中電信智能網(wǎng)絡科技有限公司柏楠，陳風儒，焦建鋒

1　引言

隨著“工業(yè)4.0”規(guī)劃、《中國制造2025》以及《“十四五”規(guī)劃綱要》的不斷推進，工業(yè)企業(yè)向著自動化、數(shù)字化、智能化方向轉(zhuǎn)型，各類工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用對網(wǎng)絡時延、帶寬和安全性都提出了更高要求。行業(yè)普遍認為，MEC是應對“海量數(shù)據(jù)、超低時延、數(shù)據(jù)安全”要求的關鍵，5G工業(yè)互聯(lián)各項關鍵技術逐步成熟，5G結(jié)合邊緣計算等其他技術應用到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，將從當前的主要服務于外圍輔助生產(chǎn)環(huán)節(jié)和創(chuàng)新應用，發(fā)展到支撐核心生產(chǎn)環(huán)節(jié)，包括車間生產(chǎn)和產(chǎn)線工業(yè)控制網(wǎng)，從而給行業(yè)帶來更強的柔性生產(chǎn)網(wǎng)絡形態(tài)。

作為較早起步邊緣計算工作的運營商，中國電信一直致力于MEC的研發(fā)探索。它依托下沉的邊緣計算平臺，為企業(yè)構(gòu)建5G定制網(wǎng)，并結(jié)合5G+工業(yè)PON雙千兆接入，提供大帶寬低時延全連接的網(wǎng)絡服務。同時它利用MEC平臺這一網(wǎng)算基礎設施，承載和對接部分工業(yè)軟件和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用，實現(xiàn)工廠算力底座和智慧工廠賦能。

2　工業(yè)邊緣應用場景

工業(yè)企業(yè)是邊緣計算重要的應用領域，在能源礦業(yè)、工業(yè)制造、物流倉儲等眾多行業(yè)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)和生產(chǎn)現(xiàn)場，普遍存在著各類工業(yè)應用。它們包含大量終端、測量儀表、PLC、機器人等，使用多種數(shù)據(jù)模型和通信協(xié)議，需要實時的穩(wěn)定可靠的網(wǎng)絡連接。

將MEC平臺投入到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，引入到工業(yè)企業(yè)或下沉部署到企業(yè)園區(qū)，在這里運營商的網(wǎng)絡邊緣與工業(yè)企業(yè)邊緣發(fā)生了重合，兩者互相融合協(xié)同創(chuàng)新。工業(yè)現(xiàn)場設備與網(wǎng)絡邊緣基礎設施高效協(xié)同工作，充分利用物理資源。低延時可以將毫秒級的控制應用部分上移到網(wǎng)絡邊緣，實現(xiàn)OT與ICT的深度融合^[1]。工業(yè)邊緣場景的MEC如圖1所示。

圖1 工業(yè)邊緣場景的MEC

輕量級的MEC平臺主要從承載、網(wǎng)絡、運維、應用四方面構(gòu)建完整的邊緣計算服務。在承載方面，MEC的輕量級云網(wǎng)底座基于云原生和虛擬化技術，在計算、存儲和網(wǎng)絡方面針對邊緣計算場景進行了專項技術優(yōu)化，可提供高性能、高吞吐及高可用支持，可提供多種云化網(wǎng)元以及各類業(yè)務應用的統(tǒng)一承載，支持云網(wǎng)融合的業(yè)務架構(gòu)，服務邊緣計算場景。在網(wǎng)絡方面，可部署輕量級5G核心網(wǎng)，面向企業(yè)客戶可采用全云化形態(tài)實施，它保留了四類網(wǎng)元（AMF、SMF、UDM、UPF），AUSF/UDR集成到UDM，NRF/NSSF/PCF網(wǎng)絡功能采用本地策略，簡化內(nèi)部通信機制，最小化5G核心網(wǎng)元功能，提供輕量化、低成本、本地簡化運維以及行業(yè)定制增強的5G核心網(wǎng)。在接入5G網(wǎng)絡的同時，也提供工業(yè)PON光網(wǎng)，用于固定設備的接入，提供固定區(qū)域內(nèi)的Wi-Fi連接能力，從而形成5G+光網(wǎng)的雙千兆形態(tài)。在系統(tǒng)運維方面，方案基于輕量級云網(wǎng)底座提供對硬件資源、云虛擬機和容器的完整資源管理和運維監(jiān)控功能，提供各項接口開放。通過服務門戶可對服務器、交換機和防火墻進行管理，對虛擬機的生命周期進行管理操作，以及對各類資源進行編排管理；通過性能監(jiān)控中心實現(xiàn)物理設備納管、容器日志、撥測、通知、告警及規(guī)則、訂閱、監(jiān)控指標查詢、監(jiān)控數(shù)據(jù)聚合、調(diào)用鏈追蹤等。在通用能力和應用方面，MEC平臺提供視頻監(jiān)控識別、AI視覺算法、AR等多種通用能力封裝以支持客戶業(yè)務應用，進一步可快速集成和實施AR遠程協(xié)作、智能安全帽、AGV智能倉儲等一批成熟的工業(yè)場景應用。

3　輕量化平臺支持多元化承載

在基礎設施層面的輕量級云網(wǎng)底座，以輕量化、低成本、多用途、易管理為目標，基于云原生虛擬化架構(gòu)和大量的實踐優(yōu)化積累，在物理設備上直接部署

Kubernetes+虛擬化插件，提供“容器+虛擬機”雙引擎的支持能力，支持不同形態(tài)的網(wǎng)元承載、業(yè)務應用的穩(wěn)定運行，實現(xiàn)資源的統(tǒng)一管理，如圖2所示。

圖2 輕量化系統(tǒng)能力承載

輕量級MEC云網(wǎng)底座架構(gòu)自下而上可以分為硬件層、集群層和支撐層。

（1）硬件層：用于承載輕量化云網(wǎng)基礎底座的服務器、交換機及存儲設備等。平臺支持并兼容通用X86、ARM架構(gòu)硬件服務器，支持SSD、SATA、SAS等磁盤存儲，同時支持計算存儲超融合節(jié)點及對接磁盤陣列設備，支持通用交換機、路由器網(wǎng)絡設備接入，不限制服務器和硬件品牌；支持特殊用途的加速硬件和PCIe板卡，如GPU設備等；硬件基礎設施也支持采用主流信創(chuàng)設備，兼容國產(chǎn)服務器軟硬件。

（2）集群層：用于支撐存儲虛擬化、計算虛擬化、網(wǎng)絡虛擬化的集群軟件。Kubernetes集群提供云原生環(huán)境的容器集群調(diào)度軟件，為輕量化云網(wǎng)基礎底座提供強大的調(diào)度和容錯能力。存儲方面集群層提供基于LVM的本地高性能存儲，也提供基于Ceph的分布式存儲，利用塊存儲服務，支持擴容、快照及回滾等功能；同時底層數(shù)據(jù)多副本存儲并支持數(shù)據(jù)重均衡和故障重建能力，保證性能和數(shù)據(jù)安全性。計算方面集群層通過KVM、Libvirt及Qemu支持虛擬化架構(gòu)，提供虛擬機全生命周期管理，可兼容X86和ARM架構(gòu)體系；支持綁核、大頁、GPU透傳等特性，滿足業(yè)務遷移遷入的需求。網(wǎng)絡方面集群層提升網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)性能的同時對傳統(tǒng)物理網(wǎng)絡進行虛擬化，可為業(yè)務應用提供多網(wǎng)卡、SRIOV、子網(wǎng)、外網(wǎng)IP、NAT網(wǎng)關、負載均衡及網(wǎng)絡拓撲等網(wǎng)絡功能。

（3）支撐層：包括用于支撐特定服務的Kubernetes控制器插件。存儲插件用于在集群中提供分布式存儲服務；虛擬化插件用于在集群中提供虛擬機管理服務；網(wǎng)絡插件用于在集群中提供虛擬化網(wǎng)絡服務；運行時插件用于在集群中提供特定業(yè)務的運行時服務支持。

在工業(yè)邊緣應用場景中，一方面，輕量級MEC云網(wǎng)底座可統(tǒng)一承載5G定制網(wǎng)涉及的接入類網(wǎng)元、轉(zhuǎn)發(fā)類網(wǎng)元、控制面網(wǎng)元等，從而構(gòu)建下沉到企業(yè)內(nèi)的5G專網(wǎng)；另一方面，底座支持承載多種新型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用，可以降低企業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中對網(wǎng)絡接入和基礎設施方面的成本投入，提高了資源利用率，獲得了云網(wǎng)融合協(xié)同支持的便利。

高性能的底座還可支持具有特定性能要求的工業(yè)控制類應用。通過在靠近工業(yè)現(xiàn)場的網(wǎng)絡邊緣側(cè)運行處理、分析等操作，就近提供邊緣計算服務，能夠更好滿足制造業(yè)敏捷連接、實時優(yōu)化、安全可靠等方面的關鍵需求，改變了傳統(tǒng)制造控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的部署運行方式^[2]。工業(yè)控制領域中虛擬化邊緣控制器技術在持續(xù)發(fā)展，在保證實時性的基礎上使控制系統(tǒng)向虛擬化方向演進，可實現(xiàn)設備數(shù)據(jù)集中管理，提升了產(chǎn)線柔性^[3]。把虛擬化的PLC和SCADA云化地部署在運營商的邊緣計算平臺，從而快速地開發(fā)和搭建整套數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、存儲、處理、可視化和行業(yè)APP等全流程服務和應用^[4]。

4　雙千兆網(wǎng)絡接入與共管共維

在工業(yè)企業(yè)信息化、數(shù)字化、智能化的過程中，工廠港口、礦山能源、醫(yī)療教育、交通電力等行業(yè)企業(yè)需要多樣化的網(wǎng)絡接入方式，需要全覆蓋的網(wǎng)絡接入能力。以千兆光網(wǎng)和5G為代表的“雙千兆”網(wǎng)絡，能提供固定和移動網(wǎng)絡千兆接入能力，具有超大帶寬、超低時延、先進可靠等特征，二者互補互促，是新型基礎設施的重要組成[6]。MEC平臺在工業(yè)領域應用時，采用5G、PON、工業(yè)光傳送網(wǎng)絡（0TN）等協(xié)同部署，提供工業(yè)PON+5G+Wi-Fi多種形態(tài)的融合組網(wǎng)和接入選擇，構(gòu)建雙千兆的網(wǎng)絡接入方案，滿足海量多類型連接需求，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，提供上行千兆帶寬，滿足高可靠、低時延、靈活管控。

MEC將云的能力下沉到網(wǎng)絡邊緣，利用5GeMBB高帶寬、uRLLC極低時延、mMTC大連接等特性[2,5]采用5G定制網(wǎng)覆蓋室外場景或室內(nèi)移動場景，提供無線網(wǎng)絡接入服務，可以滿足工業(yè)現(xiàn)場邊緣的實時控制指令需求和大量非實時工業(yè)數(shù)據(jù)的傳輸處理需求。同時它利用光網(wǎng)抗干擾、低能耗、高可靠性的特點，采用工業(yè)PON網(wǎng)絡接入室內(nèi)固定場景，構(gòu)建固定、移動設備全連接，可進一步實現(xiàn)企業(yè)園區(qū)內(nèi)的生產(chǎn)控制、廠區(qū)監(jiān)控、辦公業(yè)務的統(tǒng)一接入，推動企業(yè)人、機、物的全面互聯(lián)。此外，它還可引入確定性網(wǎng)絡技術如時間敏感網(wǎng)絡（TSN）、確定性IP（D-IP）網(wǎng)絡，能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場高質(zhì)量通信需求^[4]。

以“工業(yè)PON+5G”的雙千兆網(wǎng)絡來構(gòu)建行業(yè)內(nèi)網(wǎng)（專網(wǎng)），如圖3所示，工業(yè)PON網(wǎng)絡承載固定設備的接入，同時提供固定區(qū)域內(nèi)的Wi-Fi連接能力，5G網(wǎng)絡承載移動設備的接入，滿足廣域、移動、可調(diào)整的接入需求。

圖3 雙千兆網(wǎng)絡構(gòu)建內(nèi)網(wǎng)（專網(wǎng)）

在企業(yè)核心機房構(gòu)建企業(yè)數(shù)據(jù)中心，將網(wǎng)絡數(shù)據(jù)匯集到業(yè)務平臺和雙千兆MEC平臺，同時可部署綜合網(wǎng)絡管理系統(tǒng)實現(xiàn)對企業(yè)內(nèi)網(wǎng)運行的可視化、可調(diào)整的管控能力。

綜合網(wǎng)絡管理系統(tǒng)面向多網(wǎng)絡融合專網(wǎng)的部署場景，從客戶視角出發(fā)，探索建立統(tǒng)一網(wǎng)絡共管共維手段，統(tǒng)一管理終端、無線、承載、核心等多種網(wǎng)絡，降低了行業(yè)專網(wǎng)運營運維的復雜度，提供了具有專業(yè)導向的差異化平臺視圖。系統(tǒng)依據(jù)高內(nèi)聚松耦合的架構(gòu)設計原則，可將服務部署于輕量化MEC云網(wǎng)底座上，內(nèi)部服務彼此獨立，對網(wǎng)元的納管能力和網(wǎng)絡管理能力支持彈性伸縮擴展，確保不同網(wǎng)絡類型業(yè)務的納管和服務容量互不影響。

5　系統(tǒng)運維分層開放

MEC平臺具備完整的資源管理和運維監(jiān)控功能。在業(yè)務應用層面，平臺通過多項工具提供對系統(tǒng)各層面的實時監(jiān)控、告警和分析功能，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可用性和高性能。對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中特定應用和場景，平臺在多個層面提供監(jiān)控指標接口、網(wǎng)絡管理開放接口，以支持擴展和集成其他工具系統(tǒng)。平臺可以與專門的日志管理系統(tǒng)、配置管理工具、自動化運維工具等進行集成，實現(xiàn)更全面深入的運維管理；可結(jié)合機器學習和人工智能技術，實現(xiàn)異常檢測、預測性維護等監(jiān)控和優(yōu)化功能。管理監(jiān)控功能及各層監(jiān)控指標如圖4所示。

圖4 管理監(jiān)控功能及各層監(jiān)控指標

（1）MEC平臺提供完整運維監(jiān)控服務，包括性能指標監(jiān)控、日志管理、資源管理和告警機制。監(jiān)控的指標全面覆蓋了物理設備層、系統(tǒng)資源層和組件服務層。

對于物理設備可以監(jiān)控各種關鍵指標，包括：計算設備狀態(tài)（CPU利用率、內(nèi)存使用率、網(wǎng)絡帶寬利用率、風扇等）、存儲設備狀態(tài)（磁盤空間利用率、I/O吞吐量、響應時間等）、網(wǎng)絡設備狀態(tài)（端口流量、丟包率、錯誤率、連接狀態(tài)、電源狀態(tài)等）。

系統(tǒng)資源包括虛擬化后的主機系統(tǒng)及容器管理集群，相應的監(jiān)控指標包括：虛機狀態(tài)（CPU利用率、內(nèi)存使用率、磁盤空間使用率、網(wǎng)絡帶寬利用率等）、集群狀態(tài)（資源情況、節(jié)點狀態(tài)、集群配置、容器狀態(tài)等）。

在組件服務層監(jiān)控的對象包括關系數(shù)據(jù)庫、緩存服務等，并提供調(diào)用鏈追蹤。具體的指標包括：各類集群狀態(tài)、連接數(shù)量、查詢監(jiān)控、會話監(jiān)控、訪問量、調(diào)用頻次、成功率、響應時間等。

基于上述指標監(jiān)控體系，平臺提供了可視化的儀表盤。通過直觀的圖表和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，運維人員可以實時了解系統(tǒng)的運行狀況和趨勢，從而更好地分析和優(yōu)化系統(tǒng)性能。平臺還具備實時性和自動化的告警功能。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)異常或超過預設的閾值，監(jiān)控平臺會自動觸發(fā)告警，并向相關的運維人員發(fā)送通知以及時響應問題，并迅速采取措施進行故障排查和修復，以減少系統(tǒng)停機時間和影響。

（2）對關鍵業(yè)務和功能提供撥測工具。平臺可進行響應測速、可用率評測，用主動探測的方式，協(xié)助運維人員評估網(wǎng)絡質(zhì)量和應用服務質(zhì)量，提升最終用戶體驗。

（3）對重要的服務和接口提供巡檢工具。管理巡檢對象和巡檢腳本，基于定期自動巡檢和不定期的手動巡檢，可以幫助運維團隊生成巡檢報告和趨勢分析，以便進行長期性能評估和規(guī)劃。

（4）在網(wǎng)絡管理方面，平臺提供了綜合網(wǎng)絡管理系統(tǒng)。如前面章節(jié)所述，綜合網(wǎng)絡管理可對平臺承載或?qū)拥木W(wǎng)元進行納管，監(jiān)控網(wǎng)元運行狀態(tài)、網(wǎng)絡流量、連接數(shù)量，從客戶視角形成一套簡潔、集約的網(wǎng)絡管理操作界面，并可對網(wǎng)元功能項進行配置，以便提升和改進使用效果。

6　通用能力集成和原型應用

MEC平臺圍繞云+網(wǎng)+應用的產(chǎn)品能力展開，除提供輕量的能力承載基礎設施和穩(wěn)定靈活的網(wǎng)絡接入能力之外，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)方面，還提供通用能力集成和原型應用，以支持業(yè)務快速加載和覆蓋更多生產(chǎn)場景，支撐工業(yè)企業(yè)打造新型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用，為企業(yè)提供全面的數(shù)字化轉(zhuǎn)型解決方案。MEC平臺可提供AR遠程協(xié)作、智能視頻監(jiān)控等多項能力與應用，以此為基礎，結(jié)合企業(yè)已有信息化能力及第三方系統(tǒng)即可快速實施形成相關的成熟應用。圖5是MEC平臺支持快速實施的成熟應用示例。

圖5 MEC平臺支持快速實施的成熟應用示例

（1）AR遠程協(xié)作基于5G網(wǎng)絡的高速率、低延遲和大帶寬特性，以AR增強現(xiàn)實技術為核心，結(jié)合AI人工智能技術，通過音視頻通訊和三維模型渲染展示手段，現(xiàn)場端人員支持通過手機或AR眼鏡發(fā)起音視頻通訊，遠端專家支持通過Web瀏覽器接收請求，并實時共享現(xiàn)場端的音視頻畫面，實現(xiàn)高效的遠程協(xié)作，打破了傳統(tǒng)的地域限制，為企業(yè)提供了一個全新的協(xié)作平臺。

（2）智能視頻監(jiān)控采用AI視覺算法，提供區(qū)域智能監(jiān)控解決方案。該系統(tǒng)具備實時視頻監(jiān)控、識別告警管理、用戶管理和設備管理四大能力模塊。用戶可查看實時視頻，支持多種攝像頭協(xié)議接入。系統(tǒng)可檢測人員玩手機、未戴安全頭盔和未戴口罩等異常行為，設置告警，并支持歷史視頻回放和查詢。

（3）AGV智能倉儲是一種自動化、智能化的倉儲管理，它通過無人駕駛的AGV小車、倉庫管理系統(tǒng)和其他自動化設備，實現(xiàn)了貨物快速、準確、高效的管理。它利用傳感器技術、計算機控制技術和通信技術，實時監(jiān)測和控制貨物位置、數(shù)量和狀態(tài)，提高了倉儲效率，節(jié)約了成本，并可靈活擴展和升級以適應不斷變化的業(yè)務需求。

7　結(jié)語

本文簡要介紹了運營商MEC在工業(yè)邊緣的應用場景以及中國電信將MEC平臺服務于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領域的各項探索，包括多元化承載各類工業(yè)應用、固移結(jié)合的雙千兆網(wǎng)絡接入、邊緣網(wǎng)絡的共管共維、邊緣平臺的運維監(jiān)控開放、能力集成和應用加載等。綜合上述探索，MEC平臺結(jié)合云化5G定制網(wǎng)下沉到園區(qū)，構(gòu)建5G全連接智慧工業(yè)如翼專網(wǎng)，已在河北、湖南、福建等省協(xié)助多家工業(yè)企業(yè)新建改造產(chǎn)線級、車間級、工廠級等生產(chǎn)現(xiàn)場，助力企業(yè)打造生產(chǎn)單元廣泛連接、ITOT深度融合、數(shù)據(jù)要素充分利用、創(chuàng)新應用高效賦能的先進工廠，推動了工業(yè)制造的數(shù)字化、智能化水平。

作者簡介：

柏　楠，高級工程師，現(xiàn)就職于中電信智能網(wǎng)絡科技有限公司，主要從事邊緣計算業(yè)務及相關產(chǎn)品的研發(fā)設計方面的工作。

陳風儒，工程師，碩士，現(xiàn)就職于中電信智能網(wǎng)絡科技有限公司，主要從事邊緣計算業(yè)務及相關產(chǎn)品的研發(fā)設計方面的工作。

焦建鋒，高級工程師，現(xiàn)任中電信智能網(wǎng)絡科技有限公司MEC產(chǎn)品線總經(jīng)理，主要從事邊緣計算業(yè)務規(guī)劃和研發(fā)方面的工作，包括工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等方向。

參考文獻：

[1] 算網(wǎng)融合產(chǎn)業(yè)及標準推進委員會.“邊緣計算+ ”技術白皮書[R]. 2022.

[2] 邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟, 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟, 網(wǎng)絡5.0產(chǎn)業(yè)和技術創(chuàng)新聯(lián)盟. 5G時代工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算網(wǎng)絡白皮書[R]. 2021.

[3] 鄔賀銓. 邊緣計算助力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)[J]. 自動化博覽, 2023, 40 (2) : 10.

[4] 胡鐘顥, 王哲. 邊緣控制產(chǎn)業(yè)與發(fā)展趨勢研究[J]. 自動化博覽, 2023, 40 (2) : 25

[5] ETSI. ETSI GS MEC003 Mobile Edge Computing (MEC): Framework and Reference Architecture[R].

[6] 工業(yè)和信息化部.“雙千兆”網(wǎng)絡協(xié)同發(fā)展行動計劃（2021-2023年） [Z]. 2021.

摘自《自動化博覽》2024年第二期暨《邊緣計算2024專輯》