基于云邊端協同的工業PON邊緣智能系統測試床
引言/導讀
中國電信研究院是中國電信集團公司為適應集團發展和需要而組建的重要科研機構。主要研究電信技術發展趨勢與戰略，研究技術發展政策，研究網絡、技術與業務發展規劃，研究技術體制和標準，負責新技術和新設備入網測試評估，進行決策軟科學研究和發展研究，網絡管理和業務管理等支撐系統的開發，應用軟件研究與系統集成，開發電信新業務和增值業務等，為集團公司和各省子公司提供決策支撐、技術支撐、信息支撐。
上海理想信息產業（集團）有限公司，成立于1999年，屬于中國電信全資子公司，注冊資本7000萬元，是上海市投資規模較大的信息技術企業之一。2019年掛牌5G+工業互聯網產業基地。公司定位于電信與IT產業融合的ICT服務商形象,工業互聯網平臺開發和集成典型企業,掛牌上海互聯網大數據工程技術研究中心,近兩年成功申請智能制造相關領城的工信部專項10項,自主研發的《中國電信工業大數據平臺》入選工信部2021年大數據發展試點示范項目。大數據、云計算與工業互聯網相關軟件著作權200余項。近年來，參與國家工業互聯網大數據中心平臺、中國商飛在役飛行大數據集成管理系統、中船704所工業數據采集與監控系統、滬東造船鋼板質量檢測、中建鋼構工業互聯網平臺、中聯重科工業互聯網平臺等多項工業互聯網與工業大數據領域項目建設。
中鈔油墨有限公司是國內唯一的專業印鈔油墨制造企業，隸屬于中國印鈔造幣總公司。作為一家將“用色彩和品質守護真實”作為使命的高新技術企業，中鈔油墨有限公司成立20年來，專注于印鈔油墨和防偽油墨兩個細分領域，為鈔票、證件、證券、票據以及政府與企業的重要文件和產品提供保護。中鈔油墨有限公司緊盯科技發展潮流，聚焦裝備制造前沿，以滿足新一代人民幣研發對重大技術裝備的需求為目標，加快大數據、工業物聯網、云計算等智能化技術與裝備制造的深度融合，推動核心裝備高端化、智能化、自主化，為行業高質量發展提供更有力的裝備保障。
關鍵詞
工業PON，云邊端協同，邊緣計算，數據采集
測試床項目承接主體
發起公司和主要聯系人聯系方式
中國電信集團公司
中國電信研究院 于嘯 18918289369
上海理想信息產業（集團）有限公司 蔡一曉 18901679686
中鈔油墨有限公司 張鵬 13564028492
合作公司
烽火通信科技股份有限公司
測試床項目目標
印鈔油墨生產車間油墨品種多、工序集中造成現場生產組織難、質量跟蹤困難等問題，為了提高數據交互的及時性、穩定性和抗干擾能力和油墨質量全流程跟蹤，解決公司工業設備種類多、操作終端多、對網絡通信方式要求多的難題，需要在完善膠印設備數據采集和傳輸的基礎上，基于工業PON網建立車間級數據采集邊緣網關模塊，實現生產現場的實時化、透明化、智能化，實時監測生產現場設備運轉，及時掌握生產進度等信息，通過物聯網技術、數據采集技術等，采集設備在生產過程的實時檢測數據，實現現場各種設備等異構系統數據的實時獲取，建立與設備相關的制造過程統一數據標準，將數據存入制造數據中心，為生產系統提供基礎數據。
應用工業PON構建邊云協同的網絡架構，通過開放式可編程OLT、具備邊緣計算能力的工業PON融合終端和基于SDN架構的工業PON自服務平臺的協同應用，提供了分布式、可靈活調度的算力設施，發揮連接+算力一體化優勢，探索高效支撐IT與OT融合的應用。
測試床方案架構
測試床應用場景
1.工業數采場景
工業PON融合網關向下支持多種端側的工業設備（含機械臂）和PLC控制器的接入和數采，同時支持多種主流PLC協議；向上連接OLT，提高響應速度和數據安全性；最終將數據傳送至工業PON自服務平臺，在云端完成數據匯聚，實現邊緣數采、工業視覺檢測、邊云協同應用等功能。
圖：工業數采場景
2.工業視覺場景
傳統機器視覺在工業上的典型應用主要有定位、識別、測量和檢測。機器視覺業務主要包含以下兩個特點：一是包含大量的非結構化數據，二是數據體量大、存儲時間長。因此工業視覺存在存儲有限、算法管理不便以及算力復用率低等問題。
圖：傳統基于工控機的典型視覺系統
采用機器視覺創新系統，單工業相機上行帶寬通常500M以上，普通無線通信無法滿足要求，工業PON可以保證大量數據單位時間內實時傳輸的需求，實現機器視覺由傳統本地模式向本地推理+云端訓練的云邊協同模式轉變。
OLTONU機床儀器儀表移動設備
圖：工業PON光網支撐下的基于邊緣計算的機器視覺系統
測試床架構
測試床架構
本方案的邊側為工業PON融合網關，向下與端側的設備相連，向上連接OLT設備。云側即工業PON自服務平臺，平臺包含了邊緣網關模塊，基于容器對于工業PON融合網關進行設備管理和數采協議、工業應用等向下推送加載至端側工業PON融合網關。
工業云端應用工業PON自服務平臺（包含邊緣網關模塊）OLTODN工業PON融合網關OLT設備具備邊緣計算特性網絡切片融合承載兼容工業接口開放式架構 端 云邊各類工業設備
圖：測試床總體架構
測試床與AII總體架構的關系
本測試床聚焦在AII互聯網架構的有線接入，工業數據轉發，端到端傳輸及數據互通主；垂直行業為制造業；實施層次主要包含了設備和系統，設備是工業PON融合網關，系統則是工業PON自服務平臺。
圖：工業互聯網體系架構2.0：功能原理
測試床實施架構如圖6所示。
廠區巡邏CCTV車床OLT 工業PON融合網關工業PON融合網關工業PON自服務平臺（包含邊緣網關模塊）邊緣算力
圖：測試床實施架構
測試床方案
以物聯網、設備數據采集和邊緣計算為技術基礎，通過工業PON融合網關對現場設備進行連接，通過數采協議將設備的運行狀態、工藝參數等數據實時上傳給控制系統，實現設備狀態、參數等動態數據的全面感知與數據匯聚。
為實現現場工業設備感知數據的快速采集，可在工業PON自服務平臺的邊緣網關模塊上建立設備模型，即實體設備對應的模型。根據設備進行數采時設置的數據節點為該模型分配對應的模型節點，即人工定義網關數采的預制模版，生成虛擬數采接口。工業PON融合網關進行感知數據采集的任務下發，邊緣側的工業PON融合網關獲取到云端平臺的指令后，按照人工定義好的預制模版進行感知數據的采集，通過網關的心跳輪詢機制對云端進行結果的實時上報，實現平臺應用下的邊緣側的設備數據采集。
圖：測試床架構
方案重點技術
1.工業PON融合網關
工業PON融合網關是中國電信自主研發的面向工業互聯網領域推出的一款功能強大、性能卓越的工業級終端產品，集本地管理、數據采集和通信于一體。具有開放式的軟硬件架構，硬件層面平臺化和模塊化，內置六核的處理器和較強算力的AI硬加速單元，提供豐富的物理接口；軟件層面采用開放式平臺架構，業務功能容器化和APP 化，按照業務功能將軟件劃分為多個業務APP，實現快速迭代和部署，支持第三方工業應用的加載和運行，并通過容器技術，將業務軟件與操作系統隔離，提升系統的安全性。工業PON融合網關開放平臺的架構如下：
圖：工業PON融合網關開放平臺架構示意圖
其中容器技術是一種內核輕量級的操作系統層虛擬化技術，主要由Namespace和 Cgroup兩大機制來保證實現。Namespace提供隔離機制，保證容器獨立運行；Cgroup就負責資源管理控制作用，比如進程組使用 CPU、內存的限制，進程組的優先級控制，進程組的掛起和恢復等。工業PON融合網關，基于容器技術的開放平臺，運營商和設備廠商提供完善的開發工具，實現第三方工業應用 APP 的開發以及在容器系統中的運行，具備業務功能快速開發和迭代的能力。
工業現場設備種類繁多，接口和總線協議不統一，多數工業現場設備是非標總線接口和非標總線協議。為了實現設備的互聯互通，實現設備數據采集，通過協議兼容將不同的網絡和通信協議統一映射成統一協議，各種網絡和協議之間通過統一協議實現信息的交互。協議兼容的過程就是講異種通信協議通過協議轉換、數據轉換、地址空間重映射等技術手段轉換成統一協議。工業現場常用的總線協議包括 Profinet、Profibus、CClink、EthernetIP、Modbus、FOCAS等，后續可以考慮以統一協議實現承載。
圖：工業現場協議兼容性
協議兼容技術由協議轉換、數據轉換、地址空間重映射等技術組成，可以支持工業現場常用的總線協議，適應各種工業設備信息傳送和交互以及專用控制系統應用場合的要求。
2.工業PON自服務平臺
工業PON自服務平臺采用了基于容器方式集成多種應用，主要實現了容器管理、鏡像倉庫、邊緣自治、服務管理、運行分析、日志管理等功能。解決企業對多個應用的運行監控、版本管控、流量配置等日常管理問題。在本測試床中該平臺集成邊緣網關模塊實現數采協議能力。
圖：基于容器應用架構
本方案通過邊緣網關模塊提供邊緣數采及邊云協同應用能力，即可視化配置數采協議下發、遠程解決工業現場邊緣應用配置，具體如下：
圖：數采協議配置方式
本方案邊緣數采技術和現有技術相比，主要優勢在于：
1）更為全面地采集并存儲管理感知數據,為構造統一的基礎數據環境提供支撐。
2）能夠保證感知數據的實時性和序列性，即維持時態一致性，控制數據質量。
3）能夠更好的通過感知數據實時完成事件觸發，滿足本地事務的實時處理要求，通過實時事務調度處理技術滿足本地事務的執行。
4）提供云邊協同下更為高效便捷的數據同步能力。
5）能夠達成全生命周期管理中的切片化管理、實現連續狀態信息的切片化管理，在此基礎上建立信息查詢的檢索機制，支撐設備感知數據的快速查找與分析。
6）容器化部署實現服務編排、灰度發布及服務動態伸縮，提供離線自治、高可用消息通道以滿足工業特定場景的需要。
3.邊緣網關模塊
邊緣網關模塊是基于容器技術的規則引擎，提供邊緣應用執行環境、邊緣應用聚合、動態安裝數據采集與預處理服務，簡化設備互聯，實現云邊端協同，具有低延時、高可靠、可擴展、本地自治的特性，為工業互聯網提供更好的邊緣計算服務，解決現場設備組網難及邊緣服務升級的遠程維護問題。通過設備模型提供的外部服務對設備進行相應的指令控制，借助工業PON低延時的特性實現邊緣端的實時控制。
圖：邊緣網關模塊架構
主要功能如下：
1）邊緣引擎：采用容器化部署通過容器API實現對容器的監視與控制。
2）指令控制中心：對接邊緣應用引擎，負責所有網關的授權認證、連接管理、指令下發、資源監控等功能。
3）任務管理中心：對任務進行下發與狀態變更。
4）網關管理：主要對網關、協議的管控。
5）監控中心：負責應用和網關的監控監控分析等、網關設備運行的日志，按時返回管理平臺。
6）模型管理：主要用于設備模型、采集模型的管理。
7）邊緣商城：邊緣應用商店可納入第三方應用，用戶可根據業務需求選擇相對應的應用服務，平臺可對應用服務進行管控如授權、配置、監控等。
方案自主研發性、創新性及先進性
自主研發性主要體現在兩個方面：自主研發集成邊緣算力的工業PON融合網關和自研的工業PON自服務平臺。
1）工業PON融合網關從系統、模塊、軟件和關鍵部件等合作研制系列工業PON終端，滿足高可靠要求采用雙路選發的工業級設備，滿足邊緣計算要求采用容器化架構、內置六核高性能處理器支持神經網絡加載工業數采、視覺檢測等應用，支持20多種工業協議的數據采集。
2）工業PON自服務平臺是為行業客戶提供集網絡管控和輔助生產為一體的系統平臺，通過基于SDN的標準化原子能力接口和無碼化業務模塊組裝，具備工業數采、大數據分析、行業應用管理等功能，通過開放接口對接生產系統，支持秒級的高精度數據實時監控、多層算力的靈活調度，實現業務流程的敏捷開發和可視管理。
創新性主要表現在邊緣數采技術上：
1)是充分利用新一代互聯技術，以模型為載體完成實體工業設備微觀與宏觀的數字映射，實現感知數據的平滑流動，為后續各系統感知數據利用與分析提供支撐。
2)是通過工業PON融合網關的心跳輪詢使得網關狀態能夠被云端感知，結合感知數據庫的定時篩選，保證感知數據的實時性和序列型，加大云邊協同具備的優勢，提供更為穩定低時延的數采能力及邊緣應用執行環境。
3)是通過邊緣應用的形式進行數采協議的下發，使邊緣硬件的選擇更具有靈活性，滿足大部分企業的需求。
測試床實施部署
測試床實施規劃
【明確測試床實施的時間規劃。】
序號 | 任務內容 | 任務分解 | 實施時間 |
1
|
設備數據采集
| 數據采集施工方案輸出與評審 | 2022.7-2022.8 |
采集硬件部署 | 2022.8-2022.9 | ||
設備信息數據庫調試及校對 | 2022.9-10 | ||
2
|
應用軟件部署
| 邊緣智能系統部署 | 2022.10-2022.12 |
系統聯調 | 2022.12-2023.3 | ||
3
|
測試驗證
| 數據采集場景 | 2023.3-2023.4 |
工業視覺場景（擬規劃） | 2023.4-2023.6 |
表：測試床實施規劃表
測試床實施的技術支撐及保障措施
平臺基于容器技術的規則引擎，結合工業PON網絡，提供邊緣應用執行環境、邊緣應用聚合、動態安裝數據采集與預處理服務，簡化設備互聯，實現云、邊、端協同，具有低延時、高可靠、可擴展、本地自治的特性，為工業互聯網提供更好的邊緣計算服務，解決現場設備組網難及邊緣服務升級的遠程維護問題。通過設備模型提供的外部服務對設備進行相應的指令控制。總體功能架構具體包括邊緣應用引擎、指令控制中心、任務管理中心、網關管理、監控中心、平臺系統管理六個部分。
基于容器技術的規則引擎，提供邊緣應用執行環境、邊緣應用聚合、動態安裝數據采集與預處理服務，簡化設備互聯，實現云邊端協同，具有低延時、高可靠、可擴展、本地自治的特性，為工業互聯網提供更好的邊緣計算服務，解決現場設備組網難及邊緣服務升級的遠程維護問題。
測試床實施的自主可控性
1）采用標準制定的PON系統設備，包括OLT、ODN等
2）采用中國電信自主研發工業PON融合網關和工業PON自服務平臺
3）采用中國電信自主掌控的數采及視覺應用軟件能力
測試床預期成果
測試床的預期可量化實施結果
本項目建設完成后將成為國內第一批工業PON網絡集成的邊緣網關模塊管理面向防偽印刷制造業的整體工業PON+邊緣計算解決方案，建設云邊端協同的創新應用模式。依托先進、系統的智能制造網絡技術體系和標準體系，以應用示范促進技術成熟，帶動中國印刷制造產業化。
測試床的商業價值、經濟效益
在應用落地中鈔油墨工廠后，有望通過基于工業PON的邊緣智能系統應用，實現生產效率提升10%，設備利用率提升10%；網絡維護成本下降15%。
測試床的社會價值
“基于云邊端協同的工業PON邊緣智能系統測試床”建設是中鈔油墨踐行《中國制造 2025》和千兆光網賦能行業數字化轉型升級國家戰略的重要舉措。順應國家產業政策的發展要求，大大降低制造企業的生產成本水平，實現了降本增效，積極推進制造業數字化轉型；同時，通過項目建設形成技術新標桿，契合中鈔油墨作為行業數字化轉型典范的推動者和踐行者的愿景期望，增強市場競爭能力，鞏固中鈔油墨在同行業內的技術和領導地位。
測試床初步推廣應用案例
本測試床內容在中鈔油墨實際生產制造場景作為實際應用案例進行驗證，基于云邊端協同的工業PON邊緣智能系統測試床還可以在數采和工業視覺等類似業務場景中進行復制推廣，進而形成多行業多業務特點的應用案例。
測試床成果驗證
測試床成果驗證計劃
工業PON自服務平臺提供企業客戶工業PON網絡自主管控能力，測試床完成對數據采集和工業視覺場景下的準確性、穩定性、實時性的驗證。
測試床成果驗證方案
1.驗證云邊端協同的測試床性能
工業PON網絡傳輸能力，包括時延、帶寬、抖動、可靠性等。
2.驗證邊緣數采應用能力（包括數據采集能力、邊緣應用執行能力）
1）數據采集能力驗證方案：即通用設備數據采集準確性、穩定性、實時性的測試。設備數據成功上傳到云端平臺且準確穩定、實時，便可驗證數據采集能力得以實現。
2）邊緣應用執行驗證方案：即邊緣應用執行環境的成功部署，邊緣應用處理結果正確的測試。邊緣引擎成功部署，邊緣應用能正確完成輸入輸出，便可驗證邊緣應用執行成功。
與已存在AII測試床的關系
在2017年工業PON測試床的基礎上，基于云邊端協同架構，探索協議轉換、邊緣計算等創新應用，同時增加了工業數采和工業視覺等場景。
測試床成果交付
測試床成果交付件
軟著1項，專利1項。
測試床可復制性
以中鈔油墨測試床為基礎，可向推廣至其他印刷業，如出版業、包裝業和塑料業等；以印刷制造業為基礎，可向其他制造業推廣，如機械、電力、鋼鐵、能源和石化等領域。
測試床開放性
測試床建成后可以在上下游企業間進行復制推廣，工業PON自服務平臺納管廠商PON設備，并延伸工業數采、生產大數據分析、工業應用管理等內容，提升企業生產運營水平，幫助企業數字化轉型。
其他信息
測試床使用者
中國電信研究院負責解決方案部署、測試床部署與驗證；上海理想信息產業有限公司負責提供具體場景、參與測試床進行多場景的測試驗證。中鈔油墨提供測試床驗證環境及業務需求。
測試床知識產權說明
知識產權歸申請方單位所有。
測試床運營及訪問使用
測試床將部署于工業互聯網產業聯盟，由中國電信股份有限公司上海研究院、上海理想信息產業有限公司、中鈔油墨有限公司三方共同運營，其中電信提供技術支持。對測試床的訪問使用需經過申請同意，并通過付費、知識產權共享等方式有條件使用。
測試床資金
測試床建設資金來源于發起方中國電信集團公司。
測試床時間軸
2022年7月-10月：完成測試床在實驗環境下的和采集硬件部署，并調試校對設備信息的數據庫。在生產環境下完成基礎支撐和保障環境準備，包括完成網絡環境配置和測試，使之具備測試床的部署和測試條件。
2022年10月-2023年3月：完成工業PON自服務平臺的部署，并按照進行實施方案進行相關功能驗證，記錄驗證結果并撰寫測試報告。
2023年3-6月月：開始進行測試驗證，主要研究工業數據采集和工業視覺兩個場景，同時增加新的測試模型、探索全新環境下的測試驗證過程。
2023年6月：完成測試床的成果發布。
聲明
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