基于邊緣計算的工業數據采集

馬吉軍，賈雪琴，壽顏波，楊 晨

(1.萬向集團公司研究院，浙江杭州 311215; 2.中國聯通網絡技術研究院，北京 100048)

0 引言

早在2011年11月28日，我國工業和信息化部就印發了《物聯網“十二五”發展規劃》，并指出，物聯網是戰略性新興產業的重要組成部分，已成為當前世界新一輪經濟和科技發展的戰略制高點之一，發展物聯網對于促進經濟發展和社會進步具有重要的現實意義[1]。工業互聯網作為物聯網在工業領域的應用，自2005年來得到了飛速發展。2015年5月，國務院發布《中國制造2025》，提出建設制造強國的“三步走”計劃。2017年10月，國務院通過了《深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》，明確了我國工業互聯網發展的指導思想、基本原則、發展目標、主要任務以及保障支撐。在兩會上，“發展工業互聯網平臺”更是首次被寫入了政府工作報告。

相比傳統泛在物聯網設備，工業設備對計算的實時性、可靠性和安全性都提出了更高的要求。邊緣計算技術的突破為物聯網發展提供了一個比較理想的前進方向。據IDC數據統計，到2020年將有超過500億的終端與設備聯網，超過50%的數據需要在網絡邊緣側分析、處理與儲存[2]。通過邊緣計算層的部署，許多控制計算可以通過本地設備實現而無需交由云端，處理過程將在本地邊緣計算層完成。這樣可以實時地對現場控制進行反饋，大大提升處理的速度和效率，減輕云端的負荷。由于更加靠近用戶，還可以幫助用戶過濾處理機密數據，脫敏后上云。

針對工業數據獲取需求，本文提出一種基于邊緣計算技術的工業生產數據獲取系統。通過蜂窩化改造、邊緣網關、邊緣云、中心云等技術能夠兼顧數據采集的時效與處理、存儲規模，確保了整個系統的可持續發展。

1 工業生產設施生態

隨著通信、計算機、微機電系統等基礎信息和通信技術(ICT)的發展，工業裝備(如車床、叉車等)的網絡化、信息化改造所需的技術條件已經成熟?；谧钚翴CT與傳統工業OT技術的深度融合和發展，工業裝備的技術升級將直接促進工業生產效率的極大提高。

圍繞工業生產，圖 1給出工業生產相關設施的生態情況。

圖1 工業生產相關設施供應商生態

裝備供應商：生產工業裝備，并根據產品生產商的定制需求向其提供裝備，屬于OT領域。

產品生產商：將多個工業裝備搭建成產品線、生產產品(如生產汽車零配件)，是OT和ICT深度融合的領域。

圖2 工業數據采集和區塊鏈

IT硬件提供商：為產品生產商提供IT硬件，如環境監控器、企業管理信息化所需的服務器等，屬于ICT領域。

IT軟件提供商：為產品生產商提供IT軟件，如ERP等企業信息化軟件，屬于ICT領域。

網絡運營商：為產品生產商提供IT硬件/軟件設施互聯的網絡設施，屬于ICT領域。

在傳統工業中，OT領域與ICT領域是隔離的，工業裝備與工廠的IT系統是沒有連通的，工業裝備的互聯網絡也基本上只是基于工業總線等現場網絡技術組網。在這種水平的設施上，工廠的生產數據難以有效進入ICT領域，生產潛力很難得到釋放和提升。

本文聚焦產品生產商的需求，研究打通OT和ICT的工業數據采集系統，并探索邊緣計算技術在工業領域的應用。

2 基于邊緣計算的工業數據采集系統

按照上行和下行數據的維度，工業裝備的數據可以分為以下兩類：

(1)上行的狀態類數據：從生產裝備處采集的數據，包括加工監控數據、產品質量控制數據、生產環境監控數據等；

(2)下行的控制類數據：生產裝備接收到的數據，主要涉及對工業裝備的控制類數據、配置類數據等。

根據工廠裝備升級的實際情況，多數情況下，上行數據和下行數據需要分開處理。本文只針對上行數據采集提出相應方案，如圖2所示。

數據采集方案主要包括以下部分：

工業裝備的網絡化改造：采用蜂窩網技術將從裝備采集的數據傳輸到車間的邊緣網關。移動互聯網的快速發展促使工業廠家對無線通信的要求日益增強，目前多數工業廠房通過WiFi進行無線接入。然而，WiFi在抗干擾、安全認證、QoS質量保證、業務連續性方面無法進行可靠保障，難以滿足工業場景對無線傳輸質量的要求[3]。

邊緣網關：在邊緣網關處對采集到的裝備數據進行解析、數據封裝和本地數據處理。

邊緣云：采用邊緣云技術，利用邊緣云的分流功能[4]，將從裝備采集來的原始數據存儲在本地，以極大縮短數據傳輸時延(相比于中心云存儲，時延縮短50%)。

中心云：將時延不敏感的數據分流到中心云存儲。

蜂窩網絡和本地邊緣云結合，可以實現工業設備生產數據的實時分析處理和本地分流，助力企業轉型升級，實現生產數據采集、數據分析、生產優化，提高生產效率。數據在邊緣側進行分析、存儲，無需經過傳統核心網，因此，采用蜂窩網絡結合邊緣元的方案具有時延短、安全性高、帶寬高等優勢。

3 邊緣網關

邊緣網關在該系統中具有承上啟下的作用。邊緣網關能夠對各種不同的物聯設備協議進行解析和轉換，對采集的數據進行實時的分析，并提取特定的有價值數據推送給邊緣云。端到端的數據通路可以匯聚物聯設備的海量數據，這些數據經過大數據分析和數據挖掘，可以產生巨大的價值。這些價值包括：

? 設備使用者群體的行為分析，針對這些行為，進行精準營銷，產生商業價值；

? 針對設備本身進行預測性維護，提升質量穩定性，降低工作能耗等；

? 設備與設備間的協同工作流程優化。

另外，這些數據中可以挖掘出某些核心的商業機密，比如企業的運轉情況、企業的客戶關系、機密的生產工藝和配方等。

如圖3所示，通常的邊緣網關包含以下功能模塊：

? 設備接入：基于設備驅動服務核心框架，擴展實現各種不同的工業總線協議，支持各種設備的數據上傳下載、命令下發和程序下載；

? 核心微服務：實現邊緣計算系統管理功能，維持計算節點的高效運轉；

圖4 LTE網絡中MEC端到端組網架構圖

? 本地存儲：對實時采集到的數據進行臨時保存，支持小批量數據的簡單分析和查詢；

? 邊緣分析：在邊緣計算層實現數據流分析，支持實時的數據分析、過濾和反饋；

? 消息服務：將現場層的數據轉成 REST、MQTT、JSON 等協議，實現云計算平臺與邊緣計算節點的數據通信、OT 與 IT 的數據融合。

圖3 邊緣網關的功能模塊

基于以上軟件框架，可以通過擴展設備接入服務靈活支持新的通信協議，還可以通過擴展邊緣分析服務，實現新的數據分析算法?，F場采集的海量數據經過邊緣計算匯聚，通過消息服務，就可以存儲到工業邊緣云平臺上。

4 邊緣云

邊緣云[5]位于無線接入網和核心網EPC之間，利用無線基站內部或無線接入網邊緣的云計算設施提供本地化的公有云服務，并能連接位于其他網絡(如企業網)內部的私有云從而形成混合云。邊緣云基于特定的云計算系統(例如OpenStack)提供虛擬化軟件環境用以規劃管理邊緣云內的IT資源。第三方應用以虛擬機(VM)的形式部署于邊緣云，能夠通過統一的API，獲取開放的無線網絡能力。邊緣云由業務域及管理域構成。業務域用于支持第三方應用的運行。管理域負責對邊緣云的業務域進行管理。

在LTE網絡中，邊緣云有兩種形態：(1)作為基站的增強功能，通過軟件升級或者新增版卡，與基站集成的內置方式；(2)作為獨立設備，部署在基站后或網關后的外置方式。圖4為中國聯通LTE網絡中典型的邊緣云端到端組網架構，邊緣云服務器位于基站與核心網之間，通過解析S1消息實現業務的分流。基站和核心網之間通常經過多個傳輸環：接入環、匯聚環和核心環。根據業務類型、處理能力、網絡規劃等需求，可將邊緣云部署于網絡中的合適位置。

5 結論

本文提出了一種基于邊緣計算技術的工業數據采集系統，該系統在邊緣側完成采集數據的分流、分析、存儲等功能，同時也能與中心云相結合，支持更為復雜和完善的工業應用需求。

工業產業的升級需要分階段進行，上行數據獲取與下行控制可以分開處理、循序漸進。本文方案采用邊緣網關處理個性化邊緣計算需求，采用邊緣云和中心云兼顧時效與規模，是一種較為通用的方案，能夠應用在多種工業場景，并且避免在工廠技術升級期間對現有生產造成影響，因此在實際中具有可行性。

參考文獻

[1] 中華人民共和國工業和信息化部.物聯網“十二五”發展規劃[Z].2011.

[2] GEORGAKOPOULOS, D, JAYARAMAN P P, FAZIA M, et al. Internet of Things and edge Cloud computing roadmap for manufacturing[J].IEEECloudComputing, 2016,3(4): 66-73.

[3] Li Li, Hu Xiaoguang, Chen Ke, et al. The applications of wifi-based wireless sensor network in internet of things and smart grid[C]. 2011 6thIEEEConferenceonIndustrialElectronicsandApplications(ICIEA):. IEEE, 2011,124(1):789-793.

[4] SABELLA D, VAILLANT A, KUURE P, et al. Mobile-edge computing architecture: the role of MEC in the Internet of Things[J].IEEEConsumerElectronicsMagazine,2016, 5(4): 84-91.

[5] 中國聯通. 中國聯通邊緣計算技術白皮書[Z].2017.