边缘计算在智慧制造领域的应用

摘要：边缘计算作为云计算技术的演进和发展，自身具备靠近应用、智能灵活、分布高效的特点。因此，云计算/边缘计算技术在物联网、工业制造、交通运输等领域有广泛的应用前景。结合边缘计算的特性和制造业的特点，重点阐述了边缘计算在智慧制造领域的应用。首先，分析提出边缘计算应用于行业的四大关键因素和能力，包括5G技术、虚拟化、灵活部署和行业属性等。接着，从运营、市场和技术3个层面，具体剖析了智慧制造领域的需求、挑战和应用机会。最后，给出了边缘计算在智慧制造领域应用的模式，包括管理模式、商业模式和部署模式，初步研究阐述了边缘计算在智慧制造领域的应用方向。

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前 言

边缘计算（edge computing，EC）指的是部署在网络边缘的具有最先进的电信网络属性的计算环境（即边缘计算网络或边缘云），不同于将计算下沉到设备端的嵌入式边缘计算能力，边缘计算是一个“硬件+软件+服务”的系统，通过在网络边缘提供IT 服务环境和云计算能力，减少网络操作和服务交付的时延。其技术特征主要包括邻近性、低时延、高宽带和位置认知等，未来有广阔的应用前景，如智慧制造（工业 4.0）、车联网（无人驾驶）、AR、视频优化加速、监控视频分析等。

虽然网络虚拟化并不是边缘计算和网络切片的“始作俑者”，但随着 ICT（information and communications technology，信息通信技术）融合 技术和生态逐渐成熟，虚拟化架构向商用部署逐 步成为现实，其所承载的全虚拟化的、完整的电 信网元功能以及与生俱来的灵活的分布式部署模 式正式触发了边缘计算和网络切片相互助力、相互补充，二者相结合，为电信网络在 5G 的行业生态建设中提供核心能力。

边缘计算的目标市场已经从传统的 2C 转变到以 2B 为主体的新蓝海，这个新市场同样也是原有的公有云/云计算平台一直未成功进入的领域，这与公有云本身的技术策略定位有关，同时也是由于缺少靠近企业边缘的覆盖这样的硬伤而不能切中行业市场的典型痛点。

边缘计算与网络切片相辅相成的关系如图 1 所示，边缘计算通过网络切片为行业专网的跨地域覆盖和多样化网络的资源和性能提供了保证，而网络切片正是有了边缘部署计算环境的支撑，才使得网络能力在行业的价值化落地成为可能。

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边缘计算行业关键能力

如果把边缘计算定位于为制造领域创造有价值的产品，并实现智慧制造和工业 4.0 的转型，那么在智慧制造场景下，边缘计算除了云计算的先天优势以外，还必须具备一些关键能力和特性，在ICT生态环境里保持强大的竞争力和生命力。

（1）5G无线网络

作为运营商的核心业务，同时也是自身的核心竞争力，基于授权频段的蜂窝无线网络技术是边缘计算应该利用的最基本也是最强大的能力，特别是5G技术在网络带宽和传输时延飞跃式的提高会成为运营商进入行业市场的重要敲门砖。

（2）虚拟化电信网络

虚拟化技术是电信网络拥抱 IT 技术的关键性产物，也是云计算时代先进生产力的代表技术，虽然在底层技术实现方面，NFV（network function virtualization，网络功能虚拟化）与云计算相比不会有明显的技术优势，但是通过电信网络能力的 加持，虚拟化的电信网络可以为边缘计算业务带来另一类独有的差异化竞争力，即网络能力向边缘业务的开放。

（3）部署形式灵活快速

行业市场碎片化严重，且各个子行业内部的生态环境有各自的复杂历史和竞争格局，企业规模大小不一，对新技术的接受能力也存在差异，电信运营商作为进入这个领域的新来者，虽然背靠强大的资源和技术，甚至包括政策的支撑，但初期一定是一个逐步摸索频繁试错的阶段。基于这样的认识，边缘计算网络的部署能力必须具备这 5 个特性。

•网络轻量，避免照搬厚重复杂的既有电信网络架构。

•组网灵活，按需组网，不强求运营商与企业对网络环境和资产的唯一分界模式。

•架构开放，追求通用 IT 化平台和 IT 化集成接口，确保对原有行业技术环境的最大兼容。

•部署快速，对行业生产环境的影响程度一定是行业是否接纳边缘计算的重要衡量指标之一。

•管理简便，边缘云的引入不应带给企业不相称的管理难度和成本增加。

（4）行业能力属性

既然边缘计算的目标是行业市场，那么对行业的理解与专业能力的融合是运营商可提供的差异化价值的体现。在这个方面，运营商可以从自身的网络建设、网络演进过程所积累的系统化网络建设和业务开发经验中提取出宝贵经验，并应用在行业的创新与转型中，帮助企业在各自的市场竞争中占得先机。

简言之，边缘计算网络的目标市场一定是不同于现在的以公有云为主体业务形式、以 2C 为主要应用场景的成熟市场，而应该是一个面向纵向行业的 2B 的崭新的蓝海市场。这个领域在 2G/3G/ 4G 电信网络时代和云计算时代，由于数据安全、业务掌控、网络性能等多方面的条件限制，而没有得到充分开发，这也与上面所提到的 4 个要素紧密相关，因此如何让行业最大程度接受和采纳这几个要素带来的技术特性进而转化为自身生产力的提高是边缘计算在 5G 可否成功的关键。

边缘计算依托最先进的 5G 蜂窝无线传输技术，在虚拟化电信网络架构的支撑下，面向社会和行业提供最大灵活性的网络覆盖，同时通过数据分流为骨干网卸载流量压力而有效节省后期总体网络投资；在此基础上通过开放和提供具备行业属性的计算资源和业务能力追求网络价值的最大化，为行业和运营商自身创造新的商业价值和市场机遇。所以 4 个要素相互助力、互相补充，形成合力，在 5G 的边缘计算为垂直行业带来了又一次飞跃发展的大好机会。

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边缘计算智慧制造应用需求分析

边缘计算网络大规模部署的条件会涉及技术、市场和运营等多个方面，其行业应用的效果直接取决于相关方面的成熟度。根据以上行业应用分析，边缘计算在智慧制造领域的应用研究，必须要先理清该行业发展的问题、挑战和机遇。

3.1运营层面：明确的目标行业和清晰的运营模式思路

边缘计算这种最靠近企业环境的电信网络部署形式为企业与运营商以及解决方案供应商三者之间的角色关系带来了多种合作模式的可能性。绝大多数企业因为降本增效的压力使得在接受最新的网络技术的同时也必须考虑可接受的投入产出比，而 5G 和边缘计算的采纳对于大多数传统企业来说尚无经验可循，因此运营商和电信厂商需要更主动地扮演布道师，发挥先锋带头的作用。

3.2目标市场层面：企业自身的准备情况和对新技术的接受程度

边缘计算对于大多数传统企业属于技术革新，企业的技术准备也是一项重要的条件，这包括企业自身的现状和接受度。此外，大规模的部署也可以从这些视角去分析。

（1）覆盖行业的广度

起步阶段的边缘计算网络的部署，第一步向什么方向迈、迈多大的步子、瞄准哪些行业、网络建设的规模和覆盖如何规划等这些问题正是目前运营商与核心厂商讨论的焦点。

（2）应用场景类型的丰富程度

边缘计算可覆盖的应用场景非常丰富，根据全球十大行业 200 多个用例的分析汇总，单从技术场景角度可分为以下 9 大类典型场景（如图 2 所示），各自关联到多个具体的行业领域，也有单独行业领域就包含了多个技术场景。

各个场景对网络连接、网络架构以及软件开放性等都向边缘计算网络提出了苛刻的要求，每一个具备可落地能力的商用方案从推向市场时间、对网络部署的要求等都有许多有待各方共同验证和推动的工作需要完成。

3.3 技术层面：需要完善的边缘网络技术框架和可商用化的边缘计算业务平台解决方案

（1）在网络承载方面，作为配合边缘计算网络组网的关键功能之一，本地分流技术详细功能的实现机制仍然处于讨论与制定过程中，在这些能力还没有完全规范化并得到充分验证之前，跨地域的边缘计算协同仍然面临挑战。

（2）在对业务场景的支持方面，所规划的边缘计算网络技术架构需要能够与行业应用的典型场景无缝集成，这些应用场景可能会分为两大类：一类是对无线网络环境敏感的业务，如需要依赖 5G 的高带宽特性将业务数据上传至边缘云的计 算环境并需要确保低时延地将计算结果发送到接 收方，如智能工厂中的机器人云端或远程控制以 及许多典型的 Wi-Fi 替代方案的需求，远程手术、V2X 和汽车自动驾驶应用中的平行驾驶等；另一类是不必依赖最新的无线传输技术，但对云化、集中化部署计算资源有硬需求的场景，如希望降低终端设备成本（或不提高成本）的同时提升用户体验的终端娱乐类业务（网络游戏/AR/VR）。

（3）边缘计算网络由目标市场所定，注定必须以轻量化的网络架构和管理模式赢得企业客户的接受和欢迎，而迈向这一步正是充分发挥运营商网络虚拟化成果的时候，当然同时也是对 NFV 架构的实用性的实战考核与验证。

（4）边缘计算的大规模部署离不开一整套基本功能齐全的运营管理平台和相应的管理机制。边缘业务的管理模式以及相关管理系统的规范制定从最初 ETSI MEC 与 3GPP 的激烈竞争，到今天的基于国内实际网络状况和市场环境、结合运营商自身定位目标而规划的 PaaS 建设思路，是否可以就此打开电信运营商边缘计算自生态的建设还需拭目以待。

（5）此外，终端模组的成熟度以及何时开始向市场批量供应也是关键因素。许多与边缘计算强相关的行业应用对 5G 终端/模组实现相关 5G 功能的完整性也有着很强的依赖性。

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边缘计算智慧制造应用研究

4.1 智慧制造关注点分析

作为新进入者，运营商与设备商必须对所进入的行业现状有充分的认识，所带来的 5G 技术和边缘计算的解决方案如果能够切中企业的实际痛点，则将大大加快落地的进度，进而达到成功进入新市场的目的。但各个行业具有差异性，必须对目标市场有基本的规划，并有针对的对特定行业领域投入资源，采用深入企业内部实地调查分析的手段挖掘最佳切入点。

本文对制造业的典型痛点做了汇总，如图 3 所示。其他行业都有各自的痛点，应该作为边缘计算部署需要特别关注的方面。

换言之，如果无法提出针对具体企业痛点的技术和方案，而仅停留在基本通用网络连接能力提供者的角色，那么在 5G 继续被管道化的结果仍然难以避免。

4.2 智慧制造部署形式研究

如本文第 2 节提出的“部署形式灵活快速”所述，为了适应不同行业对边缘计算和 5G 能力的差异化诉求，边缘云在行业中的落地会存在多种部署形式，每一个最终落地的网络组网架构设计应该与业务需求、管理模式、运营模式以及商业模式相对应。归纳出了下面三大类典型的网络部署模式，具体如图 4 所示。

（1）企业私网

完整的电信网络部署在企业环境中提供端到端的网络覆盖。这样最大限度地保证了企业数据和网络环境的隔离和独立性，但也同时对企业自身的网络管理能力提出了较高的要求。

（2）企业专网

将用户面网关部署在靠近企业现场，而核心网其他网元部署在电信网的上层节点。此模式既可以保持运营商对网络的统一管理，也由于用户面的下沉而满足了数据不出厂的安全诉求，特别是对技术支撑能力有限的企业不会有过高的维护和管理技术的要求。

（3）网络切片组网

5G 架构下的网络切片组网模式。当然这种模式需要运营商对目标市场的判断和相应网络 资源的部署规划，特别是对边缘计算节点的分布和规模的规划能力提出了极高的要求，这也是当前需要设备商与运营商共同努力解决的重点工作。

4.3 智慧制造管理模式研究

目前边缘计算节点管理模式的焦点问题是将这个边缘云的管理纳入统一的 NFV 的业务编排管理范畴之内，还是为其保持相对独立的一套管理体系。从上文描述的边缘云可能存在的几种部署形式看，如果是业务域与网络域分离的模式，更倾向于为边缘云建立独立的业务域管理系统，而网络域则取决于3种典型的网络部署模式而分别考虑并入统一管理域或者单独本地部署。

•充分考虑不同行业客户的 IT 化水平、管理模式以及边缘节点的建设方的管理诉求，提供分级分层的运营管理方式。

•针对不同的工业应用需求，先从对 SLA（service-level agreement，服务等级协议） 要求不太高的应用场景着手，待技术和合作成熟后，再逐步进入关键应用领域。

总之边缘节点的管理模式应该在“不应带给企业不相称的管理难度和成本增加”的大原则下为运营商边缘网络的能力变现提供必要合理的管理和运营能力的实现。

4.4 智慧制造商业模式研究

目前在网络建设的初期阶段，确实不宜过早确定商业模式，将来也不会仅存在唯一模式，建议在初期保持开放心态多模式并行摸索。基于上文提出的三大类组网模式对可能的商业模式做了简单分析，见表 1。

以上提出的商业模式可以作为边缘计算部署初期的探索模式，但随着对行业市场理解的逐步深入、企业对边缘计算和5G技术理解逐渐加深，一定会摸索出更多更合理的商业模式。

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结束语

5G技术和边缘计算网络为电信业务在广阔纷繁的行业市场开拓出了一片崭新蓝海，作为新进入者需卸下包袱轻装上阵，不必拘泥于传统电信业务的建设思路，调整姿态向2B纵深渗透，在此过程中必须认清行业痛点，整合自身技术和资源优势，保持开放心态积极寻求合作共赢，努力寻找借助数字化转型踊跃拥抱最先进网络技术的先锋企业和行业合作伙伴，只有这样才能最终避免管道化，将5G技术和边缘计算发挥出最大价值，在新生态建设中向价值链的顶端不断靠近。

参考文献：

[1] 3GPP.Study on enhancement of support for edge computing in 5G corenetwork(5GC): TR.23.748[S].2019.

[2]3GPP.Study on application architecture for enabling edge applications: TR.23.758[S].2019.

[3] ETSI. MEC in an enterprise setting: white paper No.30[S].2018.

[4] ETSI.MEC in 5G networks : white paper No.28[S].2018.

作 者

蔡锴（1972−），男，中国移动通信集团重庆有限公司高级工程师，重庆市通信行业专家委员会成员，主要从事核心网IMS、虚拟化技术以及5G边缘技术等方面的研究工作。

蔡争耘（1979−），男，中国移动通信集团重庆有限公司工程师，重庆市电磁辐射环评专家，主要从事核心网、无线网、有线网络5G虚拟化方面的研究工作。

李瑜（1984− ），男，现就职于中国移动通信集团重庆有限公司，主要从事核心网IMS、虚拟化技术以及5G边缘技术等方面的研究工作。

傅友（1988− ），男，中国移动通信集团重庆有限公司工程师、核心网运行维护主管，主要从事核心网、5G 虚拟化技术等方面的研究工作。