面向工業互聯網的5G 邊緣計算發展與應用

張呈宇，李紅五，屈陽，魏進武

（中國聯合網絡通信有限公司研究院，北京 100176）

1 引言

當今，我國建立了門類齊全的現代工業體系，躍升為世界第一制造大國。近來，智能制造及相關產業得到飛速發展，迅速壯大成全新的產業，逐漸成為我國制造業轉型升級的主推力[1]。工業制造發展經歷了自動化、信息化、網絡化和智能化的階段。自動化主要包括數控機床、機器人、PLC、DCS、SCADA 的發展。信息化主要是工廠的財務、辦公ERP、MES、CAD、CAE、CAM、PDM 的發展。網絡化主要包括工業內網、外網、有限、無線連接、移動通信的發展。在智能化領域，云計算、大數據、人工智能等新一代應用也在快速發展[1]。

5G 技術作為新一代移動通信技術，形成了許多圍繞著物聯網和垂直行業的熱門使用場景，尤其是工業互聯網。5G 在工業互聯網中的應用取決于其高速率、低時延、大容量和移動性，以及支持可擴展性、可編程性、多用戶性的核心網，能基于同一基礎架構以明確的服務水平協議支持不同使用場景。5G 技術的以上優勢，能夠滿足高可靠、低時延、抗干擾和高安全性的工業場景要求，通過網絡化、智能化實現降本增效，推動經濟產業結構升級，增強工業制造領域的競爭力。其針對工業互聯網的核心技術領域均能有較顯著的增強效果，成為各項信息技術的能力倍增器[2]。

2 移動邊緣計算發展趨勢

5G 的出現為工業企業在現場級設施方面提供了一個新的業務機會——移動邊緣計算（mobile edge computing，MEC）[3]。根據5G 網絡的部署方式（5G 無線網絡是否與運營商公網連接，或有條件連接），MEC 邊緣云可被認為是公網邊緣側的一個網元，或用戶側無線局域網中的一個私有云。5G MEC 邊緣云不光是5G 無線網絡的接入，也是企業其他網絡的連接對象，如現場級總線、工業以太網、企業外網等，從而體現了“MEC”中的“M”是多接入（multi-access）而不僅是移動接入（mobile-access）的意義。5G 邊緣云計算技術是將傳統的云計算技術應用在邊緣基礎設施之上的創新，其本質上是邊緣基礎設施的云計算系統，通過邊緣云計算技術，能夠實現邊緣位置的計算、網絡、存儲、安全等能力全面的彈性平臺基礎設施能力，真正實現“無處不在”的云。通過將網絡轉發、存儲、計算等工作放置在邊緣處理，幫助用戶把計算、轉發、智能數據分析等業務下沉至邊緣，降低響應時延、減輕云端壓力、降低帶寬成本，提升應用運算效率，并完成全網調度和算力分發等云計算的能力，適用于分布式架構下的各類業務。

3GPP 與ETSI 對MEC 的定義如圖1 所示。3GPP 標準組織定義了C/U 分離的網絡架構，UPF（user plane function）是邊緣計算的數據錨點；ETSI 標準組織定義了MEC 的商業框架，包含軟件架構、應用場景和API。UPF 是ETSI 與3GPP網絡架構融合的關鍵點。MEC 實施分為3 個階段開展，具體如下。

圖1 3GPP 與ETSI 對MEC 的定義

? 階段一：定義MEC 基本架構，服務管理API，無線信息開放北向API。

? 階段二：完成MEC 架構與NFV 架構融合，應用遷移機制研究，定義固網、Wi-Fi 接入API，分析MEC 與切片及5G 網絡的關系。

? 階段三：與垂直行業組織合作（例如5GAA、ITS 等），開展面向垂直行業的平臺能力設計[4]。

目前移動網絡以4G 和5G 非獨立（NSA）組網為主，當前MEC 已具備與4G 和5G NSA 融合的能力，實現平臺和網關分布式部署，支持靜態LBO 策略、靜態低時延，后期可平滑向5G 獨立組網（SA）演進。5G SA 架構天然支持MEC，UPF 支持多種模式，可靈活部署，支持動態本地業務分流和移動性低時延邊緣業務。

MEC 多層級部署策略如圖2 所示。MEC 支持多層級部署策略選擇：根據時延性能要求、本地分流要求、安全需求、業務特性，可制定不同的MEC 部署策略，如園區級、邊緣接入級、區域匯聚級、城域中心級等。MEC 支持數據融合：將網絡獨有的位置數據、用戶數據、終端數據、設備標識數據與工業數據相結合，形成創新業務應用。適用于智能巡檢、故障定位、風險預警、機器視覺質量檢測、遠程移動型機械控制等多種業務場景[5]。

圖2 MEC 多層級部署策略

3 5G 邊緣計算如何應用于工業互聯網

受人口紅利減弱、智能手機市場飽和等因素的制約，中國消費互聯網行業狂飆猛進的時代已經結束，發展放緩。互聯網下半場屬于產業互聯網，互聯網助力產業形成更具開放的新型連接生態，重點行業產值巨大。工業互聯網從概念性的意見和政策開始轉變為具體實施，持續釋放政策紅利，標志著產業互聯網進入了新的發展階段。“工業場景+互聯網能力”從傳統工業要素“人員、機器、原料、方法、環境”各個環節切入，尋求全面互聯網化升級。通過“大數據”“物聯網”“人工智能”等技術降低工業制造業直接成本、間接成本和人力成本，為工業制造業尋找新的利潤空間。

5G 技術的發展，其技術優勢將推動萬物互聯。當前工業企業內網主要以工業以太網和現場級工業總線為主，受限于Wi-Fi、藍牙、ZigBee等技術的穩定性、傳輸速率、安全性以及移動性的限制，如今無線技術難以在工業互聯網領域得到廣泛應用。目前無線技術只占企業內網的6%，且應用具有局限性，如：網絡無法滿足智能制造海量設備連接的問題、帶寬服務難以實現如高清視頻的傳輸、時延高于智能制造的基本要求、工業級Wi-Fi 的分組丟失斷網問題在第六代Wi-Fi技術中依然沒有完全解決，無法保障智能制造持續生產。5G 時代的到來，可以實現海量數據同步傳送，傳輸全息影像3D 視頻信號，在交互性上實現質的飛躍；5G 可以實現低時延高可靠數據傳送，使很多遠程控制成為現實；5G 能以較低成本連接更多設備，滿足大量生產環節聯網需求。5G適用于70%以上的傳統工業場景，可以有效地解決傳統工業場景中受限于有線連接方式的問題，衍生出一系列新型的工業應用與場景。

5G 核心網的集中式部署不能滿足新業務需求，網絡隨業務流向邊緣遷移是產業趨勢，實現應用本地化、內容分布化和計算邊緣化。其中，應用本地化實現園區、企業、場館等自己的應用在本地閉環，可應用于智能工廠、智能辦公、智能城市，降低應用成本；內容分布化實現運營商高帶寬內容從中心到區域分布式部署，可應用于AR/VR（augmented reality/virtual reality，增強現實/虛擬現實）、移動視頻監控，滿足大帶寬需求；計算邊緣化實現新型超低時延業務，可用于自動駕駛、機器人協作、遠程醫療，滿足超低時延場景需求。

圖3 5G 邊緣計算嵌入工業體系架構

5G 與邊緣計算可共同助力工業互聯網發展。5G 體現其網絡價值優勢，包括以下幾點。

（1）無線/移動連接：無須布線，工廠和生產線的建設施工更加便捷，減少大量維護工作，降低成本；機器設備活動區域不受限，方便在各種場景實現工作內容的平滑切換。

（2）大寬帶：承載高清視頻監控、AR/VR、操作維護等大量指數級增長的數據。

（3）低時延：控制信息等雖少量但對實時性、可靠性、安全性要求很高。

（4）大連接：支撐了海量的設備聯網需求。

邊緣計算釋放企業數據價值，具備如下特性。

（1）降成本：有效降低數據傳輸成本和云存儲成本，通過邊緣側計算，只將所需結果數據同步至云端。

（2）低時延：小于10 ms 的時延，一觸即達，保證關鍵和精準的精細操作。

（3）高安全：5G 與邊緣計算的特性共同確保了信息安全，私密數據可不出廠區完成計算。

整體來說，5G 邊緣計算可根據圖3 所示，完全嵌入現有工業體系之中，發揮其不可替代的特性與作用。工業互聯網5G 邊緣計算技術就是5G、云計算、物聯網、大數據、人工智能等基礎技術相互結合，構建或優化大量通用技術，結合垂直行業場景，實現生產能力協同，形成應用平臺對接終端用戶。

傳統的智能網關、傳感器、工控機、盒子等廠區內貼近設備的邊緣計算形式，計算能力與承載能力較弱，受極限業務承載能力限制，無法統一管理；而傳統的中心云模式面向多種行業服務，受網絡傳輸限制，無法滿足超低時延場景要求，且由于必須在中心節點完成數據處理，對商業機密數據的保護性較差。相對而言，工業互聯網邊緣云計算具有橫向的線性擴展能力，滿足廠區內所有設備數據的高速率、低時延的接入、計算、處理、傳輸的需求，可降低傳輸與存儲成本，節約網絡資源。同時保證私密數據不出廠，提高工業數據的安全性。

4 工業邊緣計算應具備的服務能力

工業邊緣計算服務同樣需要一套平臺來構建，從大方向上劃分，南向通過5G 基于內置云化驅動連接工業設備，實現數據采集與反饋控制，北向為工業應用賦能并承載工業應用。為實際項目實施給出如圖4 所示的參考模型。現場級“邊緣計算云平臺”實際上是臺“工業終端”，包括硬件、工業操作系統、工業App 3 個部分，其核心是“工業操作系統”。工業操作系統主要可由應用商店、應用運行環境、用戶管理、數據服務、安全服務、通信管理、網絡驅動、外設驅動、多云管理這幾部分組成。其中，應用商店承載第三方App 提供方企業自主研發的App。數據服務主要包括數據可視化、時序數據庫、行業數據服務、行業模型服務、區塊鏈等。網絡驅動主要有5G、Wi-Fi、工業以太網等。外設驅動主要包括CNC、PLC、顯示器、傳感器等。多云管理主要是對私有云、公有云、混合云的管理。

圖4 工業終端模式MEC

其中，兩大重點功能如下，如圖5 所示。

（1）數據采集及協議解析功能

外設驅動（數據采集及協議解析功能）中要滿足用戶的設備聯網、數據采集、云端控制等需求。通過云化協議網關技術實現數據上傳，指令下達，互聯互通。支持采集工業控制器、傳感器、儀器儀表、數控機床及現場信息化系統對接，支持豐富工業協議，可作為大規模的分布式設備的接入節點，將工業數據與工業應用無縫集成，完成工業OT 數據向IT 數據的轉換，并統一以TCP/IP 形式向上輸出。支持協議按需動態加載，自定義映射轉換功能，支持云端設備管理。通過云化PLC（可編程邏輯控制器）技術實現軟件定義控制系統，允許用戶更換或添加組件而不影響系統的其他部分，實現輕松的可擴展性和系統模塊化；用戶可以靈活地選擇不同的供應商，無供應商鎖定；軟件定義的控制系統、桌面系統、組態和編程套件等，集成了傳統工控機和PLC 的全部功能；可實現PLC 輕松連接至互聯網、系統實現智能化和自我意識、無須更換PLC 硬件即可改變和升級PLC 設備功能，并可以通過軟件升級來提高生產效率。

（2）工業大數據PaaS 功能

數據服務（工業大數據PaaS 功能）包含基礎工具、數據可視化、圖形組態、3D 孿生、行業數據服務、行業模型服務和能力開放等。基礎工具提供AI 運行庫框架、關系型數據庫、時序數據庫、流式計算、嵌入式數據庫、緩存數據庫等多種數據微服務；數據可視化和圖形組態使用靈活易用的拖拉拽的可視化和組態方式，完全基于Web 的開發和訪問，為用戶提供快速構建工業自動控制系統監控功能；車間、設備、流程通過3D 技術，對工業生產廠房、制造設備、工藝流程進行真實展現，并對設備的結構、工段進行動態展示，基于數據驅動，接入實時采集數據程進行仿真；行業主題數據庫將網絡運營商獨有的位置數據、終端數據、設備標識數據等與工業業務數據相結合，豐富數據維度，形成新型業務應用，適用于智能巡檢、故障定位、風險預警、機器視覺質量檢測、遠程移動型機械控制等多種業務場景，建立不同維度的專題庫；行業人工智能模型算法庫基于工業的實時數據和歷史數據，對工業生產進行統計分析、可視化指導生產、設備故障預警、表面質檢和產品性能預測分析等工作。模型庫支持模型存儲、云端模型下發、模型部署，規范模型技術框架、運行框架、輸入輸出數據格式等標準，實現模型自動化匹配運行；能力開放統籌能力分發：聚合應用能力，統一能力入口，降低維護成本，統一鑒權/監控/編排，協議標準化。

整體邊緣云平臺還需支持與中心云的資源、數據、AI、應用等方面的云邊協同，實現云邊資源的統一調度、集中管理，數據的云邊間實時同步，AI 的中心云訓練、邊緣云運行，應用的中心云向邊緣下發，統一生命周期管理[6]。

通過多功能、多層次的設計，將普適的5G 邊緣計算打造成面向工業互聯網的智能工業終端。類似消費者領域的智能手機，工業終端最終通過5G 聯網，將工業設備封裝為服務為工業應用開發者賦能，同時提供應用商店，承載以此標準開發的工業應用。隨著工業5G 邊緣計算的發展，5G工業終端或類似概念也將得到廣泛關注與應用。

給予西醫常規治療：予阿司匹林腸溶片100 mg，1次/d口服；予尼莫地平片40 mg，3次/d口服；予依達拉奉注射液30 mg兌入5%葡萄糖注射液250 mL中，1次/d靜脈滴注；同時配合降低顱內壓、清除自由基、控制血壓及血糖、降血脂、抗感染等對癥治療。治療4周為1個療程，共1個療程。

圖5 工業邊緣云架構

5 工業創新應用場景

5G 打破了制造業有線網絡的局限性，解決了復雜工廠環境下或移動式設備布線的問題，解除了設備區域限制，實現跨區平滑切換，使柔性制造成為可能，同時降低了工廠建設、改造、維護成本。在無線通信領域5G 依托其特性與優勢成為現階段的優勢移動連接技術。

在5G 為代表的新技術推動下，當前以網絡、數據、算法、算力構建的以科技為核心工業互聯網，有機地將傳統要素緊密地結合起來，發揮更大的價值。5G 憑借其高速率、低時延、大連接的特性起到了關鍵的連接作用。同時，云化網絡的5G 原生擁有的邊緣計算能力，為5G 所接入業務提供了敏捷高效的算力支持。5G+邊緣計算結合AI、AR/VR、機器人、自動化等先進技術對生產運營、倉儲運營、庫存跟蹤、質量管理、維護分析、生產環境等關鍵制造流程起到變革性作用。以下列舉一些重點應用場景。

? 物聯網與實時控制：5G 能滿足海量低功耗嵌入式傳感器的網絡連接與數據傳輸，以及機器、設備和人之間前所未有的互動和協調，并使工業自動化閉環控制應用通過5G 網絡連接成為可能。邊緣計算則承載了數據模型算法、自動化控制器等，共同賦能物聯網與實施控制。場景包括3D 可視化、預測性維護、數字孿生等設備管理應用以及工程機械、港口岸橋吊、園區運輸車、開采設備等遠程操控應用。

? 視頻監控與機器視覺：對于現代制造企業而言，此類應用越來越普及，如質量檢測、操作維護、基于安全管理行為類的監控等。通過基于5G 與邊緣側人工智能模型的機器視覺分析，滿足海量的數據傳輸要求。機器視覺AI 應用主要包括產品識別、產品檢測、物體測量、物體分揀、物體定位等方面。

? 工業AR/VR：在智能制造過程中，通過AR 等技術實現人機協作、監控生產流程、生產任務分步指引，5G 帶來的高帶寬連接加上邊緣計算提供的AI 指導、輔助算力，為AR/VR 提供了更廣闊的應用空間，包括遠程協助、輔助裝配、在線監測、虛擬裝配、虛擬展廳、虛擬培訓、樣品展示等。

? 云化機器人與無人駕駛：無線網絡擺脫線纜束縛，使機器人的移動應用成為可能，工廠可以迅速且低成本地在不同種類的產品生產線之間轉換生產；云化機器人通過5G 連接到云端的控制中心，通過邊緣側大數據和人工智能對生產制造過程進行實時運算控制，由自組織和協同機器人滿足柔性生產。無人駕駛的應用場景主要包括車路協同、無人機、機器人巡檢、AGV（automated guided vehicle）小車[7]。

? 物流追蹤：5G 滿足從倉儲管理到物流配送對于廣覆蓋、海量連接、低成本的網絡連接需求，并提供產品全生命周期的跟蹤定位，包括連接分布廣泛的已售出商品，動態跟蹤更廣泛的在途商品。

5G 網絡化后的智能應用旨在進一步提升優化“自動化”和“信息化”系統的能力，進一步將“兩化”進行融合。如無線遠程操控、計算機視覺識別、云化機器人、柔性生產線等自動化方面的應用[8]，智能動態排產、數字孿生、設備預測性維護等信息化方面的應用，車路協同、無人駕駛、第二代AGV 等自動化與信息化融合后的應用。

6 結束語

數字經濟的發展已經從第一階段的消費領域，進入第二階段的產業領域[2]。5G 邊緣計算與工業融合之后，逐步成為支撐工業生產的基礎設施。5G 邊緣計算與工業生產中既有的研發設計系統、生產控制系統及服務管理系統相結合，以其移動性、高速率、低時延，全面推動垂直行業的研發設計、生產制造、管理服務等生產流程的深刻變革，為工業企業賦能，實現制造業向智能化、服務化轉型[9]。

在可以預見的將來，隨著技術成熟度的增高以及更多創新應用的出現，面向工業的5G 邊緣計算技術可以覆蓋的潛在客戶越來越多，支持的場景將不斷演進，該領域方向必將獲得更大的發展。