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            面向工業互聯網的運營商邊緣計算平臺及實踐

            2020-08-19 10:46:31 415

            本文來源:5G工業物聯

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            【摘 要】通過邊緣計算在工業互聯網典型場景的需求分析,提出了面向工業互聯網的運營商邊緣計算平臺架構,針對工業互聯網平臺與邊緣計算平臺的關系分析了三種情形,結合運營商邊緣計算能力在工業互聯網的研究,提出在實踐中還需繼續探索和解決的問題。


            【關鍵詞】MEC(多接入邊緣計算);5G;低時延







            NO.01

            引言


            伴隨著5G商用大潮,網絡切片、多接入邊緣計算(Multi-access Edge Computing,MEC)等5G核心技術也越來越引起產業界的高度關注。ETSI和3GPP等幾個主要國際標準化組織聯合全球主流電信設備提供商定義了邊緣網絡計算模式和平臺,可以更好地在網絡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。隨著5G和工業互聯網的快速發展,大量的工業互聯網實踐中對MEC的應用需求越來越多。這也導致數據傳送量不斷增加,海量終端接入及數據傳輸、處理、存儲的需求極大地增加的網絡負荷,并對網絡帶寬提出了更高的需求。


            NO.02

            MEC在工業互聯網實踐中的需求分析


            如圖1所示,在2019年第二屆“綻放杯”之智慧工業的101個工業案例中,從5G及典型技術角度統計分析,MEC出現頻度高達34次,次數占比達到25%,從中可以看出,工業企業對5G網絡的邊緣計算需求較為強烈,MEC可以完美解決工業網絡低時延、高帶寬和高可靠性的要求。


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            圖1 來源于《5G工業應用發展白皮書-2019年“綻放杯”5G智慧工業征集大賽洞察》


            數據的就近處理和下發在工業互聯網的應用中極為重要,MEC不僅可以降低時延,也能減少網絡回傳的壓力和所需的數據帶寬。MEC作為本地服務托管環境,能夠支持部署本地更具地理和區域特色、更高吞吐量的工業互聯網服務。而5G用戶面下沉的網絡架構決定其邊緣計算能力可以部署于工業園區,可以滿足工業企業數據不出工廠的需求。


            根據5G工業模組商業化進程,5G部署實施分兩個階段推進。目前處于第一階段5G工業模組商用不成熟,采用5G CPE轉化的WIFI接入到5G網絡;隨著5G工業模組商用成熟進入第二階段,采用終端設備融合5G工業模組,可直接接入到5G網絡。


            工業互聯網典型應用場景分為四類,一是工廠內部各要素互聯的智能化生產,二是工廠與用戶互聯的個性化定制,三是工廠與工廠之間互聯的網絡化協同,四是工廠與產品互聯的服務化延伸。從目前MEC的實踐情況來看,主要應用在工廠內部互聯的智能化生產場景,其相關能力主要包括數據預處理、低時延、多接入以及數據安全隱私等,如下兩個案例進一步分析。


            2.1 工廠/物流AGV自動導引運輸


            AGV是智能物流倉儲系統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進行監控和控制,將這種遠程控制系統托管于MEC,實現物料和貨物的倉儲、運輸和轉移。利用視覺導航的方式代替磁條、激光等傳統導航方式,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網絡,傳輸到部署在MEC上的控制服務器??刂品掌魍ㄟ^視頻數據進行視覺計算、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,通過網絡對AGVT發實時的控制信號。


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            圖2 基于MEC的工廠/物流AGV自動導引傳輸


            與傳統對比優勢:


            (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。


            2.2 工廠環境監測


            車間小范圍場景的海量高并發連接,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,將物聯網平臺管理軟件部署在MEC,降低業務時延。


            基于MEC的工廠環境檢測如圖3所示,溫濕度等廠區儀表的監控信號接入到5G網絡,傳輸到部署在MEC服務器上的IOT服務器。IOT服務器將數據推送至運營指揮中心的大屏。


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            圖3 基于MEC的工廠環境檢測


            與傳統對比優勢:


            (1)5G大連接特性,能滿足未來智能工廠千/萬計的并發連接需求,實現有線向無線的遷移;


            (2)通過5G MEC實現設備端數據實時處理,并向遠端云中心上報分析結果,實現云邊協同。

            NO.03

             MEC在工業互聯網中的參考架構


            3.1 MEC平臺和工業互聯網平臺的關系


            MEC的標準化主要在ETSI中制定,工業互聯網平臺和MEC平臺的關系架構如圖4所示,該系統架構由左側的業務域和右側的管理域構成,其中業務域包括MEC平臺、MEC應用以及為之提供計算、存儲、網絡等資源的虛擬化基礎設施。管理域則包括MEC系統級管理以及MEC主機級管理。MEC系統級管理以MEC編排器為核心部件,負責MEC整個系統資源配置管理。MEC主機級管理主要包括MEC平臺管理單元和虛擬化基礎設施管理單元。


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            圖4 MEC平臺和工業互聯網平臺的關系


            該架構具備很好的開放性以及自動化能力(生命周期管理),同時MEC平臺支持本地應用導入,本地分流策略的執行等關鍵能力,具備MEC近距離部署、低時延、位置感知以及無線網絡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,管理以及業務部署都由工業互聯網平臺負責;第二種類似于邊緣云服務,其中包括提供邊緣虛機、存儲等資源型邊緣IaaS服務,應用部署等由工業互聯網平臺負責,而虛擬化資源申請由MEC平臺負責;第三種類似于邊緣ICT業務服務,應用部署以及虛擬化資源管理都由MEC平臺負責。針對具體的工業互聯網APP部署大致有以下幾種情況,對于大型工廠,將其工業互聯網平臺部署在MEC平臺;對于中小工廠不開發工業互聯網平臺,將其應用部署在MEC平臺;以及工業APP的個人開發者,提供開發應用,將其應用部署在MEC平臺。


            3.2 面向工業互聯網的MEC平臺架構


            MEC平臺在網絡邊緣,提供計算、存儲、網絡等能力給工業智能制造應用。MEC是一個分布式的架構,能夠支持多種工業制造領域的應用,而不僅僅針對某類應用。面向工業互聯網的MEC平臺參考架構如圖5所示。


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            圖5 面向工業互聯網的MEC平臺參考架構


            平臺主要分為基礎資源層、虛擬化層、平臺使能層以及應用層,平臺使能層為應用層上各類工業智能制造應用程序提供支撐,包括程序部署、設備管理、數據分析以及AI算法等。同時,平臺使能層提供各類能力開放,包括無線網絡信息服務(RNIS)、位置服務(LS)、分流服務(LBO)、實時編解碼、用戶身份識別以及流量統計等。


            (1) 位置服務能力


            針對工業場景中的機器人和機械手臂的精準控制、工業設備所產生的海量工業大數據處理與分析、位置跟蹤與定位、設備遠程操縱和遠程維護、故障分析與告警等功能。


            (2) 業務分流能力


            業務分流能力可以保證部分工業數據本地處理和存儲,而無需回傳至公有云和集中云平臺,大大節約了傳輸帶寬并提升了業務處理速度,保證了工廠數據的安全性。


            (3) 無線網絡信息服務能力


            基于平臺提供的無線網絡信息感知能力,第三方應用可根據其業務需求,獲得差異化的網絡服務,如對應用的傳輸速度、編碼速度等進行適當調整,從而為用戶提供良好的業務傳輸效果。


            (4) 工業數據服務


            為制造企業構建工業數據分析能力,實現數據價值挖掘。


            (5) 工業微組件服務


            工業微服務是以單一功能組件為基礎,通過模塊化組合方式實現“松耦合”應用開發的軟件架構。工業微服務架構為工業互聯網平臺的算法、模型、知識等模塊化組件能夠被調用和編排,實現低門檻、高效率的工業APP開發。

            NO.04

            運營商MEC在工業互聯網的探索


            運營商MEC在工業領域的案例很多,以中國電信為例,2018年在江蘇、浙江等地的工業企業開展了基于4G網絡的MEC業務試點。江蘇昆山的三一重機重工對廠區智能化建設非常重視,希望解決生產設備的互聯互通,高效低成本的收集生產數據等。針對企業的業務需求,中國電信采用MEC本地分流方案,對廠區內所有電信數據信號進行檢測認證,通過認證的數據回傳到企業內網,不需要發送到互聯網,而是直接經MEC分流到企業的服務器,打造4G網絡覆蓋下的企業專網。


            伴隨著5G的發展,2019年運營商重點探索5G網絡下的MEC技術和方案。中國電信聯合浙江紅獅水泥打造5G智能工廠,單個廠區借助5G實現各類終端高速接入,通過MEC承載工業應用平臺實現業務本地化和計算,確保業務數據的低時延和高可靠。從實踐中可以發現,工業生產對5G存在一些較為特殊的需求,比如在工廠很多生產數據是非常保密的,如何有效的保證數據的保密機制,5G MEC起著非常重要的作用。一方面提供數據不出廠區,不經過運營商的核心網或公網,保證數據的私有性,另一方面數據在本地的處理有效的減少時延,滿足企業生產對時延的敏感性需求。中國電信在廣西柳工機械通過5G MEC實現高效低時延的裝載機遠程控制及作業環境監控,并保障企業數據安全。


            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管理的問題,需提供分權分域管理5G核心網的能力,給企業提供簡單的運維方式和運維界面,滿足企業靈活配置業務的需求。其次是5G核心網的安全問題,如何保證下沉UPF到企業機房,運營商如何保障這些設備不會對5G核心網帶來安全問題。最后是從管理、成本和安全上綜合衡量哪些場景/企業適合下沉UPF。

            NO.05

            結束語


            5G MEC是運營商切入工業互聯網的重要技術手段,5G結合MEC后,數據不用再傳到遙遠的云端,在邊緣側就能解決,更適合工業互聯網實時的數據分析和智能化處理,具有安全、快捷、易于管理等優勢,能更好地支撐工業互聯網大量本地業務的實時智能化處理與執行,滿足網絡的實時需求,也使得5G網絡在未來可以成為支撐工業生產所需的重要基礎網絡。伴隨著技術的成熟和業務的驅動,運營商也會不斷攜手行業伙伴解決所面臨的問題,共同推動工業互聯網的繁榮發展。


            參考文獻

            [1]  ST8 WG1《工業互聯網 應用場景和業務需求》

            [2]  ETSI GS MEC 003 Mobile Edge Computing (MEC); Framework and Reference Architecture


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