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面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的運營(yíng)商邊緣計算平臺及實(shí)踐

2020-08-19 10:46:31 417

本文來(lái)源:5G工業(yè)物聯(lián)

圖片關(guān)鍵詞







【摘 要】通過(guò)邊緣計算在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)典型場(chǎng)景的需求分析,提出了面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的運營(yíng)商邊緣計算平臺架構,針對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺與邊緣計算平臺的關(guān)系分析了三種情形,結合運營(yíng)商邊緣計算能力在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的研究,提出在實(shí)踐中還需繼續探索和解決的問(wèn)題。


【關(guān)鍵詞】MEC(多接入邊緣計算);5G;低時(shí)延







NO.01

引言


伴隨著(zhù)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(lái)越引起產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注。ETSI和3GPP等幾個(gè)主要國際標準化組織聯(lián)合全球主流電信設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(hù)提供低時(shí)延、高帶寬、高存儲以及計算能力的服務(wù)。隨著(zhù)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(shí)踐中對MEC的應用需求越來(lái)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(wǎng)絡(luò )負荷,并對網(wǎng)絡(luò )帶寬提出了更高的需求。


NO.02

MEC在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)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(yè)的101個(gè)工業(yè)案例中,從5G及典型技術(shù)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(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(shí)延、高帶寬和高可靠性的要求。


圖片關(guān)鍵詞

圖1 來(lái)源于《5G工業(yè)應用發(fā)展白皮書(shū)-2019年“綻放杯”5G智慧工業(yè)征集大賽洞察》


數據的就近處理和下發(fā)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用中極為重要,MEC不僅可以降低時(shí)延,也能減少網(wǎng)絡(luò )回傳的壓力和所需的數據帶寬。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域特色、更高吞吐量的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。而5G用戶(hù)面下沉的網(wǎng)絡(luò )架構決定其邊緣計算能力可以部署于工業(yè)園區,可以滿(mǎn)足工業(yè)企業(yè)數據不出工廠(chǎng)的需求。


根據5G工業(yè)模組商業(yè)化進(jìn)程,5G部署實(shí)施分兩個(gè)階段推進(jìn)。目前處于第一階段5G工業(yè)模組商用不成熟,采用5G CPE轉化的WIFI接入到5G網(wǎng)絡(luò );隨著(zhù)5G工業(yè)模組商用成熟進(jìn)入第二階段,采用終端設備融合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)典型應用場(chǎng)景分為四類(lèi),一是工廠(chǎng)內部各要素互聯(lián)的智能化生產(chǎn),二是工廠(chǎng)與用戶(hù)互聯(lián)的個(gè)性化定制,三是工廠(chǎng)與工廠(chǎng)之間互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò )化協(xié)同,四是工廠(chǎng)與產(chǎn)品互聯(lián)的服務(wù)化延伸。從目前MEC的實(shí)踐情況來(lái)看,主要應用在工廠(chǎng)內部互聯(lián)的智能化生產(chǎn)場(chǎng)景,其相關(guān)能力主要包括數據預處理、低時(shí)延、多接入以及數據安全隱私等,如下兩個(gè)案例進(jìn)一步分析。


2.1 工廠(chǎng)/物流AGV自動(dòng)導引運輸


AGV是智能物流倉儲系統中一個(gè)重要的組成部分,承擔著(zhù)物料和貨物的分揀、入庫、搬運等工作。它是通過(guò)引導控制系統進(jìn)行監控和控制,將這種遠程控制系統托管于MEC,實(shí)現物料和貨物的倉儲、運輸和轉移。利用視覺(jué)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(chǎng)/物流AGV自動(dòng)引導如圖2所示,AGV實(shí)時(shí)采集運行線(xiàn)路的視頻圖像接入到5G網(wǎng)絡(luò ),傳輸到部署在MEC上的控制服務(wù)器??刂品?wù)器通過(guò)視頻數據進(jìn)行視覺(jué)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(guò)網(wǎng)絡(luò )對AGVT發(fā)實(shí)時(shí)的控制信號。


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圖2 基于MEC的工廠(chǎng)/物流AGV自動(dòng)導引傳輸


與傳統對比優(yōu)勢:


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


(2)視覺(jué)處理及調度部署在MEC,有效降低時(shí)延,并降低單個(gè)AGV成本;


(3)相比于激光導航方式,視覺(jué)融合導航可以提高定位精度,可達mm級。


2.2 工廠(chǎng)環(huán)境監測


車(chē)間小范圍場(chǎng)景的海量高并發(fā)連接,如水量計量?jì)x表、電力計量?jì)x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(shí)延。


基于MEC的工廠(chǎng)環(huán)境檢測如圖3所示,溫濕度等廠(chǎng)區儀表的監控信號接入到5G網(wǎng)絡(luò ),傳輸到部署在MEC服務(wù)器上的IOT服務(wù)器。IOT服務(wù)器將數據推送至運營(yíng)指揮中心的大屏。


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圖3 基于MEC的工廠(chǎng)環(huán)境檢測


與傳統對比優(yōu)勢:


(1)5G大連接特性,能滿(mǎn)足未來(lái)智能工廠(chǎng)千/萬(wàn)計的并發(fā)連接需求,實(shí)現有線(xiàn)向無(wú)線(xiàn)的遷移;


(2)通過(guò)5G MEC實(shí)現設備端數據實(shí)時(shí)處理,并向遠端云中心上報分析結果,實(shí)現云邊協(xié)同。

NO.03

 MEC在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的參考架構


3.1 MEC平臺和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的關(guān)系


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)系架構如圖4所示,該系統架構由左側的業(yè)務(wù)域和右側的管理域構成,其中業(yè)務(wù)域包括MEC平臺、MEC應用以及為之提供計算、存儲、網(wǎng)絡(luò )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(gè)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(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的關(guān)系


該架構具備很好的開(kāi)放性以及自動(dòng)化能力(生命周期管理),同時(shí)MEC平臺支持本地應用導入,本地分流策略的執行等關(guān)鍵能力,具備MEC近距離部署、低時(shí)延、位置感知以及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上下文信息感知等特點(diǎn)。


在運營(yíng)商實(shí)踐中,MEC部署大致分為三種情形:第—種是對工廠(chǎng)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(lèi)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(lèi)似于邊緣ICT業(yè)務(wù)服務(wù),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(yè)互聯(lián)網(wǎng)APP部署大致有以下幾種情況,對于大型工廠(chǎng),將其工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺部署在MEC平臺;對于中小工廠(chǎng)不開(kāi)發(fā)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺,將其應用部署在MEC平臺;以及工業(yè)APP的個(gè)人開(kāi)發(fā)者,提供開(kāi)發(fā)應用,將其應用部署在MEC平臺。


3.2 面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的MEC平臺架構


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)智能制造應用。MEC是一個(gè)分布式的架構,能夠支持多種工業(yè)制造領(lǐng)域的應用,而不僅僅針對某類(lèi)應用。面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的MEC平臺參考架構如圖5所示。


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圖5 面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)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(lèi)工業(yè)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(shí),平臺使能層提供各類(lèi)能力開(kāi)放,包括無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )信息服務(wù)(RNIS)、位置服務(wù)(LS)、分流服務(wù)(LBO)、實(shí)時(shí)編解碼、用戶(hù)身份識別以及流量統計等。


(1) 位置服務(wù)能力


針對工業(yè)場(chǎng)景中的機器人和機械手臂的精準控制、工業(yè)設備所產(chǎn)生的海量工業(yè)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(yè)務(wù)分流能力


業(yè)務(wù)分流能力可以保證部分工業(yè)數據本地處理和存儲,而無(wú)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(yè)務(wù)處理速度,保證了工廠(chǎng)數據的安全性。


(3) 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )信息服務(wù)能力


基于平臺提供的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )信息感知能力,第三方應用可根據其業(yè)務(wù)需求,獲得差異化的網(wǎng)絡(luò )服務(wù),如對應用的傳輸速度、編碼速度等進(jìn)行適當調整,從而為用戶(hù)提供良好的業(yè)務(wù)傳輸效果。


(4) 工業(yè)數據服務(wù)


為制造企業(yè)構建工業(yè)數據分析能力,實(shí)現數據價(jià)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,通過(guò)模塊化組合方式實(shí)現“松耦合”應用開(kāi)發(fā)的軟件架構。工業(yè)微服務(wù)架構為工業(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用和編排,實(shí)現低門(mén)檻、高效率的工業(yè)APP開(kāi)發(fā)。

NO.04

運營(yíng)商MEC在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的探索


運營(yíng)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(kāi)展了基于4G網(wǎng)絡(luò )的MEC業(yè)務(wù)試點(diǎn)。江蘇昆山的三一重機重工對廠(chǎng)區智能化建設非常重視,希望解決生產(chǎn)設備的互聯(lián)互通,高效低成本的收集生產(chǎn)數據等。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(chǎng)區內所有電信數據信號進(jìn)行檢測認證,通過(guò)認證的數據回傳到企業(yè)內網(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(zhuān)網(wǎng)。


伴隨著(zhù)5G的發(fā)展,2019年運營(yíng)商重點(diǎn)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(chǎng),單個(gè)廠(chǎng)區借助5G實(shí)現各類(lèi)終端高速接入,通過(guò)MEC承載工業(yè)應用平臺實(shí)現業(yè)務(wù)本地化和計算,確保業(yè)務(wù)數據的低時(shí)延和高可靠。從實(shí)踐中可以發(fā)現,工業(yè)生產(chǎn)對5G存在一些較為特殊的需求,比如在工廠(chǎng)很多生產(chǎn)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(zhù)非常重要的作用。一方面提供數據不出廠(chǎng)區,不經(jīng)過(guò)運營(yíng)商的核心網(wǎng)或公網(wǎng),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(shí)延,滿(mǎn)足企業(yè)生產(chǎn)對時(shí)延的敏感性需求。中國電信在廣西柳工機械通過(guò)5G MEC實(shí)現高效低時(shí)延的裝載機遠程控制及作業(yè)環(huán)境監控,并保障企業(yè)數據安全。


但對運營(yíng)商而言,UPF下沉到工廠(chǎng)后,首先就會(huì )帶來(lái)運營(yíng)商核心網(wǎng)管理的問(wèn)題,需提供分權分域管理5G核心網(wǎng)的能力,給企業(yè)提供簡(jiǎn)單的運維方式和運維界面,滿(mǎn)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(wèn)題,如何保證下沉UPF到企業(yè)機房,運營(yíng)商如何保障這些設備不會(huì )對5G核心網(wǎng)帶來(lái)安全問(wèn)題。最后是從管理、成本和安全上綜合衡量哪些場(chǎng)景/企業(yè)適合下沉UPF。

NO.05

結束語(yǔ)


5G MEC是運營(yíng)商切入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)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(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)的數據分析和智能化處理,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(shí)時(shí)智能化處理與執行,滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)需求,也使得5G網(wǎng)絡(luò )在未來(lái)可以成為支撐工業(yè)生產(chǎn)所需的重要基礎網(wǎng)絡(luò )。伴隨著(zhù)技術(shù)的成熟和業(yè)務(wù)的驅動(dòng),運營(yíng)商也會(huì )不斷攜手行業(yè)伙伴解決所面臨的問(wèn)題,共同推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的繁榮發(fā)展。


參考文獻

[1]  ST8 WG1《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng) 應用場(chǎng)景和業(yè)務(wù)需求》

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