面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)營商邊緣計(jì)算平臺(tái)及實(shí)踐

伴隨著5G商用大潮，網(wǎng)絡(luò)切片、多接入邊緣計(jì)算(Multi-access Edge Computing，MEC)等5G核心技術(shù)也越來越引起產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注。ETSI和3GPP等幾個(gè)主要國際標(biāo)準(zhǔn)化組織聯(lián)合全球主流電信設(shè)備提供商定義了邊緣網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模式和平臺(tái)，可以更好地在網(wǎng)絡(luò)邊緣向終端用戶提供低時(shí)延、高帶寬、高存儲(chǔ)以及計(jì)算能力的服務(wù)。隨著5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，大量的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐中對(duì)MEC的應(yīng)用需求越來越多。這也導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳送量不斷增加，海量終端接入及數(shù)據(jù)傳輸、處理、存儲(chǔ)的需求極大地增加的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬提出了更高的需求。

如圖1所示，在2019年第二屆“綻放杯”之智慧工業(yè)的101個(gè)工業(yè)案例中，從5G及典型技術(shù)角度統(tǒng)計(jì)分析，MEC出現(xiàn)頻度高達(dá)34次，次數(shù)占比達(dá)到25%，從中可以看出，工業(yè)企業(yè)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的邊緣計(jì)算需求較為強(qiáng)烈，MEC可以完美解決工業(yè)網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延、高帶寬和高可靠性的要求。

數(shù)據(jù)的就近處理和下發(fā)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中極為重要，MEC不僅可以降低時(shí)延，也能減少網(wǎng)絡(luò)回傳的壓力和所需的數(shù)據(jù)帶寬。MEC作為本地服務(wù)托管環(huán)境，能夠支持部署本地更具地理和區(qū)域特色、更高吞吐量的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。而5G用戶面下沉的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)決定其邊緣計(jì)算能力可以部署于工業(yè)園區(qū)，可以滿足工業(yè)企業(yè)數(shù)據(jù)不出工廠的需求。

根據(jù)5G工業(yè)模組商業(yè)化進(jìn)程，5G部署實(shí)施分兩個(gè)階段推進(jìn)。目前處于第一階段5G工業(yè)模組商用不成熟，采用5G CPE轉(zhuǎn)化的WIFI接入到5G網(wǎng)絡(luò)；隨著5G工業(yè)模組商用成熟進(jìn)入第二階段，采用終端設(shè)備融合5G工業(yè)模組，可直接接入到5G網(wǎng)絡(luò)。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用場景分為四類，一是工廠內(nèi)部各要素互聯(lián)的智能化生產(chǎn)，二是工廠與用戶互聯(lián)的個(gè)性化定制，三是工廠與工廠之間互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同，四是工廠與產(chǎn)品互聯(lián)的服務(wù)化延伸。從目前MEC的實(shí)踐情況來看，主要應(yīng)用在工廠內(nèi)部互聯(lián)的智能化生產(chǎn)場景，其相關(guān)能力主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、低時(shí)延、多接入以及數(shù)據(jù)安全隱私等，如下兩個(gè)案例進(jìn)一步分析。

AGV是智能物流倉儲(chǔ)系統(tǒng)中一個(gè)重要的組成部分，承擔(dān)著物料和貨物的分揀、入庫、搬運(yùn)等工作。它是通過引導(dǎo)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和控制，將這種遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)托管于MEC，實(shí)現(xiàn)物料和貨物的倉儲(chǔ)、運(yùn)輸和轉(zhuǎn)移。利用視覺導(dǎo)航的方式代替磁條、激光等傳統(tǒng)導(dǎo)航方式，從而消除AGV難以柔性化，并降低單臺(tái)AGV成本。

基于MEC的工廠/物流AGV自動(dòng)引導(dǎo)如圖2所示，AGV實(shí)時(shí)采集運(yùn)行線路的視頻圖像接入到5G網(wǎng)絡(luò)，傳輸?shù)讲渴鹪贛EC上的控制服務(wù)器。控制服務(wù)器通過視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行視覺計(jì)算、激光雷達(dá)感知分析、毫米波感知分析以及多傳感器感知融合等，通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)AGVT發(fā)實(shí)時(shí)的控制信號(hào)。

（1）利用5G大帶寬(AGV視頻上行帶寬大于30 Mbps)、低時(shí)延能力，單臺(tái)AGV效能提升5%；

（2）視覺處理及調(diào)度部署在MEC，有效降低時(shí)延，并降低單個(gè)AGV成本；

（3）相比于激光導(dǎo)航方式，視覺融合導(dǎo)航可以提高定位精度，可達(dá)mm級(jí)。

車間小范圍場景的海量高并發(fā)連接，如水量計(jì)量儀表、電力計(jì)量儀表、氣壓力傳感器以及溫濕度傳感器等，將物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)管理軟件部署在MEC，降低業(yè)務(wù)時(shí)延。

基于MEC的工廠環(huán)境檢測如圖3所示，溫濕度等廠區(qū)儀表的監(jiān)控信號(hào)接入到5G網(wǎng)絡(luò)，傳輸?shù)讲渴鹪贛EC服務(wù)器上的IOT服務(wù)器。IOT服務(wù)器將數(shù)據(jù)推送至運(yùn)營指揮中心的大屏。

（1）5G大連接特性，能滿足未來智能工廠千/萬計(jì)的并發(fā)連接需求，實(shí)現(xiàn)有線向無線的遷移；

（2）通過5G MEC實(shí)現(xiàn)設(shè)備端數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，并向遠(yuǎn)端云中心上報(bào)分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)云邊協(xié)同。

MEC的標(biāo)準(zhǔn)化主要在ETSI中制定，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和MEC平臺(tái)的關(guān)系架構(gòu)如圖4所示，該系統(tǒng)架構(gòu)由左側(cè)的業(yè)務(wù)域和右側(cè)的管理域構(gòu)成，其中業(yè)務(wù)域包括MEC平臺(tái)、MEC應(yīng)用以及為之提供計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等資源的虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施。管理域則包括MEC系統(tǒng)級(jí)管理以及MEC主機(jī)級(jí)管理。MEC系統(tǒng)級(jí)管理以MEC編排器為核心部件，負(fù)責(zé)MEC整個(gè)系統(tǒng)資源配置管理。MEC主機(jī)級(jí)管理主要包括MEC平臺(tái)管理單元和虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施管理單元。

該架構(gòu)具備很好的開放性以及自動(dòng)化能力(生命周期管理)，同時(shí)MEC平臺(tái)支持本地應(yīng)用導(dǎo)入，本地分流策略的執(zhí)行等關(guān)鍵能力，具備MEC近距離部署、低時(shí)延、位置感知以及無線網(wǎng)絡(luò)上下文信息感知等特點(diǎn)。

在運(yùn)營商實(shí)踐中，MEC部署大致分為三種情形：第—種是對(duì)工廠提供MEC裸機(jī)服務(wù)，管理以及業(yè)務(wù)部署都由工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)負(fù)責(zé)；第二種類似于邊緣云服務(wù)，其中包括提供邊緣虛機(jī)、存儲(chǔ)等資源型邊緣IaaS服務(wù)，應(yīng)用部署等由工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)負(fù)責(zé)，而虛擬化資源申請由MEC平臺(tái)負(fù)責(zé)；第三種類似于邊緣ICT業(yè)務(wù)服務(wù)，應(yīng)用部署以及虛擬化資源管理都由MEC平臺(tái)負(fù)責(zé)。針對(duì)具體的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)APP部署大致有以下幾種情況，對(duì)于大型工廠，將其工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)部署在MEC平臺(tái)；對(duì)于中小工廠不開發(fā)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，將其應(yīng)用部署在MEC平臺(tái)；以及工業(yè)APP的個(gè)人開發(fā)者，提供開發(fā)應(yīng)用，將其應(yīng)用部署在MEC平臺(tái)。

MEC平臺(tái)在網(wǎng)絡(luò)邊緣，提供計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等能力給工業(yè)智能制造應(yīng)用。MEC是一個(gè)分布式的架構(gòu)，能夠支持多種工業(yè)制造領(lǐng)域的應(yīng)用，而不僅僅針對(duì)某類應(yīng)用。面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的MEC平臺(tái)參考架構(gòu)如圖5所示。

平臺(tái)主要分為基礎(chǔ)資源層、虛擬化層、平臺(tái)使能層以及應(yīng)用層，平臺(tái)使能層為應(yīng)用層上各類工業(yè)智能制造應(yīng)用程序提供支撐，包括程序部署、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)分析以及AI算法等。同時(shí)，平臺(tái)使能層提供各類能力開放，包括無線網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)(RNIS)、位置服務(wù)(LS)、分流服務(wù)(LBO)、實(shí)時(shí)編解碼、用戶身份識(shí)別以及流量統(tǒng)計(jì)等。

(1) 位置服務(wù)能力

針對(duì)工業(yè)場景中的機(jī)器人和機(jī)械手臂的精準(zhǔn)控制、工業(yè)設(shè)備所產(chǎn)生的海量工業(yè)大數(shù)據(jù)處理與分析、位置跟蹤與定位、設(shè)備遠(yuǎn)程操縱和遠(yuǎn)程維護(hù)、故障分析與告警等功能。

(2) 業(yè)務(wù)分流能力

業(yè)務(wù)分流能力可以保證部分工業(yè)數(shù)據(jù)本地處理和存儲(chǔ)，而無需回傳至公有云和集中云平臺(tái)，大大節(jié)約了傳輸帶寬并提升了業(yè)務(wù)處理速度，保證了工廠數(shù)據(jù)的安全性。

(3) 無線網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)能力

基于平臺(tái)提供的無線網(wǎng)絡(luò)信息感知能力，第三方應(yīng)用可根據(jù)其業(yè)務(wù)需求，獲得差異化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，如對(duì)應(yīng)用的傳輸速度、編碼速度等進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，從而為用戶提供良好的業(yè)務(wù)傳輸效果。

(4) 工業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)

為制造企業(yè)構(gòu)建工業(yè)數(shù)據(jù)分析能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)價(jià)值挖掘。

(5) 工業(yè)微組件服務(wù)

工業(yè)微服務(wù)是以單一功能組件為基礎(chǔ)，通過模塊化組合方式實(shí)現(xiàn)“松耦合”應(yīng)用開發(fā)的軟件架構(gòu)。工業(yè)微服務(wù)架構(gòu)為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的算法、模型、知識(shí)等模塊化組件能夠被調(diào)用和編排，實(shí)現(xiàn)低門檻、高效率的工業(yè)APP開發(fā)。

運(yùn)營商MEC在工業(yè)領(lǐng)域的案例很多，以中國電信為例，2018年在江蘇、浙江等地的工業(yè)企業(yè)開展了基于4G網(wǎng)絡(luò)的MEC業(yè)務(wù)試點(diǎn)。江蘇昆山的三一重機(jī)重工對(duì)廠區(qū)智能化建設(shè)非常重視，希望解決生產(chǎn)設(shè)備的互聯(lián)互通，高效低成本的收集生產(chǎn)數(shù)據(jù)等。針對(duì)企業(yè)的業(yè)務(wù)需求，中國電信采用MEC本地分流方案，對(duì)廠區(qū)內(nèi)所有電信數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行檢測認(rèn)證，通過認(rèn)證的數(shù)據(jù)回傳到企業(yè)內(nèi)網(wǎng)，不需要發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)，而是直接經(jīng)MEC分流到企業(yè)的服務(wù)器，打造4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋下的企業(yè)專網(wǎng)。

伴隨著5G的發(fā)展，2019年運(yùn)營商重點(diǎn)探索5G網(wǎng)絡(luò)下的MEC技術(shù)和方案。中國電信聯(lián)合浙江紅獅水泥打造5G智能工廠，單個(gè)廠區(qū)借助5G實(shí)現(xiàn)各類終端高速接入，通過MEC承載工業(yè)應(yīng)用平臺(tái)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)本地化和計(jì)算，確保業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的低時(shí)延和高可靠。從實(shí)踐中可以發(fā)現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)5G存在一些較為特殊的需求，比如在工廠很多生產(chǎn)數(shù)據(jù)是非常保密的，如何有效的保證數(shù)據(jù)的保密機(jī)制，5G MEC起著非常重要的作用。一方面提供數(shù)據(jù)不出廠區(qū)，不經(jīng)過運(yùn)營商的核心網(wǎng)或公網(wǎng)，保證數(shù)據(jù)的私有性，另一方面數(shù)據(jù)在本地的處理有效的減少時(shí)延，滿足企業(yè)生產(chǎn)對(duì)時(shí)延的敏感性需求。中國電信在廣西柳工機(jī)械通過5G MEC實(shí)現(xiàn)高效低時(shí)延的裝載機(jī)遠(yuǎn)程控制及作業(yè)環(huán)境監(jiān)控，并保障企業(yè)數(shù)據(jù)安全。

但對(duì)運(yùn)營商而言，UPF下沉到工廠后，首先就會(huì)帶來運(yùn)營商核心網(wǎng)管理的問題，需提供分權(quán)分域管理5G核心網(wǎng)的能力，給企業(yè)提供簡單的運(yùn)維方式和運(yùn)維界面，滿足企業(yè)靈活配置業(yè)務(wù)的需求。其次是5G核心網(wǎng)的安全問題，如何保證下沉UPF到企業(yè)機(jī)房，運(yùn)營商如何保障這些設(shè)備不會(huì)對(duì)5G核心網(wǎng)帶來安全問題。最后是從管理、成本和安全上綜合衡量哪些場景/企業(yè)適合下沉UPF。

5G MEC是運(yùn)營商切入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)手段，5G結(jié)合MEC后，數(shù)據(jù)不用再傳到遙遠(yuǎn)的云端，在邊緣側(cè)就能解決，更適合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析和智能化處理，具有安全、快捷、易于管理等優(yōu)勢，能更好地支撐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大量本地業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)智能化處理與執(zhí)行，滿足網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)需求，也使得5G網(wǎng)絡(luò)在未來可以成為支撐工業(yè)生產(chǎn)所需的重要基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。伴隨著技術(shù)的成熟和業(yè)務(wù)的驅(qū)動(dòng)，運(yùn)營商也會(huì)不斷攜手行業(yè)伙伴解決所面臨的問題，共同推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的繁榮發(fā)展。