從云計(jì)算+邊緣計(jì)算的角度看工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

導(dǎo)讀：隨著越來(lái)越多的企業(yè)在更廣泛的情況下依賴IIoT，一個(gè)更復(fù)雜的架構(gòu)正在不斷發(fā)展，其特點(diǎn)是在邊緣具有智能，以補(bǔ)充云的力量。

【編者按】一般來(lái)看，我們將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可視化為具有有限資源的智能小型設(shè)備的組合，與云計(jì)算的巨大計(jì)算能力相連接。現(xiàn)在進(jìn)入市場(chǎng)的軟件解決方案使企業(yè)能夠利用網(wǎng)關(guān)和傳統(tǒng)的工業(yè)計(jì)算平臺(tái)實(shí)時(shí)響應(yīng)關(guān)鍵事件，保護(hù)安全性，并有效利用連接和帶寬。從云計(jì)算和邊緣計(jì)算的角度來(lái)看工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，或許將得到新的認(rèn)識(shí)。

IIoT：不僅是云計(jì)算

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)通常與大數(shù)據(jù)和云相關(guān)聯(lián)，從廣泛分布的傳感器中收集大量數(shù)據(jù)，將“信息轉(zhuǎn)化為洞察力”。在一些工業(yè)流程中，洞察時(shí)間非常關(guān)鍵，而將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端并接收響應(yīng)的延遲時(shí)間可能過(guò)長(zhǎng)。在其他情況下，數(shù)據(jù)安全性可能會(huì)受到影響，或者與互聯(lián)網(wǎng)的快速，可靠連接可能無(wú)法使用。為了克服這些挑戰(zhàn)，邊緣計(jì)算可以補(bǔ)充云計(jì)算的大數(shù)據(jù)處理能力。它可以執(zhí)行需要即時(shí)響應(yīng)的計(jì)算密集型任務(wù)，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)?shù)據(jù)存儲(chǔ)和過(guò)濾到云中。邊緣計(jì)算可以包含簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)過(guò)濾，事件處理，甚至機(jī)器學(xué)習(xí)等元素，并且可以托管在任何連接的設(shè)備上，從小型嵌入式計(jì)算機(jī)或PLC到工業(yè)PC或本地微型數(shù)據(jù)中心。從同一平臺(tái)上運(yùn)行的其他進(jìn)程隔離并占用很小的空間是關(guān)鍵要求。

最大限度地提高數(shù)據(jù)的價(jià)值

IIoT的許多價(jià)值在于它可以匯集多種來(lái)源的信息，幫助企業(yè)看到更大的局面：如何改進(jìn)流程，優(yōu)化維護(hù)活動(dòng)，減少浪費(fèi)和能源消耗，并消除可避免的成本。以云為中心的IIoT視圖可以看到使用重量級(jí)軟件應(yīng)用程序在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心匯集和分析的各種數(shù)據(jù)流。

這種模式的前提是可靠的互聯(lián)網(wǎng)連接總是可用的，有足夠的帶寬可用于處理推送到云端的數(shù)據(jù)，而這種延遲 - 從數(shù)據(jù)生成到收到云端反饋結(jié)果的時(shí)間是可以接受的。但是，這些重要成分中的任何一種都可能會(huì)丟失。遠(yuǎn)程站點(diǎn)可能依賴蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)連接，但覆蓋范圍可能不完整或不可靠。大量的傳感器可能會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)與云通信的成本很高，特別是在包含高清圖像或視頻的情況下。出于安全原因或保持運(yùn)行效率可能需要實(shí)時(shí)進(jìn)行復(fù)雜決策。另一方面，對(duì)于一些公司而言，數(shù)據(jù)安全性可能會(huì)成為問(wèn)題，因?yàn)檫@些公司可能不希望將敏感信息通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳遞到云端。

在任何這些情況下，將從流程或設(shè)備捕獲的原始數(shù)據(jù)發(fā)送回云可能是不切實(shí)際的。盡管如此，在個(gè)別機(jī)器或過(guò)程控制邏輯層面上需要一些智能和決策能力，使企業(yè)能夠確定最佳的行動(dòng)方案。這是邊緣計(jì)算的作用。

邊緣計(jì)算提供了一個(gè)提升

作為IIoT的一部分，邊緣計(jì)算越來(lái)越重要。在資產(chǎn)或流程附近實(shí)施計(jì)算能力的第一線，可以對(duì)事件進(jìn)行智能或協(xié)調(diào)的響應(yīng)，并有助于減輕云上的數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)。在可能具有數(shù)十，數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)傳感器的系統(tǒng)中，來(lái)自這些傳感器的大部分?jǐn)?shù)據(jù)可能具有最小的價(jià)值，僅僅報(bào)告“正?！辈僮鳁l件。智能網(wǎng)關(guān)可以過(guò)濾這些數(shù)據(jù)，并將其更有效地丟棄或重新打包，傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行存儲(chǔ)和分析。當(dāng)感興趣的事件發(fā)生時(shí)，智能節(jié)點(diǎn)可以快速確定正確的響應(yīng)，向連接的設(shè)備發(fā)出適當(dāng)?shù)闹噶?，并將事件匯總成適合云消費(fèi)的報(bào)告。與對(duì)來(lái)自少量傳感器的信號(hào)的高度本地化響應(yīng)不同，邊緣計(jì)算與更協(xié)調(diào)的動(dòng)作相關(guān)聯(lián)，評(píng)估來(lái)自大量傳感器的數(shù)據(jù)以在更高級(jí)別做出決定。例如，如果在鉆井平臺(tái)中檢測(cè)到過(guò)度振動(dòng)，則可以是采礦應(yīng)用。從振動(dòng)傳感器接收到的錯(cuò)誤信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)可能是停止鉆井，導(dǎo)致生產(chǎn)損失和不必要的停機(jī)時(shí)間來(lái)檢查和修理設(shè)備。由于計(jì)算能力更強(qiáng)，傳感器輸入和存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)更多，一個(gè)更強(qiáng)大的邊緣計(jì)算設(shè)備可以評(píng)估對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，并確定幾個(gè)可能的響應(yīng)并計(jì)算結(jié)果，并采取最佳的行動(dòng)方案或通知運(yùn)營(yíng)商的最佳選擇。

而直接的傳感器/報(bào)警組合沒(méi)有具有板上數(shù)據(jù)聚集和處理的邊緣計(jì)算設(shè)備的更大圖像視角，邊緣處理引擎可以評(píng)估從所有連接的傳感器接收到的數(shù)據(jù)，并基于預(yù)先確定的優(yōu)先事項(xiàng)。在制造業(yè)情況下，在流水線末端進(jìn)行產(chǎn)品測(cè)試或檢查后，故障率突然增加，可能需要停止生產(chǎn)以調(diào)查原因。連接到所有機(jī)器的智能邊緣設(shè)備可以協(xié)調(diào)線路中所有設(shè)備的這種響應(yīng)?；蛘?，通過(guò)分析來(lái)自多臺(tái)機(jī)器的感測(cè)數(shù)據(jù)并自動(dòng)應(yīng)用修復(fù)，或指導(dǎo)操作人員糾正問(wèn)題，使生產(chǎn)能夠快速有效地重新啟動(dòng)，可以識(shí)別變化的原因。

另外，邊緣計(jì)算可以通過(guò)比較感測(cè)的測(cè)量結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)或預(yù)設(shè)的閾值來(lái)支持預(yù)測(cè)性維護(hù)來(lái)幫助數(shù)字化轉(zhuǎn)換，以計(jì)算最佳的替換時(shí)間。它還可以對(duì)部署在因特網(wǎng)訪問(wèn)不可靠或覆蓋率較差的地理區(qū)域的資產(chǎn)進(jìn)行智能管理。如果網(wǎng)關(guān)設(shè)備暫時(shí)無(wú)法連接到云，則可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地內(nèi)存中，直到可以重新建立連接。然后，設(shè)備可以自動(dòng)與云同步，確保遠(yuǎn)程應(yīng)用程序始終可以訪問(wèn)完整和最新的信息。

效率管理是另一個(gè)方面，通過(guò)利用感測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整和優(yōu)化設(shè)置，根據(jù)高層次的能源管理政策，可以通過(guò)邊緣設(shè)備的額外智能來(lái)增強(qiáng)。

實(shí)施：硬件和軟件

邊緣處理背后的原理是盡可能將分析智能與相關(guān)資產(chǎn)置于同一地點(diǎn)。由于邊緣計(jì)算及其與云的關(guān)系仍然是一個(gè)正在進(jìn)行的工作，因此定義和架構(gòu)仍然非常流暢。由于物理空間或資源可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)專用的邊緣服務(wù)器，智能可能需要嵌入到現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施中，例如網(wǎng)關(guān)，PLC，工業(yè)PC或存在于連接的工廠側(cè)的各種其他設(shè)備云(圖1)。

圖1：在IIoT中，邊緣計(jì)算在工廠資產(chǎn)和云之間插入數(shù)據(jù)捕獲和存儲(chǔ)，以及實(shí)時(shí)決策

從本質(zhì)上講，邊緣計(jì)算存在于單個(gè)機(jī)器控制系統(tǒng)的層面之上，在本地操作并補(bǔ)充云中托管的重量級(jí)應(yīng)用程序的工作。 邊緣應(yīng)用程序可以執(zhí)行一項(xiàng)任務(wù)，就像從多個(gè)渠道獲取和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)一樣簡(jiǎn)單，并在轉(zhuǎn)發(fā)到云之前過(guò)濾數(shù)據(jù)。 更復(fù)雜的可視化將分析甚至機(jī)器學(xué)習(xí)帶入邊緣計(jì)算的領(lǐng)域，以實(shí)時(shí)生成智能響應(yīng)。 實(shí)現(xiàn)這一復(fù)雜愿景所需的基本組件包括數(shù)據(jù)攝取，事件處理引擎，連接設(shè)備管理，用戶應(yīng)用程序以及安全數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆?圖2)。

圖2：FogHorn Lighting平臺(tái)提供了邊緣軟件堆棧中包含的功能

從第一原則出發(fā)，建立一個(gè)完整的智能邊緣處理平臺(tái)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。另一種方法是采用與硬件無(wú)關(guān)的軟件框架，該框架提供諸如事件處理引擎，設(shè)備管理和使用諸如MQTT輕量級(jí)消息協(xié)議或安全HTTPS之類的協(xié)議的安全流的基本構(gòu)建模塊。許多這樣的框架正在到達(dá)IIoT現(xiàn)場(chǎng)，例如GE的Predix，思科的IOx以及FogHorn Systems的閃電平臺(tái)。除了功能組件之外，這些軟件包還提供各種軟件開(kāi)發(fā)工具包(SDK)以允許用戶運(yùn)行自己的自定義應(yīng)用程序，以及有助于配置系統(tǒng)和定義分析功能的開(kāi)發(fā)環(huán)境。這些框架還提供了管理邊緣設(shè)備的工具，包括監(jiān)視，控制和診斷。

像 Raspberry Pi Foundation的Raspberry Pi 3這樣的輕便，資源友好的單板計(jì)算機(jī)可以為這種設(shè)備提供基礎(chǔ)。事實(shí)上，通用電氣已經(jīng)展示了在這樣的平臺(tái)上運(yùn)行的邊緣設(shè)備的Predix機(jī)器軟件。另一方面，能夠訪問(wèn)網(wǎng)關(guān)設(shè)備或自動(dòng)化系統(tǒng)中功能更強(qiáng)大的工業(yè)PC的工程師可以利用額外資源并計(jì)算性能來(lái)執(zhí)行更復(fù)雜的應(yīng)用程序。桌面級(jí)別的性能現(xiàn)在可以在經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的外形中使用，例如PC/104，在VersaLogic Liger開(kāi)發(fā)板等板上，該板采用可選的Intel i3，i5或i7(Kaby Lake)雙核處理器，運(yùn)行頻率高達(dá)2.8 GHz。這些電路板非常堅(jiān)固耐用，具有MIL-STD沖擊和振動(dòng)阻力，可用于惡劣環(huán)境中的設(shè)備。通過(guò)多達(dá)八個(gè)本地?cái)?shù)字I/O通道，一個(gè)用于進(jìn)一步擴(kuò)展的Mini PCIe端口以及一個(gè)高速SATA存儲(chǔ)接口，這些主板可以承擔(dān)復(fù)雜的自動(dòng)化任務(wù)，并處理邊緣處理工作負(fù)載。千兆以太網(wǎng)接口便于通過(guò)企業(yè)網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng)和云。此外，該主板還包含一個(gè)可信平臺(tái)模塊(TPM)，該模塊允許硬件密碼加速并提供安全的密鑰存儲(chǔ)，使其成為需要高度抵抗黑客攻擊的自治設(shè)備的理想選擇。

軟件容器(containers)

要在與自動(dòng)化控制器或PLC相同的硬件上運(yùn)行邊緣計(jì)算引擎和應(yīng)用程序，需要與其他軟件分開(kāi)運(yùn)行。 使用容器(containers)已經(jīng)成為一種流行的方法，它提供了類似于虛擬機(jī)的隔離，但更適合資源受限的設(shè)備。 容器鏡像包含軟件運(yùn)行所需的一切。 但是，與虛擬機(jī)不同的是，容器虛擬化了操作系統(tǒng)而不是硬件，從而形成了一個(gè)更輕便的便攜式解決方案。 也可以在容器中使用虛擬機(jī)來(lái)獲得部署和管理應(yīng)用程序的額外的靈活性。

圖3：容器提供了一種資源友好的方法來(lái)隔離網(wǎng)關(guān)，PLC或工業(yè)PC等設(shè)備上托管的邊緣計(jì)算進(jìn)程。

Docker框架被IoT解決方案開(kāi)發(fā)人員廣泛用于實(shí)現(xiàn)容器(圖3)，并向支持容器生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的Open Container Initiative(OCI)捐獻(xiàn)了代碼。要?jiǎng)?chuàng)建邊緣計(jì)算解決方案，可以使用C/C++或Java開(kāi)發(fā)基于Docker的Linux應(yīng)用程序，以捕獲所需的數(shù)據(jù)，并通過(guò)所選軟件平臺(tái)中提供的SDK與分析引擎等邊緣處理資源集成。

通過(guò)提供便捷的儀表板來(lái)管理連接的邊緣設(shè)備，一個(gè)合適的軟件平臺(tái)允許開(kāi)發(fā)人員專注于定制他們的應(yīng)用程序來(lái)捕獲他們需要的數(shù)據(jù)，并對(duì)檢測(cè)到的事件作出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)。邊緣計(jì)算是軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)以及交鑰匙邊緣計(jì)算設(shè)備進(jìn)入市場(chǎng)的重要新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的主題。

邊緣計(jì)算是IIoT的一個(gè)額外方面，已準(zhǔn)備好與云計(jì)算合作，為運(yùn)營(yíng)商和業(yè)務(wù)經(jīng)理提供靈活性，以便在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間獲得他們所需的洞察力。通用電氣公司(GE)已經(jīng)估計(jì)，傳統(tǒng)的自動(dòng)化只使用大約3%的機(jī)器數(shù)據(jù)來(lái)產(chǎn)生有意義的結(jié)果。邊緣和云計(jì)算如果同時(shí)使用，可以釋放更多的剩余97%的價(jià)值，從而增強(qiáng)實(shí)時(shí)自動(dòng)化并指導(dǎo)長(zhǎng)期決策。

通常將IIoT可視化為具有有限資源的智能小型設(shè)備的組合，與云計(jì)算的巨大計(jì)算能力相連接。隨著越來(lái)越多的企業(yè)在更廣泛的情況下依賴IIoT，一個(gè)更復(fù)雜的架構(gòu)正在不斷發(fā)展，其特點(diǎn)是在邊緣具有智能，以補(bǔ)充云的力量?，F(xiàn)在進(jìn)入市場(chǎng)的軟件解決方案使企業(yè)能夠利用網(wǎng)關(guān)和傳統(tǒng)的工業(yè)計(jì)算平臺(tái)實(shí)時(shí)響應(yīng)關(guān)鍵事件，保護(hù)安全性，并有效利用連接和帶寬。