基于邊緣計(jì)算的工業(yè)數(shù)據(jù)采集

馬吉軍，賈雪琴，壽顏波，楊 晨

(1.萬向集團(tuán)公司研究院，浙江杭州 311215; 2.中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京 100048)

0 引言

早在2011年11月28日，我國工業(yè)和信息化部就印發(fā)了《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，并指出，物聯(lián)網(wǎng)是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，已成為當(dāng)前世界新一輪經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)之一，發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)對于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，自2005年來得到了飛速發(fā)展。2015年5月，國務(wù)院發(fā)布《中國制造2025》，提出建設(shè)制造強(qiáng)國的“三步走”計(jì)劃。2017年10月，國務(wù)院通過了《深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見》，明確了我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的指導(dǎo)思想、基本原則、發(fā)展目標(biāo)、主要任務(wù)以及保障支撐。在兩會(huì)上，“發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)”更是首次被寫入了政府工作報(bào)告。

相比傳統(tǒng)泛在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，工業(yè)設(shè)備對計(jì)算的實(shí)時(shí)性、可靠性和安全性都提出了更高的要求。邊緣計(jì)算技術(shù)的突破為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提供了一個(gè)比較理想的前進(jìn)方向。據(jù)IDC數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2020年將有超過500億的終端與設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，超過50%的數(shù)據(jù)需要在網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)分析、處理與儲(chǔ)存[2]。通過邊緣計(jì)算層的部署，許多控制計(jì)算可以通過本地設(shè)備實(shí)現(xiàn)而無需交由云端，處理過程將在本地邊緣計(jì)算層完成。這樣可以實(shí)時(shí)地對現(xiàn)場控制進(jìn)行反饋，大大提升處理的速度和效率，減輕云端的負(fù)荷。由于更加靠近用戶，還可以幫助用戶過濾處理機(jī)密數(shù)據(jù)，脫敏后上云。

針對工業(yè)數(shù)據(jù)獲取需求，本文提出一種基于邊緣計(jì)算技術(shù)的工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。通過蜂窩化改造、邊緣網(wǎng)關(guān)、邊緣云、中心云等技術(shù)能夠兼顧數(shù)據(jù)采集的時(shí)效與處理、存儲(chǔ)規(guī)模，確保了整個(gè)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

1 工業(yè)生產(chǎn)設(shè)施生態(tài)

隨著通信、計(jì)算機(jī)、微機(jī)電系統(tǒng)等基礎(chǔ)信息和通信技術(shù)(ICT)的發(fā)展，工業(yè)裝備(如車床、叉車等)的網(wǎng)絡(luò)化、信息化改造所需的技術(shù)條件已經(jīng)成熟?；谧钚翴CT與傳統(tǒng)工業(yè)OT技術(shù)的深度融合和發(fā)展，工業(yè)裝備的技術(shù)升級將直接促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)效率的極大提高。

圍繞工業(yè)生產(chǎn)，圖 1給出工業(yè)生產(chǎn)相關(guān)設(shè)施的生態(tài)情況。

圖1 工業(yè)生產(chǎn)相關(guān)設(shè)施供應(yīng)商生態(tài)

裝備供應(yīng)商：生產(chǎn)工業(yè)裝備，并根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)商的定制需求向其提供裝備，屬于OT領(lǐng)域。

產(chǎn)品生產(chǎn)商：將多個(gè)工業(yè)裝備搭建成產(chǎn)品線、生產(chǎn)產(chǎn)品(如生產(chǎn)汽車零配件)，是OT和ICT深度融合的領(lǐng)域。

圖2 工業(yè)數(shù)據(jù)采集和區(qū)塊鏈

IT硬件提供商：為產(chǎn)品生產(chǎn)商提供IT硬件，如環(huán)境監(jiān)控器、企業(yè)管理信息化所需的服務(wù)器等，屬于ICT領(lǐng)域。

IT軟件提供商：為產(chǎn)品生產(chǎn)商提供IT軟件，如ERP等企業(yè)信息化軟件，屬于ICT領(lǐng)域。

網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商：為產(chǎn)品生產(chǎn)商提供IT硬件/軟件設(shè)施互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，屬于ICT領(lǐng)域。

在傳統(tǒng)工業(yè)中，OT領(lǐng)域與ICT領(lǐng)域是隔離的，工業(yè)裝備與工廠的IT系統(tǒng)是沒有連通的，工業(yè)裝備的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)也基本上只是基于工業(yè)總線等現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組網(wǎng)。在這種水平的設(shè)施上，工廠的生產(chǎn)數(shù)據(jù)難以有效進(jìn)入ICT領(lǐng)域，生產(chǎn)潛力很難得到釋放和提升。

本文聚焦產(chǎn)品生產(chǎn)商的需求，研究打通OT和ICT的工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并探索邊緣計(jì)算技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

2 基于邊緣計(jì)算的工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

按照上行和下行數(shù)據(jù)的維度，工業(yè)裝備的數(shù)據(jù)可以分為以下兩類：

(1)上行的狀態(tài)類數(shù)據(jù)：從生產(chǎn)裝備處采集的數(shù)據(jù)，包括加工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、產(chǎn)品質(zhì)量控制數(shù)據(jù)、生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等；

(2)下行的控制類數(shù)據(jù)：生產(chǎn)裝備接收到的數(shù)據(jù)，主要涉及對工業(yè)裝備的控制類數(shù)據(jù)、配置類數(shù)據(jù)等。

根據(jù)工廠裝備升級的實(shí)際情況，多數(shù)情況下，上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù)需要分開處理。本文只針對上行數(shù)據(jù)采集提出相應(yīng)方案，如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集方案主要包括以下部分：

工業(yè)裝備的網(wǎng)絡(luò)化改造：采用蜂窩網(wǎng)技術(shù)將從裝備采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰囬g的邊緣網(wǎng)關(guān)。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展促使工業(yè)廠家對無線通信的要求日益增強(qiáng)，目前多數(shù)工業(yè)廠房通過WiFi進(jìn)行無線接入。然而，WiFi在抗干擾、安全認(rèn)證、QoS質(zhì)量保證、業(yè)務(wù)連續(xù)性方面無法進(jìn)行可靠保障，難以滿足工業(yè)場景對無線傳輸質(zhì)量的要求[3]。

邊緣網(wǎng)關(guān)：在邊緣網(wǎng)關(guān)處對采集到的裝備數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、數(shù)據(jù)封裝和本地?cái)?shù)據(jù)處理。

邊緣云：采用邊緣云技術(shù)，利用邊緣云的分流功能[4]，將從裝備采集來的原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地，以極大縮短數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延(相比于中心云存儲(chǔ)，時(shí)延縮短50%)。

中心云：將時(shí)延不敏感的數(shù)據(jù)分流到中心云存儲(chǔ)。

蜂窩網(wǎng)絡(luò)和本地邊緣云結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析處理和本地分流，助力企業(yè)轉(zhuǎn)型升級，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、生產(chǎn)優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率。數(shù)據(jù)在邊緣側(cè)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)，無需經(jīng)過傳統(tǒng)核心網(wǎng)，因此，采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)合邊緣元的方案具有時(shí)延短、安全性高、帶寬高等優(yōu)勢。

3 邊緣網(wǎng)關(guān)

邊緣網(wǎng)關(guān)在該系統(tǒng)中具有承上啟下的作用。邊緣網(wǎng)關(guān)能夠?qū)Ω鞣N不同的物聯(lián)設(shè)備協(xié)議進(jìn)行解析和轉(zhuǎn)換，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析，并提取特定的有價(jià)值數(shù)據(jù)推送給邊緣云。端到端的數(shù)據(jù)通路可以匯聚物聯(lián)設(shè)備的海量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘，可以產(chǎn)生巨大的價(jià)值。這些價(jià)值包括：

? 設(shè)備使用者群體的行為分析，針對這些行為，進(jìn)行精準(zhǔn)營銷，產(chǎn)生商業(yè)價(jià)值；

? 針對設(shè)備本身進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)，提升質(zhì)量穩(wěn)定性，降低工作能耗等；

? 設(shè)備與設(shè)備間的協(xié)同工作流程優(yōu)化。

另外，這些數(shù)據(jù)中可以挖掘出某些核心的商業(yè)機(jī)密，比如企業(yè)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況、企業(yè)的客戶關(guān)系、機(jī)密的生產(chǎn)工藝和配方等。

如圖3所示，通常的邊緣網(wǎng)關(guān)包含以下功能模塊：

? 設(shè)備接入：基于設(shè)備驅(qū)動(dòng)服務(wù)核心框架，擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)各種不同的工業(yè)總線協(xié)議，支持各種設(shè)備的數(shù)據(jù)上傳下載、命令下發(fā)和程序下載；

? 核心微服務(wù)：實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算系統(tǒng)管理功能，維持計(jì)算節(jié)點(diǎn)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)；

圖4 LTE網(wǎng)絡(luò)中MEC端到端組網(wǎng)架構(gòu)圖

? 本地存儲(chǔ)：對實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行臨時(shí)保存，支持小批量數(shù)據(jù)的簡單分析和查詢；

? 邊緣分析：在邊緣計(jì)算層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流分析，支持實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析、過濾和反饋；

? 消息服務(wù)：將現(xiàn)場層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成 REST、MQTT、JSON 等協(xié)議，實(shí)現(xiàn)云計(jì)算平臺(tái)與邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信、OT 與 IT 的數(shù)據(jù)融合。

圖3 邊緣網(wǎng)關(guān)的功能模塊

基于以上軟件框架，可以通過擴(kuò)展設(shè)備接入服務(wù)靈活支持新的通信協(xié)議，還可以通過擴(kuò)展邊緣分析服務(wù)，實(shí)現(xiàn)新的數(shù)據(jù)分析算法?，F(xiàn)場采集的海量數(shù)據(jù)經(jīng)過邊緣計(jì)算匯聚，通過消息服務(wù)，就可以存儲(chǔ)到工業(yè)邊緣云平臺(tái)上。

4 邊緣云

邊緣云[5]位于無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)EPC之間，利用無線基站內(nèi)部或無線接入網(wǎng)邊緣的云計(jì)算設(shè)施提供本地化的公有云服務(wù)，并能連接位于其他網(wǎng)絡(luò)(如企業(yè)網(wǎng))內(nèi)部的私有云從而形成混合云。邊緣云基于特定的云計(jì)算系統(tǒng)(例如OpenStack)提供虛擬化軟件環(huán)境用以規(guī)劃管理邊緣云內(nèi)的IT資源。第三方應(yīng)用以虛擬機(jī)(VM)的形式部署于邊緣云，能夠通過統(tǒng)一的API，獲取開放的無線網(wǎng)絡(luò)能力。邊緣云由業(yè)務(wù)域及管理域構(gòu)成。業(yè)務(wù)域用于支持第三方應(yīng)用的運(yùn)行。管理域負(fù)責(zé)對邊緣云的業(yè)務(wù)域進(jìn)行管理。

在LTE網(wǎng)絡(luò)中，邊緣云有兩種形態(tài)：(1)作為基站的增強(qiáng)功能，通過軟件升級或者新增版卡，與基站集成的內(nèi)置方式；(2)作為獨(dú)立設(shè)備，部署在基站后或網(wǎng)關(guān)后的外置方式。圖4為中國聯(lián)通LTE網(wǎng)絡(luò)中典型的邊緣云端到端組網(wǎng)架構(gòu)，邊緣云服務(wù)器位于基站與核心網(wǎng)之間，通過解析S1消息實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的分流?；竞秃诵木W(wǎng)之間通常經(jīng)過多個(gè)傳輸環(huán)：接入環(huán)、匯聚環(huán)和核心環(huán)。根據(jù)業(yè)務(wù)類型、處理能力、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃等需求，可將邊緣云部署于網(wǎng)絡(luò)中的合適位置。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于邊緣計(jì)算技術(shù)的工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)在邊緣側(cè)完成采集數(shù)據(jù)的分流、分析、存儲(chǔ)等功能，同時(shí)也能與中心云相結(jié)合，支持更為復(fù)雜和完善的工業(yè)應(yīng)用需求。

工業(yè)產(chǎn)業(yè)的升級需要分階段進(jìn)行，上行數(shù)據(jù)獲取與下行控制可以分開處理、循序漸進(jìn)。本文方案采用邊緣網(wǎng)關(guān)處理個(gè)性化邊緣計(jì)算需求，采用邊緣云和中心云兼顧時(shí)效與規(guī)模，是一種較為通用的方案，能夠應(yīng)用在多種工業(yè)場景，并且避免在工廠技術(shù)升級期間對現(xiàn)有生產(chǎn)造成影響，因此在實(shí)際中具有可行性。

參考文獻(xiàn)

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