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边缘计算体系架构与关键技术
  • 作者:李栋
  • 点击数:14735     发布时间:2018-05-08 17:49:00
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我们认为通过边缘计算可以通过“两扩展、一集中”来摆脱物联网困境。“两扩展”即扩展上下游、扩展横向关联;“一集中”即中间平台化集中。包括传感(输入)、执行(输出)、计算、网络、存储在内的资源池,通过边缘计算的开放平台实现跨域综合应用。
关键词:

作者:中国科学院沈阳自动化研究所 李栋

1 物联网产业发展缓慢

无线传感器网络(WSN)在2000年提出时,被认为是21世纪的革命性技术,但发展缓慢。这其中虽有技术原因,但并非主要因素,阻碍WSN发展的深层次原因有三个方面:

其一,技术分散化。以短距离通信技术为例,就有5大类,几十种技术之多,性能指标各异,很难出现一个能满足各种需求的统一化技术。

其二,产业碎片化。物联网终端的产品形态各异,种类成千上万。

其三,应用的个性化。如智能制造对于高可靠、低延迟、实时分析与控制的需求,智慧城市对于海量接入、大跨度时空尺度数据融合分析、多用户群体的需求,农业对于广覆盖、低成本、可追溯的需求,医疗对于大数据、知识库、实时推理分析的需求。

个性化应用的特性显著,带来的问题是我们针对某个应用需求所提供的技术和产品解决方案难以复制、难以应用推广,从而极大地阻止了产业推广,导致目前物联网在应用中,形成了随处可见的烟囱式格局,大量信息孤岛,做每个应用的时候都需要针对应用的定制化开发, 导致综合应用部署、开发周期长,难以复用,需求变化响应能力差。

2 迎接边缘计算

针对以上问题,我们认为通过边缘计算可以通过“两扩展、一集中”来摆脱物联网困境。“两扩展”即扩展上下游、扩展横向关联;“一集中”即中间平台化集中。包括传感(输入)、执行(输出)、计算、网络、存储在内的资源池,通过边缘计算的开放平台实现跨域综合应用。

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(1)扩展一:资源的虚拟化

针对产品、技术的碎片化,将异构的感知、传输、存储、计算资源,进行抽象描述,虚拟化成统一的资源环境,屏蔽底层细节,可以统一编程。

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(2)扩展二:关联的语义化

针对个性化应用,构建具有统一语义的信息空间。语义是数据的含义及相互关系,通过语义关联实现应用的可移植、可复用。

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(3)集中:管控的平台化

以OS的模式实现对资源与应用的统一管控,包括:感知、计算、存储、通信资源管理;语义模型的管理;应用编程环境;应用市场。

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从智能制造的角度来说,边缘计算是融合网络边缘侧的各种嵌入式终端(传感器、控制器、执行器)的计算、存储、网络通信能力,构建统一开放的网络化计算平台,支撑泛在化感知与控制应用。下面即以一具体的应用案例阐释边缘计算的价值。

油田对维护国家石油战略安全意义重大 ,我国油田开发普遍进入中后期阶段,面临着含水率高,注采优化周期长,能效低等问题,向智慧油田转型升级需求迫切。油田生产全流程覆盖勘探、钻井/测井/录井、生产作业、开发评价以及工程等环节。当前油田各环节分析的进行由人来驱动,并负责各环节信息的传递,基于科室的业务划分,形成烟囱式业务分析模式 ,导致当前油田优化周期较长,为半年至一年。

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本案例中对油田作业动态数据采用OPC-UA进行统一规范、静态数据采用语义映射模块(sM)来进行数据语义标注;对OPC-UA和sM信息进行逻辑抽象,形成原子逻辑节点;在虚拟资源池中提供基于业务的分组模板,以提升使用效率;对外提供统一操作接口。构建油田边缘优化平台,实现对油田跨域信息的综合分析。

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通过搭建边缘侧分析平台,缩短油水井工况调整周期为实时、基于油藏精细描述的注水优化策略为每周(对比传统每年)小规模试验表明,通过实时油藏管理,实现采油、注水、集输的实时协同优化,采收率提升2.3%,节能30%。

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3 边缘计算技术体系

边缘计算的技术体系如下图所示。

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从通信接入、网络传输、计算与管理、服务提供四个层次来看,TSN、5G/NB-IOT、无线共存、SDN、OPC-UA、虚拟化、资源语义化、大数据存储与管理认知计算及基于情景的服务混搭等技术成为边缘计算未来发展的关键技术。

(本文整理自李栋在“工业互联网边缘计算研讨会”上的报告)

摘自《自动化博览》2018年4月刊

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