楚俊生 張博山 林兆驥

1 中興通訊南京研究所 南京 210012

2 中興通訊上海研究所 上海 201203

引言

眾所周知，物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，是以互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)為信息載體，進(jìn)行物和物之間信息交換和通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)物的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理?；谖锫?lián)網(wǎng)的行業(yè)應(yīng)用很廣泛，遍及智能交通、智能家居、智能樓宇、智慧城市、環(huán)境監(jiān)測(cè)、公共安全、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)制造等眾多行業(yè)和領(lǐng)域。這些基于物聯(lián)網(wǎng)的行業(yè)應(yīng)用有各種各樣的業(yè)務(wù)要求，比如傳輸時(shí)延、傳輸帶寬、數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)聚合、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和智能決策等。其中對(duì)實(shí)時(shí)性、高帶寬和安全性等有著非常高要求的應(yīng)用都迫切需要盡可能在靠近網(wǎng)絡(luò)的邊緣側(cè)提供集中的智能管理控制功能。邊緣計(jì)算除了在本地提供類似于云計(jì)算集中的計(jì)算存儲(chǔ)力、按需自助、快速?gòu)椥缘然咎卣魍?，還可提供當(dāng)前云計(jì)算技術(shù)無(wú)法保證的低時(shí)延、高可靠、高帶寬和隱私安全等業(yè)務(wù)保障能力。邊緣計(jì)算這些能力非常適合解決物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用面臨的各種挑戰(zhàn)。

1 邊緣計(jì)算使能物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展

物聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要手段，并將催生新的產(chǎn)業(yè)生態(tài)和商業(yè)模式。而借助于邊緣計(jì)算和人工智能等新技術(shù)將更能提升物聯(lián)網(wǎng)的智能化，促使物聯(lián)網(wǎng)在各個(gè)垂直行業(yè)落地生根。圖1示例了應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)中的邊緣計(jì)算的設(shè)備形態(tài)和所處的位置。

圖1 邊緣計(jì)算應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)

由于互聯(lián)網(wǎng)和電信網(wǎng)本身能夠支持和提供的網(wǎng)絡(luò)帶寬和傳輸時(shí)延有限，以及物聯(lián)網(wǎng)終端本身處理能力的限制，目前物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)。

1)網(wǎng)絡(luò)能力限制。

物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的超速增長(zhǎng)和多種多樣的業(yè)務(wù)應(yīng)用將帶來(lái)數(shù)據(jù)爆炸式增長(zhǎng)，這些海量數(shù)據(jù)在為我們提供商業(yè)價(jià)值的同時(shí)，也對(duì)數(shù)據(jù)處理提出挑戰(zhàn)，海量數(shù)據(jù)的傳輸和處理將帶來(lái)更大的網(wǎng)絡(luò)流量壓力并需要更多的云/數(shù)據(jù)中心。

2)數(shù)據(jù)時(shí)效性。

車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制和視頻游戲等業(yè)務(wù)應(yīng)用的實(shí)時(shí)性要求很高，一般都要求在10ms級(jí)別或以內(nèi)，云計(jì)算帶來(lái)的過(guò)高時(shí)延難以滿足業(yè)務(wù)的要求或造成很差的用戶體驗(yàn)。另外有些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用要求數(shù)據(jù)能夠結(jié)合本地的運(yùn)行環(huán)境，也不適合傳遞到遠(yuǎn)端云/數(shù)據(jù)中心進(jìn)行分析處理。

3)終端資源限制。

物聯(lián)網(wǎng)終端由于自身的計(jì)算、存儲(chǔ)能力以及供電方式的限制，難以應(yīng)對(duì)實(shí)時(shí)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)處理和分析要求，而將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端進(jìn)行處理又難以滿足物聯(lián)網(wǎng)終端在時(shí)延性、可靠性或隱私安全等方面的要求。

4)異構(gòu)系統(tǒng)互聯(lián)。

在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，終端類型和采用的連接協(xié)議多種多樣，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用難以對(duì)聯(lián)接的終端在數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、終端控制等方面進(jìn)行適配操作。

5)安全和隱私挑戰(zhàn)。

物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域面臨竊聽、跟蹤、攻擊、欺騙、重放、克隆、物理破解、篡改信息、DDoS、病毒等安全和隱私威脅，很容易引發(fā)個(gè)人信息泄露、財(cái)產(chǎn)損失、法律風(fēng)險(xiǎn)、生產(chǎn)停頓、人身安全或生產(chǎn)事故。

邊緣計(jì)算在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)就近提供智能服務(wù)，可滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)、業(yè)務(wù)智能、數(shù)據(jù)聚合與互操作、安全與隱私保護(hù)等方面的關(guān)鍵需求。

邊緣計(jì)算特征可以概括為如下幾個(gè)方面。

1)分布式和低延遲保障。

邊緣計(jì)算可采用邊緣網(wǎng)關(guān)的方式在網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)進(jìn)行分布式部署，就近進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)分析等功能，確保低時(shí)延的業(yè)務(wù)需求得到保障，減輕物聯(lián)網(wǎng)終端與云/數(shù)據(jù)中心之間的網(wǎng)絡(luò)流量壓力，屏蔽不同終端類型和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的影響。

2)增強(qiáng)的計(jì)算和電力供應(yīng)。

邊緣節(jié)點(diǎn)設(shè)備基本上是采用高性能的通用CPU或?qū)Ｓ肎PU、DSP芯片實(shí)現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)傳輸、安全和AI算法、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等方面有一定的綜合運(yùn)算能力，非常適合把物聯(lián)網(wǎng)終端的數(shù)據(jù)處理和分析任務(wù)放在邊緣節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行。

3)邊緣智能化。

嵌入的機(jī)器學(xué)習(xí)/深度學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)也將增強(qiáng)邊緣計(jì)算智能服務(wù)的提供能力。邊緣計(jì)算/霧計(jì)算采用分層處理機(jī)制，只把復(fù)雜的、時(shí)延不敏感和需要集中控制的任務(wù)放在云/數(shù)據(jù)中心，提升云/數(shù)據(jù)中心的處理效率和降低成本。

4)安全和隱私保護(hù)。

邊緣計(jì)算將物聯(lián)網(wǎng)的敏感數(shù)據(jù)保存在本地設(shè)備上，從而有助于改進(jìn)安全和隱私性。對(duì)于必須要傳遞到云/數(shù)據(jù)中心的隱私數(shù)據(jù)，則通過(guò)加密、脫敏和認(rèn)證等技術(shù)手段，確保安全和隱私。

總體上，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用面臨的諸多挑戰(zhàn)在邊緣計(jì)算功能實(shí)現(xiàn)上都得到了對(duì)應(yīng)的解決方案。借助于邊緣計(jì)算，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將發(fā)展得更快、更強(qiáng)大，也勢(shì)必加速行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的力度和深度。

2 邊緣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)

目前研究邊緣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)的組織包括歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ETSI)的多接入邊緣計(jì)算(MEC)、國(guó)內(nèi)的邊緣計(jì)算聯(lián)盟(ECC)、美國(guó)的開放霧計(jì)算聯(lián)盟(OpenFog)、美國(guó)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(IIC)、CCSA的ST8工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)特設(shè)任務(wù)組以及Linux Foundation下的開源項(xiàng)目EdgeX Foundry等。總體上，邊緣計(jì)算研究形成以產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟為主，標(biāo)準(zhǔn)組織和開源活動(dòng)為輔的格局。

2.1 ETSI多接入邊緣計(jì)算架構(gòu)

2014年， ETSI成立移動(dòng)邊緣計(jì)算(Mobile Edge Computing，MEC)產(chǎn)業(yè)規(guī)范工作組(Industry Specification Group，ISG)，開始推動(dòng)移動(dòng)網(wǎng)邊緣計(jì)算相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作。2016年，ETSI把此概念擴(kuò)展為多接入邊緣計(jì)算(Multi-Access Edge Computing)，將邊緣計(jì)算能力從電信網(wǎng)進(jìn)一步延伸至其他無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)(如Wi-Fi等)。

ETSI MEC ISG基本思想是把云平臺(tái)遷移到接入網(wǎng)邊緣，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電信網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)深度融合，借助無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供的信息服務(wù)、位置服務(wù)、標(biāo)識(shí)服務(wù)和寬帶管理服務(wù)能力，減少業(yè)務(wù)交付端到端時(shí)延，提升業(yè)務(wù)部署的靈活性和用戶體驗(yàn)，從而給電信運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)模式帶來(lái)全新變革，并建立新型的產(chǎn)業(yè)鏈及生態(tài)圈[1]。

如圖2所示，MEC系統(tǒng)位于無(wú)線接入網(wǎng)和移動(dòng)核心網(wǎng)/有線網(wǎng)絡(luò)之間，由MEC服務(wù)器和邊緣云設(shè)施構(gòu)成。其中MEC服務(wù)器負(fù)責(zé)對(duì)部署于無(wú)線基站內(nèi)部或無(wú)線接入網(wǎng)邊緣的邊緣云設(shè)施進(jìn)行管理。邊緣云提供本地化的公有云服務(wù)，并可連接其它企業(yè)云實(shí)現(xiàn)混合云服務(wù)。MEC系統(tǒng)提供基于云平臺(tái)的虛擬化環(huán)境，支持第三方應(yīng)用在邊緣云內(nèi)部署運(yùn)行。

2.2 AII/ECC邊緣計(jì)算架構(gòu)

2017年11月份，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(AII)和邊緣計(jì)算聯(lián)盟(ECC)聯(lián)合發(fā)布了邊緣計(jì)算參考架構(gòu)2.0白皮書[2]。圖3是該白皮書提出的邊緣計(jì)算通用參考架構(gòu)，該參考架構(gòu)包含邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)、邊緣云、業(yè)務(wù)編排和智能服務(wù)共四個(gè)橫向?qū)哟?，及服?wù)管理、安全服務(wù)和數(shù)據(jù)全生命周期管理等縱向管理功能。該參考架構(gòu)還在每層之間提供了模型化的開放接口，實(shí)現(xiàn)架構(gòu)的全層次開放。

白皮書還從產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈整合角度出發(fā)，提出了CROSS五大價(jià)值，即在敏捷聯(lián)接(Connection)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)(Real-time)、數(shù)據(jù)優(yōu)化(Data Optimization)、應(yīng)用智能(Smart)、安全與隱私保護(hù)(Security)，為用戶在網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)帶來(lái)價(jià)值和機(jī)會(huì)。AII/ECC通過(guò)聯(lián)盟運(yùn)作方式，支撐邊緣計(jì)算在重點(diǎn)行業(yè)的應(yīng)用創(chuàng)新與示范推廣，并通過(guò)與業(yè)界的廣泛生態(tài)合作，進(jìn)一步助力更多行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)價(jià)值延伸。

2.3 OpenFog霧計(jì)算架構(gòu)

霧計(jì)算概念由思科在2014年提出，是云計(jì)算概念的延伸，基本理念是分層次、分區(qū)域提供計(jì)算能力，滿足物聯(lián)網(wǎng)在安全(Security)、認(rèn)知(Cognition)、靈活性(Agility)、時(shí)延(Latency)和效率(Efficiency)等方面日益增長(zhǎng)的要求，助力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

圖2 多接入邊緣計(jì)算(MEC)架構(gòu)

圖3 邊緣計(jì)算參考架構(gòu)

2017年OpenFog聯(lián)盟發(fā)布如圖4所示的霧計(jì)算參考架構(gòu)[3]，該架構(gòu)是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)源附近提供計(jì)算、存儲(chǔ)、控制和網(wǎng)絡(luò)連接功能。

霧計(jì)算參考架構(gòu)包含安全(Security)、可擴(kuò)展性(Scalability)、開放(Open)、自治(Autonomy)、RAS(Reliability，Availability，Serviceability)、靈活性(Agility)、層次化(Hierarchy)和可編程性(Programmability)等8個(gè)核心支柱性(Pillar)技術(shù)特性，有效契合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展的需求。

2.4 IIC邊緣計(jì)算架構(gòu)

美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(Industrial Internet Consortium，IIC)在2017年成立邊緣計(jì)算任務(wù)組，主要研究針對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)踐、特征和GAP分析，以及部署模型。

IIC在2018年6月正式發(fā)布了《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的邊緣計(jì)算介紹》白皮書[4]，圖5所示的是該白皮書中的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)剖面圖中的邊緣計(jì)算功能。根據(jù)商業(yè)模式和待實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵目標(biāo)，邊緣計(jì)算可以作為邊緣控制器嵌入到邊緣設(shè)備中，或者作為邊緣網(wǎng)關(guān)集成到路由器、網(wǎng)關(guān)設(shè)備里，以及作為邊緣云的方式存在于企業(yè)云、私有云或公有云里。

圖4 霧計(jì)算參考架構(gòu)

2.5 EdgeX邊緣計(jì)算框架

EdgeX Foundry是Linux基金組織下的一個(gè)開源項(xiàng)目，旨在開發(fā)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算框架，如圖6所示。通過(guò)EdgeX可創(chuàng)建一個(gè)支持互操作性、組件即插即用的物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)，協(xié)調(diào)各種傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和多種云及分析平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)橫跨邊緣計(jì)算、安全、系統(tǒng)管理和服務(wù)等模塊的互操作性框架。

EdgeX Foundry擁有4層架構(gòu)[5]，從上到下依次如下所示。

1)輸出服務(wù)層(Export Services)：實(shí)現(xiàn)邊緣數(shù)據(jù)和智能分析輸出到云平臺(tái)。

2)支持服務(wù)層(Supporting Services)：包含大量的微服務(wù)，提供邊緣分析和智能功能。

3)核心服務(wù)層(Core Services)：具體的組成部分包括核心數(shù)據(jù)、服務(wù)指令、元數(shù)據(jù)，以及注冊(cè)表和相關(guān)配置。

4)設(shè)備服務(wù)層(Device Services)：實(shí)現(xiàn)與物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備交互。

EdgeX將進(jìn)一步推動(dòng)“智能”向邊緣的滲透，以便解決響應(yīng)延遲、帶寬和存儲(chǔ)，以及遠(yuǎn)程操作問(wèn)題。

圖5 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)切面視圖

3 邊緣計(jì)算在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用分析

邊緣計(jì)算在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用的領(lǐng)域非常廣泛，特別適合具有低時(shí)延、高帶寬、高可靠、海量連接、異構(gòu)匯聚和本地安全隱私保護(hù)等特殊業(yè)務(wù)要求的應(yīng)用場(chǎng)景。

圖7示例了邊緣計(jì)算在智能制造、智能交通、智慧城市和智能家居等行業(yè)或領(lǐng)域的應(yīng)用情況，下面將對(duì)這些場(chǎng)景進(jìn)行相關(guān)的介紹和分析。

3.1 智能制造

智能制造是邊緣計(jì)算在物聯(lián)網(wǎng)中非常典型的應(yīng)用領(lǐng)域，借助于邊緣計(jì)算將促進(jìn)IT和OT系統(tǒng)的深度融合。工業(yè)機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)，最近幾年工業(yè)機(jī)器人在中國(guó)市場(chǎng)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年中國(guó)市場(chǎng)工業(yè)機(jī)器人消費(fèi)總量達(dá)87000臺(tái)，接近世界銷量的近三分之一，是世界上最大的工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)。工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在汽車制造、3C行業(yè)、物流、金屬加工、塑料和化工等行業(yè)，通過(guò)機(jī)器人完成搬運(yùn)和上下料、裝配和拆卸、焊接等工作環(huán)境惡劣、自動(dòng)化/執(zhí)行精度和安全程度要求非常高的工作場(chǎng)景。

工業(yè)機(jī)器人需要具備應(yīng)對(duì)復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境并結(jié)合當(dāng)前工作流程進(jìn)行綜合分析和判斷的能力，以及與其他機(jī)器人協(xié)作完成復(fù)雜工作任務(wù)的能力。這些都需要機(jī)器人配備智能控制器以執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)，而對(duì)于工廠環(huán)境使用幾十、上百臺(tái)機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景，如果每臺(tái)機(jī)器人都配備復(fù)雜的智能控制器，這將增加機(jī)器人的成本。但是如果采用邊緣技術(shù)，把工業(yè)機(jī)器人的智能控制器功能集中部署在生產(chǎn)車間的邊緣節(jié)點(diǎn)，在保證時(shí)延的情況下還能實(shí)現(xiàn)集中控制，完成機(jī)器人之間的聯(lián)動(dòng)協(xié)同，可以大大降低工業(yè)機(jī)器人的開發(fā)、部署和維護(hù)成本。圖8示例了把工廠車間里機(jī)器人的智能控制器集中部署在邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)(邊緣網(wǎng)關(guān))的場(chǎng)景。

圖6 EdgeX公共開放平臺(tái)

圖7 邊緣計(jì)算在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用示例

圖8 邊緣計(jì)算對(duì)工廠車間內(nèi)機(jī)器人集中控制示例

3.2 智慧交通

在城市道路交通中，每個(gè)路口都會(huì)設(shè)置監(jiān)控?cái)z像頭，每周甚至每天都會(huì)有海量的視頻數(shù)據(jù)產(chǎn)生，如果這些監(jiān)控設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)聚在一起，會(huì)是個(gè)天文數(shù)字。在云端進(jìn)行實(shí)時(shí)的海量數(shù)據(jù)分析與儲(chǔ)存對(duì)計(jì)算能力和網(wǎng)絡(luò)帶寬是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。如果借助邊緣計(jì)算，在本地對(duì)海量視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，僅識(shí)別和截取存在道路交通事故或違法行為的視頻傳遞給云/數(shù)據(jù)中心做進(jìn)一步分析和長(zhǎng)久存儲(chǔ)，這樣可以大大減少到云端的數(shù)據(jù)傳輸，并且能夠支持實(shí)時(shí)的智能交通控制。

圖9示例了邊緣計(jì)算在城市交通中的應(yīng)用，通過(guò)邊緣計(jì)算的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和分析功能，可以支持無(wú)人駕駛、交通流量疏導(dǎo)和擁堵預(yù)測(cè)這類業(yè)務(wù)功能。另外也提供本地的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和清洗后再把有效數(shù)據(jù)傳遞給云/數(shù)據(jù)中心做進(jìn)一步分析的邊云協(xié)同。

3.3 智慧城市

智慧城市是構(gòu)建“宜居、舒適、安全”的城市生活環(huán)境，實(shí)現(xiàn)城市“感知、互聯(lián)和智慧”。智慧城市建設(shè)是涉及諸多信息系統(tǒng)、綜合集成技術(shù)的大型信息化工程。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將為城市基礎(chǔ)設(shè)施的整體升級(jí)提供智能化的支撐，而邊緣計(jì)算將豐富智慧城市的應(yīng)用場(chǎng)景。

如圖10所示，一般智慧城市具有家庭、小區(qū)、社區(qū)和城市4個(gè)層級(jí)。每個(gè)層級(jí)都有對(duì)應(yīng)的應(yīng)用和服務(wù)，比如家庭有智能家居、智能安防和家庭娛樂(lè)系統(tǒng)等；小區(qū)有門禁和視頻監(jiān)控、車輛人員管理和物業(yè)服務(wù)等；社區(qū)有社區(qū)商場(chǎng)、社區(qū)醫(yī)療和社區(qū)政務(wù)等；城市有交通、物流、醫(yī)療、金融和市政服務(wù)等。邊緣計(jì)算將在智慧城市這4個(gè)層級(jí)之間提供層次化的管理和服務(wù)功能，并協(xié)同彼此之間的發(fā)展。

3.4 智能家居

在當(dāng)前的智能家居中，智能家電設(shè)備基本上都是由智能單品構(gòu)成的，比如密碼鎖、智能照明、智能空調(diào)、安防監(jiān)控、智能衛(wèi)浴、室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控、家庭影院多媒體系統(tǒng)等，這些智能家電設(shè)備需要依賴于云平臺(tái)才能實(shí)現(xiàn)手機(jī)端在外網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制。這種基于云平臺(tái)的智能家居在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)將無(wú)法進(jìn)行控制，特別是多個(gè)智能單品聯(lián)動(dòng)的場(chǎng)景將無(wú)法對(duì)多個(gè)設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)。智能家電設(shè)備都是通過(guò)Wi-Fi模塊連接到云/數(shù)據(jù)中心，用戶對(duì)存放在云/數(shù)據(jù)中心的家庭數(shù)據(jù)也存在泄漏的擔(dān)憂，另外大量的監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)也會(huì)消耗智能家居設(shè)備到云/數(shù)據(jù)中心之間的通信帶寬。

圖9 邊緣計(jì)算在智慧交通中的應(yīng)用示例

圖10 邊緣計(jì)算在智慧城市中的應(yīng)用示例

圖11 邊緣計(jì)算在智能家居中的應(yīng)用示例

如圖11所示，采用邊緣計(jì)算技術(shù)，可以把家庭視頻數(shù)據(jù)存放在本地邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)設(shè)備上，確保用戶的隱私不被泄漏；多個(gè)智能單品之間的聯(lián)動(dòng)也可以通過(guò)本地邊緣計(jì)算進(jìn)行近實(shí)時(shí)的協(xié)調(diào)；邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)還能實(shí)現(xiàn)定期與云計(jì)算同步更新控制和設(shè)備狀態(tài)信息。

4 邊緣計(jì)算發(fā)展展望

4.1 邊云協(xié)同

邊緣計(jì)算和云計(jì)算在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中構(gòu)成一個(gè)相輔相成的端到端系統(tǒng)，兩者共同配合完成物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的工作流，實(shí)現(xiàn)分布式最佳解決方案。為契合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展，未來(lái)的云將呈現(xiàn)以集中式的云/數(shù)據(jù)中心和分布式的智能邊緣計(jì)算互相協(xié)同的格局。

在邊云協(xié)同中，邊緣計(jì)算側(cè)重于針對(duì)實(shí)時(shí)性、系統(tǒng)異構(gòu)、短周期數(shù)據(jù)、安全和隱私等要求比較高的業(yè)務(wù)需求，比如對(duì)源或現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、數(shù)據(jù)可視化、基本分析、數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)過(guò)濾和優(yōu)化、M2M通訊等；而云計(jì)算側(cè)重于非實(shí)時(shí)、長(zhǎng)周期數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)需求，如大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)、業(yè)務(wù)邏輯、機(jī)器推理、預(yù)測(cè)維護(hù)、日志存儲(chǔ)等業(yè)務(wù)需求。為了減少對(duì)傳輸帶寬的壓力和傳輸成本，邊緣計(jì)算需要把原始數(shù)據(jù)過(guò)濾和清洗后再傳送到云/數(shù)據(jù)中心完成進(jìn)一步的處理，形成“基于云計(jì)算的全局優(yōu)化+基于邊緣計(jì)算的局部?jī)?yōu)化”的協(xié)同方式。

AII在邊云協(xié)同研討中，按照邊緣計(jì)算和云計(jì)算提供的IaaS、PaaS和SaaS對(duì)等層之間的交互原則，共識(shí)別有6類協(xié)同，即：IaaS資源&安全協(xié)同、數(shù)據(jù)協(xié)同、智能協(xié)同、應(yīng)用協(xié)同、業(yè)務(wù)協(xié)同、服務(wù)協(xié)同。邊云協(xié)同相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議、接口技術(shù)需要圍繞邊云協(xié)同的典型應(yīng)用場(chǎng)景所識(shí)別出的需求進(jìn)行制訂。

4.2 使能5G

隨著信息技術(shù)向物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的延伸，支持物聯(lián)網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)吞吐量、時(shí)延、連接數(shù)量和可靠性等方面業(yè)務(wù)需求的新一代5G通信技術(shù)將讓萬(wàn)物互聯(lián)在各個(gè)垂直行業(yè)應(yīng)用落地成為可能。邊緣計(jì)算可以將5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能力信息抽象成各種類型的服務(wù)并開放給第三方應(yīng)用和垂直行業(yè)，并借此在5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中提供多樣化的業(yè)務(wù)場(chǎng)景。邊緣計(jì)算為電信運(yùn)營(yíng)商實(shí)現(xiàn)靈活的網(wǎng)絡(luò)功能部署與固移融合提供基礎(chǔ)設(shè)施支撐，同時(shí)服務(wù)托管與基礎(chǔ)服務(wù)能力也可以幫助第三方應(yīng)用提高用戶體驗(yàn)。

通過(guò)邊緣計(jì)算的使能，將促進(jìn)5G技術(shù)延伸到交通運(yùn)輸、智能駕駛、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等各個(gè)垂直行業(yè)。

4.3 邊緣切片

網(wǎng)絡(luò)切片和邊緣計(jì)算技術(shù)是5G的兩大關(guān)鍵技術(shù)，一直被業(yè)界普遍認(rèn)為是以低成本和方便快捷的方式為用戶提供個(gè)性化物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用部署的使能技術(shù)。在不同的商業(yè)模式下，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)吞吐量、時(shí)延、連接數(shù)目和可靠性等方面的性能指標(biāo)都不盡相同，而且物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在基礎(chǔ)資源需求和業(yè)務(wù)負(fù)荷等方面都存在很大的動(dòng)態(tài)性。網(wǎng)絡(luò)切片可將網(wǎng)絡(luò)資源按照物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用進(jìn)行靈活地劃分和管理，為垂直行業(yè)提供物理/邏輯相互隔離的專網(wǎng)，滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對(duì)各類業(yè)務(wù)性能指標(biāo)的需求，提高服務(wù)質(zhì)量保證能力。應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的邊緣切片對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定制化裁剪，可以實(shí)現(xiàn)靈活的網(wǎng)元組網(wǎng)和最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)資源分配，滿足物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用的實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)性方面的需求。

邊緣切片的實(shí)現(xiàn)將有助于與接入網(wǎng)切片和核心網(wǎng)切片一起構(gòu)成端到端的網(wǎng)絡(luò)切片，滿足大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用部署的業(yè)務(wù)需求，并保證物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的快速發(fā)布和安全隔離。

4.4 邊緣智能

物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)量龐大、終端類型和網(wǎng)絡(luò)連接協(xié)議繁多，存在很大的異構(gòu)性，另外在生命周期管理、個(gè)性化需求、位置分布等方面都不相同，如何采用自治的方式進(jìn)行資源/設(shè)備自動(dòng)發(fā)現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)/應(yīng)用自動(dòng)部署和運(yùn)維、服務(wù)/業(yè)務(wù)自動(dòng)提供也是邊緣計(jì)算有待進(jìn)一步研究的領(lǐng)域。

機(jī)器學(xué)習(xí)/深度學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)與邊緣計(jì)算的結(jié)合將使能邊緣計(jì)算在敏捷聯(lián)接、實(shí)時(shí)響應(yīng)、應(yīng)用智能、數(shù)據(jù)優(yōu)化、安全和隱私等各個(gè)層面的智能化，并保證在脫離云計(jì)算的情況下，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也能夠獨(dú)立地、靈活地運(yùn)行，比如電梯的預(yù)測(cè)性維護(hù)、無(wú)人工廠實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)自我優(yōu)化。

邊緣智能有助于促進(jìn)各行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的智能化。智能化是以提供的智能化工具和策略為基礎(chǔ)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化分析，從而實(shí)現(xiàn)智能決策和智能操作，以及業(yè)務(wù)流程的持續(xù)智能優(yōu)化。隨著物聯(lián)網(wǎng)智能化需求分布到網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，也將促進(jìn)邊緣計(jì)算的智能化發(fā)展，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)物的自主化和協(xié)作化。

4.5 開源實(shí)現(xiàn)

為方便邊緣計(jì)算產(chǎn)品功能的快速開發(fā)，以及加速邊緣計(jì)算在垂直行業(yè)的落地，建立邊緣計(jì)算平臺(tái)的開源社區(qū)也是實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算生態(tài)培育的重要促進(jìn)手段之一。EdgeX Foundry旨在打造一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算開放框架，簡(jiǎn)化物聯(lián)網(wǎng)邊緣平臺(tái)構(gòu)建，降低邊緣計(jì)算平臺(tái)準(zhǔn)入門檻；OpenStack社區(qū)(2018年2月，OpenStack發(fā)布《云邊緣計(jì)算-跨越傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心》白皮書，該白皮書提倡創(chuàng)建一個(gè)跨行業(yè)聯(lián)盟，來(lái)監(jiān)督邊緣計(jì)算所需工具的打造和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定)也成立了專門的邊緣計(jì)算工作組來(lái)關(guān)注云計(jì)算向邊緣演化的趨勢(shì)；Linux基金會(huì)即將開源致力于邊緣計(jì)算的Akraino Edge Stack項(xiàng)目，以支持針對(duì)邊緣計(jì)算系統(tǒng)和應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化的高可用性云服務(wù)，為5G和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供新的生態(tài)系統(tǒng)。

4.6 產(chǎn)業(yè)協(xié)同

目前邊緣計(jì)算在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用尚處于探索和測(cè)試驗(yàn)證階段，為加速邊緣計(jì)算在各行業(yè)的數(shù)字化創(chuàng)新和行業(yè)應(yīng)用落地，還需要全面促進(jìn)邊緣計(jì)算與產(chǎn)業(yè)深度協(xié)同。邊緣計(jì)算創(chuàng)新應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)各個(gè)行業(yè)，需要針對(duì)行業(yè)需求，解決行業(yè)痛點(diǎn)，支持多種類型聯(lián)接管理，提供多種協(xié)議&接口適配、開放的API接口，以及針對(duì)不同行業(yè)提供定制化開發(fā)等技術(shù)和能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

邊緣計(jì)算是連接物理世界和數(shù)字世界的橋梁，是信息技術(shù)向物理世界的延伸。邊緣計(jì)算根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的需求將云計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)和應(yīng)用部署等能力下沉到靠近物和數(shù)據(jù)的源頭側(cè)，為低時(shí)延、安全可靠的連接、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、消息分發(fā)和智能控制等功能提供了保障，從而實(shí)現(xiàn)物的控制管理的自動(dòng)化和信息化。

邊緣計(jì)算的協(xié)同性、自主化以及與機(jī)器/深度學(xué)習(xí)、人工智能和5G等新技術(shù)的融合將促進(jìn)智能邊緣計(jì)算的到來(lái)，并將繼續(xù)擴(kuò)展物聯(lián)網(wǎng)的邊界。