面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的運營商邊緣計算平臺及實踐

伴隨著5G商用大潮，網(wǎng)絡(luò)切片、多接入邊緣計算(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等幾個主要國際標準化組織聯(lián)合全球主流電信設(shè)備提供商定義了邊緣網(wǎng)絡(luò)計算模式和平臺，可以更好地在網(wǎng)絡(luò)邊緣向終端用戶提供低時延、高帶寬、高存儲以及計算能力的服務(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)實踐中對MEC的應(yīng)用需求越來越多。這也導致數(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、存儲的需求極大地增加的網(wǎng)絡(luò)負荷，并對網(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個工業(yè)案例中，從5G及典型技術(shù)角度統(tǒng)計分析，MEC出現(xiàn)頻度高達34次，次數(shù)占比達到25%，從中可以看出，工業(yè)企業(yè)對5G網(wǎng)絡(luò)的邊緣計算需求較為強烈，MEC可以完美解決工業(yè)網(wǎng)絡(luò)低時延、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)化進程，5G部署實施分兩個階段推進。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、低時延、多接入以及數(shù)據(jù)安全隱私等，如下兩個案例進一步分析。

AGV是智能物流倉儲系統(tǒng)中一個重要的組成部分，承擔著物料和貨物的分揀、入庫、搬運等工作。它是通過引導控制系統(tǒng)進行監(jiān)控和控制，將這種遠程控制系統(tǒng)托管于MEC，實現(xiàn)物料和貨物的倉儲、運輸和轉(zhuǎn)移。利用視覺導航的方式代替磁條、激光等傳統(tǒng)導航方式，從而消除AGV難以柔性化，并降低單臺AGV成本。

基于MEC的工廠/物流AGV自動引導如圖2所示，AGV實時采集運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?？刂品?wù)器通過視頻數(shù)據(jù)進行視覺計算、激光雷達感知分析、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AGVT發(fā)實時的控制信號。

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

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

（3）相比于激光導航方式，視覺融合導航可以提高定位精度，可達mm級。

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

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的并發(fā)連接需求，實現(xiàn)有線向無線的遷移；

（2）通過5G MEC實現(xiàn)設(shè)備端數(shù)據(jù)實時處理，并向遠端云中心上報分析結(jié)果，實現(xiàn)云邊協(xié)同。

MEC的標準化主要在ETSI中制定，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺和MEC平臺的關(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、MEC應(yīng)用以及為之提供計算、存儲、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)級管理以及MEC主機級管理。MEC系統(tǒng)級管理以MEC編排器為核心部件，負責MEC整個系統(tǒng)資源配置管理。MEC主機級管理主要包括MEC平臺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化能力(生命周期管理)，同時MEC平臺支持本地應(yīng)用導入，本地分流策略的執(zhí)行等關(guān)鍵能力，具備MEC近距離部署、低時延、位置感知以及無線網(wǎng)絡(luò)上下文信息感知等特點。

在運營商實踐中，MEC部署大致分為三種情形：第—種是對工廠提供MEC裸機服務(wù)，管理以及業(yè)務(wù)部署都由工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺負責；第二種類似于邊緣云服務(wù)，其中包括提供邊緣虛機、存儲等資源型邊緣IaaS服務(wù)，應(yīng)用部署等由工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺負責，而虛擬化資源申請由MEC平臺負責；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平臺負責。針對具體的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)APP部署大致有以下幾種情況，對于大型工廠，將其工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺部署在MEC平臺；對于中小工廠不開發(fā)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，將其應(yīng)用部署在MEC平臺；以及工業(yè)APP的個人開發(fā)者，提供開發(fā)應(yīng)用，將其應(yīng)用部署在MEC平臺。

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

平臺主要分為基礎(chǔ)資源層、虛擬化層、平臺使能層以及應(yīng)用層，平臺使能層為應(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，平臺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)、實時編解碼、用戶身份識別以及流量統(tǒng)計等。

(1) 位置服務(wù)能力

針對工業(yè)場景中的機器人和機械手臂的精準控制、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)備遠程操縱和遠程維護、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，而無需回傳至公有云和集中云平臺，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)，如對應(yīng)用的傳輸速度、編碼速度等進行適當調(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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)價值挖掘。

(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)平臺的算法、模型、知識等模塊化組件能夠被調(diào)用和編排，實現(xiàn)低門檻、高效率的工業(yè)APP開發(fā)。

運營商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。江蘇昆山的三一重機重工對廠區(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。針對企業(yè)的業(yè)務(wù)需求，中國電信采用MEC本地分流方案，對廠區(qū)內(nèi)所有電信數(shù)據(jù)信號進行檢測認證，通過認證的數(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年運營商重點探索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，單個廠區(qū)借助5G實現(xiàn)各類終端高速接入，通過MEC承載工業(yè)應(yīng)用平臺實現(xiàn)業(yè)務(wù)本地化和計算，確保業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的低時延和高可靠。從實踐中可以發(fā)現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)對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延，滿足企業(yè)生產(chǎn)對時延的敏感性需求。中國電信在廣西柳工機械通過5G MEC實現(xiàn)高效低時延的裝載機遠程控制及作業(yè)環(huán)境監(jiān)控，并保障企業(yè)數(shù)據(jù)安全。

但對運營商而言，UPF下沉到工廠后，首先就會帶來運營商核心網(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)提供簡單的運維方式和運維界面，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)機房，運營商如何保障這些設(shè)備不會對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)不用再傳到遙遠的云端，在邊緣側(cè)就能解決，更適合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實時的數(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)的實時智能化處理與執(zhí)行，滿足網(wǎng)絡(luò)的實時需求，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，運營商也會不斷攜手行業(yè)伙伴解決所面臨的問題，共同推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的繁榮發(fā)展。