工業互聯網作爲國家制造業轉型升級的(de)重要頂層設計之一，推動了(le)傳統産業升級優化(huà)；随著(zhe)工業進程的(de)持續推進，生産過程複雜(zá)、業務和(hé)設備種類繁多(duō)、網絡複雜(zá)度高(gāo)等問題逐漸浮出水(shuǐ)面，成爲制約産業生态發展的(de)瓶頸。

當前有過半工業企業部署了(le)工業雲，旨在實現統一調控、數據監控及設備管理(lǐ)，但随著(zhe)工業控制器、工業網關等越來(lái)越多(duō)的(de)設備接入雲端，傳統以雲爲中心的(de)模式不足以滿足對(duì)海量設備數據進行實時(shí)處理(lǐ)的(de)需求，需要将部分(fēn)算(suàn)力在邊緣就近處理(lǐ)；其次，在工業企業長(cháng)期數字化(huà)建設過程中，上下(xià)遊企業間，存在多(duō)種獨立的(de)系統，普遍存在跨地域的(de)情況，此時(shí)存在大(dà)量異構數據和(hé)網絡集成的(de)需求；再者，現場(chǎng)設備數據私密安全性要求極高(gāo)，常要求數據不能出工業園區(qū)，一旦洩密損失不可(kě)估量，需要在工業現場(chǎng)處理(lǐ)，保障本地數據不出場(chǎng)；并且，業界常用(yòng)的(de)海量數據處理(lǐ)，依賴終端的(de)本地化(huà)處理(lǐ)，但這(zhè)常受限于終端本身的(de)計算(suàn)能力、樣本空間大(dà)小、能耗等因素。

因此，工業企業亟需靈活扁平的(de)新型基礎設施架構，将工業系統内外的(de)生産要素連接起來(lái)，讓數據流通(tōng)，并通(tōng)過數據分(fēn)析、建模進行各個(gè)層面的(de)優化(huà)，打通(tōng)工業現場(chǎng)内外部自下(xià)而上的(de)數據流和(hé)自上而下(xià)的(de)決策流，形成工業數字化(huà)優化(huà)閉環，構建多(duō)方位數據協同體系、跨地域計算(suàn)共享，提供多(duō)接入、廣覆蓋、高(gāo)性能以及豐富的(de)網絡控制環境，打造滿足計算(suàn)、網絡、存儲要求的(de)雲、網、邊、端協同的(de)基礎設施底座，是解決當前産業生态發展瓶頸問題的(de)重要方式之一。

一般來(lái)說“雲、網、邊、端”的(de)協同架構是以雲爲中心，網爲載體，向邊緣節點、現場(chǎng)設備終端逐層分(fēn)散延伸；整個(gè)架構體系中，自南(nán)向北(běi)，計算(suàn)和(hé)處理(lǐ)能力逐漸增強，部署趨于集中化(huà)，覆蓋範圍更廣。自北(běi)向南(nán)，計算(suàn)能力逐漸降低，部分(fēn)節點可(kě)能隻具備信息收集轉發能力而不具備處理(lǐ)能力，部署位置更爲靈活和(hé)分(fēn)散，覆蓋範圍更小，網絡時(shí)延要求更低，業務特性更加顯著，專一性更強。雲、網、邊、端協同整體示意圖如圖1所示。

 a)  雲側。即中心雲，工業互聯網雲平台，可(kě)提供邊緣節點管理(lǐ)以及爲邊緣應用(yòng)提供核心業務邏輯處理(lǐ)相關服務，例如AI模型訓練、園區(qū)設備集中管理(lǐ)等。

b)  網側。支持多(duō)種接入方式，例如工業PON&以太網、Wi-fi、2G/3G/4G/5G、NBIOT等。主要存在兩大(dà)網絡連接場(chǎng)景，一是工業互聯網企業内網連接，此處按照(zhào)功能劃分(fēn)，一般分(fēn)爲園區(qū)辦公網和(hé)生産網絡；二是工業互聯網企業外網絡連接，例如廠區(qū)多(duō)址情況下(xià)，總部園區(qū)與分(fēn)園區(qū)之間跨地域通(tōng)過廣域網連接。

c)  邊側。從形态上描述，一般包括邊緣雲、邊緣網關、邊緣控制器。

（a）邊緣網關。在工業互聯網中通(tōng)過網絡連接、協議(yì)轉換等功能連接物(wù)理(lǐ)和(hé)數字世界，提供輕量化(huà)的(de)連接管理(lǐ)、實時(shí)數據分(fēn)析及應用(yòng)管理(lǐ)等邊緣計算(suàn)功能。

（b）邊緣控制器。存在于工業制造現場(chǎng)，其在完成工作站或生産線的(de)控制功能基礎上，可(kě)基于工業互聯網邊緣計算(suàn)技術提升工業設備智能性、适用(yòng)性、開放性的(de)控制單元。

（c）邊緣雲。作爲整體架構中核心一環，位于網絡邊緣側（即工業生産現場(chǎng)、工業設備接入點或工業園區(qū)内部），向下(xià)連接多(duō)個(gè)邊緣網關或邊緣控制器等，向上支持與雲平台協作，面向工業場(chǎng)景應用(yòng)提供基本能力和(hé)工業能力的(de)低延時(shí)、輕量化(huà)的(de)服務器、雲平台或數據中心具備聯接性、實時(shí)數據采集處理(lǐ)、分(fēn)布式、安全隐私保護、OT與ICT的(de)融合性等特點。

d)  端側。包括各種工業現場(chǎng)設備，例如機床、産線、傳感器、機器人(rén)等，一般可(kě)基于MQTT、Modbus、OPC-UA等協議(yì)接入邊緣計算(suàn)節點。

雲作爲大(dà)腦(nǎo)，負責集中計算(suàn)與全局數據處理(lǐ)；網的(de)架構正朝著(zhe)服務化(huà)和(hé)雲化(huà)方向演進，容納更廣泛的(de)接入場(chǎng)景，此外作爲互聯互通(tōng)手段，連接公有雲、私有雲和(hé)混合雲；邊作爲中心雲的(de)觸點延伸，靈活解決近實時(shí)業務需求；端側智能感知，數據采集，是工業互聯網的(de)基礎。因此，爲實現雲、網、邊、端協同，圍繞邊緣側展開，至少涉及到雲邊協同、邊邊協同、邊端協同和(hé)雲網協同等4種關鍵技術。

3.1 雲邊協同

在衆多(duō)工業互聯網場(chǎng)景中，如智能巡檢、智慧交通(tōng)、智能安防、智能煤礦等，邊緣側隻能處理(lǐ)局部數據，無法形成全局認知，在實際應用(yòng)中仍然需要借助雲計算(suàn)平台來(lái)實現信息的(de)融合，在邊緣計算(suàn)環境中安裝和(hé)連接的(de)智能設備能夠處理(lǐ)關鍵任務數據并實時(shí)響應，雲端可(kě)以在以後收集這(zhè)些數據進行第2輪評估、處理(lǐ)和(hé)深入分(fēn)析，邊側将處理(lǐ)後的(de)數據上傳到雲端進行存儲、管理(lǐ)、态勢感知，同時(shí)，雲端也(yě)負責對(duì)數據傳輸監控和(hé)邊緣設備使用(yòng)進行管理(lǐ)。

所謂雲邊協同，即邊緣計算(suàn)節點側在靠近網絡邊緣側，負責數據采集、清洗、初步分(fēn)析與模型推理(lǐ)等，并将清洗後的(de)數據上傳至雲端；雲端進行數據存儲、分(fēn)析、AI訓練與建模，并将業務與模型下(xià)發至邊緣側執行，雲側通(tōng)常具備全局資源管理(lǐ)調度能力，可(kě)将多(duō)個(gè)邊緣節點組成集群，按需調度、部署邊緣基礎設施資源，當遇到故障切換和(hé)彈性伸縮場(chǎng)景時(shí)，可(kě)實現應用(yòng)的(de)彈性部署、伸縮；根據應用(yòng)場(chǎng)景需求有效分(fēn)配計算(suàn)資源，滿足業務對(duì)計算(suàn)資源的(de)差異化(huà)需求。

雲側與邊緣側各有所長(cháng)，雙方互爲補充；雲邊協同一般從IaaS、PaaS、SaaS三層考慮（詳見圖2），至少涉及如下(xià)六個(gè)方面之一：

a)  資源協同：基礎設施資源調度管理(lǐ)。

b)  數據協同：數據采集與分(fēn)析。

c)  智能協同：AI模型分(fēn)布式智能訓練與推理(lǐ)。

d)  應用(yòng)管理(lǐ)協同：應用(yòng)開發部署、生命周期管理(lǐ)。

e)  業務管理(lǐ)協同：應用(yòng)實例/網絡業務編排。

f)  服務協同：雲側服務向邊側開放及通(tōng)過雲原生架構，提供一套标準的(de)服務接入框架。

 3.2 邊邊協同

在智慧交通(tōng)領域，人(rén)工智能駕駛過程中，常存在實時(shí)在線交互情況，此時(shí)常要求相鄰邊緣節點可(kě)以互相訪問，輔助低時(shí)延業務。邊邊協同主要強調邊緣網關、邊緣控制器、邊緣雲等邊緣節點應支持東西向接口，邊邊協同應滿足分(fēn)布式邊緣計算(suàn)部署的(de)架構，左右節點（相鄰）之間互相通(tōng)信。在當前邊緣節點的(de)計算(suàn)能力不足以支撐當前任務時(shí)，可(kě)以将計算(suàn)任務進行切分(fēn)，遷移到某一個(gè)相鄰邊緣節點上，從而實現資源最優使用(yòng)，當車輛跨邊緣節點漫遊時(shí)，通(tōng)過邊邊協同可(kě)以快(kuài)速地将應用(yòng)的(de)鏡像同步到新節點進行部署，從而達到快(kuài)速提供服務的(de)目的(de)。

但是相比于雲邊協同，邊邊協同的(de)發展還(hái)尚未成熟，究其原因主要是ETSI MEC并未定義邊緣節點間的(de)MP3接口内容；此外，在該場(chǎng)景下(xià)要求相互訪問的(de)邊緣節點之間網絡能夠互通(tōng)，當前邊緣節點建議(yì)仍以單點爲主，尚未滿足大(dà)規模覆蓋；再者，異構的(de)邊緣雲因其具體技術架構不一，尚未互通(tōng)，目前GSMA、CCSA、ETST、5GAA等标準組織正在研究中。

3.3 邊端協同

對(duì)于端側設備（機器人(rén)、PC等）來(lái)說，受體積和(hé)樣本數量影(yǐng)響，本身算(suàn)力有限，需要通(tōng)過邊緣側設備獲得(de)運動控制、邏輯控制策略，例如視覺伺服、聲音(yīn)識别、運動控制等；此外并非所有終端設備都安裝了(le)通(tōng)信模組，因此需要依托邊緣網關接入内外網絡；邊緣網關、控制器等邊緣側節點南(nán)向提供豐富的(de)網絡接口連接工業設備，具備數據采集、指令下(xià)發等功能，南(nán)向提供豐富的(de)接口，支持Modbus/ TCP/ProfiNet/Profibus/OPC UA/MQTT等多(duō)種工業通(tōng)信協議(yì)，适配大(dà)量工業設備。邊緣網關、控制器等邊緣側節點将采集到的(de)設備數據傳輸給邊緣雲，以層層遞進的(de)方式解決新業務引發的(de)對(duì)網絡管道沖擊和(hé)邊側部分(fēn)設備算(suàn)力受限的(de)問題，從而滿足行業用(yòng)戶體驗。

當前來(lái)看，邊端協同仍有較大(dà)的(de)發展空間，主要受限于工業設備種類繁多(duō)且多(duō)爲行業定制，南(nán)向接口協議(yì)複雜(zá)；其次不同終端應用(yòng)對(duì)邊緣雲提供能力的(de)要求并不一緻，邊緣雲如何靈活适配終端應用(yòng)的(de)要求，亟待打造通(tōng)用(yòng)的(de)平台能力來(lái)支持；再者，若涉及到移動場(chǎng)景下(xià)，例如機器人(rén)智能巡檢，園區(qū)物(wù)流車等場(chǎng)景，如何保障服務的(de)連續性，加速終端訪問和(hé)響應；以上問題均有待商榷。

3.4 雲網協同

在雲、邊、端3級計算(suàn)資源基礎底座基礎上，網絡側輔助各級計算(suàn)資源高(gāo)效流動，全面提升面向工業互聯網場(chǎng)景的(de)運營能力，依托網絡連接雲計算(suàn)節點，統一接入調度，用(yòng)戶可(kě)以無感知計算(suàn)節點位置，保障節點間數據流向，以及應用(yòng)路徑的(de)路由，提升任一節點服務的(de)高(gāo)可(kě)用(yòng)性；網絡體系是工業互聯網基礎，連接各生産要素，一般存在局域與廣域2種場(chǎng)景。

 a)  局域場(chǎng)景下(xià)，爲滿足工廠内部生産業務隔離、确定時(shí)延、帶寬保障、高(gāo)精度授時(shí)等需求， 通(tōng)常在園區(qū)内部按需進行5G網絡獨立/共享部署，靈活組網，下(xià)沉部署核心網數據面或者控制面一起下(xià)沉部署到企業内部，通(tōng)過數據分(fēn)流技術，結合MEC平台的(de)部署（極低時(shí)延情況下(xià)，可(kě)将MEC部署在5G接入CU或者CU/DU一體化(huà)的(de)基站上），至于下(xià)沉核心網數據面是否連接公網，視生産客戶需求确定。此時(shí)還(hái)可(kě)結合網絡切片、TSN、超級上行等關鍵技術，滿足業務個(gè)性化(huà)差異化(huà)網絡需求。

b)  廣域場(chǎng)景下(xià)，同一企業不同廠區(qū)、同一産業上下(xià)遊工業夥伴在多(duō)地工業場(chǎng)景下(xià)，爲保障各地區(qū)業務協同，當有多(duō)個(gè)計算(suàn)節點可(kě)選的(de)情況下(xià)，5G核心網控制面，可(kě)根據用(yòng)戶位置到計算(suàn)節點之間的(de)時(shí)延以及用(yòng)戶自身業務需求情況，将多(duō)級算(suàn)力資源與網絡信息相結合，形成以用(yòng)戶爲中心的(de)資源布局視圖，從而實現業務與資源最佳匹配，以提升整體的(de)資源利用(yòng)效率和(hé)服務質量。