數字化網絡化智能技術：工業(yè)互聯網平臺與工業(yè)APP 課件 第5章 邊緣計算

第5章邊緣計算教師：******CATALOGUE目錄5.1邊緣計算概述5.1.1邊緣計算的定義與特點5.1.2邊緣計算與工業(yè)互聯網平臺5.1.3邊緣計算與云計算5.1.4邊緣計算與區(qū)塊鏈5.1.5邊緣計算與智能制造5.2邊緣計算關鍵技術5.2.1計算任務卸裁CATALOGUE目錄5.2.2邊緣緩存5.2.3邊緣數據管理與分析5.2.4邊緣人工智能5.2.5云邊協同5.3邊緣計算應用5.3.1在離散制造業(yè)中的應用5.3.2在流程行業(yè)中的應用5.4實驗:數據采集與可視化015.1邊緣計算概述邊緣計算的應用場景邊緣計算在物聯網、智能制造、智慧城市等領域都有廣泛的應用，能夠有效地支持這些領域的數字化轉型。邊緣計算的定義邊緣計算是一種新興的計算模式，它將計算任務從中心化的數據中心轉移到網絡邊緣，更接近用戶和設備。邊緣計算的優(yōu)勢邊緣計算具有低延遲、高帶寬和更安全等優(yōu)勢，能夠更好地滿足實時計算和數據處理的需求。5.1邊緣計算概述025.1.1邊緣計算的定義與特點邊緣計算的定義邊緣計算是在網絡邊緣側融合網絡、計算、存儲、應用核心能力的分布式開放平臺，提供邊緣智能服務，滿足行業(yè)數字化關鍵需求。5.1.1邊緣計算的定義與特點邊緣計算的作用邊緣計算通過部署數字世界的網絡、計算、存儲和應用資源，將核心云計算的任務“下沉”到邊緣云服務器進行處理，滿足時延通信、能耗等方面的需求。邊緣節(jié)點的作用邊緣節(jié)點的計算功能主要依賴于邊緣節(jié)點來實現，邊緣節(jié)點面向產生數據的設備，收集、處理數據，并提交與網絡系統有關的處理結果或直接對現場設備進行控制。邊緣節(jié)點的實體邊緣節(jié)點的實體是攜帶軟件或硬件編程的設備，一般封裝有計算、網絡、存儲資源，如邊緣網關、邊緣控制器、邊緣云和傳感器等產品。01.5.1.1邊緣計算的定義與特點邊緣節(jié)點的功能邊緣節(jié)點具備控制、分析、優(yōu)化三大功能，控制功能包括通信、設備管理、感知、建模、執(zhí)行等，可用于簡單的控制，如在溫度達到某一閾值時停止某項功能。02.邊緣節(jié)點的優(yōu)勢分析功能是邊緣節(jié)點相對于傳統現場設備的顯著優(yōu)勢之一，能夠實現對數據的深度分析和計算性能的提升，為物理世界的控制提供更智能的支持。03.035.1.2邊緣計算與工業(yè)互聯網平臺工業(yè)互聯網邊緣計算平臺功能映射到邊緣側，實現生產現場數據的實時處理和業(yè)務的快速優(yōu)化，滿足工業(yè)領域對實時性、可靠性、確定性等需求。平臺側網絡側邊緣計算是云、邊、網、端協同的關鍵樞紐，算力網絡、邊緣智能等技術不斷創(chuàng)新發(fā)展，推動邊緣計算向智能化及協同化方向發(fā)展。工業(yè)互聯網邊緣計算是工業(yè)4.0場景下的重要技術，涉及平臺側和網絡側兩個部分。5.1.2邊緣計算與工業(yè)互聯網平臺邊緣計算賦予設備本地計算能力，提升生產效率，工業(yè)互聯網與制造業(yè)深度融合，表現出連接性、智能化、協同化、安全性和可靠性五個特點。邊緣計算在工業(yè)互聯網中的特點連接性是邊緣計算的基礎，需要具備多樣化的連接功能，包括多元化的網絡接口、網絡協議、網絡拓撲、網絡部署與配置、網絡管理與維護等。連接性5.1.2邊緣計算與工業(yè)互聯網平臺045.1.3邊緣計算與云計算5.1.3邊緣計算與云計算中心式云計算的不足01中心式云計算在數據處理的及時性、網絡依賴性和安全與隱私方面存在不足，難以滿足工業(yè)互聯網的高帶寬、超低時延需求。邊緣計算對中心式云計算能力的補充02邊緣計算通過將工作負載下沉至網絡邊緣側，解決了中心式云計算在實時性、網絡依賴性和安全與隱私方面的不足，是工業(yè)互聯網建設的重要支撐技術。實時數據處理和分析03邊緣計算節(jié)點部署在數據產生源頭附近，可實時計算處理數據，無需傳輸至外部數據中心或云端，減少處理延遲。節(jié)約成本04相較于傳統的云計算中心，邊緣計算能有效降低數據本地化處理的管理成本，提高數據處理的效率。055.1.4邊緣計算與區(qū)塊鏈工業(yè)互聯網的目標工業(yè)互聯網的目標是打破企業(yè)信息系統之間的壁壘，使得產業(yè)鏈上的所有企業(yè)能夠對等地參與到生產、運輸、銷售等環(huán)節(jié)中，以滿足最終用戶的需求。建立可信的協同機制區(qū)塊鏈技術的定義5.1.4邊緣計算與區(qū)塊鏈在全產業(yè)鏈協同中，建立可信的協同機制顯得尤為關鍵，區(qū)塊鏈技術為解決這一問題提供了新的解決方案。區(qū)塊鏈是一種鏈式數據結構，通過密碼學方式保證不可篡改和不可偽造，利用分布式節(jié)點共識算法生成和更新數據，并使用智能合約編程和操作數據。區(qū)塊鏈系統的組成區(qū)塊鏈系統由數據層、網絡層、共識層、激勵層、合約層、應用層組成，每層都承擔著特定的職責和功能，共同實現區(qū)塊鏈的網絡數據的存儲、驗證、傳遞、交換。區(qū)塊鏈的核心特征區(qū)塊鏈的核心特征可以概括為去中心化和透明化，網絡擁有許多驗證對等節(jié)點，從而無須集中權限就可以訪問信息，因此事務(記錄)是透明且可追溯的。5.1.4邊緣計算與區(qū)塊鏈065.1.5邊緣計算與智能制造邊緣計算邊緣計算是智能制造的核心技術之一，通過在工業(yè)內網中融合網絡、計算、存儲、應用核心能力，提供邊緣智能服務，滿足制造企業(yè)數字化轉型的關鍵需求。工業(yè)信息物理系統架構引入邊緣計算后的工業(yè)信息物理系統架構通過工業(yè)服務適配器將現場設備封裝成Web服務，并連接到工業(yè)數據平臺中進行動態(tài)管理和組合。智能制造提升邊緣計算為智能制造帶來設備靈活替換、生產計劃靈活調整、新工藝/新型號快速部署等方面的提升，推動智能制造領域的發(fā)展。邊緣計算的作用邊緣計算能夠提供快速連接、實時業(yè)務、數據優(yōu)化、應用智能、安全保護等關鍵服務，解決當前控制系統中計算資源分散、獨立、效率低下的問題。5.1.5邊緣計算與智能制造075.2邊緣計算關鍵技術邊緣計算的主要目標是實現快速決策，滿足業(yè)務在快速連接、實時業(yè)務、數據處理、智能分析、安全保護等方面的需求。邊緣計算的目標為了實現快速決策，需要在邊緣側為業(yè)務提供計算、存儲、網絡、安全、應用等能力。邊緣側的能力提供為了滿足業(yè)務的云邊通信和任務協調的需求，還需要為業(yè)務提供云邊協同管理能力。云邊協同管理5.2邊緣計算關鍵技術085.2.1計算任務卸裁5.2.1計算任務卸裁卸載的優(yōu)勢相較于將任務發(fā)送到云服務器，邊緣計算能夠提供更快速、高效的計算服務，并且有助于減輕核心網絡的壓力。卸載的步驟計算卸載的主要步驟包括節(jié)點發(fā)現、程序分割、卸載決策、程序傳輸、執(zhí)行計算和結果回傳。邊緣計算卸載邊緣計算中的計算卸載技術，允許用戶終端將任務傳輸至鄰近的邊緣節(jié)點，利用邊緣節(jié)點的計算資源完成任務處理，解決設備在資源存儲、計算性能和能效等方面的不足。030201卸載決策是計算卸載的核心問題，涉及是否卸載、卸載什么、何時卸載、卸載到哪里、怎樣卸載等問題。程序傳輸是計算卸載的重要環(huán)節(jié)，需考慮網絡通信狀況，將卸載的計算程序安全、穩(wěn)定地傳輸至節(jié)點。執(zhí)行計算是計算卸載的關鍵步驟，主要在邊緣節(jié)點進行，用戶只需等待即可。結果回傳是計算卸載的最后步驟，將邊緣節(jié)點處理后的計算結果傳回用戶的移動設備終端。5.2.1計算任務卸裁卸載的應用傳輸的程序執(zhí)行計算的過程卸載的最后步驟095.2.2邊緣緩存無線網絡傳輸延遲邊緣緩存的步驟熱門內容資源壓力邊緣緩存的基本特點當前的無線網絡主要是基于基站的蜂窩接入網絡。當用戶發(fā)出請求時，數據需要從基站傳輸到遠程云服務器，這會導致較大的傳輸延遲。邊緣緩存通常包括內容的放置和內容的傳遞兩個步驟。內容的放置涉及確定緩存的內容、選擇緩存位置以及將內容下載到緩存節(jié)點的方式。如果有大量用戶同時請求相同的熱門內容資源，會給核心網絡的回傳造成巨大壓力，同時也會導致帶寬資源的浪費和用戶體驗的下降。邊緣緩存的基本特點包括緩存形式、緩存內容、緩存位置和緩存命中率。緩存形式有編碼緩存和非編碼緩存，緩存內容與流行度和用戶偏好有關。5.2.2邊緣緩存105.2.3邊緣數據管理與分析5.2.3邊緣數據管理與分析工業(yè)邊緣數據的構成工業(yè)邊緣數據是指工業(yè)制造工業(yè)互聯網場景下，涉及的各種端設備以及邊緣計算系統所需管理和分析的各類數據的總稱。工業(yè)邊緣數據的分類工業(yè)邊緣數據的特點根據數據來源，工業(yè)邊緣數據主要包括機器數據和運營系統數據（交互數據）兩類。工業(yè)邊緣數據具有數據來源多、異構性特征強、數據時序性強、因果關系強和高可靠性五個特點。115.2.4邊緣人工智能5.2.4邊緣人工智能邊緣人工智能在工業(yè)互聯網中具有低延遲、高實時性的特點，適用于處理大規(guī)模數據和復雜計算任務。邊緣人工智能的特性邊緣人工智能可應用于智能制造、無人駕駛、智能安防等領域，提高系統的響應速度和決策準確性。邊緣人工智能面臨計算資源有限、網絡帶寬壓力、延遲和丟包等問題，需解決這些挑戰(zhàn)以實現更好的性能。邊緣人工智能的應用邊緣人工智能具有分布式計算、隱私保護和安全性的優(yōu)勢，可確保數據的安全性和隱私性。邊緣人工智能的優(yōu)勢01020403邊緣人工智能的挑戰(zhàn)125.2.5云邊協同5.2.5云邊協同云邊協同云邊協同是指云計算與邊緣計算之間的協同合作，以提供更高效、可靠的云計算服務。云邊協同的關鍵技術云邊協同的關鍵技術包括計算任務卸載、邊緣緩存、邊緣數據管理與分析等。云邊協同的優(yōu)勢云邊協同可以降低維護成本、提高制造設施響應能力、提高網絡可靠性。云邊協同的應用云邊協同已應用于智能制造、離散制造業(yè)和工程機械領域，并取得了良好的實踐效果。135.3邊緣計算應用邊緣計算應用邊緣計算在當今社會中已經得到了廣泛的應用，如自動駕駛、智能制造、智能家居等領域。邊緣計算的優(yōu)勢邊緣計算通過將計算任務從云端轉移到邊緣設備上，實現了更低延遲、更高帶寬和更安全的數據處理。邊緣計算的挑戰(zhàn)隨著邊緣計算設備的不斷增加，如何有效地管理和維護這些設備，以及如何確保數據的安全性和隱私性，是需要解決的問題。5.3邊緣計算應用145.3.1在離散制造業(yè)中的應用5.3.1在離散制造業(yè)中的應用離散制造高質量發(fā)展隨著離散制造業(yè)的發(fā)展，對高質量發(fā)展的需求日益凸顯，對業(yè)務時延、隱私及安全等關鍵性指標的期望不斷攀升。精細化智能化作業(yè)趨勢促使整體作業(yè)向著更為精細化、柔性化和智能化的方向發(fā)展，需要云計算的整體運籌和邊緣計算的本地實時決策職能。邊緣計算價值邊緣計算在離散制造業(yè)中具有重要價值，可以有效解決離散制造系統的連接性問題，提供邊緣側建模與智能工具，以及決策和效率優(yōu)化能力。155.3.2在流程行業(yè)中的應用邊緣計算的價值隨著我國工業(yè)化和經濟的快速發(fā)展，流程行業(yè)正逐步邁向數字化、智能化的轉型之路，邊緣計算為流程行業(yè)帶來的價值，主要體現在提升數據處理實時性，緩解云端計算負荷。邊緣計算的作用邊緣計算結合人工智能，對流程行業(yè)的數據價值進行了深入挖掘，解決了現有數據模型無法準確反映實際場景的問題，打破了行業(yè)內的技術壁壘。預測性維護技術流程行業(yè)通過邊緣計算收集設備數據進行分析，實現狀態(tài)識別和健康度預測，結合預測性維護技術，優(yōu)化維護策略，提高設備生產效率。優(yōu)化生產工藝流程行業(yè)傳統的PID控制方法在處理多變量和控制滯后方面存在局限性，邊緣計算結合模型預測控制軟件系統，通過預測模型和歷史數據優(yōu)化生產工藝，促進節(jié)能降碳。5.3.2在流程行業(yè)中的應用01020304165.4實驗:數據采集與可視化5.4實驗:數據采集與可視化熟練掌握邊緣計算平臺基本功能，完成邊緣計算基礎實例，為實訓中心智能產線提供穩(wěn)定、高效的邊緣計算服務。實驗目的了解邊緣計算概念和基本架構，掌握數據傳輸與處理技術，為實訓中心智能產線提供穩(wěn)定、高效的邊緣計算服務。實驗相關知識點采集堆垛機的坐標（X、Y、Z軸）數據，進行數據可視化展示與實時預警