——工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算——模塊1邊緣計算項目背景及需求分析目錄CONTENTS項目背景分析任務(wù)1.1項目需求分析任務(wù)1.2企業(yè)項目技術(shù)選擇任務(wù)1.3邊緣計算項目總體系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計任務(wù)1.4邊緣計算項目實施步驟任務(wù)1.5章節(jié)簡介

本模塊通過對“機器視覺檢測項目”的需求和背景進行分析，確定其實現(xiàn)的技術(shù)手段，提出了邊緣計算的背景、概念和關(guān)鍵技術(shù)，重點選擇和設(shè)計了針對本項目所采用的邊緣計算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并詳細描述了設(shè)計、實現(xiàn)該項目所采用的項目實施步驟，為后續(xù)項目的具體實施奠定基礎(chǔ)。學習目標1．知識目標（1）理解邊緣計算的應(yīng)用背景；（2）掌握邊緣計算的概念；（3）理解邊緣計算的優(yōu)勢和應(yīng)用；（4）重點掌握邊緣計算的項目架構(gòu)和項目實施步驟。2．技能目標（1）具備理解企業(yè)項目背景，合理進行項目需求分析的能力；（2）具備選擇和規(guī)劃項目架構(gòu)的能力；（3）具體合理設(shè)計、實現(xiàn)項目實施步驟的能力。3．素質(zhì)目標（1）具有良好的科技文獻信息檢索和技術(shù)文檔閱讀的能力；（2）具有整合和綜合運用知識分析問題和解決問題的能力；（3）具有較強的集體意識和團隊合作的能力；（4）具有觸類旁通、舉一反三的能力。學習導(dǎo)圖任務(wù)1.1項目背景分析1.1.1智慧生產(chǎn)是制造強國戰(zhàn)略的關(guān)鍵一環(huán)

我國制造業(yè)面臨著全面轉(zhuǎn)型升級、全面創(chuàng)新發(fā)展、高質(zhì)量發(fā)展的迫切需求，為此我國提出制造強國戰(zhàn)略。第一階段，到2025年，中國邁入世界制造強國行列；第二階段，到2035年，我國制造業(yè)整體達到世界制造強國陣營中等水平；第三階段，新中國成立一百年時，中國制造業(yè)又大又強，綜合實力進入世界制造強國前列。圖1-2我國提出的制造強國戰(zhàn)略1.1.1智慧生產(chǎn)是制造強國戰(zhàn)略的關(guān)鍵一環(huán)

我國發(fā)展成為制造強國尤其要加快發(fā)展智能制造，推動制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展步伐，實施制造企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造是基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在制造業(yè)中廣泛應(yīng)用而形成，其本質(zhì)是“互聯(lián)網(wǎng)+數(shù)字化制造”。一方面，將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計、制造、管理等過程來推動企業(yè)信息化轉(zhuǎn)型。優(yōu)化生產(chǎn)流程、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、降低制造成本、強化產(chǎn)品質(zhì)量控制、提高企業(yè)勞動生產(chǎn)率。另一方面，布局建設(shè)全球互聯(lián)的供應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)裝備、物料、人員的信息連接，進而形成產(chǎn)業(yè)鏈維度上的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺方案；橫向拓展多個行業(yè)，形成跨行業(yè)、跨領(lǐng)域的通用型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。1.1.2企業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化轉(zhuǎn)型背景2.大型企業(yè)對于數(shù)字化轉(zhuǎn)型的背景

大型企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型應(yīng)該要以智慧工廠為實踐點來解決定制化需求與規(guī)模化發(fā)展之間的矛盾，引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展，加速生產(chǎn)向全面自動化和數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化邁進。大型企業(yè)需要將所有生產(chǎn)要素（人、機、料、法、環(huán)、測）整合在一起，引入工業(yè)物聯(lián)、大數(shù)據(jù)、邊緣計算及人工智能等新一代信息技術(shù)轉(zhuǎn)型大規(guī)模定制與個性化生產(chǎn)方式。應(yīng)用數(shù)字技術(shù)打通產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈，發(fā)展基于平臺開展采購、制造等應(yīng)用；以此來實現(xiàn)從自身到賦能，從自身變革到區(qū)域產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展，通過構(gòu)建共贏生態(tài)，在踐行可持續(xù)發(fā)展和雙碳的使命同時，帶動產(chǎn)業(yè)升級。1.1.2企業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化轉(zhuǎn)型背景1.中小型企業(yè)對于數(shù)字化轉(zhuǎn)型的背景

中小企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型按照“數(shù)字化-數(shù)智化-數(shù)治化”三個階段。（1）數(shù)字化把中小企業(yè)經(jīng)營管理過程中產(chǎn)生的所有信息轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，建立企業(yè)的數(shù)字倉庫來統(tǒng)一儲存和集中管理。（2）數(shù)智化對中小企業(yè)統(tǒng)一儲存的數(shù)字與人工智能有機地結(jié)合起來，并通過對數(shù)據(jù)的整理、挖掘和分析，形成對企業(yè)經(jīng)營管理有用的信息。（3）數(shù)治化中小企業(yè)到了數(shù)治化階段，必須對企業(yè)業(yè)務(wù)進行系統(tǒng)、徹底的重新定義，實施業(yè)務(wù)模式、組織活動、流程管理和員工能力的再造。任務(wù)1.2項目需求分析現(xiàn)階段家用電器檢測的主要方法分為兩類：儀器測量和直接檢測。儀器測量是指對電流，功率，電磁兼容性（ElectromagneticMagneticCompatibility，EMC）等可量化的指標通過特定的檢測儀器進行測量。直接檢測主要是指通過人工主觀判斷家電設(shè)備的外觀、銘牌、使用的標志、說明書、螺釘有無等項目進行針對性檢測。1．機器視覺產(chǎn)品檢測項目的優(yōu)勢機器視覺是人工智能正在快速發(fā)展的一個分支。簡單說來，機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。通過機器視覺產(chǎn)品（即圖像攝取裝置）將被攝取目標轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，得到被攝目標的形態(tài)信息，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號。圖像系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。2．機器視覺檢測項目的改造需求（1）對工廠進行網(wǎng)絡(luò)升級，要求，所有工控機都可以聯(lián)網(wǎng)，工控機檢測的結(jié)果數(shù)據(jù)進行及時保存，充分有效的利用和共享。（2）提高工控機與終端設(shè)備（攝像頭）的網(wǎng)絡(luò)連接的傳輸速率，提高檢測速度。（3）原有檢測算法保存在本地，易破解，希望提高算法的安全性和可靠性。（4）隨著新產(chǎn)品的生產(chǎn)，對檢測要求也不斷的提高，希望檢測結(jié)果更精準、效率更高效。2．機器視覺檢測項目的改造需求（5）企業(yè)希望減低日益高昂的數(shù)據(jù)中心管理成本，使資源的利用率較之傳統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)大幅提升，提高系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用的性價比，同時縮短了業(yè)務(wù)擴展的時間成本。（6）當產(chǎn)品線擴充時，希望根據(jù)業(yè)務(wù)處理的需求可以快速擴展業(yè)務(wù)規(guī)模和業(yè)務(wù)范圍。（7）該企業(yè)屬于大型企業(yè)，對企業(yè)的內(nèi)部資源和內(nèi)部數(shù)據(jù)安全性要求較高。

根據(jù)企業(yè)以上需求，對該工廠進行傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的升級改造，滿足現(xiàn)場檢測高效、精準；企業(yè)資源和數(shù)據(jù)有效利用、共享、安全；企業(yè)低成本管理，易于擴展等需求。任務(wù)1.3企業(yè)項目技術(shù)選擇1.3.1云計算

云計算是分布式計算（DistributedComputing）、并行計算（ParallelComputing）、效用計算（UtilityComputing）、網(wǎng)絡(luò)存儲（NetworkStorageTechnologies）、虛擬化（Virtualization）、負載均衡（LoadBalance）、熱備份冗余（HighAvailable）等技術(shù)發(fā)展融合的產(chǎn)物，通過網(wǎng)絡(luò)將大量分布式計算資源集中管理起來，實現(xiàn)并行計算，并通過虛擬化技術(shù)形成資源池，為用戶提供計算資源按需、彈性分配，極大地提高了IT資源的效能。1.云計算的產(chǎn)生和特點1.云計算的產(chǎn)生和特點（1）超大規(guī)模系統(tǒng)架構(gòu)（2）虛擬化資源管理（3）高可靠性和高可用性（4）通用性（5）高可擴展性與負載均衡（6）高性價比（7）更多的數(shù)據(jù)安全問題2.云計算的部署模式云計算部署模式分為，公有云、私有云和混合云。1.3.2從云計算到邊緣技術(shù)

對于機器視覺檢測項目來說，在工廠監(jiān)控端捕捉到了工廠現(xiàn)場的視頻或者產(chǎn)品的圖像后，可以將其傳到邊緣站點上，對視頻進行圖像提取、分割圖像、區(qū)域處理以及特征提取等操作。如果不是上傳到邊緣站點來處理，那么視頻需要被傳到遠程數(shù)據(jù)中心，做視頻處理和圖像識別，而且隨著時間的推移，需要傳送的數(shù)據(jù)越來越多，對網(wǎng)絡(luò)帶寬和應(yīng)用實時性而言是很大的挑戰(zhàn)。如果數(shù)據(jù)能在本地邊緣站點被處理，那么就節(jié)省了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間，節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)帶寬。1.邊緣技術(shù)的概念

邊緣計算是一種計算模式，在該計算模式下，服務(wù)與計算資源被放置在靠近終端用戶的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中。1.邊緣技術(shù)的概念

邊緣計算是指數(shù)據(jù)或任務(wù)能夠在靠近數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)進行計算和執(zhí)行計算的一種新型服務(wù)模型，允許在網(wǎng)絡(luò)邊緣存儲和處理數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)源端提供智能服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)可以理解為從數(shù)據(jù)源到云計算中心之間的任意功能實體，這些實體搭載著融合網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲、應(yīng)用核心能力的邊緣計算平臺。2.邊緣技術(shù)的優(yōu)勢（1）數(shù)據(jù)過濾和壓縮。通過邊緣計算節(jié)點的本地分析能力，可以大大降低需要上傳的數(shù)據(jù)量，從而降低上傳網(wǎng)絡(luò)的帶寬壓力。（2）環(huán)境感知能力。（3）符合法規(guī)。邊緣計算節(jié)點可以將敏感信息在邊緣側(cè)處理并終結(jié)，而不傳輸?shù)焦性浦校瑥亩想[私和數(shù)據(jù)定位信息等相關(guān)法律法規(guī)。（4）網(wǎng)絡(luò)安全性。可以通過邊緣計算節(jié)點來保護云服務(wù)提供商的網(wǎng)絡(luò)不受攻擊。3.邊緣技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)（1）計算卸載

計算卸載是邊緣計算的一個關(guān)鍵技術(shù)，可以為資源受限設(shè)備運行計算密集型應(yīng)用時提供計算資源，加快計算速度，節(jié)省能源。更詳細地說，邊緣計算中的計算卸載是將移動終端的計算任務(wù)卸載到邊緣云服務(wù)器上，進行更有效地資源存儲和運行計算。3.邊緣技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)（2）計算遷移計算遷移是指，在網(wǎng)絡(luò)邊緣處，對海量邊緣設(shè)備采集或產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行部分或全部計算的預(yù)處理操作，對無用的數(shù)據(jù)進行過濾，從而降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捫枨蟆?.邊緣技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)（3）邊緣緩存

邊緣緩存一般包括兩個步驟，內(nèi)容的放置和傳遞，內(nèi)容放置包括確定緩存的內(nèi)容，緩存的位置以及如何將內(nèi)容下載到緩存節(jié)點；內(nèi)容的傳遞指的是如何將內(nèi)容傳遞給請求的用戶。

邊緣緩存能使用戶從小基站或其他設(shè)備處獲得請求的內(nèi)容，實現(xiàn)了內(nèi)容可在本地使用，而不需要通過移動核心網(wǎng)和有線網(wǎng)絡(luò)從內(nèi)容服務(wù)提供商獲取內(nèi)容。從而減少無線需求容量和可用容量之間的不均衡，緩解了5G網(wǎng)絡(luò)的回傳瓶頸，提高時延保障，降低網(wǎng)絡(luò)能耗。3.邊緣技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)（4）安全保護

邊緣計算將云數(shù)據(jù)中心的計算能力下沉到了網(wǎng)絡(luò)邊緣，一方面，邊緣計算基礎(chǔ)設(shè)施通常部署在無線基站等網(wǎng)絡(luò)邊緣，使其更容易暴露在不安全的環(huán)境中；另一方面，邊緣計算將采用開放應(yīng)用編程接口（ApplicationProgrammingInterface，API）、開放的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NetworkFunctionVirtualization，NFV）等技術(shù)，開放性的引入容易將邊緣計算暴露給外部攻擊者。3.邊緣技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)（4）安全保護身份認證通信安全協(xié)議入侵檢測數(shù)據(jù)加密虛擬機隔離任務(wù)1.4邊緣計算項目總體系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計1.4.1邊緣計算項目系統(tǒng)評價標準及設(shè)計要求1.項目系統(tǒng)評價標準（1）面向終端用戶：服務(wù)質(zhì)量和體驗質(zhì)量

服務(wù)質(zhì)量（QualityofService，QoS)與體驗質(zhì)量（QualityofExperience，QoE）是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)領(lǐng)域的經(jīng)典評價方法，其要求直接影響了邊緣計算架構(gòu)設(shè)計的結(jié)果。

各類終端設(shè)備與系統(tǒng)對邊緣計算在服務(wù)質(zhì)量與體驗質(zhì)量方面的要求，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：高可用、低延遲、高可靠。1.4.1邊緣計算項目系統(tǒng)評價標準及設(shè)計要求（2）面向服務(wù)提供者：服務(wù)管理（3）面向應(yīng)用開發(fā)者：邊緣底層透明1.4.1邊緣計算項目系統(tǒng)評價標準及設(shè)計要求2.邊緣計算架構(gòu)設(shè)計面臨的獨特挑戰(zhàn)（1）多樣化、定制化的場景（2）終端用戶的移動性（3）基礎(chǔ)設(shè)施的資源受限和不確定性（4）邊緣服務(wù)多樣、海量、異構(gòu)1.4.2邊緣計算項目總體系統(tǒng)架構(gòu)邊緣計算主要涉及三個實體：終端設(shè)備、邊緣設(shè)備和云中心。所謂邊緣計算系統(tǒng)架構(gòu)，就是指這三個實體是通過怎樣的軟硬件方式有效組織起來協(xié)同運轉(zhuǎn)的，包括硬件系統(tǒng)架構(gòu)和軟件系統(tǒng)架構(gòu)。硬件系統(tǒng)架構(gòu)是指上述三個實體的層次架構(gòu)以及邊緣網(wǎng)絡(luò)的組織形式，而軟件系統(tǒng)架構(gòu)則是指在整個邊緣計算生態(tài)中其信息流的運行和管理方式。1.4.2邊緣計算項目總體系統(tǒng)架構(gòu)1.兩類邊緣：主干網(wǎng)邊緣和泛在邊緣

主干網(wǎng)邊緣設(shè)備通常可管可控，資源相對充沛，如移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基站等。而泛在邊緣設(shè)備如筆記本電腦、智能手機等，不論是資源的可用性還是使用的穩(wěn)定性，都有較強的不確定性。

邊緣計算系統(tǒng)架構(gòu)中云-邊-端架構(gòu)、邊-端架構(gòu)、多接入邊緣計算（Multi-AcessEdgeComputing，MEC）架構(gòu)中的邊緣服務(wù)器屬于主干網(wǎng)邊緣，分布式D2D架構(gòu)是典型的泛在邊緣。1.4.2邊緣計算項目總體系統(tǒng)架構(gòu)2.云-邊-端系統(tǒng)架構(gòu)

云-邊-端架構(gòu)包含云中心層、邊緣層以及終端層，即云、邊、端協(xié)同，其包括兩層含義：云、邊協(xié)同和云、邊、端協(xié)同，如圖1-15所示。云、邊協(xié)同：云作為控制平面，邊作為計算平臺。云、邊、端協(xié)同：在云、邊協(xié)同的基礎(chǔ)上，管理終端設(shè)備的服務(wù)作為邊上的負載。云可以通過控制邊來影響端，從而實現(xiàn)云、邊、端協(xié)同。在云-邊-端架構(gòu)中，邊緣作為云中心的有益補充，主要用于處理以下幾類計算任務(wù)：1.延遲要求極低，云中心無法滿足要求的計算任務(wù)。2.數(shù)據(jù)量巨大，任務(wù)數(shù)據(jù)向云中心傳輸會給網(wǎng)絡(luò)帶來巨大帶寬壓力的計算任務(wù)。3.計算請求頻繁、計算量巨大，匯聚到云中心有可能造成癱瘓的計算任務(wù)。4.隱私要求高，數(shù)據(jù)無法向云中心傳輸?shù)挠嬎闳蝿?wù)。3.邊-端系統(tǒng)架構(gòu)

在邊-端系統(tǒng)架構(gòu)中，僅有邊緣服務(wù)器組成的網(wǎng)絡(luò)（簡稱邊緣網(wǎng)絡(luò)）和終端設(shè)備。邊緣網(wǎng)絡(luò)中各個服務(wù)器即是接入節(jié)點又是運算節(jié)點，接收來自終端設(shè)備的計算請求和任務(wù)卸載并處理。4.多接入邊緣計算多接入：多種網(wǎng)絡(luò)接入模式，如LTE、無線Wi-Fi、有線、ZigBee、LoRa、NB-IoT等各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景。邊緣：網(wǎng)絡(luò)功能和應(yīng)用部署在網(wǎng)絡(luò)的邊緣側(cè)，盡可能靠近最終用戶，降低傳輸延遲。計算：聯(lián)合云計算，充分利用計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)等有限資源。5.分布式D2D架構(gòu)（泛在邊緣架構(gòu)）D2D（Device-for-Device）邊緣計算，是指邊緣設(shè)備通過D2D的方式，相互成為其他設(shè)備的邊緣計算設(shè)備。每個設(shè)備均可以將計算卸載到其他設(shè)備上，同時也可以承接來自其他設(shè)備的計算請求。任務(wù)1.5邊緣計算項目實施步驟

邊緣計算項目實施包括部署端側(cè)感知設(shè)備、部署邊緣服務(wù)器、部署云端服務(wù)器、部署系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸、系統(tǒng)整體測試運行等步驟。邊緣計算項目實施步驟1．部署端側(cè)感知設(shè)備

在“云-邊-端”網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的端側(cè)，根據(jù)項目需求部署端側(cè)感知設(shè)備，通過感知設(shè)備對測試方進行數(shù)據(jù)采集、處理、識別。因此，首先需要對邊緣計算端側(cè)的感知設(shè)備硬件進行選型、