边缘计算参考架构.docx

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边缘计算参考架构

边缘计算参考架构2.0

边缘计算产业联盟

工业互联网产业联盟

联合发布

2017年11月

一、迎接行业智能时代

（一）行业智能时代已来

全球已经掀起行业数字化转型的浪潮，数字化是基础，网络化是支撑，智能化是目标。

通过对人、物、环境、过程等对象进行数字化产生数据，通过网络化实现数据的价值流动，以数据为生产要素，通过智能化为各行业创造经济和社会价值。

智能化是以数据的智能分析为基础，从而实现智能决策和智能操作，并通过闭环实现业务流程的持续智能优化。

以大数据、机器学习、深度学习为代表的智能技术已经在语音识别、图像识别、用户画像等方面得到应用，在算法、模型、架构等方面取得了较大的进展。

智能技术已经率先在制造、电力、交通、医疗、农业等行业开始应用，对智能技术提出了新的需求与挑战。

行业智能时代已经来临。

行业智能分为1.0和2.0两个发展阶段：

1）行业智能1.0

行业智能1.0是面向市场线索、营销、采购、物流、售后等商业过程，将用户、应用和商业流程的行为和状态数字化，基于多维度数据分析和场景感知，建立行业的信息图谱，为行业用户提供个性化的资源配置和服务。

行业智能1.0的快速发展得到了ICT创新技术的支撑，包括：

●泛在网络联接使能数据的快速流动；

●云计算按需提供低成本的基础设施服务应对业务负载变化；

●大数据挖掘、分析和管理海量数据，提升企业的商业决策能力；

●算法+数据+算力，释放了行业智能的潜在价值。

2）行业智能2.0

面向产品规划、设计、制造、运营等生产过程，产品、生产装备、工艺流程等已经逐步数字化和网络化，行业智能2.0已经具备了基础条件。

这里所指的产品、装备具有广义的概念，既包括制造业所生产的产品和制造产线等，也包括能源、交通、农业、公共事业等行业提供服务时所依赖的资产，如电表、交通工具、农业机械、环境监测仪器等。

行业智能2.0需要达成如下目标：

●提升生产与服务过程敏捷性和协作性

●提升资源共享和减少能耗

●降低生产运行和运营不确定性

●与行业智能1.0协作，建立生产、销售和服务的端到端行业智能。

行业智能2.0时代需要行业发生四个关键转变：

●物理世界与数字世界从割裂转变为协作融合；

●运营决策从模糊的经验化转变为基于数字化、模型化的科学化；

●流程从割裂转变基于数据的全流程协同；

●从企业单边创新转变为基于产业生态的多边开放创新。

（二）行业智能2.0面临的挑战

从DIKW模型视角看，行业智能2.0面临了四大挑战：

●OT和ICT跨界协作挑战

OT（OperationTechnology）与ICT（InformationandCommunicationTechnology）关注重点不同，OT关注物理和商业约束、人身安全，ICT关注商业约束、信息安全；OT与ICT在行业语言、知识背景、文化背景存在较大差异，相互理解困难；OT技术体系碎片化、专用化与标准化、开放性的ICT技术体系集成协作存在挑战困难；OT与ICT的融合协作也将带来安全方面的挑战。

OT与ICT的跨界协作需要建立物理世界和数字世界的联接与融合。

●信息难以有效流动与集成

目前业界有超过6种以上的工业实时以太网技术，超过40种工业总线，缺少统一的信息与服务定义模型。

烟囱化的系统导致数据孤岛，使信息难以有效流动与交互。

信息有效流动与集成是支持数据创新、服务创新的基础，需要建立数据全生命周期管理。

●知识模型化是巨大挑战

知识模型（KnowledgeModel）主要解决知识的表示、组织与交互关系，知识的有序化以及知识处理模型，是将知识进行形式化和结构化的抽象。

知识模型不是知识，是知识的抽象，以便于计算机理解与处理。

知识模型输入存在信息不完整、不准确和不充分的挑战；知识模型处理的算法与建模还需持续改进与优化；知识模型输出的应用场景有限需要持续积累。

知识模型化是高效、低成本实现行业智能的关键要素。

●产业链变长，增加了端到端协作集成挑战

需要物理世界和数字世界的产业链的协作，需要产品全生命周期的数据集成，需要价值链上的各产业角色建立起协作生态。

这种多链条的协作与整合对数据端到端流动和全生命周期管理提出了更高的要求。

（三）边缘计算使能行业智能2.0

面向行业智能2.0的挑战，边缘计算需要提供四个关键能力：

1）建立物理世界和数字世界的联接与互动

通过数字孪生，在数字世界建立起对多样协议、海量设备和跨系统的物理资产的实时映像，了解事物或系统的状态，应对变化，改进操作和增加价值。

在过去十年里，网络、计算和存储领域作为ICT产业的三大支柱，在技术可行性和经济可行性发生了指数性提升。

网络领域变化：

带宽提升千倍，而成本下降40倍；

计算领域变化：

计算芯片的成本下降60倍；

存储领域变化：

单硬盘容量增长万倍，而成本下降17倍。

正是联接成本的下降、计算力的提升、海量的数据，使得数字孪生可以在行业智能2.0时代发挥重要作用。

2）模型驱动的智能分布式架构与平台

在网络边缘侧的智能分布式架构与平台上，通过知识模型驱动智能化能力，实现了物自主化和物协作。

智能分布式架构需要把智能分布到如下要素中：

智能资产：

通过融合网络、计算、存储等ICT能力，具有自主化和协作化能力。

智能网关：

通过网络联接、协议转换等功能联接物理和数字世界，提供轻量化的联接管理、实时数据分析及应用管理功能。

智能系统：

基于多个分布式智能网关或服务器的协同构成智能系统，提供弹性扩展的网络、计算、存储能力。

智能服务：

基于模型驱动的统一服务框架，面向系统运维人员、业务决策者、系统集成商、应用开发人员等多种角色，提供开发服务框架和部署运营服务框架。

3）提供开发与部署运营的服务框架

开发服务框架主要包括方案的开发、集成、验证和发布；部署运营服务框架主要包括方案的业务编排、应用部署和应用市场。

开发服务框架和部署运营服务框架需要紧密协同、无缝运作，支持方案快速高效开发、自动部署和集中运营。

4）边缘计算与云计算的协同

边缘侧需要支持多种网络接口、协议与拓扑，业务实时处理与确定性时延，数据处理与分析，分布式智能和安全与隐私保护。

云端难以满足上述要求，需要边缘计算与云计算在网络、业务、应用和智能方面进行协同。

（四）边缘计算产业化当前进展

2015年边缘计算进入到Gartner的HypeCycle（技术成熟曲线）。

边缘计算已经掀起产业化的热潮，各类产业组织、商业组织在积极发起和推进边缘计算的研究、标准、产业化活动。

具有代表性的活动包括：

●学术研究

2016年10月，由IEEE和ACM正式成立了IEEE/ACMSymposiumonEdgeComputing，组成了由学术界、产业界、政府（美国国家基金会）共同认可的学术论坛，对边缘计算的应用价值，研究方向开展了研究与讨论。

●标准化

2017年IEC发布了VEI（VerticalEdgeIntelligence）白皮书，介绍了边缘计算对于制造业等垂直行业的重要价值。

ISO/IECJTC1SC41成立了边缘计算研究小组，以推动边缘计算标准化工作。

●产业联盟

2016年11月华为技术有限公司、中国科学院沈阳自动化研究所、中国信息通信研究院、英特尔公司、ARM和软通动力信息技术（集团）有限公司联合倡议发起边缘计算产业联盟（EdgeComputingConsortium，缩写为ECC）。

全球性产业组织工业互联网联盟IIC在2017年成立EdgeComputingTG，也将定义边缘计算参考架构。

二、边缘计算

（一）边缘计算概念

边缘计算是在靠近物或数据源头的网络边缘侧，融合网络、计算、存储、应用核心能力的分布式开放平台，就近提供边缘智能服务，满足行业数字化在敏捷联接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求。

它可以作为联接物理和数字世界的桥梁，使能智能资产、智能网关、智能系统和智能服务。

（二）基本特点和属性

●联接性

联接性是边缘计算的基础。

所联接物理对象的多样性及应用场景的多样性，需要边缘计算具备丰富的联接功能，如各种网络接口、网络协议、网络拓扑、网络部署与配置、网络管理与维护。

联接性需要充分借鉴吸收网络领域先进研究成果，如TSN、SDN、NFV、NetworkasaService、WLAN、NB-IoT、5G等，同时还要考虑与现有各种工业总线的互联互通。

●数据第一入口

边缘计算作为物理世界到数字世界的桥梁，是数据的第一入口，拥有大量、实时、完整的数据，可基于数据全生命周期进行管理与价值创造，将更好的支撑预测性维护、资产效率与管理等创新应用；同时，作为数据第一入口，边缘计算也面临数据实时性、确定性、多样性等挑战。

●约束性

边缘计算产品需适配工业现场相对恶劣的工作条件与运行环境，如防电磁、防尘、防爆、抗振动、抗电流/电压波动等。

在工业互联场景下，对边缘计算设备的功耗、成本、空间也有较高的要求。

边缘计算产品需要考虑通过软硬件集成与优化，以适配各种条件约束，支撑行业数字化多样性场景。

●分布性

边缘计算实际部署天然具备分布式特征。

这要求边缘计算支持分布式计算与存储、实现分布式资源的动态调度与统一管理、支撑分布式智能、具备分布式安全等能力。

●融合性

OT与ICT的融合是行业数字化转型的重要基础。

边缘计算作为“OICT”融合与协同的关键承载，需要支持在联接、数据、管理、控制、应用、安全等方面的协同。

（三）边缘计算CROSS价值

●联接的海量与异构（Connection）

网络是系统互联与数据聚合传输的基石。

伴随联接设备数量的剧增，网络运维管理、灵活扩展和可靠性保障面临巨大挑战。

同时，工业现场长期以来存在大量异构的总线联接，多种制式的工业以太网并存，如何兼容多种联接并且确保联接的实时可靠是必须要解决的现实问题。

●业务的实时性（Real-time）

工业系统检测、控制、执行的实时性高，部分场景实时性要求在10ms以内。

如果数据分析和控制逻辑全部在云端实现，难以满足业务的实时性要求。

●数据的优化（Optimization）

当前工业现场存在大量的多样化异构数据，需要通过数据优化实现数据的聚合、数据的统一呈现与开放，以灵活高效地服务于边缘应用的智能。

●应用的智能性（Smart）

业务流程优化、运维自动化与业务创新驱动应用走向智能，边缘侧智能能够带来显著的效率与成本优势。

以预测性维护为代表的智能化应用场景正推动行业向新的服务模式与商业模式转型。

●安全与隐私保护（Security）

安全跨越云计算和边缘计算之间的纵深，需要实施端到端防护。

网络边缘侧由于更贴近万物互联的设备，访问控制与威胁防护的广度和难度因此大幅提升。

边缘侧安全主要包含设备安全、网络安全、数据安全与应用安全。

此外，关键数据的完整性、保密性，大量生产或人身隐私数据的保护也是安全领域需要重点关注的内容。

（四）边缘计算与云计算协同

云计算适用于非实时、长周期数据、业务决策场景，而边缘计算在实时性、短周期数据、本地决策等场景方面有不可替代的作用。

边缘计算与云计算是行业数字化转型的两大重要支撑，两者在网络、业务、应用、智能等方面的协同将有助于支撑行业数字化转型更广泛的场景与更大的价值创造。

三、边缘计算参考架构

（一）模型驱动的参考架构

参考架构基于模型驱动的工程方法（Model-DrivenEngineeringMDE）进行设计。

基于模型可以将物理和数字世界的知识模型化，从而实现：

●物理世界和数字世界的协作

对物理世界建立实时、系统的认知模型。

在数字世界预测物理世界的状态、仿真物理世界的运行、简化物理世界的重构，然后驱动物理世界优化运行。

能够将物理世界的