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騰訊云計算（北京）有限責任公司

1目標和概述

5G、AI、物聯網等技術的成熟帶來很多行業應用的創新和改革，如工業互聯網、車聯網、自動駕駛、云游戲、超高清視頻、AR/VR、遠程醫療、智慧零售、智慧園區等，這些新的應用會在端側產生大量的數據。同時，為了給用戶提供更加安全、穩定、優質的體驗，系統需要保證應用對端側產生的數據進行快速分析響應，并且確保數據隱私的安全可靠。中心云模式下，所有設備都連接中心云并將數據匯聚到中心云進行計算和分析，這會遇到如下的瓶頸和挑戰：

（1）容量及成本：邊緣端側的設備會產生海量的連接和數據。若這些連接和數據都采用中心云計算的模式，業務會消耗大量的公網帶寬和數據回傳的容量，如4K的高清視頻每秒都消耗至少10Mb/s的帶寬（8K視頻需要至少40Mb/s）。如果萬億設備同時連接中心，在目前運營商的網絡架構下沒有辦法滿足如此量級的帶寬需求。另外，數據同步到中心云分析的模式下，要比在邊緣進行分析所花費的成本更高。端側產生的數據有很大部分與業務無關，若在邊緣進行過濾及處理可以極大地降低用戶的運營成本。

（2）時延：5G技術解決端設備到基站的延時，但沒有辦法解決從基站到云計算中心的網絡延時，因此中心云計算的模式是沒有辦法滿足自動駕駛、云游戲、遠程醫療等超低時延的應用場景需求。

（3）安全：在工業互聯網、企業辦公等應用場景，用戶對數據的隱私安全有非常高的要求。由于自身業務的需求和國家的法律法規的約束，用戶無法將原始的數據同步到云中心進行計算和分析，這給中心云模式帶來極大的挑戰。

（4）連接：在邊緣場景中，邊緣節點可能通過有線、Wi-Fi、4G/5G等方式與管控中心連接，網絡質量不可控。如何在弱網或者斷網的情況下保證本地自治，在重連后保證業務快速恢復，也是邊緣計算場景的重要課題。

IECP物聯網邊緣計算解決方案打造云邊一體的云原生體系，通過邊緣集群納管邊緣節點，提供將云上應用延伸到邊緣的能力，聯動邊緣和云端的數據，滿足客戶對邊緣計算資源的遠程管控、數據處理、分析決策、智能化的訴求，具備邊緣自治、云邊協同、異構兼容等核心能力。

2方案介紹

IECP邊緣計算解決方案的系統架構如圖1所示。

圖1 IECP邊緣計算解決方案系統架構圖

騰訊云IECP能夠快速地將云中心的存儲、大數據、人工智能、安全等云端計算能力擴展至距離數據源頭最近的邊緣節點，幫助用戶在邊緣設備上創建可以連接IoT設備，轉發、存儲、分析設備數據的本地邊緣計算節點。通過打通云端計算服務，用戶可以方便地在本地使用設備接入、物聯管理、視頻監控以及AI分析等能力，對設備數據進行實時處理與響應，節約運維、開發、網絡帶寬等成本消耗。IECP核心能力如下：

（1）邊緣輕量化：相比于中心云，邊緣設備的資源緊張，可能只有2核4G內存甚至是更低的配置。因此，IECP采用云端管控架構，讓Master組件部署在資源豐富的中心側，邊緣側只運行資源消耗少的必要邊緣組件，降低邊緣節點的資源要求。在業務側，EdgeCore采用按需部署的搭積木方式下發邊緣應用，針對不同場景均可以最小集應用來滿足業務需求。

（2）邊緣自治：云邊網絡條件層次不齊，在弱網和斷網情況下要保證邊緣服務的穩定性。IECP通過搭建lite-apiserver，在云端請求不到的時候就會從本地緩存中取出相關組件管控緩存返回給請求端，保證邊緣服務的穩定以及重啟后從本地存儲中把業務容器加載起來。

（3）云邊通信及安全認證：邊緣節點一般是沒有公網IP的，邊緣節點可以主動訪問云端，但是云端卻無法直接訪問邊緣節點，所以需要云邊反向隧道進行打通。IECP同步部署tunnel組件，為云邊數據傳輸提供高效、安全的加密隧道。物聯網子設備到邊緣節點之間支持TLS-PSK、TLS-CERT雙向認證；邊緣節點到云后臺之間支持TLS-CERT雙向認證，如圖2所示。

圖2 云邊通信及安全認證

（4）邊緣物聯管理：IECP邊緣側軟件提供豐富的數據采集能力，支持Modbus、OPC-UA、LoRaWAN等協議，并提供RPC接口供用戶組件調用，屏蔽底層的硬件邏輯。另外，物聯網組件可提供完整的物聯網能力，包括設備接入、設備管理、消息路由、物模型、場景聯動、數據解析以及流式計算等，用戶只需要關注自身系統的業務邏輯，無需開發物聯網相關基礎能力。

（5）邊緣視覺分析：IECP可提供邊緣視頻組件，支持RTP、RTSP、RTMP、國標GB/T28181等主流協議，并提供視頻編解碼能力。騰訊云擁有業界領先的AI能力，平臺可將云端成熟的AI算法下發至邊緣側進行推理，根據業務要求輸出結構化及非結構化的分析結果。通過在本地處理視頻流及AI推理，可有效節省帶寬，降低云端壓力，并可與接入的物聯網設備實時聯動，推送告警。如圖3所示。

圖3 邊緣視覺分析架構圖

3代表性及推廣價值

騰訊云IECP采用商業+開源雙輪驅動的模式，已在產業界及開源社區形成廣泛的影響力。騰訊云于2020年將核心邊緣容器產品SuperEdge貢獻到開源社區，并于2021年9月14日通過了全球頂級開源基金會CNCF技術監督委員會的評定，正式成為CNCF沙箱項目。IECP已在多個領域積累了豐富的項目實踐，下面以智慧水務場景為例，重點介紹某省智慧水利及小水電站流量監控項目。

3.1項目背景及目標

傳統水利采用DTU/RTU方式上報數據，使用自定義傳輸協議，存在一數多源、數據可靠性較低的問題。某省水利廳、水科院聯合騰訊云，基于IECP打造了以邊緣物聯智能感知與監測為核心的水利、水務信息化系統，支撐全省河道、水電站的水文監測以及水要素全域感知。本項目使用邊緣網關作為計算節點，可有效解決“煙囪”林立和數據整合（數據采集存儲分散/時序不對應/標記不齊全）的問題，打通各類感知設備，實現場景聯動以及邊緣智能，提供智能預警，輔助決策。與傳統方案的架構對比如圖4所示。 

圖4 傳統方案與IECP方案架構對比圖

3.2方案架構

采用“云-邊-端”架構帶動水務系統的技術升級，根據業務需要分級處理，云邊協同，為流域水生態環境管理提供信息化管理和決策支持。如圖5所示。

圖5 水利物聯網應用架構圖

3.2.1“云”側

以騰訊云物聯網平臺為基礎，建設水務物聯網監測感知平臺和視頻感知平臺，采用微服務架構解耦業務和數據，解決異構系統架構和數據統一管理。作為城市物聯網的水務行業平臺，承擔全省水務市級建設的所有物聯監測感知設施的監測站和視頻站的統一數據的接收、解析、存儲與服務，實現與區級、市級委辦局間所有感知相關數據的統一匯聚接入和共享服務。

物聯網平臺通過開放的API接口和主站應用進行對接。通過物聯網平臺實現了感知層的物聯網設備和上層應用之間的解耦，加快了上層應用的迭代速度。業務功能軟件微服務化后，多業務部門的微服務都可運行在物聯網平臺上，實現充分的信息共享，打破原有業務系統的信息“煙囪”。

3.2.2“邊”側

（1）邊緣計算平臺：騰訊云物聯網邊緣計算平臺IECP提供云邊一體的邊緣計算框架，能夠快速地將業務應用部署至距離數據源頭最近的邊緣節點，幫助水務行業客戶在邊緣計算設備上快速實現以下功能：

· 多協議物聯網感知設備接入和協議轉換；

· 視頻接入及錄像、存儲、轉發、視頻錄像截圖上傳下載；

· 視頻流字幕打印、IoT設備數據聯動；

· 邊緣智能推理分析、輸出符合水利特點的識別結果以及預測分析，如水位、船只、漂浮物等。同時，IECP提供豐富的物聯管理能力，包括場景聯動、流式計算和消息路由等，對設備數據進行處理與響應，節約運維、開發、網絡帶寬等成本消耗。

（2）邊緣硬件：開發適用于流域水生態環境監測體系的邊緣網關設備，將高帶寬、低時延、本地化的業務下沉到網絡邊緣，解決時延過長、匯聚流量過大等問題，從而為實時性和帶寬密集型業務提供良好支持。如圖6所示。

圖6 基于視覺AI的水位識別場景

（3）邊緣智能：通過騰訊云業界領先的目標檢測、圖像分割等人工智能技術，基于海量水利視頻、圖片數據，創建神經網絡模型，結合傳統圖像處理等技術，構建了一套高精度、高適用、高效率的智能水環境監測系統。以基于視覺AI的水位識別場景為例：

· 經過了二次噪聲處理后，算法的適用性更強，在圖像存在噪點、光線變化等環境影響因素的情況下，能更好地適應不同的情況；

· 經過邊緣刻度的精確測算后，邊緣刻度比例更加清晰，識別精度從一個刻度的長度（5cm、10cm等）提升至像素級別（2cm之內）；

· 整體水尺長度以及水深計算中，水尺整長、刻度長度已實現可配置，可根據不同類型、場景進行快捷調整；

· 算法避免了過多、過復雜的模型串行，使得程序運行的效率更高，從而滿足業務需求。

4總結

作為行業數字轉型的核心能力底座，邊緣計算已由技術概念期進入到期望峰值期，成為未來計算的重要趨勢之一。隨著數字轉型的深入，邊緣計算在行業應用深度和廣度上將得到進一步加強，充分利用近用戶側的先天優勢，為行業用戶提供低成本、高質量的服務。IECP物聯網邊緣計算解決方案作為垂直行業數字化落地的“助推器”，將與人工智能、大數據、5G等各類新興技術緊密結合，通過將各類技術“邊緣計算化”，實現邊緣計算服務能力升級，滿足行業應用需求，推動邊緣計算產業快速落地。

摘自《自動化博覽》2022年2月刊