5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)前我國5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的熱點(diǎn)與焦點(diǎn)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和5G中都引入了邊緣計(jì)算技術(shù)，但是著眼點(diǎn)有所不同。分析了基于5G邊緣計(jì)算的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和發(fā)展情況，總結(jié)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算技術(shù)架構(gòu)，在此基礎(chǔ)上給出云邊端協(xié)同的5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算技術(shù)架構(gòu)。
0引言
5G被廣泛認(rèn)為是戰(zhàn)略基礎(chǔ)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)之一，目前已經(jīng)陸續(xù)在全球主要國家進(jìn)入商用發(fā)展階段。與此同時(shí)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為一種工業(yè)制造與互聯(lián)網(wǎng)的融合技術(shù)與產(chǎn)業(yè)，在全球獲得關(guān)注并成為各國科研與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的焦點(diǎn)之一。中國政府高度重視5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，在加快5G商用步伐，加強(qiáng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)基礎(chǔ)上大力推動(dòng)5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合創(chuàng)新發(fā)展。中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究院徐曉蘭院長發(fā)文指出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是加快5G商用規(guī)模部署的重要突破口，工業(yè)和信息化部2019年在上海召開的“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”全國現(xiàn)場工作會議上指出：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為第四次工業(yè)革命的重要基石和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵支撐力量，開辟了科技競爭、產(chǎn)業(yè)競爭的新賽道。“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的探索實(shí)踐，順應(yīng)了新一代信息技術(shù)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合的要求與方向。本文重點(diǎn)探討基于5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算應(yīng)用與技術(shù)架構(gòu)。
1 5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算應(yīng)用
1.1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)有狹義和廣義之分，狹義上的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)由GE率先提出，主要面向智能制造，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)，提升工業(yè)生產(chǎn)的效率、質(zhì)量以及降低成本；廣義上的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)則是工業(yè)化和信息化的融合，不僅僅是面向制造業(yè)，也不僅僅針對生成過程，還面向工業(yè)企業(yè)運(yùn)營、產(chǎn)業(yè)協(xié)同等。在我國，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)一般是廣義上的。無論狹義還是廣義，都是為了提高工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、服務(wù)水平、降低成本，均要求實(shí)現(xiàn)OT(Operation Technology)與ICT(Information and Communication Technology)技術(shù)融合。
根據(jù)中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會CCSA相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究與分類，我國的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)包括智能化生產(chǎn)、個(gè)性化定制、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同和服務(wù)化延伸4類主要應(yīng)用。
(1)智能化生產(chǎn)：是面向企業(yè)內(nèi)部的生產(chǎn)制造和運(yùn)維管理的智能化應(yīng)用，典型應(yīng)用場景包括智能生產(chǎn)管理、生產(chǎn)設(shè)施/環(huán)境監(jiān)測、智能廠內(nèi)物流、智能流程管理。智能化生產(chǎn)涉及企業(yè)MES、WMS系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集傳輸與分析、自動(dòng)化駕駛、機(jī)器人等技術(shù)應(yīng)用。
(2)個(gè)性化定制：面向企業(yè)和用戶之間的智能化互聯(lián)與交互應(yīng)用，典型應(yīng)用場景為模塊化定制、開放式定制。個(gè)性化定制涉及面向公眾開放的工業(yè)電商平臺、工業(yè)產(chǎn)品大數(shù)據(jù)分析等。
(3)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同：面向企業(yè)和企業(yè)之間的智能化協(xié)同應(yīng)用，典型應(yīng)用場景包括供應(yīng)協(xié)同、設(shè)計(jì)協(xié)同、制造協(xié)同。網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同涉及企業(yè)供應(yīng)鏈與企業(yè)ERP系統(tǒng)、工業(yè)標(biāo)識等技術(shù)。
(4)服務(wù)化延伸：面向企業(yè)和產(chǎn)品之間互聯(lián)的延伸應(yīng)用，典型應(yīng)用場景包括面向產(chǎn)品本身的服務(wù)、面向產(chǎn)品的增值服務(wù)。服務(wù)化延伸涉及產(chǎn)品工業(yè)設(shè)備與產(chǎn)品的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測、在線分析與診斷等技術(shù)。
從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)功能架構(gòu)主要包括網(wǎng)絡(luò)、平臺和安全三部分內(nèi)容，其中網(wǎng)絡(luò)是基礎(chǔ)，平臺是核心，安全是保障，而構(gòu)建在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺之上的各類業(yè)務(wù)服務(wù)則是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用(工業(yè)App)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)揮作用的關(guān)鍵體現(xiàn)，一方面，傳統(tǒng)的CAD(Computer Aided Design)、ERP(Enterprise Resource Planning)、MES(Manufacturing Execution System)等工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)工具、軟件系統(tǒng)通過云化改造，基于工業(yè)云實(shí)現(xiàn)云端部署和應(yīng)用提供；另外一方面，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺提供各種工業(yè)微服務(wù)等工業(yè)PaaS微服務(wù)，開發(fā)者基于這些工業(yè)微服務(wù)和能力，開發(fā)形成面向特定行業(yè)特定場景的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。
總體來說，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用包括ICT類應(yīng)用和OT類應(yīng)用兩大類：ICT類應(yīng)用主要面向人和管理相關(guān)，包括辦公協(xié)同、人力資源管理、ERP、CRM以及財(cái)務(wù)管理等信息化應(yīng)用；OT類應(yīng)用主要面向設(shè)備和生產(chǎn)流程相關(guān)，包括MES、DCS(Distributed Control System)、SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)等，是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與一般企業(yè)應(yīng)用的區(qū)別和關(guān)鍵應(yīng)用。ICT類和OT類應(yīng)用都逐漸走向數(shù)據(jù)為中心的生產(chǎn)與運(yùn)營，圍繞工業(yè)設(shè)備和工業(yè)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、模型開發(fā)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的最主要服務(wù)形態(tài)。
1.2 5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的邊緣計(jì)算應(yīng)用
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)生產(chǎn)制造的網(wǎng)絡(luò)連接目前主要還是有線連接，無線連接(包括WiFi、藍(lán)牙、LTE等)只占很小的一部分，主要還是受限無線連接的可靠性、車間電磁干擾等。5G的大帶寬、大連接、低時(shí)延高可靠特性為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的無線化、網(wǎng)聯(lián)化發(fā)展提供巨大的技術(shù)驅(qū)動(dòng)，而5G不僅僅只是無線技術(shù)的升級，還包括邊緣計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)切片的引入與NFV(Network Function Virtualization)化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)變革，其中邊緣計(jì)算技術(shù)的引入尤其符合工業(yè)企業(yè)的工業(yè)數(shù)據(jù)安全治理(數(shù)據(jù)不出廠等)、低時(shí)延高可靠的數(shù)據(jù)處理等要求。5G+邊緣計(jì)算為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)特別是核心的工業(yè)生產(chǎn)制造提供了強(qiáng)大的云網(wǎng)一體化使能服務(wù)，主要應(yīng)用場景包括無線園區(qū)類、物料管理類(如移動(dòng)掃碼)、智能機(jī)器人/車(如倉儲運(yùn)輸自動(dòng)駕駛車)、智能視頻類(如安防監(jiān)控、工業(yè)視覺)、AR/VR(AR維修、VR培訓(xùn)等)。
電信運(yùn)營商大力推動(dòng)5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，提供了網(wǎng)絡(luò)連接+云+應(yīng)用等多種邊緣計(jì)算解決方案，并在現(xiàn)網(wǎng)提供了商用服務(wù)或試點(diǎn)，如：
(1)基于4G/5G MEC提供工廠虛擬專網(wǎng)：基于MEC的本地分離，提供基于運(yùn)營商大網(wǎng)的移動(dòng)虛擬專網(wǎng)服務(wù)，解決制造企業(yè)工廠園區(qū)內(nèi)部數(shù)據(jù)采集、移動(dòng)終端、視頻監(jiān)控、設(shè)備連接等在內(nèi)的多場景無線連接需要。
(2)5G云化AGV(Automated Guided Vehicle)服務(wù)：傳統(tǒng)AGV的磁條導(dǎo)航與電磁導(dǎo)航方式均需要工廠車間進(jìn)行設(shè)施環(huán)境改造，而且場景固定，而激光導(dǎo)航成本較高，另外采用WiFi技術(shù)易被干擾以及無線時(shí)延不穩(wěn)定，對AGV特別是多AGV的調(diào)度控制帶來不穩(wěn)定的影響。基于5G+MEC技術(shù)，為AGV小車提供5G的高可靠低時(shí)延無線連接控制并在MEC就近部署視覺SLAM等提供視覺導(dǎo)航服務(wù)。
(3)4G/5G MEC+視頻分析/視覺識別分析服務(wù)：通過工業(yè)現(xiàn)場或生產(chǎn)線部署工業(yè)相機(jī)/攝像頭，利用視頻圖像分析處理技術(shù)，用于工業(yè)生產(chǎn)的工況監(jiān)視、過程質(zhì)量檢測、成品缺陷檢驗(yàn)等，減少人工，提升檢測效率和質(zhì)量。如浙江某水泥廠探索5G與工業(yè)視覺結(jié)合應(yīng)用，通過機(jī)器視覺技術(shù)和5G網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)水泥包計(jì)數(shù)檢測、進(jìn)料秤斷料檢測、鏈條機(jī)輪子停轉(zhuǎn)檢測等智能化應(yīng)用，提升了水泥生產(chǎn)設(shè)備的利用率，降低了水泥生產(chǎn)成本。
2 5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的邊緣計(jì)算技術(shù)架構(gòu)
2.1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算技術(shù)架構(gòu)
運(yùn)營商的邊緣計(jì)算很多時(shí)候主要指多接入邊緣計(jì)算(Multi-Access Edge Computing，MEC)，實(shí)際上邊緣計(jì)算有多種形態(tài)，業(yè)界各類提供商基于自身優(yōu)勢和面對的應(yīng)用場景提供了多樣化的邊緣計(jì)算服務(wù)。運(yùn)營商的MEC目前更多還是網(wǎng)絡(luò)視角，既作為核心網(wǎng)用戶面下沉網(wǎng)元，同時(shí)也是基于NFV提供邊緣ICT類業(yè)務(wù)處理的邊緣基礎(chǔ)設(shè)施，當(dāng)前發(fā)展還存在業(yè)務(wù)與技術(shù)的多重挑戰(zhàn)。公有云和物聯(lián)網(wǎng)提供商、工業(yè)自動(dòng)化與設(shè)備提供商的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算產(chǎn)品已經(jīng)有較多商業(yè)化落地。在互聯(lián)網(wǎng)云領(lǐng)域，國際上AWS在2016年底率先推出面向物聯(lián)網(wǎng)的Greengrass商用邊緣計(jì)算服務(wù)，Azure在2017年推出IoT Edge，國內(nèi)的阿里云、百度云、華為云在2018年均推出類似服務(wù)。在工業(yè)領(lǐng)域，GE、西門子等推出的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺也包含了邊緣計(jì)算服務(wù)，以GE的Predix工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺為例，Predix Machine即為其邊緣計(jì)算服務(wù)，負(fù)責(zé)工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備連接、本地計(jì)算以及與云端的連接。Greengrass等是自上而下從云端延伸下沉至現(xiàn)場設(shè)備，Predix Mache等是由下而上基于工業(yè)設(shè)備提供云+邊緣服務(wù)，而無論是Greengrass還是Predix Machine，它們的邊緣計(jì)算架構(gòu)實(shí)際是類似的，典型架構(gòu)如圖1所示。
AWS Greengrass和GE Predix Machine等面向現(xiàn)場邊緣的邊緣計(jì)算產(chǎn)品形態(tài)是軟件，包括在現(xiàn)場/邊緣側(cè)具有計(jì)算能力的網(wǎng)關(guān)或者服務(wù)器等(稱之為邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn))安裝運(yùn)行的一套軟件應(yīng)用環(huán)境、設(shè)備側(cè)的支持設(shè)備接入邊緣和云端的終端SDK、云側(cè)的邊緣管理等云端服務(wù)，這類邊緣計(jì)算產(chǎn)品的核心功能類似，差異化主要體現(xiàn)在邊緣設(shè)備的軟硬件以及開發(fā)者等生態(tài)支持、各自后臺的云端服務(wù)。
2.2 5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的邊緣計(jì)算技術(shù)架構(gòu)
對于運(yùn)營商而言，可以結(jié)合自身的5G網(wǎng)絡(luò)邊緣基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)勢以及云、物聯(lián)網(wǎng)等服務(wù)，面向5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)打造云管邊端協(xié)同的邊緣計(jì)算服務(wù)，參考技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。
(1)云：包括中心云服務(wù)、集中化的MEC管理編排系統(tǒng)，中心云服務(wù)包括邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的管理以及為邊緣應(yīng)用與服務(wù)提供云端的后臺服務(wù)，包括設(shè)備管理、AI訓(xùn)練、云端存儲、鏡像倉庫等。
(2)管：包括端-現(xiàn)場邊緣、端-網(wǎng)絡(luò)邊緣、現(xiàn)場邊緣-網(wǎng)絡(luò)邊緣、現(xiàn)場邊緣-中心云、網(wǎng)絡(luò)邊緣-云等不同連接，其中端-現(xiàn)場邊緣采用藍(lán)牙、ZigBee等短距局域通信協(xié)議為主，而端-網(wǎng)絡(luò)邊緣、現(xiàn)場邊緣-網(wǎng)絡(luò)邊緣采用5G回傳，實(shí)現(xiàn)大帶寬、低時(shí)延的云邊通信，包括邊緣節(jié)點(diǎn)上的邊緣應(yīng)用下發(fā)、邊緣應(yīng)用分析處理結(jié)果的云端保存以及視頻等數(shù)據(jù)的云邊協(xié)同處理。5G連接可以作為有線連接的補(bǔ)充與備份，而在布線困難等場景則可以作為主要的連接手段。
(3)邊：邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)作為邏輯實(shí)體，包括網(wǎng)絡(luò)側(cè)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)、現(xiàn)場側(cè)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)。其中網(wǎng)絡(luò)側(cè)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)基于5G MEC提供，除了利用MEC本地分流能力，還可以充分利用MEP平臺的服務(wù)化架構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)定位、防火墻等網(wǎng)絡(luò)能力，并基于MEC的MEP平臺部署MEC工業(yè)服務(wù)和工業(yè)應(yīng)用提供工業(yè)數(shù)字孿生等數(shù)據(jù)分析處理等?，F(xiàn)場側(cè)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步分為邊緣控制器、邊緣服務(wù)器、邊緣網(wǎng)關(guān)等形態(tài)。這里的邊緣控制器是指工業(yè)制造現(xiàn)場，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)匯總發(fā)送到上層業(yè)務(wù)處理的邊緣計(jì)算與控制單元，有適用于少量數(shù)據(jù)傳遞的輕量級控制器，如單個(gè)或多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的采集設(shè)備等；有多設(shè)備大數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹械攘考壙刂破鳎鏟LC(可編程邏輯控制器)；有復(fù)雜工業(yè)應(yīng)用的重量級控制器，如機(jī)器人控制器、數(shù)控機(jī)床控制器等。邊緣服務(wù)器則是部署在工業(yè)現(xiàn)場或者工業(yè)園區(qū)邊緣數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器，作為現(xiàn)場本地計(jì)算設(shè)備。邊緣網(wǎng)關(guān)是通過網(wǎng)絡(luò)連接、協(xié)議轉(zhuǎn)換等功能聯(lián)接大網(wǎng)和云端，同時(shí)提供本地計(jì)算處理與應(yīng)用管理功能的設(shè)備。
(4)端：包括各種工業(yè)設(shè)備及傳感器等，一般基于MQTT、Modbus、OPC-UA等協(xié)議接入現(xiàn)場/網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)。
需要指出的是，在實(shí)際業(yè)務(wù)提供時(shí)不一定完全如圖2所示采用云+網(wǎng)絡(luò)邊緣+現(xiàn)場邊緣+端部署，而可能是網(wǎng)絡(luò)邊緣+現(xiàn)場邊緣+端、云+網(wǎng)絡(luò)邊緣+端、云+現(xiàn)場邊緣+端等多種方式，實(shí)際上云和邊是相對概念，對于采用網(wǎng)絡(luò)邊緣+現(xiàn)場邊緣+端的部署模式，這里的網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)(MEC)相對于現(xiàn)場邊緣可以充當(dāng)參考架構(gòu)里面中心云的角色，參考架構(gòu)里面的中心云服務(wù)通過MEC管理編排系統(tǒng)在MEC部署并以MEC應(yīng)用和MEC服務(wù)方式進(jìn)行執(zhí)行。
3結(jié)束語
邊緣計(jì)算是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，領(lǐng)先的云和物聯(lián)網(wǎng)提供商、工業(yè)自動(dòng)化和設(shè)備提供商已提供了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算產(chǎn)品。邊緣計(jì)算技術(shù)也是5G網(wǎng)絡(luò)中引入的新技術(shù)，在5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中，運(yùn)營商除了將MEC作為網(wǎng)絡(luò)邊緣基礎(chǔ)設(shè)施面向工業(yè)客戶按需建設(shè)部署，還需要提供適合工業(yè)設(shè)備協(xié)議接入、數(shù)據(jù)分析、智能處理等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算服務(wù)并與自身云和物聯(lián)網(wǎng)平臺連接，提供云管邊端協(xié)同的一體化服務(wù)。
