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面向工业互联网的运营商边缘计算平台及实践

来源:边缘计算之家 作者: 更新时间:2020/8/18 11:20:33

摘要:通过边缘计算在工业互联网典型场景的需求分析,提出了面向工业互联网的运营商边缘计算平台架构,针对工业互联网平台与边缘计算平台的关系分析了三种情形,结合运营商边缘计算能力在工业互联网的研究,提出在实践中还需继续探索和解决的问题。

  01 引言

  伴随着5G商用大潮,网络切片、多接入边缘计算(Multi-access Edge Computing,MEC)等5G核心技术也越来越引起产业界的高度关注。ETSI和3GPP等几个主要国际标准化组织联合全球主流电信设备提供商定义了边缘网络计算模式和平台,可以更好地在网络边缘向终端用户提供低时延、高带宽、高存储以及计算能力的服务。随着5G和工业互联网的快速发展,大量的工业互联网实践中对MEC的应用需求越来越多。这也导致数据传送量不断增加,海量终端接入及数据传输、处理、存储的需求极大地增加的网络负荷,并对网络带宽提出了更高的需求。

  02 MEC在工业互联网实践中的需求分析

  如图1所示,在2019年第二届“绽放杯”之智慧工业的101个工业案例中,从5G及典型技术角度统计分析,MEC出现频度高达34次,次数占比达到25%,从中可以看出,工业企业对5G网络的边缘计算需求较为强烈,MEC可以完美解决工业网络低时延、高带宽和高可靠性的要求。


  图1 来源于《5G工业应用发展白皮书-2019年“绽放杯”5G智慧工业征集大赛洞察》

  数据的就近处理和下发在工业互联网的应用中极为重要,MEC不仅可以降低时延,也能减少网络回传的压力和所需的数据带宽。MEC作为本地服务托管环境,能够支持部署本地更具地理和区域特色、更高吞吐量的工业互联网服务。而5G用户面下沉的网络架构决定其边缘计算能力可以部署于工业园区,可以满足工业企业数据不出工厂的需求。

  根据5G工业模组商业化进程,5G部署实施分两个阶段推进。目前处于第一阶段5G工业模组商用不成熟,采用5G CPE转化的WIFI接入到5G网络;随着5G工业模组商用成熟进入第二阶段,采用终端设备融合5G工业模组,可直接接入到5G网络。

  工业互联网典型应用场景分为四类,一是工厂内部各要素互联的智能化生产,二是工厂与用户互联的个性化定制,三是工厂与工厂之间互联的网络化协同,四是工厂与产品互联的服务化延伸。从目前MEC的实践情况来看,主要应用在工厂内部互联的智能化生产场景,其相关能力主要包括数据预处理、低时延、多接入以及数据安全隐私等,如下两个案例进一步分析。

  2.1 工厂/物流AGV自动导引运输

  AGV是智能物流仓储系统中一个重要的组成部分,承担着物料和货物的分拣、入库、搬运等工作。它是通过引导控制系统进行监控和控制,将这种远程控制系统托管于MEC,实现物料和货物的仓储、运输和转移。利用视觉导航的方式代替磁条、激光等传统导航方式,从而消除AGV难以柔性化,并降低单台AGV成本。

  基于MEC的工厂/物流AGV自动引导如图2所示,AGV实时采集运行线路的视频图像接入到5G网络,传输到部署在MEC上的控制服务器。控制服务器通过视频数据进行视觉计算、激光雷达感知分析、毫米波感知分析以及多传感器感知融合等,通过网络对AGVT发实时的控制信号。


  图2 基于MEC的工厂/物流AGV自动导引传输

  与传统对比优势:

  (1)利用5G大带宽(AGV视频上行带宽大于30 Mbps)、低时延能力,单台AGV效能提升5%;

  (2)视觉处理及调度部署在MEC,有效降低时延,并降低单个AGV成本;

  (3)相比于激光导航方式,视觉融合导航可以提高定位精度,可达mm级。

  2.2 工厂环境监测

  车间小范围场景的海量高并发连接,如水量计量仪表、电力计量仪表、气压力传感器以及温湿度传感器等,将物联网平台管理软件部署在MEC,降低业务时延。

  基于MEC的工厂环境检测如图3所示,温湿度等厂区仪表的监控信号接入到5G网络,传输到部署在MEC服务器上的IOT服务器。IOT服务器将数据推送至运营指挥中心的大屏。


  图3 基于MEC的工厂环境检测

  与传统对比优势:

  (1)5G大连接特性,能满足未来智能工厂千/万计的并发连接需求,实现有线向无线的迁移;

  (2)通过5G MEC实现设备端数据实时处理,并向远端云中心上报分析结果,实现云边协同。

  03 MEC在工业互联网中的参考架构

  3.1 MEC平台和工业互联网平台的关系

  MEC的标准化主要在ETSI中制定,工业互联网平台和MEC平台的关系架构如图4所示,该系统架构由左侧的业务域和右侧的管理域构成,其中业务域包括MEC平台、MEC应用以及为之提供计算、存储、网络等资源的虚拟化基础设施。管理域则包括MEC系统级管理以及MEC主机级管理。MEC系统级管理以MEC编排器为核心部件,负责MEC整个系统资源配置管理。MEC主机级管理主要包括MEC平台管理单元和虚拟化基础设施管理单元。


  图4 MEC平台和工业互联网平台的关系

  该架构具备很好的开放性以及自动化能力(生命周期管理),同时MEC平台支持本地应用导入,本地分流策略的执行等关键能力,具备MEC近距离部署、低时延、位置感知以及无线网络上下文信息感知等特点。

  在运营商实践中,MEC部署大致分为三种情形:第—种是对工厂提供MEC裸机服务,管理以及业务部署都由工业互联网平台负责;第二种类似于边缘云服务,其中包括提供边缘虚机、存储等资源型边缘IaaS服务,应用部署等由工业互联网平台负责,而虚拟化资源申请由MEC平台负责;第三种类似于边缘ICT业务服务,应用部署以及虚拟化资源管理都由MEC平台负责。针对具体的工业互联网APP部署大致有以下几种情况,对于大型工厂,将其工业互联网平台部署在MEC平台;对于中小工厂不开发工业互联网平台,将其应用部署在MEC平台;以及工业APP的个人开发者,提供开发应用,将其应用部署在MEC平台。

  3.2 面向工业互联网的MEC平台架构

  MEC平台在网络边缘,提供计算、存储、网络等能力给工业智能制造应用。MEC是一个分布式的架构,能够支持多种工业制造领域的应用,而不仅仅针对某类应用。面向工业互联网的MEC平台参考架构如图5所示。


  图5 面向工业互联网的MEC平台参考架构

  平台主要分为基础资源层、虚拟化层、平台使能层以及应用层,平台使能层为应用层上各类工业智能制造应用程序提供支撑,包括程序部署、设备管理、数据分析以及AI算法等。同时,平台使能层提供各类能力开放,包括无线网络信息服务(RNIS)、位置服务(LS)、分流服务(LBO)、实时编解码、用户身份识别以及流量统计等。

  (1) 位置服务能力

  针对工业场景中的机器人和机械手臂的精准控制、工业设备所产生的海量工业大数据处理与分析、位置跟踪与定位、设备远程操纵和远程维护、故障分析与告警等功能。

  (2) 业务分流能力

  业务分流能力可以保证部分工业数据本地处理和存储,而无需回传至公有云和集中云平台,大大节约了传输带宽并提升了业务处理速度,保证了工厂数据的安全性。

  (3) 无线网络信息服务能力

  基于平台提供的无线网络信息感知能力,第三方应用可根据其业务需求,获得差异化的网络服务,如对应用的传输速度、编码速度等进行适当调整,从而为用户提供良好的业务传输效果。

  (4) 工业数据服务

  为制造企业构建工业数据分析能力,实现数据价值挖掘。

  (5) 工业微组件服务

  工业微服务是以单一功能组件为基础,通过模块化组合方式实现“松耦合”应用开发的软件架构。工业微服务架构为工业互联网平台的算法、模型、知识等模块化组件能够被调用和编排,实现低门槛、高效率的工业APP开发。

  04 运营商MEC在工业互联网的探索

  运营商MEC在工业领域的案例很多,以中国电信为例,2018年在江苏、浙江等地的工业企业开展了基于4G网络的MEC业务试点。江苏昆山的三一重机重工对厂区智能化建设非常重视,希望解决生产设备的互联互通,高效低成本的收集生产数据等。针对企业的业务需求,中国电信采用MEC本地分流方案,对厂区内所有电信数据信号进行检测认证,通过认证的数据回传到企业内网,不需要发送到互联网,而是直接经MEC分流到企业的服务器,打造4G网络覆盖下的企业专网。

  伴随着5G的发展,2019年运营商重点探索5G网络下的MEC技术和方案。中国电信联合浙江红狮水泥打造5G智能工厂,单个厂区借助5G实现各类终端高速接入,通过MEC承载工业应用平台实现业务本地化和计算,确保业务数据的低时延和高可靠。从实践中可以发现,工业生产对5G存在一些较为特殊的需求,比如在工厂很多生产数据是非常保密的,如何有效的保证数据的保密机制,5G MEC起着非常重要的作用。

  一方面提供数据不出厂区,不经过运营商的核心网或公网,保证数据的私有性,另一方面数据在本地的处理有效的减少时延,满足企业生产对时延的敏感性需求。中国电信在广西柳工机械通过5G MEC实现高效低时延的装载机远程控制及作业环境监控,并保障企业数据安全。

  但对运营商而言,UPF下沉到工厂后,首先就会带来运营商核心网管理的问题,需提供分权分域管理5G核心网的能力,给企业提供简单的运维方式和运维界面,满足企业灵活配置业务的需求。其次是5G核心网的安全问题,如何保证下沉UPF到企业机房,运营商如何保障这些设备不会对5G核心网带来安全问题。最后是从管理、成本和安全上综合衡量哪些场景/企业适合下沉UPF。

  05 结束语

  5G MEC是运营商切入工业互联网的重要技术手段,5G结合MEC后,数据不用再传到遥远的云端,在边缘侧就能解决,更适合工业互联网实时的数据分析和智能化处理,具有安全、快捷、易于管理等优势,能更好地支撑工业互联网大量本地业务的实时智能化处理与执行,满足网络的实时需求,也使得5G网络在未来可以成为支撑工业生产所需的重要基础网络。伴随着技术的成熟和业务的驱动,运营商也会不断携手行业伙伴解决所面临的问题,共同推动工业互联网的繁荣发展。

  参考文献

  [1] ST8 WG1《工业互联网 应用场景和业务需求》

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

  作者简介

  甘雨莹:中国电信股份有限公司上海研究院,主要研究方向为MEC关键技术的研究。

  孙慧:中国电信股份有限公司上海研究院,主要研究方向为面向工业互联网的工业PON、MEC和5G典型行业应用研究。

  ★原文发表于《广东通信技术》2020年第7期★

  (全文完)

  责任编辑:张华

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