邊緣計算電路方案設計

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)：不僅是云計算

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）通常與大數(shù)據(jù)和云相關(guān)聯(lián)，收集來自分布廣泛的海量傳感器數(shù)據(jù)，將信息轉(zhuǎn)化為洞察力。在某些工業(yè)流程中，獲取洞察力所需的時間至關(guān)重要，而在將數(shù)據(jù)發(fā)送到云并收到響應的過程中，可能出現(xiàn)過度的延遲。在其他情況下，數(shù)據(jù)安全性可能受到威脅，或者無法快速可靠地連接到互聯(lián)網(wǎng)。為了克服這些挑戰(zhàn)，邊緣計算可為云的大數(shù)據(jù)處理功能提供補充。它能夠執(zhí)行需要瞬時響應的計算密集型任務，并對數(shù)據(jù)進行存儲和篩選，以便在適當時傳輸至云。邊緣計算可包含諸多要素，例如簡單數(shù)據(jù)篩選、事件處理甚至機器學習，并可在任何連接的設備上運行，從小型嵌入式計算機或PLC到工業(yè)PC或本地微型數(shù)據(jù)中心。關(guān)鍵要求是必須與在同一平臺上運行的其他流程分開，并且只占用少量資源。

最大程度地發(fā)掘數(shù)據(jù)的價值

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的主要價值在于它能夠整合來自多個來源的數(shù)據(jù)，幫助企業(yè)總攬全局：如何改進流程、優(yōu)化維護活動、減少浪費和能耗以及消除不必要的成本。以云為中心的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)視圖可提供不同的數(shù)據(jù)流，這些數(shù)據(jù)流使用重量級軟件應用程序，在遠程數(shù)據(jù)中心進行組合和分析。

這種模式假定了幾個前提條件：可隨時使用可靠的互聯(lián)網(wǎng)連接；有足夠的帶寬來處理推送至云的數(shù)據(jù)；延遲–即生成數(shù)據(jù)與收到云分析結(jié)果之間的時間–是可接受的。但是，其中任何一個關(guān)鍵條件都可能無法滿足。遠程站點可能依賴于蜂窩網(wǎng)絡來提供互聯(lián)網(wǎng)連接，但蜂窩網(wǎng)絡覆蓋可能不完全或不可靠。大量傳感器可能生成大容量數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆频某杀痉浅８甙?，特別是在包括高清圖像或視頻的情況下。出于安全原因，或者為了保持高效運營，可能需要實時進行復雜決策。另一方面，對于某些公司而言，數(shù)據(jù)安全也可能是一大問題，他們可能不希望通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至云，從而暴露敏感信息。

在上述任何一種情況下，將從流程或設備采集的原始數(shù)據(jù)傳輸至云可能都是不切實際的。但是，我們需要在單個機器或流程控制邏輯級別之上的某些智能和決策功能，以幫助企業(yè)確定最佳行動方案。這正是邊緣計算的角色。

邊緣計算提供性能提升

作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的一部分，邊緣計算變得日益重要。在靠近設備或流程的位置部署第一層計算能力，可以實現(xiàn)智能或協(xié)調(diào)的事件響應，并有助于降低云的數(shù)據(jù)處理負擔。在包含數(shù)十個、數(shù)百個甚至數(shù)千個傳感器的系統(tǒng)中，來自這些傳感器的很多數(shù)據(jù)可能沒有太多價值，只是報告“正常”工作狀況。智能網(wǎng)關(guān)可以對這些數(shù)據(jù)進行篩選、丟棄或更高效地對其進行重新組合，以便傳輸至云進行存儲和分析。當發(fā)生值得關(guān)注的事件時，智能節(jié)點可以快速確定正確的響應，向互聯(lián)設備發(fā)出適當?shù)闹噶?，并在適合云使用的報告中總結(jié)該事件。與針對來自少量傳感器的信號的高度局部化響應不同，邊緣計算能夠采取更加協(xié)調(diào)的行動，評估來自更多數(shù)量的傳感器的數(shù)據(jù)，在更高的級別上進行決策。以采礦應用為例，我們假定檢測到鉆機平臺的過度振動。對于從振動傳感器收到的錯誤信號，標準的響應可能是停止鉆進，從而導致生產(chǎn)損失，而且還產(chǎn)生意外停機時間，用于檢查和修理設備。憑借更出色的計算能力、更大數(shù)量的傳感器輸入和存儲歷史數(shù)據(jù)，更強大的邊緣計算設備能夠評估振動對整個系統(tǒng)的影響，確定幾種可能的響應，計算其后果，并采取最佳的行動方案，或者告知操作人員最佳選擇。

邊緣計算設備具有板載數(shù)據(jù)聚合和處理能力，而簡單的傳感器/報警組合不具備它的全局視角，邊緣處理引擎能夠處理從所有互聯(lián)傳感器接收的數(shù)據(jù)，并基于預先確定的優(yōu)先級做出最佳決策。在生產(chǎn)情況下，經(jīng)過產(chǎn)品測試或檢測后，發(fā)現(xiàn)裝配線末端的故障率突然增加，這可能導致需要暫停生產(chǎn)以調(diào)查起因。連接到所有機器的智能邊緣設備可在裝配線上的所有設備之間協(xié)調(diào)此類響應行動。或者，它可以通過分析來自多臺機器的感測數(shù)據(jù)確定變化的原因，并且自動應用修復，或者指導操作人員修正錯誤，讓生產(chǎn)能夠快速高效地重新啟動。

此外，邊緣計算能夠支持預測性維護，將感測的測量結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)或預設閾值進行比較，以計算更換設備的最佳時間，以此協(xié)助實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。在互聯(lián)網(wǎng)訪問不可靠、網(wǎng)絡覆蓋不佳的某些地理區(qū)域，它也可以實現(xiàn)對部署在這些地區(qū)的設備的智能管理。如果網(wǎng)關(guān)設備暫時無法連接至云，可將數(shù)據(jù)存儲在本地存儲器中，直至能夠重新建立連接。然后，設備可自動與云重新同步，確保遠程應用能夠始終訪問完整的最新信息。

另一方面，通過邊緣設備中的更多智能，還可以增強能效管理，即利用感測的數(shù)據(jù)，根據(jù)高級別能源管理策略來調(diào)節(jié)和優(yōu)化設置。

實施：硬件與軟件

邊緣處理的原則是讓分析智能的位置盡可能靠近互聯(lián)設備。對于邊緣計算及其與云的關(guān)系，人們正在制定相關(guān)規(guī)范，因此定義和架構(gòu)仍然不太確定。由于用戶可能沒有部署專用邊緣服務器的物理空間或資源，因此智能可能需要嵌入現(xiàn)有基礎設施中，例如網(wǎng)關(guān)、PLC、工業(yè)PC，或者位于工廠端的連接至云的其他各種設備（圖1）。

實質(zhì)上，邊緣計算存在于單個機器控制系統(tǒng)的級別之上，在本地運行，以輔助在云中托管的重量級應用的工作。邊緣應用可以執(zhí)行簡單的任務，例如接入和存儲來自多個渠道的數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行篩選，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至云。更復雜的可視化將分析甚至機器學習也納入邊緣計算范圍，以實時生成智能響應。實現(xiàn)這種高級構(gòu)想所需的基本組件包括數(shù)據(jù)接入、事件處理引擎、互聯(lián)設備管理、用戶應用以及數(shù)據(jù)向云的安全傳輸（圖2）。

從基本原理構(gòu)建完整的智能邊緣處理平臺是一個巨大的挑戰(zhàn)。一種替代方法是使用硬件獨立的軟件框架，以提供基本構(gòu)建模塊，例如事件處理引擎、設備管理，以及使用多種協(xié)議（例如MQTT輕量級消息傳輸協(xié)議或安全HTTPS）的安全流式傳輸。很多此類框架正在應用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，例如GE的Predix、Cisco的IOx以及FogHornSystems的照明平臺。除了功能組件之外，這些框架還提供各種軟件開發(fā)套件（SDK）來允許用戶運行自己的自定義應用，并提供開發(fā)環(huán)境來幫助配置系統(tǒng)和定義分析功能。這些框架還提供管理邊緣設備的工具，包括監(jiān)控、控制和診斷。

節(jié)省資源的輕型單板計算機，例如樹莓派Foundation提供的樹莓派3，可為此類設備奠定基礎。實際上，GE已經(jīng)演示了面向在此類平臺上運行的邊緣設備的PredixMachine軟件。另一方面，能夠在網(wǎng)關(guān)設備或自動化系統(tǒng)中使用更強大工業(yè)PC的工程師可以充分利用額外的資源和計算性能來執(zhí)行更復雜的應用。采用PC/104等成熟外形尺寸的模塊現(xiàn)在可以提供臺式機級別的性能，例如VersaLogicLiger板，它采用可選的Inteli3、i5或i7（KabyLake）雙核處理器，在最高2.8GHz的頻率下運行。這些板極其堅固耐用，具有MIL-STD標準級別的耐沖擊和耐振動性能，能夠在部署于惡劣環(huán)境中的設備上使用。這些板具有多達八個本地數(shù)字I/O通道、用于進一步擴展的MiniPCIe端口和高速SATA存儲接口，能夠執(zhí)行復雜的自動化任務，并可處理邊緣處理工作負載。千兆以太網(wǎng)接口便于其通過企業(yè)網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng)和云。此外，該板還包含信任平臺模塊（TPM），該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)硬件加密加速，并提供安全的密鑰存儲，因而非常適用于需要很高黑客攻擊防御能力的自主設備。

軟件容器

要在與自動化控制器或PLC相同的硬件上運行邊緣計算引擎和應用，這些引擎和應用必須與其他軟件隔離運行。使用容器已經(jīng)成為一種流行的方法，這種方法可提供與虛擬機類似的隔離，但更適合資源受限的設備。容器鏡像包括了軟件運行需要的全部資源。但與虛擬機不同，容器對操作系統(tǒng)而不是硬件實現(xiàn)虛擬化，從而產(chǎn)生更輕便的解決方案。還可將容器與虛擬機結(jié)合使用，以便更加靈活地部署和管理應用。

Docker框架被物聯(lián)網(wǎng)解決方案開發(fā)人員廣泛用于實施容器（圖3），它已將代碼捐獻給支持容器生態(tài)系統(tǒng)開發(fā)的開放容器計劃（OCI）。要創(chuàng)建邊緣計算解決方案，可使用C/C++或Java開發(fā)基于Docker的Linux應用程序，以捕捉所需的數(shù)據(jù)，并通過選定軟件平臺中提供的SDK，以集成分析引擎等邊緣處理資源。

合適的軟件平臺還提供便利的儀表盤，用于管理互聯(lián)邊緣設備，讓開發(fā)人員能夠?qū)Ｗ⒂谧远x他們的應用，以捕捉他們需要的數(shù)據(jù)，并對檢測到的事件做出響應。隨著軟件開發(fā)平臺和交鑰匙邊緣計算設備進入市場，邊緣計算已成為新產(chǎn)品開發(fā)的主題。

邊緣計算是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的附屬品，可隨時與云結(jié)合使用，為運營商和企業(yè)管理者提供靈活性，讓他們在適當時獲得需要的洞察力。據(jù)GE估計，傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)僅使用3%的機器數(shù)據(jù)來產(chǎn)生有意義的結(jié)果。如果將邊緣計算和云計算結(jié)合使用，可以增強實時自動化并為長期決策提供指導，從而釋放剩余97%數(shù)據(jù)的更多價值。

總結(jié)

人們經(jīng)常把工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)想象為小型智能設備的組合，這種組合將比較有限的資源連接至具有強大計算能力的云。隨著更多企業(yè)在更多情況下需要依賴工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，一種更加先進的架構(gòu)在不斷演進，該架構(gòu)在網(wǎng)絡邊緣提供智能，為云的能力提供補充?，F(xiàn)在進入市場的軟件解決方案讓企業(yè)能夠充分利用網(wǎng)關(guān)和傳統(tǒng)工業(yè)計算平臺，來實時響應緊急事件、保持安全性以及高效利用連接和帶寬。