邊緣計算在水利信息化項目中的應用思考

李鵬飛

隨著新基建、數(shù)字中國建設(shè)目標的確立，信息化建設(shè)已在各行各業(yè)逐步開展，水利行業(yè)根據(jù)其獨有的行業(yè)特性，以信息化技術(shù)為抓手，歷經(jīng)多年建設(shè)發(fā)展，取得了不少建設(shè)經(jīng)驗。邊緣計算作為常用的信息化技術(shù)手段之一，匹配水利信息化建設(shè)特點，以實際水利信息化建設(shè)項目為參考，在項目應用中，優(yōu)勢明顯。

背靠十四五規(guī)劃經(jīng)濟社會發(fā)展前景與目標，水利部于2021年10月26日會議，提出“將智慧水利建設(shè)作為推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的六大實施路徑之一”。由此可見國家對智慧水利、水利信息化建設(shè)的決心之堅定、需求之迫切。行業(yè)信息化建設(shè)，離不開信息化專業(yè)技術(shù)的發(fā)展，專業(yè)技術(shù)的發(fā)展與應用才是信息化建設(shè)的穩(wěn)固基石。邊緣計算技術(shù)，作為信息化常用技術(shù)，早已在各行業(yè)信息化建設(shè)中嶄露頭角，其技術(shù)特點可靠、便捷、經(jīng)濟，為市場所認可與接納，其工藝效果亦值得項目技術(shù)后評價的探討與思考。

在介紹邊緣計算之前，首先我們給出一個邊緣節(jié)點的定義，節(jié)點顧名思義在信息化架構(gòu)中是指數(shù)據(jù)源與云中心之間具有計算資源和網(wǎng)絡(luò)資源的一個點，那么邊緣節(jié)點則特指距離數(shù)據(jù)源較近的節(jié)點。比如，手邊的手機、電腦就是人與云中間的邊緣節(jié)點；家里的上網(wǎng)路由器就是設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)的邊緣節(jié)點。所以邊緣計算的概念，就是指數(shù)據(jù)源附近進行的數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)處理，減少龐大基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)，從而減輕網(wǎng)絡(luò)負擔，減少網(wǎng)絡(luò)流量，提高網(wǎng)絡(luò)響應時間的技術(shù)。

邊緣計算現(xiàn)今已然不是什么新生詞，最初是由世界上最大的分布式計算服務商之一AKAMAI與IBM在2003年合作時提出“邊緣計算”這一概念，當時在其一份內(nèi)部研究項目中即提出“邊緣計算”的目的和解決問題，并通過AKAMAI與IBM在其WebSphere上提供基于邊緣 Edge的服務。

在物聯(lián)技術(shù)層面看，邊緣計算技術(shù)帶來突破是將許多數(shù)據(jù)的分析、處理和控制交由本地設(shè)備的計算層來完成而無須再與云端交互，這樣可實現(xiàn)減輕云端計算量、減少網(wǎng)絡(luò)堵塞，大大提高提升處理效率，可以為用戶提供更快的響應，將需求在邊緣端解決。研究實驗針對移動邊緣計算（MEC），設(shè)計了計算遷移和數(shù)據(jù)緩存的聯(lián)合優(yōu)化模型，并基于改進的遺傳算法（GA）對該模型的時延優(yōu)化特性進行了優(yōu)化。仿真表明：提出的方案比傳統(tǒng)方案更能有效地降低用戶請求的時延。

在數(shù)據(jù)處理層面看：邊緣計算在數(shù)據(jù)源的附近，提供數(shù)據(jù)計算、分析、處理的能力，為數(shù)據(jù)源提供近端處理服務，而云計算，則是通過數(shù)據(jù)分解、傳輸至云中心，對應各單元進行批量處理。

在技術(shù)特點層面看：邊緣計算的特點表現(xiàn)為鄰近性、低時延、高帶寬、分布性、數(shù)據(jù)入口完整等。計算層距離數(shù)據(jù)源距離近，減少了數(shù)據(jù)傳輸中的消耗和風險，所以產(chǎn)生的服務反饋也較快，在一些數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定或?qū)崟r業(yè)務應用行業(yè)中具有很強適用性，并且其安全保護等方面也有保障，其算力相對強勁，并行計算及存儲能力突出，單位投入性價比、靈活性和可擴展性較強。

水利信息化建設(shè)，由于水利工程特殊性，多部署于山間、林間及田間等偏遠區(qū)域，供電、網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)資源建設(shè)有限，信息化建設(shè)難度大、問題多，在有限的基礎(chǔ)資源保障上，只有通過一定的技術(shù)調(diào)整和改良，才能滿足實際應用需要。邊緣計算架構(gòu)正好在其原理上與水利信息化相契合，近數(shù)據(jù)源的分析處理，可有效節(jié)約數(shù)據(jù)傳輸和能源需求上的消耗，分布式的架構(gòu)符合水利工程零星散落的特點，獨立信息源獨立計算、分析與處理，僅將部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸云端，不占用過多資源可減少對數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蕾?。邊緣計算就近計算、就近處理，提升系統(tǒng)可靠性和適用性。

以山東水利某灌區(qū)信息化建設(shè)為例，由于灌區(qū)覆蓋面積大，覆蓋范圍內(nèi)干渠、支渠、斗渠錯綜復雜，閘站、泵站、測流站零星分散，且鄉(xiāng)間地頭基礎(chǔ)資源供電、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)相對欠發(fā)達，可靠性低，如采用單一云架構(gòu)，現(xiàn)有基礎(chǔ)資源恐難以保障信息化系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，投資量大。在項目建設(shè)時，我信息化建設(shè)團隊通過調(diào)研分析，方案優(yōu)化，決定采用云架構(gòu)+邊緣計算布局，在前端數(shù)據(jù)源附近建設(shè)計算節(jié)點，通過光纖專線就近進行數(shù)據(jù)交互及處理，云端及控制中心以權(quán)限控制指令對下進行監(jiān)控調(diào)度，既保證了安全性，也減少了傳輸資源消耗。邊緣計算節(jié)點的計算層內(nèi)容包括渠道水位自動調(diào)節(jié)、閘門自動起落、自動時段測流、鄉(xiāng)鎮(zhèn)用水計量、灌區(qū)災害預警等多項功能，展現(xiàn)出信息化工程建設(shè)意義，為當?shù)毓鄥^(qū)管理部門排憂解難，以信息化技術(shù)手段提升了灌區(qū)管理、治理的能力。

邊緣計算與現(xiàn)有自動化系統(tǒng)架構(gòu)從原理上本根同源，但技術(shù)上又有較大差別，自動化系統(tǒng)的核心是“控制”，基于I/O信號的轉(zhuǎn)換而成，邊緣計算則是基于數(shù)據(jù)進行的，核心意義則是“算法”“策略”“調(diào)度”“路徑”的應用，所以，所展現(xiàn)出的技術(shù)不同。傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)的LCU（local tolconr unit），其實就是邊緣計算的一個雛形，其利用PLC運算能力和繼電控制回路對現(xiàn)地I/ O信號進行管理和控制，以邏輯命令產(chǎn)生電氣聯(lián)動，實現(xiàn)自動化控制?，F(xiàn)今邊緣計算則更關(guān)注的是整個系統(tǒng)的計算和調(diào)整，更注重系統(tǒng)運行的規(guī)劃計算。簡言之，自動化系統(tǒng)是對“信號點”的控制，邊緣計算是對“信息量”的控制。邊緣計算看似是對傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)的一次迭代升級，數(shù)據(jù)的計算量和處理量都遠超傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)，但也因其龐大的計算量，導致現(xiàn)有邊緣計算的延遲暫時無法超越自動化系統(tǒng)，邊緣計算號稱低延遲計算，但其計算周期仍為100ms級，在面對某些特殊工業(yè)化領(lǐng)域如高精度加工業(yè)，AI機器人等需要100μs延遲以內(nèi)的控制命令時，其暫時無法取代自動化系統(tǒng)。回到水利信息化，因為水利信息化對控制命令的實時性沒有100μs的要求，現(xiàn)有水利控制系統(tǒng)多數(shù)還需2000ms控制令以過濾信號浪涌，所以邊緣計算已充分滿足其對信號延遲性的要求。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展以及5G場景應用的普及，萬物互聯(lián)是時代發(fā)展的趨勢，邊緣感知設(shè)備數(shù)量的大量增加，使得信息化建設(shè)面臨的數(shù)據(jù)已達到ZB級別。以云計算架構(gòu)為核心的集中式數(shù)據(jù)處理思路，其技術(shù)方式已經(jīng)無法保障邊緣感知設(shè)備的數(shù)據(jù)處理，主要表現(xiàn)在：

線性增長的集中式云計算能力無法匹配爆炸式增長的海量邊緣數(shù)據(jù)；

從網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備傳輸海量數(shù)據(jù)到云中心致使網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬的負載量急劇增加，造成較長的網(wǎng)絡(luò)延遲；

網(wǎng)絡(luò)邊緣數(shù)據(jù)涉及個人隱私，使得隱私安全問題變得尤為突出；

有限電能的網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)到云中心消耗較大電能。

因此，在數(shù)據(jù)源末端必須要建立能夠分擔云計算壓力的邊緣計算節(jié)點，其與云計算模式相結(jié)合，二者相輔相成。作為數(shù)據(jù)鏈路的中轉(zhuǎn)，邊緣計算節(jié)點可以有效解決上述問題，是萬物互聯(lián)、信息化建設(shè)的技術(shù)趨勢。

邊緣計算其實是在自控技術(shù)、信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)這個背景下發(fā)展起來的技術(shù)，“Edge”這個概念最早也是因自動化/機器人廠家所提及而誕生，其本身是自動化系統(tǒng)的一種迭代，原理暨建立“貼近用戶與數(shù)據(jù)源的IT資源”。邊緣計算暨是傳統(tǒng)自動化技術(shù)的一種延伸設(shè)計，是自動化技術(shù)與IT技術(shù)融合的一種趨勢。其實IT與OT在技術(shù)上也是在相互融合，自動化技術(shù)已經(jīng)不滿足于單純的信號控制，開始向IT層面延伸，而傳統(tǒng)的IT技術(shù)也開始逐步向底層邏輯和控制探索，IoT作為當前較為前沿的技術(shù)方向，類似于邊緣計算這類融合性技術(shù)的誕生會更加頻繁，但無論多么前沿的技術(shù)，其必須考慮的問題是應用端，“應用”才是前沿科技最核心的技術(shù)問題，才能展現(xiàn)前沿技術(shù)的價值。

作者單位：中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司