目前業(yè)界對(duì)邊緣計(jì)算（Edge Computing，EG）的定義有很多種。ISO/IEC JTC1/SC38對(duì)邊緣計(jì)算的定義：邊緣計(jì)算是將主要處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)放在網(wǎng)絡(luò)的邊緣節(jié)點(diǎn)的分布式計(jì)算形式[1]。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）的定義：在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊緣提供IT服務(wù)環(huán)境和計(jì)算能力，強(qiáng)調(diào)靠近移動(dòng)用戶，以減少網(wǎng)絡(luò)操作和服務(wù)交付的時(shí)延，提高用戶體驗(yàn)[2]。邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（ECC）的定義：在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)路邊緣側(cè)，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷連接、實(shí)施業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的關(guān)鍵需求[3]。

 

　　對(duì)邊緣計(jì)算的定義雖然表述上各有差異，但可以達(dá)成共識(shí)：在更靠近終端的網(wǎng)絡(luò)邊緣上提供服務(wù)。

 

　　工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新一代信息通信技術(shù)與現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，是制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的重要載體。邊緣計(jì)算在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中的位置如下圖所示。

 

 

圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)圖

 

　　工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)由邊緣層、Iaas層、平臺(tái)層和應(yīng)用層組成[4]。邊緣計(jì)算技術(shù)涵蓋設(shè)備接入、協(xié)議轉(zhuǎn)換和邊緣數(shù)據(jù)處理，極大地拓展了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)收集和管理數(shù)據(jù)的范圍和能力。

 

 

　　從近5年的谷歌趨勢(shì)可看出，邊緣計(jì)算的關(guān)注度持續(xù)走高，表明邊緣計(jì)算在當(dāng)前信息科技發(fā)展中的重要性愈加凸顯。從圖2中也看出，2016年前，邊緣計(jì)算處于原始技術(shù)積累階段，2017年開始邊緣計(jì)算開始被熟知，進(jìn)入快速發(fā)展期。

 

 

圖2 Google Trends中邊緣計(jì)算關(guān)注度趨勢(shì)圖

 

　　注：圖中數(shù)字代表相對(duì)于圖標(biāo)中最高點(diǎn)的搜索熱度，例如，熱度最高得100分。

 

　　邊緣計(jì)算的發(fā)展與面向數(shù)據(jù)的計(jì)算模型的發(fā)展密不可分。為解決面向數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)算和存儲(chǔ)過程中的計(jì)算負(fù)載和帶寬問題，在邊緣計(jì)算產(chǎn)生前，研究者進(jìn)行了數(shù)據(jù)邊緣處理和計(jì)算任務(wù)遷移的研究，主要包括分布式數(shù)據(jù)庫模型、對(duì)等網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)等。分布式數(shù)據(jù)庫主要包括SQL、NoSQL以及NewSQL分布式數(shù)據(jù)庫等，主要用于實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)和共享，較少關(guān)注設(shè)備端的異構(gòu)計(jì)算和存儲(chǔ)能力，且所需空間較大，數(shù)據(jù)隱私性較低[5]。P2P計(jì)算技術(shù)與邊緣計(jì)算模式具有很大程度的相似性，但邊緣計(jì)算將P2P的概念擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備，涵蓋了P2P計(jì)算和云計(jì)算的融合[6]。內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（CDN）是AKAMAI公司提出的一種基于互聯(lián)網(wǎng)的緩存網(wǎng)絡(luò)[7]。邊緣計(jì)算的概念最早可以追溯到2000年左右CDN的大規(guī)模部署，隨著技術(shù)發(fā)展，邊緣計(jì)算遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過CDN的范疇，不局限于邊緣節(jié)點(diǎn)且更強(qiáng)調(diào)計(jì)算功能。

 

　　隨著數(shù)據(jù)的爆發(fā)性增長(zhǎng)，研究者開始探索萬物互聯(lián)服務(wù)功能的上行，具有代表性的是移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）、霧計(jì)算和海云計(jì)算。

 

 

　　移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)出現(xiàn)于2013年，是在接近移動(dòng)用戶的無線接入網(wǎng)范圍內(nèi)，提供信息技術(shù)服務(wù)和云計(jì)算能力的一種新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并已成為一種標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的技術(shù)[8]。2014年ETSI提出移動(dòng)邊緣計(jì)算術(shù)語的標(biāo)準(zhǔn)化，并指出：移動(dòng)邊緣計(jì)算提供一種新的生態(tài)系統(tǒng)和價(jià)值鏈。利用移動(dòng)邊緣計(jì)算可將密集型移動(dòng)計(jì)算任務(wù)遷移到附近的網(wǎng)絡(luò)邊緣服務(wù)器。移動(dòng)邊緣計(jì)算同時(shí)也是發(fā)展5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，有助于從延時(shí)、可編程性、擴(kuò)展性等方面滿足5G的高標(biāo)準(zhǔn)要求。

 

　　移動(dòng)邊緣計(jì)算模型強(qiáng)調(diào)在云計(jì)算中心與邊緣設(shè)備之間建立邊緣服務(wù)器，在邊緣服務(wù)器上完成終端數(shù)據(jù)的計(jì)算任務(wù)，但移動(dòng)終端設(shè)備基本被認(rèn)為不具有計(jì)算能力。相比而言，邊緣計(jì)算模型中的終端設(shè)備具有較強(qiáng)的計(jì)算能力，因此，移動(dòng)邊緣計(jì)算類似一種邊緣計(jì)算服務(wù)器的架構(gòu)和層次，作為邊緣計(jì)算模型的一部分。

 

 

　　霧計(jì)算于2012年由思科（Cisco）提出，并被定義為遷移云計(jì)算中心任務(wù)到網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備執(zhí)行的一種高度虛擬化的計(jì)算平臺(tái)[9]。霧計(jì)算通過在云與移動(dòng)設(shè)備之間引入中間層，擴(kuò)展基于云的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而中間層實(shí)質(zhì)是由部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣的霧服務(wù)器組成的“霧層”。通過霧計(jì)算服務(wù)器，可以顯著減少主干鏈路的帶寬負(fù)載和能耗，此外，霧計(jì)算服務(wù)器可以與云計(jì)算中心互連，并使用云計(jì)算中心強(qiáng)大的計(jì)算能力、豐富的應(yīng)用和服務(wù)。

 

　　邊緣計(jì)算和霧計(jì)算概念具有很強(qiáng)的相似性，在很多場(chǎng)合表示同一個(gè)意思。二者的區(qū)別上主要體現(xiàn)在處理能力的位置：霧計(jì)算的處理能力在IoT設(shè)備的LAN里，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的IoT網(wǎng)關(guān)（霧節(jié)點(diǎn)）用于數(shù)據(jù)收集、處理和存儲(chǔ)，處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送回需要該數(shù)據(jù)的設(shè)備。而邊緣計(jì)算進(jìn)一步推進(jìn)了霧計(jì)算LAN內(nèi)處理的理念，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各設(shè)備中實(shí)施處理，處理能力更靠近數(shù)據(jù)源。

 

 

　　萬物互聯(lián)背景下，待處理數(shù)據(jù)量將達(dá)到ZB級(jí)，信息系統(tǒng)的感知、傳輸、存儲(chǔ)和處理的能力需相應(yīng)提高。針對(duì)這一挑戰(zhàn)，中國(guó)科學(xué)院于2012年啟動(dòng)了下一代信息與通信技術(shù)倡議(NICT倡議)。倡議的主旨是要開展“海云計(jì)算系統(tǒng)項(xiàng)目”的研究，其核心是通過“云計(jì)算”系統(tǒng)與“海計(jì)算”系統(tǒng)的協(xié)同和集成，增強(qiáng)傳統(tǒng)云計(jì)算能力，其中，“海”端指由人類本身、物理世界的設(shè)備和子系統(tǒng)組成的終端(客戶端)。

 

　　與邊緣計(jì)算相比而言，海云計(jì)算關(guān)注“海”的終端設(shè)備，而邊緣計(jì)算關(guān)注從“海”到“云”數(shù)據(jù)路徑之間的任意計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源，海云計(jì)算是邊緣計(jì)算的一個(gè)非常好的子集實(shí)例。

 

 

　　邊緣計(jì)算因?yàn)槠渫怀龅膬?yōu)點(diǎn)，滿足未來萬物互聯(lián)的需求，引起國(guó)內(nèi)外的密切關(guān)注。2015年，思科、ARM、戴爾、英特爾、微軟和普林斯頓大學(xué)聯(lián)合成立了Openfog聯(lián)盟。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（ETSI）于2017年3月，將移動(dòng)邊緣計(jì)算行業(yè)規(guī)范工作組正式更名為多接入邊緣計(jì)算，致力于更好地滿足邊緣計(jì)算（包括IoT）的應(yīng)用需求。全球性產(chǎn)業(yè)組織工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟ICC在2017年成立Edge Computing TG，致力于定義邊緣計(jì)算參考架構(gòu)。2016年11月30日，邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在北京正式成立，旨在搭建邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)合作平臺(tái)，推動(dòng)運(yùn)行技術(shù)（OT）和信息與通信技術(shù)（ICT）產(chǎn)業(yè)開放協(xié)作，引領(lǐng)邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，深化行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。美國(guó)聯(lián)邦政府，包括國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局，在2016年分別把邊緣計(jì)算列入項(xiàng)目申請(qǐng)指南。目前，多所大學(xué)和企業(yè)展開關(guān)于邊緣計(jì)算的研究，邊緣計(jì)算領(lǐng)域的相關(guān)國(guó)際會(huì)議已經(jīng)開始興起，ACM和IEEE從2016年開始聯(lián)合舉辦邊緣計(jì)算的頂級(jí)年會(huì)IEEE/ACM SEC，ICDCS、INFOCOM MiddleWare等重要國(guó)際會(huì)議也都開始增加邊緣計(jì)算的分會(huì)或?qū)ｎ}研討會(huì)。在標(biāo)準(zhǔn)化方面，2017年IEC發(fā)布了VEI白皮書，介紹了邊緣計(jì)算對(duì)于制造業(yè)等垂直行業(yè)的重要價(jià)值。ISO/IEC JTC1 SC41成立了邊緣計(jì)算研究小組，以推動(dòng)邊緣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化工作。

 

 

　　3.1 網(wǎng)絡(luò)

 

　　邊緣計(jì)算將計(jì)算推至靠近數(shù)據(jù)源的位置，甚至于將整個(gè)計(jì)算部署于從數(shù)據(jù)源到云計(jì)算中心的傳輸路徑上的節(jié)點(diǎn)，因此對(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提出了新的要求。軟件定義網(wǎng)絡(luò)（software defined network， SDN）采用網(wǎng)絡(luò)控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面分離的架構(gòu)，利用集中控制替代原有分布式控制，并通過開放和可編程接口實(shí)現(xiàn)“軟件定義”，可以很好地支持計(jì)算服務(wù)和數(shù)據(jù)的遷移。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織IEEE制訂了TSN（Time-Sensitive Networking）系列標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)、時(shí)鐘等關(guān)鍵服務(wù)定義了統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是工業(yè)以太聯(lián)接未來的發(fā)展方向。

 

　　5G數(shù)據(jù)通信技術(shù)是下一代移動(dòng)通信發(fā)展新時(shí)代的核心技術(shù)，三個(gè)典型技術(shù)場(chǎng)景為增強(qiáng)移動(dòng)寬帶、海量機(jī)器類通信和超可靠低時(shí)延通信。邊緣設(shè)備通過處理部分或全部計(jì)算任務(wù)，過濾無用信息和敏感信息后，仍需將中間或追中數(shù)據(jù)上傳到云中心，因此5G技術(shù)將是移動(dòng)邊緣終端設(shè)備降低數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)的必要解決方案。

 

　　3.3 計(jì)算

 

　　異構(gòu)計(jì)算是邊緣側(cè)關(guān)鍵的計(jì)算硬件架構(gòu)，旨在協(xié)同和發(fā)揮各種計(jì)算單元的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，目標(biāo)是整合同一個(gè)平臺(tái)上分立的處理單元使之成為緊密協(xié)同的整體來協(xié)同處理不同類型的計(jì)算負(fù)荷。同時(shí)通過開放統(tǒng)一的編程接口，實(shí)現(xiàn)軟件跨多種平臺(tái)。異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)包括：內(nèi)存處理優(yōu)化、任務(wù)調(diào)度優(yōu)化和集成工具鏈等。同時(shí)，以深度學(xué)習(xí)為代表的新一代AI在邊緣側(cè)應(yīng)用也需進(jìn)一步優(yōu)化。優(yōu)化方向包括自頂向下的優(yōu)化，即把訓(xùn)練完的深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行壓縮來降低推理階段的計(jì)算負(fù)載；或自底向上的優(yōu)化，即重新定義一套面向邊緣側(cè)嵌入系統(tǒng)環(huán)境的算法架構(gòu)。

 

　　3.3 存儲(chǔ)

 

　　邊緣計(jì)算在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理方面具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性要求，相比嵌入式存儲(chǔ)系統(tǒng)而言，邊緣計(jì)算存儲(chǔ)系統(tǒng)具有低延遲、大容量、高可靠性等特點(diǎn)。高效存儲(chǔ)和訪問連續(xù)不間斷的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是存儲(chǔ)需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

 

　　新一代時(shí)序數(shù)據(jù)庫TSDB是存放時(shí)序數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，采用分布式存儲(chǔ)、分級(jí)存儲(chǔ)和基于分片的查詢優(yōu)化[10]。TSDB支持時(shí)序數(shù)據(jù)的快速寫入、持久化、多緯度的聚合查詢等基本功能，但依然面臨成本敏感等挑戰(zhàn)。

 

　　3.4 安全

 

　　邊緣計(jì)算設(shè)備通常處于靠近用戶側(cè)或者傳輸路徑上，具有更高的潛在可能被攻擊者入侵，因此邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)自身安全性是一個(gè)不可忽略的問題。邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的分布式和異構(gòu)型也導(dǎo)致一系列新的安全問題和隱私泄露問題，同時(shí)，也普遍存在共性安全問題，包括應(yīng)用安全、網(wǎng)絡(luò)安全、信息安全和系統(tǒng)安全等。

 

　　目前常采用傳統(tǒng)安全方案來進(jìn)行防護(hù)，如通過基于密碼學(xué)的方法進(jìn)行信息安全保護(hù)、通過訪問控制策略來對(duì)越權(quán)訪問進(jìn)行防護(hù)等。可信執(zhí)行環(huán)境包括Intel軟件防護(hù)擴(kuò)展，Intel管理引擎、X86系統(tǒng)管理模式、AMD內(nèi)存加密技術(shù)、AMD平臺(tái)安全處理器和ARM TrustZone技術(shù)[11]。通過將應(yīng)用運(yùn)行與可信執(zhí)行環(huán)境中并且對(duì)外部存儲(chǔ)進(jìn)行加解密，可以在邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)被攻破時(shí)，仍然保證應(yīng)用及數(shù)據(jù)的安全性。

 

 

　　工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景相對(duì)孤立，不同行業(yè)的數(shù)字化和智能化水平不同，對(duì)邊緣計(jì)算的需求也存在較大差別。以機(jī)械制造行業(yè)為例對(duì)行業(yè)需求進(jìn)行分析。

 

　　機(jī)械制造業(yè)在國(guó)家行業(yè)中處于基礎(chǔ)性地位，同時(shí)也是一個(gè)國(guó)家的支柱型行業(yè)。通過企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，查閱資料、文獻(xiàn)等方式對(duì)機(jī)械制造行業(yè)邊緣計(jì)算現(xiàn)狀和需求進(jìn)行分析，機(jī)械制造行業(yè)整體基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平不一，建設(shè)質(zhì)量參差不齊，普遍面臨如下問題：

 

　　(1)數(shù)據(jù)開放性差且工業(yè)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一

 

　　目前在機(jī)械制造行業(yè)領(lǐng)域，設(shè)備基本具有數(shù)據(jù)接口，但設(shè)備和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)開放性不夠，缺乏數(shù)據(jù)開放接口及文檔說明。存在RS232、RJ45、Profibus、MTConnect、MODBUS/TCP、Profinet等多種工業(yè)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)自動(dòng)化設(shè)備生產(chǎn)及集成商還會(huì)自己開發(fā)各種私有的工業(yè)協(xié)議，各種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、互不兼容，導(dǎo)致協(xié)議適配、協(xié)議解析和數(shù)據(jù)互聯(lián)互通困難。

 

　　(2)數(shù)據(jù)采集種類有限

 

　　機(jī)械制造行業(yè)車間內(nèi)的設(shè)備多數(shù)已有數(shù)據(jù)采集功能，但是采集的種類有限，如數(shù)控機(jī)床多數(shù)能采集電壓、電流等信號(hào)，但是振動(dòng)信號(hào)等多需要外置傳感器的方式進(jìn)行采集，部分機(jī)床還沒有部署此功能。

 

　　(3)工業(yè)數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性要求難以保證

 

　　生產(chǎn)線的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，精密生產(chǎn)和運(yùn)動(dòng)控制等場(chǎng)景則對(duì)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性要求不斷提高，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)對(duì)于高精度、低時(shí)延的工業(yè)場(chǎng)景難以保證重要的信息實(shí)時(shí)采集和上傳，無法滿足生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控需求。

 

　　(4)全車間統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)尚未實(shí)現(xiàn)

 

　　機(jī)械制造行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平不一，車間內(nèi)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)水平也參差不齊。部分設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，但尚未形成全車間統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)。

 

　　(5)工業(yè)數(shù)據(jù)采集存在數(shù)據(jù)安全隱患

 

　　工業(yè)數(shù)據(jù)采集會(huì)涉及到大量重要工業(yè)數(shù)據(jù)和用戶隱私信息，在傳輸和存儲(chǔ)時(shí)都會(huì)存在一定的數(shù)據(jù)安全隱患，也存在黑客竊取數(shù)據(jù)、攻擊企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。

 

 

　　基于邊緣計(jì)算發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)，針對(duì)典型行業(yè)的實(shí)際需求，依據(jù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)體系中的邊緣層架構(gòu)，從設(shè)備接入、協(xié)議轉(zhuǎn)換和邊緣數(shù)據(jù)處理三個(gè)方面提出建議方案。

 

 

 

　　圖3 邊緣計(jì)算體系架構(gòu)

 

　　（1）設(shè)備接入

 

　　針對(duì)典型行業(yè)不同企業(yè)開發(fā)專用的數(shù)據(jù)采集聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，為非企業(yè)自主所有的外國(guó)設(shè)備裝上“中國(guó)腦”，徹底改造國(guó)外的自動(dòng)化控制系統(tǒng)；為專用設(shè)備配置數(shù)據(jù)采集端口，采用即插即用的方式，安全的從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備里實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行傳輸，解決不同設(shè)備制造商之間設(shè)備的互通互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的泛在連接。

 

　　（2）協(xié)議轉(zhuǎn)換

 

　　基于OPC UA設(shè)計(jì)工業(yè)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，將現(xiàn)場(chǎng)各種工業(yè)設(shè)備、裝置采用的標(biāo)準(zhǔn)或私有通信協(xié)議轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)OPC UA通訊協(xié)議。針對(duì)異構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)總線及以太網(wǎng)總線的不同報(bào)文結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，通過標(biāo)配數(shù)據(jù)接入模塊，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化報(bào)文拆解。工業(yè)網(wǎng)關(guān)應(yīng)支持多種網(wǎng)絡(luò)接口、總線協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/div>