關于邊緣計算，邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟對其定義為：

在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡邊緣側，融合網(wǎng)絡、計算、存儲、應用核心能力的分布式開放平臺，就近提供邊緣智能服務，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷聯(lián)接、實時業(yè)務、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應用智能、安全與隱私保護等方面的關鍵需求。

OpenStack基金會對邊緣計算的定義是：

為應用開發(fā)者和服務提供商在網(wǎng)絡的邊緣側提供云服務和IT環(huán)境服務。邊緣計算的目標是在靠近數(shù)據(jù)輸入或用戶的地方提供計算、存儲和網(wǎng)絡帶寬。

云計算近幾年得到普及，云計算的價值和商業(yè)模式也逐步被公眾接受。邊緣計算是相對云計算而言的，它將云計算的計算、存儲、和網(wǎng)絡能力下沉到靠近數(shù)據(jù)源頭的地方。

雖然有些領域把邊緣計算稱為分布式云計算或第四代數(shù)據(jù)中心，但工業(yè)領域的人并不認同這種叫法。對工業(yè)領域而言，邊緣計算的應用是自然而然的事情，很多工業(yè)現(xiàn)場應用系統(tǒng)天生就涉及數(shù)據(jù)即時處理，只是以前受限于硬件的處理能力，他們反對將邊緣計算定義成一個純互聯(lián)網(wǎng)詞匯和概念。

什么是靠近數(shù)據(jù)源頭呢?這個范圍就比較寬泛了，比如在工廠車間現(xiàn)場靠近傳感器數(shù)據(jù)采集的地方，利用工業(yè)網(wǎng)關或工控機就近提供數(shù)據(jù)分析處理能力，這屬于邊緣計算;整個工廠的數(shù)據(jù)上傳到云平臺之前，數(shù)據(jù)在工廠內(nèi)本地服務器上被預處理，該本地服務器屬于邊緣計算。

為了獲得高性能低延遲的服務，例如為支撐無人駕駛、虛擬現(xiàn)實和遠程醫(yī)療等應用場景，移動運營商紛紛部署多接入邊緣計算(Multi-Access Edge Computing，MEC)，MEC以邊緣云的形式，下沉到靠近用戶的基站側，以達到縮短時延的效果，亦屬于邊緣計算。

Gartner2019年新興技術成熟度報告指出[1]，邊緣分析(Edge Analysis)和邊緣人工智能(Edge AI)處于期望增長階段，邊緣分析和邊緣人工智能將越來越多地被用于對時延敏感(例如自動駕駛)、易受到網(wǎng)絡中斷影響(例如遠程監(jiān)測、面部識別、自然語言處理)或數(shù)據(jù)密集型(例如視頻分析)的應用中。

1.為什么提出邊緣計算

從邊緣計算的定義看出，邊緣計算主要為解決實時性、網(wǎng)絡可靠性、數(shù)據(jù)安全性等問題，如圖1所示。

物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，數(shù)字化和智能化的浪潮開始席卷各行各業(yè)，包括制造、能源電力、交通、物流、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和政府公共事業(yè)，越來越多的終端與設備聯(lián)網(wǎng)，隨著聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)量的巨增，將給云端帶來網(wǎng)絡帶寬壓力。

如果將設備數(shù)據(jù)全部傳入云端處理，不僅成本巨大，還將花費更多的時間，由于網(wǎng)絡不穩(wěn)定時，系統(tǒng)可用性變差，因此未來將會有相當比例的數(shù)據(jù)直接在網(wǎng)絡邊緣側進行分析、處理，這正是邊緣計算的實踐場景。

如果把大腦比作云端，那么邊緣計算就是神經(jīng)末梢，自行對前端的刺激進行處理并將處理后的特征信息反饋給大腦。

▲圖1 邊緣計算的特點

工業(yè)現(xiàn)場的很多數(shù)據(jù)的保鮮期很短，一旦處理不及時，會迅速變質(zhì)，數(shù)據(jù)價值呈斷崖式跌落。例如在車床刀具監(jiān)測過程中，通過采集機床主軸負載數(shù)據(jù)，并在邊緣側實現(xiàn)刀具加工過程中的實時狀態(tài)監(jiān)測和壽命預測管理，發(fā)現(xiàn)異常立刻預警。

鋼鐵廠軋鋼板的過程中，軋機依靠多個伺服電機協(xié)同驅動軋制過程，伺服電機控制不允許出現(xiàn)絲毫偏差，否則可能導致整塊鋼板報廢。為保證扎制質(zhì)量，須以微毫秒級的采樣率實時監(jiān)測伺服電機運轉是否正常。

這兩個例子，均對數(shù)據(jù)處理的實時性(實效性)有明確要求，工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)處理類似于“走鋼絲”，邊緣計算將發(fā)揮不可替代的作用。

除了網(wǎng)絡可靠性、實時性這兩大因素，工業(yè)領域對數(shù)據(jù)安全要求嚴格。例如石油化工行業(yè)，設備工藝參數(shù)決定其產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本，是企業(yè)的核心數(shù)據(jù)，如果把這些關鍵數(shù)據(jù)上傳到云端，存在企業(yè)核心知識產(chǎn)權泄露的風險。邊緣計算將數(shù)據(jù)從原來的集中式管理演變?yōu)榉植际焦芾?，提高了?shù)據(jù)的安全性。

近年來物聯(lián)網(wǎng)安全攻擊事件頻發(fā)，防患數(shù)據(jù)災難的一個必要措施是采取隔離手段，邊緣計算從根源上在本地保障數(shù)據(jù)安全。除了企業(yè)自身對數(shù)據(jù)安全的要求之外，有些出于國家政策層面的原因，要求數(shù)據(jù)脫敏后才能上傳到云端，而邊緣計算承擔了數(shù)據(jù)脫敏預處理的工作。

2.誰在擔任邊緣計算的角色

對邊緣計算的特點及其要解決的問題有了基本了解之后，由誰來擔任邊緣計算的角色呢?概括起來主要分三類：工業(yè)網(wǎng)關、工控機和服務器。

在《工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)：平臺架構、關鍵技術與應用實踐》一書的第3章介紹過工業(yè)網(wǎng)關，由于工業(yè)通信網(wǎng)絡接口種類繁多，協(xié)議繁雜且互不兼容，因此需要通過工業(yè)網(wǎng)關進行各種協(xié)議轉換，工業(yè)網(wǎng)關支持常用的工業(yè)協(xié)議，通過協(xié)議轉換降低設備接入的難度，實現(xiàn)訪問的統(tǒng)一性。業(yè)界有些公司專門研發(fā)此類工業(yè)網(wǎng)關并推出標準化產(chǎn)品，兼容市面上眾多工業(yè)控制器。

除了數(shù)據(jù)解析協(xié)議轉換之外，工業(yè)網(wǎng)關還具備一定的數(shù)據(jù)處理能力，工業(yè)網(wǎng)關硬件廠商通過提供標準開發(fā)框架，使得開發(fā)人員能夠在框架內(nèi)基于C和Python等開發(fā)語言嵌入自定義邏輯。這些工業(yè)網(wǎng)關換個名字就變成了邊緣計算網(wǎng)關。

當然，不僅換了名稱，作為邊緣計算網(wǎng)關，還是比較強調(diào)它的數(shù)據(jù)處理能力，例如處理器主頻、內(nèi)存和FLASH存儲比普通的工業(yè)網(wǎng)關配置高;同時強調(diào)和云端的對接，即不間斷的互聯(lián)網(wǎng)接入能力，它可以通過以太網(wǎng)、Wi-Fi或4G等網(wǎng)絡鏈路，保證設備無論身處何處都能夠互聯(lián)互通，這些邊緣計算網(wǎng)關支持各種工業(yè)云平臺，數(shù)據(jù)直接上云。表1為某邊緣計算網(wǎng)關典型配置示例。

▼表1 邊緣計算網(wǎng)關典型配置示例

第二類承擔邊緣計算角色的是工控機，工控機大量用于測控和自動化領域，如DCS、SCADA以及數(shù)控系統(tǒng)CNC等。關于工控機的定義：工控機(Industrial Personal Computer，IPC)是一種加固的增強型個人計算機，采用總線結構，是一種對生產(chǎn)過程及機電設備、工藝裝備進行檢測與控制的硬件總稱。

工控機具有典型的計算機特征，如CPU、硬盤、內(nèi)存和外設接口，并具有操作系統(tǒng)、控制網(wǎng)絡和協(xié)議、計算能力以及友好的人機界面。不同的是，工控機能夠在環(huán)境惡劣的條件下運行，由于對數(shù)據(jù)安全性要求更高，因此通常會對工控機進行加固、防塵、防潮、防腐蝕和防輻射等特殊設計。

通俗地講，工控機是專為工業(yè)現(xiàn)場而設計的計算機，而工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境振動大、灰塵多、電磁干擾強，經(jīng)常要求連續(xù)不間斷作業(yè)。與普通計算機相比，工控機應具備更高的可靠性和更好的擴展性。與工業(yè)網(wǎng)關或其他小型微控制器相比，工控機具有更高的數(shù)據(jù)處理性能。

筆者曾經(jīng)與全球工控機出貨量排名前三的一家公司探討過，他們新出的邊緣計算服務器和工控機有什么區(qū)別?當時得到的回答是沒區(qū)別，就是工控機。

無論是工業(yè)網(wǎng)關還是工控機，當它們承擔了邊緣計算的角色時，難免會有人覺得，這是不是新瓶裝舊酒?在邊緣計算概念出來之前，它們就一直地存在著，在工業(yè)現(xiàn)場運行并發(fā)揮著作用。

最近一些廠商在推邊緣智能服務器(Edge Intelligence Server，EIS)，如果看硬件載體本身，好像也沒有多少創(chuàng)新，很多基于工控機或標準x86服務器，被人說成新瓶裝舊酒似乎也不為過，不過有一個區(qū)別是非常重要的，軟件架構層面，邊緣智能服務器采用的是云原生思維，邊緣與云端緊密協(xié)同，由云端全局統(tǒng)一調(diào)度與管控邊緣節(jié)點資源，軟件功能隨時更新與分發(fā)，支持物聯(lián)網(wǎng)平臺連接、數(shù)據(jù)管理及邊緣分析。

如果回憶一下以往工控機上的軟件升級(備份、補丁、更新、以及監(jiān)視)、硬件資源的分配，就能體會這種理念的巨大差別。目前西門子、戴爾、因特爾和研華等都在推出各自的邊緣智能服務器。

第三類承擔邊緣計算角色的是服務器，將數(shù)據(jù)中心的服務器搬到現(xiàn)場的機房，它就變成邊緣計算服務器了，由云端的集中式變?yōu)楝F(xiàn)場的分布式。

服務器部署到現(xiàn)場之后，需考慮其多節(jié)點管理問題，當企業(yè)同時擁有成千上萬個分布式邊緣計算節(jié)點時，將給管理人員和運維人員帶來非常大的挑戰(zhàn)，以標準化方式對邊緣節(jié)點納管和統(tǒng)一維護就變得非常重要，不同的工業(yè)解決方案商會有不同的應對策略，從目前來看，邊云協(xié)同是主流思想，基于云的管理工具以實現(xiàn)對邊緣節(jié)點的遠程可視化管理。

事實上，應當把邊緣計算理解為一種理念，任何具備一定程度的數(shù)據(jù)計算、存儲、網(wǎng)絡通信能力的硬件設施都可以稱之為邊緣計算。

3.邊緣計算領域有哪幾類公司

邊緣計算領域目前主要有三類公司，分別是硬件廠商、云計算服務商以及移動運營商。硬件廠商包括工業(yè)網(wǎng)關、工控機、服務器硬件廠商。硬件廠商根據(jù)市場的需求，致力于不斷推出能滿足行業(yè)應用場景的邊緣計算產(chǎn)品，同時在邊緣智能服務器上發(fā)力，影響整個邊端云端架構。

第二類是云計算服務商，例如前面OpenStack基金會將邊緣計算定義為在網(wǎng)絡邊緣側提供云服務和IT環(huán)境服務，有些公司將邊緣計算稱為分布式云計算或第四代數(shù)據(jù)中心，在邊緣計算玩家里，自然有云計算服務商。

以亞馬遜AWS、微軟Azure、阿里云和華為云為代表的云計算服務商，在云計算領域積累了龐大的用戶群，并擁有先進的大數(shù)據(jù)處理能力，這些公司發(fā)展邊緣計算的整體思路，就是邊云協(xié)同，將邊緣和云端緊密結合，充分發(fā)揮邊緣的低延遲、安全等特性，同時結合云端的強大數(shù)據(jù)分析能力。

例如AWS在2017年推出了邊緣計算框架AWS IoT Greengrass，通過Greengrass將AWS云端服務擴展到本地設備，能夠在邊緣對設備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行操作和處理。

第三類是電信運營商，一直以來，運營商的角色是提供數(shù)據(jù)管道服務，數(shù)據(jù)通過蜂窩網(wǎng)絡實現(xiàn)長距離傳輸，好像邊緣計算和運營商扯不上什么關系。但運營商顯然不滿足于被管道化，尤其是5G時代，為了獲得高性能低延遲的服務，移動運營商紛紛部署多接入邊緣計算MEC。

MEC屬于核心網(wǎng)部分，如果和接入網(wǎng)的集中單元(Centralized Unit，CU)一起下沉到離基站更近的地方，將進一步推動網(wǎng)絡實現(xiàn)超低時延，并帶來更佳的用戶體驗。

MEC多接入邊緣計算和網(wǎng)絡切片是5G的兩大關鍵技術，以支撐5G的三大應用場景。其中MEC對于eMBB移動增強帶寬和uRLLC高可靠低時延連接兩大場景而言非常重要。MEC并非一個新概念，在4G和5G網(wǎng)絡中均可部署。

早在2014年歐洲電信標準協(xié)會ETSI就啟動了MEC標準化參考模型項目，并成立了移動邊緣計算規(guī)范工作組，以推動移動邊緣計算標準化，基本思想是一樣的，就是把云計算平臺從移動核心網(wǎng)絡內(nèi)部遷移到移動接入網(wǎng)邊緣，實現(xiàn)計算及存儲資源的彈性利用。

這其實和云計算服務商的路線是一樣的，只不過電信運營商的資源池位于移動核心網(wǎng)絡和移動接入網(wǎng)絡，而且現(xiàn)在的核心網(wǎng)，由于網(wǎng)元功能虛擬化，因此硬件方面也慢慢地由原來的專用硬件，變成了x86通用服務器。既然都是服務器，大家當然可以干某種程度上相似的事情。

MEC概念一方面將傳統(tǒng)電信蜂窩網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務深度融合，這樣減少移動場景業(yè)務交付的端到端延遲，利用移動網(wǎng)絡邊緣就近提供電信用戶IT所需服務和云端計算能力，創(chuàng)造高性能、低延遲與高帶寬的電信級服務環(huán)境，加速網(wǎng)絡中各項內(nèi)容、服務以及應用的高速下載，從而改善用戶體驗，同時節(jié)省帶寬資源。

另一方面通過將計算能力下沉到移動邊緣節(jié)點，提供第三方應用集成，為移動邊緣入口的服務創(chuàng)新提供了更多的可能性。

ETSI在2016年的時候將MEC概念從移動邊緣計算(Mobile Edge Computing)擴展為多接入邊緣計算(Multi-Access Edge Computing)，不再局限于蜂窩網(wǎng)絡，而是延伸至其他無線接入網(wǎng)絡如Wi-Fi等。至此，MEC可看作是一個運行在移動網(wǎng)絡邊緣的、運行特定任務的云服務器。

MEC改變了移動網(wǎng)絡和業(yè)務分離的狀態(tài)，可以將業(yè)務(包含內(nèi)容、服務和應用)下沉到移動網(wǎng)絡邊緣，為移動用戶提供服務。

電信運營商一直以來在努力避免被管道化(單純?yōu)榛ヂ?lián)網(wǎng)提供數(shù)據(jù)服務的管道)，由于當前電信市場的發(fā)展逐漸趨于飽和，因此單純依靠流量業(yè)務的增量很難帶來收入的快速增長，同時用戶對于電信運營商提供的傳統(tǒng)語音、短信服務的依賴度不斷下降，運營商的利潤也開始不斷下降，MEC可理解為運營商的一個抓手，也就不難理解為什么運營商會花很大力氣投入到MEC中。

本文主要介紹了邊緣計算的相關內(nèi)容，相信會對大家深入理解邊緣計算有一定的幫助和啟示。預測性維護是邊緣計算的一個典型應用場景。關于這部分內(nèi)容本文不展開講。如果你對此感興趣，推薦你詳細閱讀胡典鋼老師的新作《工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)：平臺架構、關鍵技術與應用實踐》。

[1]地址為：https://www.gartner.com/smarterwithgartner/5-trends-appear-on-the-gartner-hype-cycle-for-emerging-technologies-2019/

關于作者：胡典鋼，資深工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)專家，順豐物聯(lián)網(wǎng)平臺負責人，兼任順豐集團職業(yè)發(fā)展評審委員和ZETA聯(lián)盟工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)高級顧問，負責順豐物聯(lián)網(wǎng)平臺建設及產(chǎn)品化工作。在物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算、工業(yè)大數(shù)據(jù)領域從業(yè)10余年，有豐富的實踐經(jīng)驗。歷任NI公司應用工程師、高級應用工程師、大區(qū)銷售經(jīng)理，兼任GSDZone社區(qū)專欄作者和海南大學校外專家，NI(中國)首位認證雙架構師——LabVIEW架構師和TestStand架構師，主導大型工業(yè)自動化測試控制和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)項目的開發(fā)工作。2016年受邀撰寫專著《TestStand工業(yè)自動化測試管理》，廣受業(yè)界好評，多次重印。

本文摘編自《工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)：平臺架構、關鍵技術與應用實踐》，經(jīng)出版方授權發(fā)布。(ISBN：978-7-111-70227-6)