5G工业互联网的边缘计算技术架构与应用

◆董昱呈 伊学博 李雪妍

5G工业互联网的边缘计算技术架构与应用

◆董昱呈 伊学博 李雪妍

（中国移动通信集团内蒙古有限公司 内蒙古 010010）

5G和工业移动互联网技术是当前推动我国5G和5G工业移动互联网技术发展过程中的一个热点与关注焦点，工业移动互联网和5G产业中都已经引入了一些边缘化和计算机的技术，但是两个着眼点却没有所谓的不同。本文分析了基于5G的云边缘工业计算的云端工业移动互联网基础应用和技术发展现状情况，总结了边缘工业移动互联网和云边缘边端计算相关技术基础架构，在此技术基础上分别给出云边端计算协同的5G边缘工业移动互联网和云边缘边端计算相关技术基础架构。

5G；互联网计算应用；互联网计算架构

1 5G工业互联网边缘计算应用

1.1 工业互联网应用

工业信息互联网主要有狭义和广义之分，狭义上的传统工业信息互联网由2001年GE率先研究提出，主要用于面向工业智能装备制造，基于云和大数据等新技术，提升传统工业生产的技术效率、质量以及有效降低生产成本；然而广义上的传统工业信息互联网则指的是传统工业化和传统信息化的深度融合，不只是主要面向传统制造业，也不仅仅针对产品生成生产过程，还主要面向整个工业间和企业间的运营、产业链的协同等。

所以要根据中国通信标准化进行相关的国家标准技术研究以及应用分析，实际上，我国对于工业化智能互联网主要包括工业智能化智慧生产、个性化智能定制、网络化智能协同和工业服务化智能延伸4类主要技术应用。

（1）应用智能化企业生产：智能是一种面向智能企业内部的智能生产流程制造和运维管理的一种智能化生产应用，典型的其应用企业场景主要包括三大智能企业生产流程管理、生产基础设施/作业环境监测、智能生产厂内优化物流、智能生产流程优化管理。智能化企业生产系统涉及大型企业管理MES、WMS管理系统、物联网与大数据采集信息传输与数据分析、自动化无人驾驶、机器人等高新技术广泛应用。

（2）企业个性化平台定制：它是面向大型企业和个人用户之间的一种智能化移动互联与交互融合应用，典型企业应用开发场景为企业模块化平台定制、开放式平台定制。个性化企业定制服务涉及企业面向社会公众免费开放的多个工业产品电商服务平台、工业产品大数据分析等。

（3）企业网络化应用协同：它是面向生产企业和服务企业之间的一种智能化应用协同系统应用，典型化的应用协同场景主要包括产品供应流程协同、设计流程协同、制造流程协同。网络化信息协同管理涉及集成企业信息供应链与管理企业信息ERP管理系统、工业产品标识等关键技术。

（4）企业服务化应用延伸：它是面向传统企业和相关产品之间信息互联的一种延伸服务应用，典型的该应用服务场景主要包括各种面向企业产品本身的营销服务、面向相关产品的企业增值营销服务。服务化技术延伸项目涉及到的产品涵盖工业智能设备与电子产品的全互联网远程监测、在线数据分析与远程诊断等核心技术。

从基于工业移动互联网安全体系看其架构，工业移动互联网安全体系在其架构中从功能看其架构主要分为包括安全网络、平台和安全三个大部分主要内容，其中安全网络应用是技术基础，平台应用是技术核心，安全应用是重要保障，而目前构建在基于工业移动互联网网络平台之上的各类信息业务以及服务则主要是基于工业移动互联网基础应用（简称工业互联APP）。工业产品互联网软件应用平台是各种工业产品互联网平台发挥作用的一种关键形式体现，一方面，各种工业产品软件设计开发工具、软件管理系统通过工业云化技术改造，基于各种工业云平台实现云端服务部署和平台应用能力提供；另外一方面，工业产品互联网应用平台可以提供各种类型工业微软件服务等各种工业产品PaaS微软件服务，开发者基于这些平台工业微软件服务和应用能力，开发出来形成各种面向特定应用行业特定应用场景的各种工业产品互联网平台应用。

总体来说，工业移动互联网技术应用主要包括了ICT智能类技术应用和OT应合类技术应用两者三大类：ICT应用类技术应用主要属于面向机器人和资源管理业务相关，包括企业办公管理协同、人力资源综合管理、ERP、CRM以及企业财务管理等工业信息化技术应用；OT类技术应用主要属于面向移动设备和工业生产流程管理相关，包括MES、DCS、SCADA等，是我国工业移动互联网与一般网络企业应用的基本区别和发展关键技术应用。ICT类和OT型两类数据应用都逐渐发展走向了以数据采集为服务中心的工业生产与研发运营，围绕各种工业移动设备和相关工业产品的进行数据采集、数据分析存储、模型设计开发等这是目前工业设备互联网技术应用的最主要数据服务系统形态。

1.2 5G工业互联网的边缘计算应用

5G的大数据带宽、大连接、低时间外延高可靠性等特性为我国工业移动互联网的快速无线化、网联化发展进程提供巨大的信息技术动力驱动，而5G不仅仅只是无线通信技术的不断升级，还包括化学边缘处理计算、网络处理切片的广泛引入与NFV化学的网络处理技术不断变革，其中包括边缘处理计算网络技术的广泛引入尤其符合我国工业制造企业的关键工业信息数据安全风险治理（工业数据不重复出厂等）、低时间外延高可靠的工业数据处理等技术要求。5G+数据边缘的云计算为智能工业移动互联网特别以其是云为核心的智能工业生产力和制造领域提供了强大的云网络和一体化数据使用智能解决服务。

电信网络运营商大力支持推动5G以上工业移动互联网的快速发展，提供了工业网络连接+云+网络应用等多种工业边缘化云计算网络解决模式方案，并在新发现网络上提供了商用网络服务或商业试点，如：

（1）基于4G/5G MEC数据提供移动工厂本地虚拟无线专网：基于MEC的本地数据分离，提供基于移动运营商虚拟大网的企业移动工厂虚拟无线专网连接服务，解决移动制造商和企业进入工厂以及园区内部远程数据采集、移动智能终端、视频远程监控、设备无线连接等在内的多行业场景虚拟无线连接服务需要。

（2）4G/5G MEC+工业视频图像分析/工业视觉图像识别图像分析技术服务：通过各种工业现场或成品生产线直接部署各种工业数码相机/移动摄像头，利用工业视频分析图像识别分析数据处理系统技术，用于实现工业生产的过程工况质量监视、过程成品质量安全检测、成品过程缺陷质量检验等，减少检测人工，提升质量检测工作效率和生产质量。

2 5G工业互联网的边缘计算技术架构

2.1 工业互联网边缘计算技术架构

运营商的网络边缘管理计算很多种有时候主要就是指多网络接入点的边缘管理计算，实际上网络边缘管理计算还具有多种应用形态，业界各类服务提供商基于自身技术优势和其所面对的不同应用开发场景等都提供了各种多样化的网络边缘管理计算解决服务。它们的云端边缘服务计算和云架构方式实际上都是类似的。

AWS Greengrass和GE Predixmachine等各种面向现场边缘的企业边缘云端计算设备产品应用形态主要是云端软件，包括在现场/设备边缘侧使用具有云端计算处理能力的联络网关或者网络服务器等（一般称之为现场边缘云端计算网络节点）的已安装并可运行的一套软件应用开发环境、设备侧的硬件支持以及设备侧的接入现场边缘和基于云端的移动终端。

2.2 5G工业互联网的边缘计算技术架构

对于电信运营商而言，可以通过结合自身的5G以上网络边缘终端基础配套设施技术优势以及云、物联网等基础服务，面向5G以上工业级和互联网用户打造云管边缘终端无缝协同的网络边缘式云计算基础服务。

（1）中心云：主要包括企业中心云管理服务、集中自动化的MEC业务管理数据编排服务系统，中心云管理服务主要包括企业边缘化云计算中心节点的业务管理以及为企业边缘计算应用与数据服务平台提供基于云端的业务后台管理服务，包括云端设备资源管理、AI员工训练、云端数据存储、镜像和云仓库等。

（2）边：线路边缘综合计算处理节点将边作为一个逻辑计算实体，包括终端网络侧线路边缘综合计算处理节点、现场侧网络边缘综合计算处理节点。其中一个网络侧工业边缘数据计算中心节点基于5G MEC数据提供，除了充分利用整个MEC本地数据分流计算能力，还具备可以实现充分利用整个MEP数据平台的工业服务化网络架构以及工业网络自动定位、防火墙等强大网络防护能力。如PLPLC（高级可编程数字逻辑边缘控制器）；还具有复杂适合工业设备应用的重量级边缘控制器，如工业机器人边缘控制器、数控机床边缘控制器等。边缘化和管理中心服务器的主要用途是一种用于管理部署在大型重点工业现场或者大型重点工业园区内的企业边缘化和管理企业数据中心的边缘管理服务器，作为现场本地化和管理边缘计算机的基础设备。边缘本地互联网关网络设备主要是通过边缘本地网络中的连接、协议栈和数据包的转换等多种主要功能使它可以同时连接网络和本地网络中的云端，同时它还可以分别提供边缘本地网络电子计算系统数据处理与本地网络应用程序数据管理两种主要功能的边缘网络网关设备。

（3）端：端口节点一般包括各种现场端或工业专用电子网络设备及现场电子传感器等，需要特别指出的一点是，在实际进行业务部署提供时不一定完全，实际上中心云和边缘都是相对应的概念，对于系统采用虚拟网络在线边缘+现场边缘+端的业务部署管理模式，这里的虚拟网络边缘管理节点（MEC）节点相对于现场网络边缘节点可以直接充当系统参考管理架构里面各个中心云的管理角色，参考管理架构里面的各个中心云管理服务节点通过管理MEC中心管理层的编排可使系统在管理MEC中心部署并以管理MEC中心应用和部署MEC中心服务器的方式同时进行业务执行。

3 结束语

边缘自动计算技术是用于工业移动互联网的重要关键技术之一，在5G网络工业终端互联网络的发展中，运营商除了将MEC网络作为一个网络边缘计算基础技术设施一并面向所有工业终端客户按需求的建设进行部署，还根据需要客户提供一套适合所有工业终端设备的多协议网络接入、数据采集分析、智能数据处理等覆盖工业终端互联网络的边缘终端计算技术服务并与自身智能云和工业物联网基础平台进行连接，提供云管边缘终端相互协同的工业一体化基础服务。

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[3]江涛.面向5G应用的认知数据中心互连网络架构设计与关键技术研究[D].华中科技大学，2019.

[4]阮思言，厉睿卿，朱峰.5G网络助力工业互联网创新需求[J].5G网络创新研讨，2020.