范天偉 胡 云 林 晨 范星宇

中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院 北京 100044

引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的不斷發(fā)展，催生出了各種不同的新型業(yè)務(wù)訴求，移動通信網(wǎng)絡(luò)也在持續(xù)演進(jìn)以滿足業(yè)務(wù)需求。如在5G未來網(wǎng)絡(luò)中，定義了三大典型應(yīng)用場景，它們分別是eMBB增強(qiáng)移動寬帶(包括在智能制造中AR/VR可視化輔助和視頻監(jiān)控等大帶寬業(yè)務(wù)應(yīng)用場景)，URLLC超可靠低時延通信(包括工業(yè)控制、工業(yè)自動化等對時延要求較高的應(yīng)用場景)，mMTC海量機(jī)器類通信(包括智慧工廠中對連接密度有較高要求的應(yīng)用場景)，可見工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在5G各類應(yīng)用場景中均有涉及。為了有效應(yīng)對5G新業(yè)務(wù)應(yīng)用場景對高帶寬、低時延的網(wǎng)絡(luò)需求，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會ETSI于2014年提出了MEC(Mobile Edge Computing，移動邊緣計算)的概念[1]。MEC是指在靠近數(shù)據(jù)源的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，就近提供數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲以及業(yè)務(wù)內(nèi)容分發(fā)的服務(wù)，一方面應(yīng)用、服務(wù)和內(nèi)容會部署在高度分布化的網(wǎng)絡(luò)邊緣環(huán)境中，可以更好地滿足業(yè)務(wù)對低時延和高帶寬的需求；另一方面數(shù)據(jù)無需繞經(jīng)核心網(wǎng)，減輕了網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞的出現(xiàn)。根據(jù)IDC發(fā)布的預(yù)測，未來將有500億終端連接入網(wǎng)，同時超過40%的數(shù)據(jù)需要在網(wǎng)絡(luò)邊緣進(jìn)行分析、存儲和處理，邊緣計算呈現(xiàn)巨大市場潛力和機(jī)會。

將MEC與制造業(yè)進(jìn)行有效融合，可以實現(xiàn)工廠的智能化轉(zhuǎn)型，使得工業(yè)現(xiàn)場的設(shè)備可以實現(xiàn)快速接入，工業(yè)數(shù)據(jù)在邊緣側(cè)即可完成計算處理，大大減小了業(yè)務(wù)端到端時延，消除了工業(yè)現(xiàn)場獨立的信息孤島模式。目前已有研究成果表明，在工業(yè)現(xiàn)場引入分布式的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)[2]和面向服務(wù)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)[3]，可以有效提升工業(yè)生產(chǎn)制造效率。我國的制造業(yè)也將由傳統(tǒng)的“制造到庫存”生產(chǎn)模式，向“按訂單生產(chǎn)”、“個性化定制”、“柔性化生產(chǎn)”等新興生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型。

1 邊緣計算系統(tǒng)構(gòu)成

MEC系統(tǒng)包括了MEC云設(shè)施和MEC服務(wù)器兩部分，如圖1所示。MEC云設(shè)施(也稱為邊緣云)通常部署在工業(yè)車間本地的無線接入網(wǎng)關(guān)內(nèi)或運營商的無線基站內(nèi)，以提供本地化的云計算敏捷服務(wù)；此外MEC系統(tǒng)還包括基于IT通用硬件平臺搭建的MEC工業(yè)應(yīng)用云服務(wù)器[4]，其內(nèi)部又包括了業(yè)務(wù)調(diào)度子系統(tǒng)、內(nèi)容分發(fā)子系統(tǒng)、能力開放子系統(tǒng)和平臺管理子系統(tǒng)四部分，MEC云服務(wù)器還可連接第三方私有云，從而實現(xiàn)邊緣混合云服務(wù)，通過封裝組件的方式，更好地為智能制造企業(yè)提供基于MEC技術(shù)的設(shè)備運維管理、設(shè)備資產(chǎn)管理、產(chǎn)線良品率與產(chǎn)線故障監(jiān)測等應(yīng)用服務(wù)。

因此，MEC將原本孤立的、中心化部署的云計算服務(wù)和無線網(wǎng)絡(luò)有效融合在一起，在網(wǎng)絡(luò)側(cè)的邊緣增加了云計算、云存儲和云處理等功能，邊緣節(jié)點將提前過濾掉與工業(yè)制造無關(guān)的數(shù)據(jù)信息。與此同時構(gòu)建開放式MEC云服務(wù)器，用以更進(jìn)一步處理復(fù)雜的工業(yè)數(shù)據(jù)，同時以開放接口的方式供第三方調(diào)用數(shù)據(jù)或植入內(nèi)容。

MEC在制造業(yè)中的應(yīng)用具有5個基本特征，分別是鄰近性、低時延、高帶寬[5-6]、高拓展性和高安全性。

1)鄰近性：由于移動邊緣計算將內(nèi)容服務(wù)和計算能力下沉至工業(yè)車間本地，因此邊緣計算特別適用于采集和分析信息源上傳的短周期數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵信息，在進(jìn)行一遍數(shù)據(jù)處理后，再將復(fù)雜數(shù)據(jù)上傳至核心網(wǎng)后的云端MEC服務(wù)器或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺作進(jìn)一步處理，因此數(shù)據(jù)分析效率將大大提升。

2)低時延：在網(wǎng)絡(luò)的邊緣側(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可大大降低數(shù)據(jù)傳輸時延，這使得部署在邊緣側(cè)的云計算設(shè)備可以更加迅速地進(jìn)行反饋，增強(qiáng)工業(yè)自動化控制或?qū)崟r產(chǎn)線故障檢測等業(yè)務(wù)能力。

3)高帶寬：工業(yè)設(shè)備所產(chǎn)生的的數(shù)據(jù)可以先在工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行簡單的處理，再將需要復(fù)雜運算的數(shù)據(jù)上傳至工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺，而不必將所有數(shù)據(jù)上傳至云端，這將使網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力下降，速率會大大增加，同時也節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)帶寬。

4)高拓展性：邊緣云計算節(jié)點采用高拓展性的分布式存儲和數(shù)據(jù)處理方式，相較于傳統(tǒng)的云計算集中化部署方式有更好的拓展性。

圖1 MEC系統(tǒng)組成

5)高安全性：邊緣計算節(jié)點部署在生產(chǎn)場所本地，使得生產(chǎn)車間與邊緣網(wǎng)絡(luò)以外的其他部分相隔離，大大提高了生產(chǎn)車間的生產(chǎn)安全和數(shù)據(jù)安全。

2 邊緣計算參考系統(tǒng)架構(gòu)

MEC系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，可分為四層，從下至上分別是設(shè)施層、調(diào)度層、使能層和應(yīng)用層。該框架具有較為清晰的邏輯層次，并且以模塊化、概念化的方式闡述了系統(tǒng)各層面的功能組成，使MEC部署分工更為明確，同時可以更好地幫助MEC產(chǎn)業(yè)玩家建立產(chǎn)業(yè)合作關(guān)系，共建MEC生態(tài)。

1)設(shè)施層：設(shè)施層是利用虛擬化技術(shù)所實現(xiàn)的虛擬化資源池，通常部署在基于OpenStack的虛擬化操作系統(tǒng)和通用NFV硬件資源之上，提供底層硬件的計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)控制功能，并通過硬件虛擬化組件模塊，來完成硬件層面相應(yīng)的管理和分配功能。

2)調(diào)度層：調(diào)度層由NFV架構(gòu)中的調(diào)度功能模塊所組成，使其具備對整個虛擬化資源的調(diào)度和編排。通過對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)感知和協(xié)議轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)對業(yè)務(wù)的智能化感知，并根據(jù)不同業(yè)務(wù)屬性，對業(yè)務(wù)內(nèi)容進(jìn)行有序的路由轉(zhuǎn)發(fā)，同時還將實現(xiàn)應(yīng)用注冊、資源調(diào)度、控制決策等基礎(chǔ)功能，可根據(jù)不同的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，實現(xiàn)智能化的動態(tài)資源調(diào)度。

圖2 MEC系統(tǒng)架構(gòu)

3)使能層：使能層將MEC開放平臺的多種功能封裝成模塊化的應(yīng)用組件并提供API開放接口，以PaaS(平臺即服務(wù))的服務(wù)模式供第三方應(yīng)用服務(wù)商或軟件開發(fā)商調(diào)用。使能層可提供的能力包括：本地數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)、位置服務(wù)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)本地應(yīng)用、API能力開放等。

4)應(yīng)用層：應(yīng)用層承載并運行實際的本地化邊緣計算應(yīng)用，包括AR/VR工業(yè)可視化輔助、工業(yè)現(xiàn)場視頻監(jiān)控、設(shè)備/配件智能化管理等邊緣計算應(yīng)用。

MEC架構(gòu)的縱向?qū)用?，涉及到全架?gòu)的共性層面問題，將影響到幾個不同的功能域和層級。

1)管理模塊：管理模塊用于監(jiān)控和管理MEC云服務(wù)器中的各個系統(tǒng)模塊和功能模塊，包括對模塊的啟用和停用等。

2)安全模塊：安全模塊主要用于防患因用戶個人操作原因或與其他第三方平臺對接所造成的潛在安全隱患，使MEC系統(tǒng)能保持穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。安全模塊包括數(shù)字身份管理和鑒權(quán)、訪問控制策略管理和執(zhí)行、通訊和數(shù)據(jù)傳輸?shù)募用堋?/p>

3)數(shù)字模型：數(shù)字模型是對物理實體的抽象孿生，實時反映整體物理實體的變化，數(shù)字模型通常是開放共享的。數(shù)字模型的建立是業(yè)務(wù)自動化配置、現(xiàn)場抽象建模及模擬仿真的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。

4)業(yè)務(wù)邏輯：業(yè)務(wù)邏輯不涉及設(shè)備通訊協(xié)議等技術(shù)環(huán)節(jié)，而是重點確保MEC業(yè)務(wù)邏輯的連貫性，在工業(yè)生產(chǎn)者到消費者之間直接建立業(yè)務(wù)通道，將制造業(yè)相關(guān)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流實現(xiàn)端到端傳送。

3 邊緣計算生態(tài)體系

MEC架構(gòu)已經(jīng)間接描繪出了一張MEC生態(tài)圖譜，是一個全新的生態(tài)。MEC邊緣云基礎(chǔ)設(shè)施(包括工業(yè)邊緣網(wǎng)關(guān))和MEC服務(wù)器(開放平臺)通常由工業(yè)企業(yè)和運營商向設(shè)備供應(yīng)商采購，并主導(dǎo)建設(shè)過程。OTT廠商可以通過調(diào)用MEC開放平臺的能力，獲取網(wǎng)絡(luò)的實時狀態(tài)，同時可將MEC內(nèi)容數(shù)據(jù)緩存至邊緣側(cè)，為客戶提供內(nèi)容分發(fā)服務(wù)。內(nèi)容供應(yīng)商又會與OTT廠商建立良好的合作共贏關(guān)系，為其提供大量的業(yè)務(wù)內(nèi)容。對于一些細(xì)分場景的應(yīng)用(如AR/VR工業(yè)可視化輔助)，又會由應(yīng)用開發(fā)商單獨負(fù)責(zé)MEC應(yīng)用的開發(fā)，如圖3所示。

圖3 MEC生態(tài)體系

4 邊緣計算在制造業(yè)中的部署方案

未來的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，各網(wǎng)元將搭建在數(shù)據(jù)中心的通用基礎(chǔ)硬件設(shè)施上，從接入層到核心層將形成4個云化中心，分別是接入云、邊緣云、匯聚云和核心云[7]，MEC系統(tǒng)可通過虛擬化的方式部署在各個不同的云化數(shù)據(jù)中心(DC)中，根據(jù)不同業(yè)務(wù)場景，提供差異化的邊緣計算服務(wù)，如圖4所示。例如對時延有非常高要求的如AR/VR工業(yè)可視化輔助和工業(yè)控制類業(yè)務(wù)，可通過接入云的MEC來提供服務(wù)；其次，對移動性和時延有較高要求，同時對于業(yè)務(wù)內(nèi)容豐富度有較高訴求的業(yè)務(wù)場景如工業(yè)視頻業(yè)務(wù)，則可通過部署在邊緣DC的邊緣云為其提供服務(wù)(與UPF共同部署)；而對于海量低速率的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景如設(shè)備資產(chǎn)管理業(yè)務(wù)，由于其接入設(shè)備繁多、覆蓋范圍大，通過調(diào)用匯聚DC側(cè)的MEC API接口，則能更好地滿足該應(yīng)用場景需求。

5 邊緣計算在制造業(yè)中的典型應(yīng)用模式

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域領(lǐng)，需要部署大量傳感節(jié)點與智能控制系統(tǒng)進(jìn)行工業(yè)數(shù)據(jù)的采集和智能化控制，現(xiàn)階段的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域主要面臨4大難題，分別是低時延需求、精準(zhǔn)時間同步需求、海量連接需求和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)需求[8]。

如圖5所示，可以通過在工業(yè)現(xiàn)場靠近多源數(shù)據(jù)所處的位置上部署工業(yè)邊緣網(wǎng)關(guān)和工業(yè)邊緣云，同時通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺，快速打通工業(yè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、建模分析、決策控制、決策執(zhí)行的工業(yè)全流程業(yè)務(wù)邏輯鏈條，為“按訂單生產(chǎn)”、“個性化定制”、“柔性化生產(chǎn)”和“服務(wù)化制造”等新興制造業(yè)生產(chǎn)模式創(chuàng)造必要條件。

1)場景一：工業(yè)自動化控制。工業(yè)生產(chǎn)制造園區(qū)中，現(xiàn)階段多以短距通信、蜂窩通信、有線通信等多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)混合組網(wǎng)的方式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入，在安全、抗干擾、通信效率、業(yè)務(wù)連續(xù)性等方面難以保障，無法滿足工業(yè)控制的需求。

結(jié)合工業(yè)邊緣云網(wǎng)關(guān)和MEC云平臺，可將通過不同網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臋C(jī)器和設(shè)備的相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)在邊緣網(wǎng)關(guān)上進(jìn)行匯聚采集，并在網(wǎng)關(guān)上進(jìn)行工業(yè)數(shù)據(jù)的實時分析、處理和本地回流，大大降低傳輸時延，以此提高機(jī)器設(shè)備協(xié)同能力，實現(xiàn)徹底的生產(chǎn)自動化。同時，設(shè)備狀態(tài)將以更低的時延上報至邊緣云，經(jīng)過簡單分析后可對設(shè)備故障進(jìn)行有效預(yù)警，大大降低了生產(chǎn)安全隱患，如圖6所示。

2)場景二：工業(yè)現(xiàn)場視頻監(jiān)控，如圖7所示。工業(yè)現(xiàn)場視頻監(jiān)控往往需要將海量的視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)回傳至視頻服務(wù)器，由視頻服務(wù)器負(fù)責(zé)視頻數(shù)據(jù)的存儲和分析，視頻數(shù)據(jù)回傳需要耗費大量的網(wǎng)絡(luò)資源和時間，也無法做到對視頻數(shù)據(jù)的即時處理[9-10]。

圖4 MEC部署方案

圖5 MEC在制造業(yè)中的應(yīng)用模式

圖6 MEC在工業(yè)自動化控制中的應(yīng)用

因此可以使用部署本地化的MEC視頻服務(wù)器來處理海量的視頻數(shù)據(jù)，不僅可降低視頻數(shù)據(jù)回傳時間，而且也會大大提高視頻數(shù)據(jù)的處理效率。除此之外，通過人工智能技術(shù)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，同時可將訓(xùn)練模型下發(fā)至邊緣側(cè)，在經(jīng)過大量訓(xùn)練之后，監(jiān)控攝像頭獲取的視頻信息可以直接在工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行分析，實時抓取車間本地的生產(chǎn)作業(yè)狀態(tài)并進(jìn)行生產(chǎn)的智能化決策，例如可以通過視頻分析實現(xiàn)對產(chǎn)線設(shè)備工作狀態(tài)的判斷、產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量分析、工人/工廠狀態(tài)監(jiān)控等。

3)場景三：AR/VR工業(yè)可視化輔助，如圖8所示。AR/VR在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域也是極具潛力的，可應(yīng)用的場景包括工業(yè)設(shè)備維護(hù)、工業(yè)設(shè)備可視化管控、專家遠(yuǎn)程協(xié)助等等。傳統(tǒng)AR/VR解決方案中，用戶需要在終端上預(yù)先下載一個耗費巨大容量的APP來體驗業(yè)務(wù)，因此終端的內(nèi)存和系統(tǒng)容量會限制AR業(yè)務(wù)的發(fā)展。與此同時，很多工業(yè)場景下的AR業(yè)務(wù)對實時性要求較高，一旦時延過高，微小的操作失誤都可能會造成巨大的安全隱患。未來，工業(yè)應(yīng)用可以利用本地的AR邊緣服務(wù)器提供實時的AR內(nèi)容匹配運算和應(yīng)用推送，實現(xiàn)本地場景和AR內(nèi)容的實時融合，從而對工業(yè)領(lǐng)域的設(shè)備智能運維等應(yīng)用場景帶來革命性的新體驗。

6 結(jié)語

本文重點研究了邊緣計算的關(guān)鍵技術(shù)，并給出了一種可應(yīng)用于制造業(yè)的邊緣計算參考系統(tǒng)架構(gòu)，基于該架構(gòu)的工業(yè)邊緣計算應(yīng)用范例可作用于工業(yè)現(xiàn)場中的多種場景，使工業(yè)數(shù)據(jù)可在生產(chǎn)車間本地實現(xiàn)即時處理，降低數(shù)據(jù)傳輸時延，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬，特別是在生產(chǎn)自動化、工廠視頻監(jiān)控等領(lǐng)域有著極為重要的應(yīng)用價值。充分利用邊緣計算技術(shù)將對我國制造業(yè)的成功轉(zhuǎn)型起到積極的推進(jìn)作用。

圖7 MEC在工業(yè)視頻監(jiān)控中的應(yīng)用

圖8 MEC在AR/VR工業(yè)可視化輔助中的應(yīng)用