邊緣計算用于大規(guī)模異構(gòu)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的云邊協(xié)同實時傳輸調(diào)度

（文章來源：網(wǎng)絡(luò)整理）

邊緣計算在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)就近提供邊緣智能服務(wù)，滿足在敏捷連接、實時業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等行業(yè)數(shù)字化方面的關(guān)鍵需求。其核心思想是任務(wù)遷移，即在接近應(yīng)用端的節(jié)點上完成計算，以滿足系統(tǒng)的實時性和安全性需求。邊緣計算是實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能化生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、個性化定制和服務(wù)化轉(zhuǎn)型等創(chuàng)新應(yīng)用的關(guān)鍵。

網(wǎng)絡(luò)是邊緣計算的重要基礎(chǔ)資源之一。無論是云端到邊緣端的任務(wù)遷移，還是云端與邊緣端之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，都需要依賴網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。因此，網(wǎng)絡(luò)決定邊緣計算系統(tǒng)的規(guī)模。限制邊緣計算系統(tǒng)的性能并影響邊緣計算系統(tǒng)的成本。

有線網(wǎng)絡(luò)具有高帶寬、高可靠性的優(yōu)點，適合作為數(shù)據(jù)匯集傳輸?shù)墓歉删W(wǎng)絡(luò)；無線網(wǎng)絡(luò)可以擺脫線纜束縛，組網(wǎng)方式動態(tài)且靈活，適合作為廣域、大規(guī)模的接入網(wǎng)。因此，建設(shè)大規(guī)模工業(yè)邊緣計算的首選是有線骨干網(wǎng)與無線接人網(wǎng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。通過采用OPC UA實現(xiàn)異構(gòu)互聯(lián)，并通過時間敏感網(wǎng)絡(luò)來滿足高實時性需求。以“ OPC UA+TSN”為主的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在一些智能化程度高的大型國際企業(yè)已經(jīng)得到成功應(yīng)用。但在工業(yè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中面臨的控制業(yè)務(wù)流、交互業(yè)務(wù)流、感知業(yè)務(wù)流混合調(diào)度問題，TSN雖然提供了以高速、分時為主要思想的解決實時傳輸?shù)臋C(jī)制，但是并不能完全解決混合業(yè)務(wù)流的問題，還需要結(jié)合調(diào)度理論去進(jìn)行深入研究。

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的反饋閉環(huán)控制流從傳感器到邊緣控制節(jié)點，最后到執(zhí)行器，在此閉環(huán)中的傳感器會生成周期性的數(shù)據(jù)包，在網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生大量實時感知的數(shù)據(jù)流業(yè)務(wù)；同時，網(wǎng)絡(luò)中運行著多個非常重要的控制流，每個控制流的關(guān)鍵性和優(yōu)先級也不同；在云端協(xié)同、管控一體化的工業(yè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，管理層面獲取的現(xiàn)場生產(chǎn)信息、下達(dá)的排產(chǎn)計劃和調(diào)度以交互流的形式在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。因此，在三種混合業(yè)務(wù)流同時存在的情況下，在大量的感知業(yè)務(wù)流和交互業(yè)務(wù)流的影響下，如何保證每個控制業(yè)務(wù)流的實時性、可靠性仍然能得到滿足，以此保證控制業(yè)務(wù)流控制性能的穩(wěn)定性和可預(yù)測性等要求是要解決的問題之一。

另一個問題是需要網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)地應(yīng)對工業(yè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)性。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中存在著諸多挑戰(zhàn)，首先，為達(dá)到類似工業(yè)4.0下智慧工廠的需求，工廠的設(shè)備等資源應(yīng)該具有適應(yīng)性的自組織/重構(gòu)的能力，以信息物理系統(tǒng)為基礎(chǔ)的智能制造系統(tǒng)是一個信息空間、客觀世界和人頻繁交互的三元系統(tǒng)，各種動態(tài)信息頻繁輸入并需要及時響應(yīng)，網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)也可能為滿足定制化生產(chǎn)而不時發(fā)生：其次，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部異常也會對整個網(wǎng)絡(luò)的可靠傳輸產(chǎn)生影響；最后，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模隨著企業(yè)新技術(shù)的應(yīng)用和產(chǎn)線升級在動態(tài)地不斷增大，如何自適應(yīng)地應(yīng)對工業(yè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)性，也是一個巨大的挑戰(zhàn)。

由于傳統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度以靜態(tài)為主，而這種靜態(tài)的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度難以應(yīng)對復(fù)雜的云邊協(xié)同工業(yè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)、突發(fā)事件的發(fā)生。另外，骨干網(wǎng)匯聚了數(shù)以百萬計的工業(yè)小數(shù)據(jù)，而相對來說，網(wǎng)絡(luò)交換芯片的資源卻極其有限。大量的感知數(shù)據(jù)流對相對少量的控制數(shù)據(jù)流的影響非常大，可能會導(dǎo)致關(guān)鍵控制數(shù)據(jù)流無法被實時地響應(yīng)。因此，大量小數(shù)據(jù)包對有限資源的競爭是難以協(xié)調(diào)的。最后，在有線網(wǎng)絡(luò)中，對資源（例如時間、交換機(jī)、線纜等的競爭發(fā)生在線纜和交換機(jī)隊列中：在無線網(wǎng)絡(luò)中，資源在鄰近鏈路間存在干擾。

這些導(dǎo)致了資源維度不同、傳輸策略不同、傳輸需求不同的云邊協(xié)同工業(yè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸難以協(xié)同。而通過采用OPC UA可以實現(xiàn)異構(gòu)互聯(lián)，并通過TSN來滿足高實時性需求。但是，以“ OPC UA+TSN為主的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)雖然較好地解決了網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)互聯(lián)的問題，TSN也提供了以高速、分時為主要思想的保證控制業(yè)務(wù)流實時傳輸?shù)臋C(jī)制，但是并不能完全解決混合業(yè)務(wù)流的問題，需要結(jié)合調(diào)度理論進(jìn)行更深入的研究。
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