的架構(gòu)。亞馬遜公司2017年發(fā)布邊緣計算平臺AWS，將云服務(wù)無縫擴展至邊緣設(shè)備，增加了執(zhí)行機器學(xué)習(xí)模型推理的功能。微軟公司2018年發(fā)布邊緣計算產(chǎn)品Azure IoT Edge，將基于云的分析和定制業(yè)務(wù)邏輯轉(zhuǎn)移到邊緣設(shè)備。

邊緣計算的定義

在學(xué)術(shù)界，施巍松教授認為邊緣計算是指在網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行計算的一種新型計算模型，邊緣計算操作的對象包括來自于云服務(wù)的下行數(shù)據(jù)和萬物互聯(lián)服務(wù)的上行數(shù)據(jù)，而邊緣計算的邊緣是指從數(shù)據(jù)源到云計算中心路徑之間的任意計算和網(wǎng)絡(luò)資源，是一個連續(xù)統(tǒng)，其邊緣計算模型如圖1所示[3]。此模型具有雙向數(shù)據(jù)計算流，邊緣設(shè)備不僅是數(shù)據(jù)消費者，而且還是數(shù)據(jù)生產(chǎn)者；邊緣設(shè)備不僅可以從云中心請求服務(wù)和內(nèi)容，還可以執(zhí)行云中心分發(fā)過來的部分計算任務(wù)。

IIC發(fā)布的白皮書中認為邊緣計算涵蓋邊緣計算和圍繞邊緣計算的相關(guān)技術(shù)，其邊緣計算模型如圖2所示。邊緣計算將云計算資源分布到整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備到數(shù)據(jù)中心的各個邊緣節(jié)點層進行數(shù)據(jù)的存儲和計算，可以實現(xiàn)技術(shù)生產(chǎn)、監(jiān)督和安全控制，并支持子系統(tǒng)之間廣泛的交互和通信。邊緣計算包括：位于數(shù)據(jù)中心和物理世界之間邊緣節(jié)點層的計算和資源存儲；點對點網(wǎng)絡(luò)；跨物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、邊緣節(jié)點和數(shù)據(jù)中心的分布式計算；用于保存物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、邊緣節(jié)點和數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)的分布式數(shù)據(jù)存儲；分布式安全功能，例如數(shù)據(jù)分割、認證和加密等。

總的來說，邊緣計算可以認為既是一種新型計算模式，能夠在靠近邊緣設(shè)備或數(shù)據(jù)生產(chǎn)端的邊緣側(cè)為應(yīng)用提供計算資源、存儲資源和網(wǎng)絡(luò)資源；又是一種使能技術(shù)，邊緣側(cè)提供的這些計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源，能夠滿足行業(yè)在快速連接、實時計算、優(yōu)化數(shù)據(jù)、智能應(yīng)用等方面的關(guān)鍵需求[4]。

邊緣計算、霧計算與云計算的關(guān)系

邊緣計算作為云計算的拓展和補充，在靠近數(shù)據(jù)源頭一側(cè)的邊緣計算節(jié)點執(zhí)行傳統(tǒng)云計算中的部分下沉任務(wù)，進行實時數(shù)據(jù)計算，所面向的對象主要涉及云服務(wù)下行數(shù)據(jù)和邊緣設(shè)備上行數(shù)據(jù)。邊緣計算模型和云計算模型兩者不是替代關(guān)系，而是互補關(guān)系，邊緣計算中邊緣設(shè)備對海量數(shù)據(jù)及隱私數(shù)據(jù)的處理可對云計算中心進行支撐，而云計算中心強大的計算能力和海量存儲能力也可為邊緣計算提供支持。

圖1 施巍松邊緣計算模型

圖2 IIC邊緣計算模型

圖3 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下邊緣計算、霧計算與云計算的關(guān)系

霧計算（Fog Computing）是另一種涉及邊緣計算核心理念的概念[5]。同邊緣計算類似，霧計算也需要把數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用集中到網(wǎng)絡(luò)邊緣的設(shè)備，而不是全部在云數(shù)據(jù)中心進行，數(shù)據(jù)傳遞具有低時延。從霧計算的名字可以看出，霧計算也是一種對云計算概念的延伸，霧比云更靠近地面。同邊緣計算相比，霧計算更強調(diào)在數(shù)據(jù)源頭和云數(shù)據(jù)中心之間構(gòu)建為用戶提供計算、存儲與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的連續(xù)統(tǒng)一體，使網(wǎng)絡(luò)成為數(shù)據(jù)處理的流水線。

邊緣計算和霧計算都體現(xiàn)出了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)時代對計算模式實時服務(wù)響應(yīng)、穩(wěn)定服務(wù)質(zhì)量的要求，是對同一目標的兩種不同實現(xiàn)方法。邊緣計算、霧計算與云計算在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境下的關(guān)系如圖3所示。工業(yè)場景下，邊緣計算可將工業(yè)數(shù)據(jù)處理和存儲功能擴展到網(wǎng)絡(luò)邊緣，以滿足工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理在實時性方面的需求，邊緣計算具有最快的實時計算響應(yīng)能力，霧計算響應(yīng)時間稍長，而云計算的響應(yīng)時間最長[6]。

邊緣計算助力航空發(fā)動機發(fā)展

圖4 航空發(fā)動機全生命周期數(shù)字孿生體框架

航空發(fā)動機是一種高度復(fù)雜和精密的工業(yè)產(chǎn)品，從圖4可以看出，航空發(fā)動機閉環(huán)全生命周期包括研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造、試驗測試、運行維護和回收報廢5個階段[7]，期間會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，例如，設(shè)計數(shù)據(jù)、制造數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù)、服務(wù)數(shù)據(jù)、資源數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)等[8]。為滿足未來發(fā)動機性能和工作范圍需求，航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)正朝著數(shù)字化和智能化方向發(fā)展，例如，傳統(tǒng)生產(chǎn)線與大數(shù)據(jù)、機器學(xué)習(xí)等智能化手段相結(jié)合構(gòu)建智能生產(chǎn)線[9]，復(fù)雜試驗過程中發(fā)動機性能預(yù)測和試驗平臺智能化，發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)控平臺對發(fā)動機的性能監(jiān)測和維護智能化等。這些航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展需求會導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理量大幅增加，并且對數(shù)據(jù)處理的快速連接、實時計算、數(shù)據(jù)優(yōu)化等方面的關(guān)鍵需求進一步升級。邊緣計算模型的引入能夠滿足航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵需求，明顯提升數(shù)據(jù)計算實時性、降低數(shù)據(jù)傳輸壓力，同時可支撐大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等技術(shù)，更好地服務(wù)于航空發(fā)動機全生命周期。

航空發(fā)動機領(lǐng)域邊緣計算應(yīng)用架構(gòu)

針對航空發(fā)動機全生命周期中的生產(chǎn)制造、試驗測試和運行維護3個階段，筆者提出邊緣計算應(yīng)用參考架構(gòu)，如圖5所示。邊緣計算在航空發(fā)動機領(lǐng)域潛在應(yīng)用參考架構(gòu)包括設(shè)備層、邊緣層和云層。

設(shè)備層包括設(shè)備和數(shù)據(jù)兩部分，涵蓋網(wǎng)絡(luò)連接現(xiàn)場設(shè)備、傳感器和這些設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，設(shè)備層利用不同類型的網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)總線與邊緣層中的邊緣硬件網(wǎng)關(guān)等設(shè)備相連，實現(xiàn)設(shè)備層和邊緣層之間數(shù)據(jù)采集和控制輸出。

邊緣網(wǎng)關(guān)可使設(shè)備連接到其他設(shè)備或廣域網(wǎng)，允許邊緣節(jié)點數(shù)據(jù)流入和控制命令流出。邊緣層處在云層與設(shè)備層中間，可與上端云層對接，也可與下端設(shè)備層接入。邊緣層包括邊緣節(jié)點硬件部分和邊緣管理器軟件部分。邊緣節(jié)點硬件包括邊緣控制器、邊緣云、邊緣網(wǎng)關(guān)、邊緣傳感器等設(shè)備，控制、分析、優(yōu)化等功能模塊和計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲等資源。邊緣管理器軟件主要提供業(yè)務(wù)編排或直接調(diào)用的能力，操作邊緣計算節(jié)點完成任務(wù)，實現(xiàn)對邊緣節(jié)點的統(tǒng)一管理。邊緣層將設(shè)備層收集的數(shù)據(jù)進行清洗、篩選和組合等預(yù)處理后上傳至云層，減少核心網(wǎng)絡(luò)的傳輸流量，同時也可接收云層的下發(fā)任務(wù)數(shù)據(jù)。

云層由高性能計算和海量存儲設(shè)備組成，能夠執(zhí)行復(fù)雜的計算和數(shù)據(jù)處理任務(wù)，可以為用戶提供接口和應(yīng)用服務(wù)。云層從邊緣層接收邊緣節(jié)點預(yù)處理后的數(shù)據(jù)流，并向邊緣層以及通過邊緣層向設(shè)備層發(fā)出控制信息，在全局范圍內(nèi)進行優(yōu)化和決策。

圖5 航空發(fā)動機行業(yè)邊緣計算應(yīng)用架構(gòu)

航空發(fā)動機領(lǐng)域邊緣計算典型場景應(yīng)用

本文結(jié)合航空發(fā)動機領(lǐng)域邊緣計算應(yīng)用架構(gòu)，對邊緣計算在航空發(fā)動機生產(chǎn)制造、試驗測試和運行維護等典型場景的應(yīng)用進行介紹。

生產(chǎn)制造階段

在航空發(fā)動機生產(chǎn)制造階段，通過大量傳感器設(shè)備對現(xiàn)代化生產(chǎn)線上的生產(chǎn)設(shè)備（例如，執(zhí)行機構(gòu)、傳感器、數(shù)控機床、工業(yè)機器人等）數(shù)據(jù)進行實時采集，來實時監(jiān)測各生產(chǎn)環(huán)節(jié)設(shè)備的工作狀態(tài)，例如，溫度、壓力、振動和噪聲等。利用邊緣計算技術(shù)，在靠近生產(chǎn)設(shè)備的邊緣層對大量生產(chǎn)線數(shù)據(jù)進行篩選和實時快速處理，獲取生產(chǎn)設(shè)備健康相關(guān)重要特征向云中心反饋，減少生產(chǎn)設(shè)備和云中心數(shù)據(jù)傳輸壓力，使生產(chǎn)作業(yè)數(shù)據(jù)快速對接大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算等先進技術(shù)，對生產(chǎn)設(shè)備故障進行診斷和有效預(yù)警，降低生產(chǎn)安全隱患，減少設(shè)備停機率。同時，可進行決策支持，提高生產(chǎn)設(shè)備協(xié)同和動態(tài)調(diào)整能力，對航空發(fā)動機生產(chǎn)制造過程進行優(yōu)化，促進航空發(fā)動機生產(chǎn)線向自動化、精細化和智能化方向發(fā)展。

試驗測試階段

在航空發(fā)動機試驗測試階段，需要測試大量發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)，包括發(fā)動機關(guān)鍵部件性能參數(shù)（壓氣機的增壓比、空氣流量、喘振點，燃燒效率、溫度分布等），整機性能參數(shù)（整機推力、耗油率等）和試驗設(shè)備實時監(jiān)控數(shù)據(jù)等，來評估發(fā)動機的設(shè)計指標和試車臺的運行狀態(tài)。通過邊緣計算技術(shù)，對大量發(fā)動機和試驗設(shè)備數(shù)據(jù)進行實時預(yù)篩選和分析處理，獲取發(fā)動機性能和試驗設(shè)備健康的關(guān)鍵特征數(shù)據(jù)后再向云中心傳遞，大大減少數(shù)據(jù)傳輸量。支撐人工智能和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，建立有價值的試驗分析模型，預(yù)測發(fā)動機性能、可靠性以及試驗設(shè)備可能出現(xiàn)的故障。另外，可結(jié)合數(shù)字孿生理念，在發(fā)動機試驗測試階段利用邊緣計算分層修正發(fā)動機和試驗設(shè)備模型，提高預(yù)測精度，并將決策判斷反饋到實際運行過程中，提高發(fā)動機試驗測試的智能化和數(shù)字化水平。

運行維護階段

在航空發(fā)動機運行維護階段，飛機和發(fā)動機內(nèi)的大量傳感器對發(fā)動機的運行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)，例如，推力、耗油率、流量、載荷、振動、應(yīng)力、環(huán)境溫度、環(huán)境壓力、濕度、空氣組分等，進行實時監(jiān)測。由于機載設(shè)備通過衛(wèi)星與云中心的傳輸帶寬有限，通過邊緣計算對數(shù)據(jù)進行篩選和預(yù)處理后獲取發(fā)動機健康狀態(tài)相關(guān)重要特征傳輸?shù)皆浦行?，可以明顯減輕飛機與衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸壓力。結(jié)合大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等技術(shù)服務(wù)于發(fā)動機的健康管理（例如，發(fā)動機故障快速預(yù)測、剩余壽命預(yù)測、故障的原因和解決方案建議）和預(yù)測性維護（例如，備件需求和維修操作建議）等，提高航空發(fā)動機運行的經(jīng)濟性和安全性。此外，發(fā)動機運行維護數(shù)據(jù)也可支持發(fā)動機的設(shè)計、生產(chǎn)制造工藝改進，試驗測試方案優(yōu)化等。

結(jié)束語

邊緣計算解決了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)時代傳統(tǒng)集中式大數(shù)據(jù)處理模式在實時、帶寬等方面的局限性，滿足了新型大數(shù)據(jù)處理模式對快速連接、實時計算、優(yōu)化數(shù)據(jù)、智能應(yīng)用等關(guān)鍵需求。推動邊緣計算在航空發(fā)動領(lǐng)域的融合應(yīng)用，促進航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)向生產(chǎn)制造、試驗測試智能化和預(yù)測性維護方向發(fā)展，對提升航空發(fā)動機行業(yè)的數(shù)字化和智能化水平具有重要意義。