0 引言

    5G被廣泛認為是戰(zhàn)略基礎技術與產業(yè)之一，目前已經陸續(xù)在全球主要國家進入商用發(fā)展階段。與此同時，工業(yè)互聯(lián)網作為一種工業(yè)制造與互聯(lián)網的融合技術與產業(yè)，在全球獲得關注并成為各國科研與產業(yè)發(fā)展的焦點之一。中國政府高度重視5G和工業(yè)互聯(lián)網的發(fā)展，在加快5G商用步伐，加強工業(yè)互聯(lián)網新型基礎設施建設基礎上大力推動5G+工業(yè)互聯(lián)網的融合創(chuàng)新發(fā)展。中國工業(yè)互聯(lián)網研究院徐曉蘭院長發(fā)文指出工業(yè)互聯(lián)網是加快5G商用規(guī)模部署的重要突破口^[1]，工業(yè)和信息化部2019年在上海召開的“5G+工業(yè)互聯(lián)網”全國現(xiàn)場工作會議上指出：工業(yè)互聯(lián)網作為第四次工業(yè)革命的重要基石和數(shù)字化轉型的關鍵支撐力量，開辟了科技競爭、產業(yè)競爭的新賽道。“5G+工業(yè)互聯(lián)網”的探索實踐，順應了新一代信息技術與實體經濟深度融合的要求與方向^[2]。本文重點探討基于5G工業(yè)互聯(lián)網邊緣計算應用與技術架構。

1 5G工業(yè)互聯(lián)網邊緣計算應用

1.1 工業(yè)互聯(lián)網應用

    工業(yè)互聯(lián)網有狹義和廣義之分，狹義上的工業(yè)互聯(lián)網由GE率先提出，主要面向智能制造，基于大數(shù)據(jù)技術，提升工業(yè)生產的效率、質量以及降低成本；廣義上的工業(yè)互聯(lián)網則是工業(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)運營、產業(yè)協(xié)同等。在我國，工業(yè)互聯(lián)網一般是廣義上的。無論狹義還是廣義，都是為了提高工業(yè)產品質量、生產效率、服務水平、降低成本，均要求實現(xiàn)OT(Operation Technology)與ICT(Information and Communication Technology)技術融合。

    根據(jù)中國通信標準化協(xié)會CCSA相關標準研究與分類，我國的工業(yè)互聯(lián)網包括智能化生產、個性化定制、網絡化協(xié)同和服務化延伸4類主要應用^[3]。

    (1)智能化生產：是面向企業(yè)內部的生產制造和運維管理的智能化應用，典型應用場景包括智能生產管理、生產設施/環(huán)境監(jiān)測、智能廠內物流、智能流程管理。智能化生產涉及企業(yè)MES、WMS系統(tǒng)、物聯(lián)網數(shù)據(jù)采集傳輸與分析、自動化駕駛、機器人等技術應用。

    (2)個性化定制：面向企業(yè)和用戶之間的智能化互聯(lián)與交互應用，典型應用場景為模塊化定制、開放式定制。個性化定制涉及面向公眾開放的工業(yè)電商平臺、工業(yè)產品大數(shù)據(jù)分析等。

    (3)網絡化協(xié)同：面向企業(yè)和企業(yè)之間的智能化協(xié)同應用，典型應用場景包括供應協(xié)同、設計協(xié)同、制造協(xié)同。網絡化協(xié)同涉及企業(yè)供應鏈與企業(yè)ERP系統(tǒng)、工業(yè)標識等技術。

    (4)服務化延伸：面向企業(yè)和產品之間互聯(lián)的延伸應用，典型應用場景包括面向產品本身的服務、面向產品的增值服務。服務化延伸涉及產品工業(yè)設備與產品的聯(lián)網監(jiān)測、在線分析與診斷等技術。

    從工業(yè)互聯(lián)網體系架構，工業(yè)互聯(lián)網體系架構功能架構主要包括網絡、平臺和安全三部分內容，其中網絡是基礎，平臺是核心，安全是保障，而構建在工業(yè)互聯(lián)網平臺之上的各類業(yè)務服務則是工業(yè)互聯(lián)網應用(工業(yè)App)。工業(yè)互聯(lián)網應用是工業(yè)互聯(lián)網發(fā)揮作用的關鍵體現(xiàn)，一方面，傳統(tǒng)的CAD(Computer Aided Design)、ERP(Enterprise Resource Planning)、MES(Manufacturing Execution System)等工業(yè)產品設計工具、軟件系統(tǒng)通過云化改造，基于工業(yè)云實現(xiàn)云端部署和應用提供；另外一方面，工業(yè)互聯(lián)網平臺提供各種工業(yè)微服務等工業(yè)PaaS微服務，開發(fā)者基于這些工業(yè)微服務和能力，開發(fā)形成面向特定行業(yè)特定場景的工業(yè)互聯(lián)網應用。

    總體來說，工業(yè)互聯(lián)網應用包括ICT類應用和OT類應用兩大類：ICT類應用主要面向人和管理相關，包括辦公協(xié)同、人力資源管理、ERP、CRM以及財務管理等信息化應用；OT類應用主要面向設備和生產流程相關，包括MES、DCS(Distributed Control System)、SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)等，是工業(yè)互聯(lián)網與一般企業(yè)應用的區(qū)別和關鍵應用。ICT類和OT類應用都逐漸走向數(shù)據(jù)為中心的生產與運營，圍繞工業(yè)設備和工業(yè)產品的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、模型開發(fā)是工業(yè)互聯(lián)網應用的最主要服務形態(tài)。

1.2 5G工業(yè)互聯(lián)網的邊緣計算應用

    工業(yè)互聯(lián)網在工業(yè)生產制造的網絡連接目前主要還是有線連接，無線連接(包括WiFi、藍牙、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、低時延高可靠特性為工業(yè)互聯(lián)網的無線化、網聯(lián)化發(fā)展提供巨大的技術驅動，而5G不僅僅只是無線技術的升級，還包括邊緣計算、網絡切片的引入與NFV(Network Function Virtualization)化網絡技術變革，其中邊緣計算技術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)、低時延高可靠的數(shù)據(jù)處理等要求。5G+邊緣計算為工業(yè)互聯(lián)網特別是核心的工業(yè)生產制造提供了強大的云網一體化使能服務，主要應用場景包括無線園區(qū)類、物料管理類(如移動掃碼)、智能機器人/車(如倉儲運輸自動駕駛車)、智能視頻類(如安防監(jiān)控、工業(yè)視覺)、AR/VR(AR維修、VR培訓等)。

    電信運營商大力推動5G工業(yè)互聯(lián)網的發(fā)展，提供了網絡連接+云+應用等多種邊緣計算解決方案，并在現(xiàn)網提供了商用服務或試點，如：

    (1)基于4G/5G MEC提供工廠虛擬專網：基于MEC的本地分離，提供基于運營商大網的移動虛擬專網服務，解決制造企業(yè)工廠園區(qū)內部數(shù)據(jù)采集、移動終端、視頻監(jiān)控、設備連接等在內的多場景無線連接需要。

    (2)5G云化AGV(Automated Guided Vehicle)服務：傳統(tǒng)AGV的磁條導航與電磁導航方式均需要工廠車間進行設施環(huán)境改造，而且場景固定，而激光導航成本較高，另外采用WiFi技術易被干擾以及無線時延不穩(wěn)定，對AGV特別是多AGV的調度控制帶來不穩(wěn)定的影響?；?G+MEC技術，為AGV小車提供5G的高可靠低時延無線連接控制并在MEC就近部署視覺SLAM等提供視覺導航服務。

    (3)4G/5G MEC+視頻分析/視覺識別分析服務：通過工業(yè)現(xiàn)場或生產線部署工業(yè)相機/攝像頭，利用視頻圖像分析處理技術，用于工業(yè)生產的工況監(jiān)視、過程質量檢測、成品缺陷檢驗等，減少人工，提升檢測效率和質量。如浙江某水泥廠探索5G與工業(yè)視覺結合應用，通過機器視覺技術和5G網絡，實現(xiàn)水泥包計數(shù)檢測、進料秤斷料檢測、鏈條機輪子停轉檢測等智能化應用，提升了水泥生產設備的利用率，降低了水泥生產成本。

2 5G工業(yè)互聯(lián)網的邊緣計算技術架構

2.1 工業(yè)互聯(lián)網邊緣計算技術架構

    運營商的邊緣計算很多時候主要指多接入邊緣計算(Multi-Access Edge Computing，MEC)^[4]，實際上邊緣計算有多種形態(tài)，業(yè)界各類提供商基于自身優(yōu)勢和面對的應用場景提供了多樣化的邊緣計算服務。運營商的MEC目前更多還是網絡視角，既作為核心網用戶面下沉網元，同時也是基于NFV提供邊緣ICT類業(yè)務處理的邊緣基礎設施，當前發(fā)展還存在業(yè)務與技術的多重挑戰(zhàn)^[5]。公有云和物聯(lián)網提供商、工業(yè)自動化與設備提供商的工業(yè)互聯(lián)網邊緣計算產品已經有較多商業(yè)化落地。在互聯(lián)網云領域，國際上AWS在2016年底率先推出面向物聯(lián)網的Greengrass^[6]商用邊緣計算服務，Azure在2017年推出IoT Edge，國內的阿里云、百度云、華為云在2018年均推出類似服務。在工業(yè)領域，GE、西門子等推出的工業(yè)互聯(lián)網平臺也包含了邊緣計算服務，以GE的Predix[7]工業(yè)互聯(lián)網平臺為例，Predix Machine即為其邊緣計算服務，負責工業(yè)現(xiàn)場設備連接、本地計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)場設備，Predix Mache等是由下而上基于工業(yè)設備提供云+邊緣服務，而無論是Greengrass還是Predix Machine，它們的邊緣計算架構實際是類似的，典型架構如圖1所示。

    AWS Greengrass和GE Predix Machine等面向現(xiàn)場邊緣的邊緣計算產品形態(tài)是軟件，包括在現(xiàn)場/邊緣側具有計算能力的網關或者服務器等(稱之為邊緣計算節(jié)點)安裝運行的一套軟件應用環(huán)境、設備側的支持設備接入邊緣和云端的終端SDK、云側的邊緣管理等云端服務，這類邊緣計算產品的核心功能類似，差異化主要體現(xiàn)在邊緣設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。

2.2 5G工業(yè)互聯(lián)網的邊緣計算技術架構

    對于運營商而言，可以結合自身的5G網絡邊緣基礎設施優(yōu)勢以及云、物聯(lián)網等服務，面向5G工業(yè)互聯(lián)網打造云管邊端協(xié)同的邊緣計算服務，參考技術架構如圖2所示。

    (1)云：包括中心云服務、集中化的MEC管理編排系統(tǒng)，中心云服務包括邊緣計算節(jié)點的管理以及為邊緣應用與服務提供云端的后臺服務，包括設備管理、AI訓練、云端存儲、鏡像倉庫等。

    (2)管：包括端-現(xiàn)場邊緣、端-網絡邊緣、現(xiàn)場邊緣-網絡邊緣、現(xiàn)場邊緣-中心云、網絡邊緣-云等不同連接，其中端-現(xiàn)場邊緣采用藍牙、ZigBee等短距局域通信協(xié)議為主，而端-網絡邊緣、現(xiàn)場邊緣-網絡邊緣采用5G回傳，實現(xiàn)大帶寬、低時延的云邊通信，包括邊緣節(jié)點上的邊緣應用下發(fā)、邊緣應用分析處理結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：邊緣計算節(jié)點作為邏輯實體，包括網絡側邊緣計算節(jié)點、現(xiàn)場側邊緣計算節(jié)點。其中網絡側邊緣計算節(jié)點基于5G MEC提供，除了利用MEC本地分流能力，還可以充分利用MEP平臺的服務化架構以及網絡定位、防火墻等網絡能力，并基于MEC的MEP平臺部署MEC工業(yè)服務和工業(yè)應用提供工業(yè)數(shù)字孿生[8]等數(shù)據(jù)分析處理等。現(xiàn)場側邊緣計算節(jié)點進一步分為邊緣控制器、邊緣服務器、邊緣網關等形態(tài)。這里的邊緣控制器是指工業(yè)制造現(xiàn)場，將生產數(shù)據(jù)匯總發(fā)送到上層業(yè)務處理的邊緣計算與控制單元，有適用于少量數(shù)據(jù)傳遞的輕量級控制器，如單個或多個傳感器數(shù)據(jù)的采集設備等；有多設備大數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹械攘考壙刂破?，如PLC(可編程邏輯控制器)；有復雜工業(yè)應用的重量級控制器，如機器人控制器、數(shù)控機床控制器等。邊緣服務器則是部署在工業(yè)現(xiàn)場或者工業(yè)園區(qū)邊緣數(shù)據(jù)中心的服務器，作為現(xiàn)場本地計算設備。邊緣網關是通過網絡連接、協(xié)議轉換等功能聯(lián)接大網和云端，同時提供本地計算處理與應用管理功能的設備。

    (4)端：包括各種工業(yè)設備及傳感器等，一般基于MQTT[9]、Modbus[10]、OPC-UA[11]等協(xié)議接入現(xiàn)場/網絡邊緣計算節(jié)點。

    需要指出的是，在實際業(yè)務提供時不一定完全如圖2所示采用云+網絡邊緣+現(xiàn)場邊緣+端部署，而可能是網絡邊緣+現(xiàn)場邊緣+端、云+網絡邊緣+端、云+現(xiàn)場邊緣+端等多種方式，實際上云和邊是相對概念，對于采用網絡邊緣+現(xiàn)場邊緣+端的部署模式，這里的網絡邊緣節(jié)點(MEC)相對于現(xiàn)場邊緣可以充當參考架構里面中心云的角色，參考架構里面的中心云服務通過MEC管理編排系統(tǒng)在MEC部署并以MEC應用和MEC服務方式進行執(zhí)行。

3 結束語

    邊緣計算是工業(yè)互聯(lián)網的關鍵技術之一，領先的云和物聯(lián)網提供商、工業(yè)自動化和設備提供商已提供了工業(yè)互聯(lián)網邊緣計算產品。邊緣計算技術也是5G網絡中引入的新技術，在5G工業(yè)互聯(lián)網發(fā)展中，運營商除了將MEC作為網絡邊緣基礎設施面向工業(yè)客戶按需建設部署，還需要提供適合工業(yè)設備協(xié)議接入、數(shù)據(jù)分析、智能處理等工業(yè)互聯(lián)網邊緣計算服務并與自身云和物聯(lián)網平臺連接，提供云管邊端協(xié)同的一體化服務。

參考文獻

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作者信息:

楊  鑫1，時曉厚1，沈  云1，熊小敏1，段惠斌1，朱雪田2

(1.中國電信股份有限公司戰(zhàn)略與創(chuàng)新研究院，北京102209；

2.中國電信股份有限公司智能網絡與終端研究院，北京102209)