面向工业互联网的边缘计算平台的分析与研究

周逊盛 李晓炉

1.浙江大学光电科学与工程学院 浙江 杭州 310007；

2.浙江大云物联科技有限公司 浙江 杭州 310052

1 工业互联网与边缘计算

1.1 工业互联网

虽然业界都在谈工业互联网，但各方的认知存在着差别。IDC认为，工业互联网的核心是近几年 AI、IoT、5G 等新兴信息技术向工业的持续融合渗透，在这个过程中，促进工业企业提质降本增效减存，从而实现数字化转型[1]。工业互联网是一个庞大的生态，IDC 关注的是产品和服务所形成的市场。对于服务商，主要是市场的机会在哪里，细分市场、厂商格局和份额是多少；对于工业企业，主要是如何应用新技术实现工业互联网。为此，IDC把工业互联划分成了 7 大子市场，包含解决方案、设备连接、云基础设施、平台、工业软件、安全和产业赋能，如图1所示。

图1 工业物联网的7个子市场

1.2 边缘计算

万物互联给人类带来了极大便利的同时，海量设备的通信也受限于不同设备的物理链路、各种不同的协议，因此大多数数据不能互联互通。同时由于目前主流的容器编排引擎，如 Kubernetes、Mesosphere、Docker Swarm 等，难以实现自动伸缩应用，缺乏对容器的统一管理，易造成带宽不够、实时性运维服务质量下降及企业成本增加等问题。

在此情况下，传统云计算模式无法高效地支持基于万物互联的应用服务程序，而边缘计算模型可以更好地解决这些问题[2]。目前，有研究者已开展相关研究，如潘建胜[3]曾以Docker为基础，设计并实现了一个CDN边缘计算平台；王健[4]通过轻量级的边缘节点构建轻量级边缘计算平台，实现了轻量级的虚拟化与网络交换；吴鸿飞[5]通过模型和算法扩展了Kubernetes，开发了一个轻量级的边缘计算平台。这些研究说明，边缘计算模型可以补充云计算在实时性、智能性和安全管控上的不足，降低数据传输带宽和中断敏感数据带宽的风险，通过处理更接近源头的数据解决时延问题，可被应用在云计算任务迁移、视频监控、智能家居、智慧城市、智能交通、协同边缘等领域，为物联网中连接的设备带来稳定。但是这些基于边缘计算的容器管理引擎只完善了某一部分的缺陷，如王健[4]的轻量级边缘计算平台虽然在轻量化领域有较大成效，但无法有效解决协议兼容以及数据安全问题；吴鸿飞[5]对Kubernetes的扩充虽然降低了应用服务的完成时间，但无法进行自动伸缩。边缘计算仍面临设备传输时的数据多样性、数据隐私保护、资源自动分配等问题。

2 边缘计算平台的分析与研究

2.1 边缘计算平台参考架构

边缘计算平台参考架构如表1所示：

表1 边缘计算平台参考架构

2.2 边缘计算网络基础设施

边缘计算网络基础设施具有更广的适应性和统一维护管理的接口特性。由于边缘计算机房的差异，且边缘业务存在着延时、带宽、GPU及AI的个性差异，为了适应机房的条件，同时降低成本、提高性能、优化资源的利用率。由于边缘节点数量众多，位置分散，所以安装和维护的难度很大。尽量减少现场工程师的操作维护，需要强大的管理运维能力保障，边缘服务器应提供状态采集、运行控制、管理接口，以实现远程自动化的管理[6]。随着云计算、网络技术、新技术及新业务的发展，逐渐形成中心加边缘站点两级拓扑结构，由于设备种类覆盖广，因此对边缘站点的建设和运维提出更高的要求，需要协调多厂商，实行多站点集中监控和统一运维方案。智能边缘一体机将计算、存储、网络、虚拟化和环境动力等产品有机集成在一起，利用快速部署工具，即可完成系统配置。

2.3 边缘计算与云计算协同

应用管理协同指的是云服务器按照客户需求对边缘节点提供的部署及多个应用的管理调度进行全过程的管理。服务协同主要是云端承担边缘节点的服务分布的服务工作。不同的场景下边云协同的能力与内涵有所不同。工业边云协同的实现涉及多种关键技术的组合应用，包括数据采集、实时数据分析、资源虚拟化等。

2.4 边缘计算安全保障

当前工业界已经开始认识到边缘安全的重要性和价值，并开展边缘安全的探索，首先边缘节点与云服务器之间信息交互安全考虑不足，传感器与边缘节点众多不安全协议，所以在进行网络构建和扩展时，应主要考虑通信的性能、消息的机密性、完整性、真实性等。然后由于边缘计算的基础设施在网络的边缘，缺少有效的备份、恢复、管理，很容易受到攻击导致修改或删除等造成数据丢失或损坏，直接影响工业生产和决策的过程，所以应加大边缘节点及云服务器的数据备份，边缘节点应提供有效机制恢复数据。在工业边缘计算、企业等场景下，应加大边缘节点及云中心的加密措施。

3 工业软件云化重构趋势

随着边缘计算产业快速增长，各类研究机构、企业在积极推进边缘计算的技术与应用发展，边缘计算安全国外很多工业软件巨头已经布局多年软件的云化和订阅模式，并取得了积极的成果，国内较早做 SaaS工业软件的新核云、黑湖智造等厂商业绩也呈翻倍式增长，同时低代码平台和中台的兴起，云化正在持续促进工业企业 IT 架构和产业变革[7]。但同时，国内云化软件厂商和产品仍远未形成主流，私有化仍然是国内工业软件应用的主要模式。

从长期看，工业软件的云化是个长期机遇，云化催生了中小企业为主要客户群的市场，带来了新的市场机会。目前中国厂商因为向云的转型整体比国外晚3～4年，因此成果还有待逐步显现。同时疫情常态化等也提升了企业对 SaaS 的接受程度。

短期看仍有一定的风险，尽管服务商的跟风探索和政府的补贴等促进了短期的繁荣，但是国内企业整体对云软件的接受程度不及国外，因此市场发展可能并没有想象中的快。

4 结束语

边缘计算网络作为基础设施中互联互通的基石，在采集数据，汇通及分析统计协同作业起着至关作用，基于网络和数据的智能化正深刻地影响着制造工业的组织模式，从提高劳动生产率、降低成本等方面，边缘计算网络的作用日益增大，所以对边缘计算平台的深入研究是十分必要的，需要企业、科研等相关部门积极参与。