Strategie i standardy uruchamiania rozwiązań przetwarzania brzegowego

in English

W publikacji „Przetwarzanie brzegowe w środowisku przemysłowym” dokonano omówienia i przeglądu różnych form przetwarzania brzegowego, dlatego poniżej zamieszczamy więcej informacji na temat tego, jak przetwarzanie brzegowe jest wdrażane w środowisku przemysłowym przy uwzględnieniu jego skalowalności, niezawodności, opóźnienia i danych/przepustowości, a także omówimy wspierające standardy IEEE.

Jednym z najważniejszych czynników dla każdego inteligentnego zakładu przemysłowego jest to, jak poradzić sobie z rosnącymi wymaganiami dotyczącymi zarządzania ogromnymi ilościami danych wejściowych z czujników i zapewnić usługi, które mogą zaoferować dzisiejsze systemy sterowania. Zgodnie z tym, co zostało omówione w sekcji „Czym to jest przetwarzanie brzegowe?", odpowiedzią na to pytanie jest przyjęcie przetwarzania brzegowego jako części strategii Przemysłu 4.0. Przetwarzanie brzegowe to oparta na chmurze warstwa pośrednia, która łączy centralną chmurę z krawędziami, dostarczając wyspecjalizowane usługi przy użyciu sprzętu i oprogramowania.

Wdrażanie przetwarzania brzegowego

Kluczowymi komponentami przetwarzania brzegowego są: chmura (może to być chmura publiczna lub prywatna, która posiada repozytorium dla kontenerów, a także do hostowania i uruchamiania aplikacji), urządzenia brzegowe (sprzęt wraz z czujnikami posiadający ograniczone zasoby obliczeniowe), węzeł brzegowy (odnoszący się do dowolnego urządzenia brzegowego, serwera brzegowego lub bramy brzegowej, na których może być wykonywane przetwarzanie brzegowe), serwer brzegowy (typowo używany do uruchamiania aplikacji korporacyjnych i usług współdzielonych) oraz bramka brzegowa (zdolna do hostowania aplikacji korporacyjnych i dostarczania usług sieciowych). Urządzenia brzegowe to sprzęt fizyczny znajdujący się na obrzeżach sieci, który posiada wystarczającą ilość pamięci, mocy obliczeniowej i zasobów obliczeniowych, aby gromadzić, analizować i przetwarzać dane w czasie zbliżonym do rzeczywistego przy niewielkim wsparciu ze strony innych części sieci. Różne urządzenia brzegowe oferują różne poziomy przetwarzania, mogą one również filtrować dane, zapewniając, że tylko ważne zmiany są wysyłane do chmury w celu dalszej analizy. Poza tym przetwarzanie brzegowe jest bardziej odporne na błędy, a poprawki mogą być wprowadzane natychmiast. Nawet w scenariuszach z mniejszą siłą sygnału, przetwarzanie brzegowe byłoby w stanie niezależnie wspierać urządzenia.

Konteneryzacja jest jednym z najczęściej wykorzystywanych sposobów na to, aby programy były kompatybilne z wykorzystaniem chmury. Program jest pakowany razem ze wszystkimi wymaganymi bibliotekami systemu operacyjnego przy użyciu technologii dostarczanych przez podmioty takie jak Docker, a kompletny kontener jest przenoszony z serwera na serwer w miarę zmieniających się potrzeb. Ten ruch jest często wykonywany za pomocą Kubernetes i podobnych narzędzi, które monitorują dostępność sprzętu i inne czynniki, aby określić, kiedy i gdzie kontenery powinny być uruchamiane. Scentralizowana struktura chmury obliczeniowej jest coraz mniej wydajna w przypadku zadań przetwarzania i analizowania ogromnych ilości danych gromadzonych z urządzeń IoT ze względu na transfer danych przy ograniczonej przepustowości sieci. Metody wstępnego przetwarzania znacznie minimalizują ilość transportowanych danych, ponieważ przetwarzanie brzegowe przejmuje obowiązki obliczeniowe ze scentralizowanej chmury i przekazuje je na krawędź w pobliżu urządzeń IoT.

Jak pokazano na rysunku, platforma IoT Connect® umożliwia systemowi szybkie łączenie, gromadzenie i generowanie wartościowych spostrzeżeń z danych w całym przedsiębiorstwie. Platforma IoT Connect składa się z różnych komponentów, takich jak narzędzia, technologie, zestawy rozwojowe oprogramowania (SDK), interfejsy API i protokoły. Dostarcza ona matrycę urządzeń, czujników, bramek, urządzeń uruchamiających i innych modułów. Urządzenia te gromadzą różne rodzaje danych w różnych odstępach czasu, które mogą być następnie monitorowane, filtrowane i przetwarzane w czasie rzeczywistym, aby zapewnić użytkownikowi użyteczne informacje. Istnieje także możliwość tworzenia nowych strumieni przychodów i modeli usług poprzez szybkie wdrażanie rozwiązań, które skalują się w środowiskach produkcyjnych.

Rysunek: Ekosystem łączności w obrębie Internetu Rzeczy (IoT)

Standardy IEEE dla przetwarzania brzegowego

Na chwilę obecną istnieje kilka kwestii, które pozostają nierozwiązane, ponieważ nie są one odpowiednio dookreślone, a przetwarzanie brzegowe nie jest jeszcze w pełni zdefiniowane. Ponadto istnieją wyzwania, z którymi trzeba się mierzyć podczas wdrażania procesów przetwarzania brzegowego, takie jak zarządzanie całym systemem, definiowanie i tworzenie mgieł i krawędzi, zapewnienie przepływu pracy oraz dostarczanie usług przetwarzania brzegowego (obliczeniowych, magazynowych i sieciowych).

Międzynarodowa konferencja IEEE poświęcona przetwarzaniu brzegowemu (IEEE International Conference on Edge Computing, EDGE) ma na celu ustanowienie własnej podmiotowości jako głównego międzynarodowego forum dla naukowców i praktyków przemysłowych; zakłada ono omawianie najnowszych fundamentalnych postępów w dziedzinie teorii i praktyki przetwarzania brzegowego, identyfikowanie pojawiających się tematów badawczych i określanie przyszłość przetwarzania brzegowego. EDGE odpowiada za lokalne udostępnianie zasobów i łączność z chmurą. Poniżej wymieniono kilka standardów IEEE definiujących rozwój w kierunku EDGE.

IEEE P1935 Standard dotyczący możliwości zarządzania i aranżacji przetwarzania brzegowego/w obrębie mgły obliczeniowej	Ten standard definiuje i harmonizuje możliwości zarządzania, zarządzanie i aranżację w zakresie przetwarzania brzegowego/w obrębie mgły obliczeniowej. Obejmuje on funkcje i usługi znajdujących się w otoczeniu, samoświadomych zasobów, możliwości zarządzania, zarządzanie i aranżację. Określa również członkostwo i zachowanie się zasobów otoczenia w ramach społeczności lub sąsiedztwa na obrzeżach/w obrębie mgły obliczeniowej, jak również strukturę i cel społeczności przetwarzania brzegowego/w obrębie mgły obliczeniowej.
IEEE P2805.1 Protokoły samozarządzania dla węzła przetwarzania brzegowego	Ten standard określa protokoły samozarządzania dla węzła przetwarzania brzegowego. Wymagania te obejmują protokoły zarządzania samoorganizacją, samokonfiguracją, samoodzyskiwaniem i samoodkrywaniem pomiędzy wieloma węzłami przetwarzania brzegowego.
IEEE P2805.2 Protokoły akwizycji danych, filtrowania i buforowania dla węzła przetwarzania brzegowego	Ten standard określa protokoły używane przez węzeł przetwarzania brzegowego obsługującego buforowanie, filtrowanie i wstępne przetwarzanie danych pozyskanych ze sterowników, w tym programowalnych sterowników logicznych, komputerowych sterowników numerycznych (CNC) i robotów przemysłowych. Dane pozyskiwane z urządzeń polowych z różnymi interfejsami muszą być automatycznie przechowywane, filtrowane i odpowiednio obliczane z chmur przemysłowych i innych węzłów przetwarzania brzegowego.
IEEE P2805.3 Protokoły współpracy w chmurze dla uczenia maszynowego	Ten standard określa protokoły współpracy umożliwiające uczenie maszynowe w węźle obliczeniowym na obrzeżu ze wsparciem chmur przemysłowych. Zapewnia referencje implementacyjne dla uczenia maszynowego na mniej zasilanych, tańszych, wbudowanych urządzeniach.
IEEE P2961 Przewodnik po ramach architektonicznych i aplikacjach dla wspólnego przetwarzania brzegowego	Ten przewodnik definiuje ramy uczenia maszynowego, które umożliwiają dekompozycję i dystrybucję zadania obliczeniowego na węzłach brzegowych i w chmurze. Określa on ramy architektoniczne i wytyczne dotyczące aplikacji dla wspólnego przetwarzania brzegowego. Dostarcza również schemat wykorzystania danych, uczenia modeli i współpracy obliczeniowej w środowiskach przetwarzania brzegowego.

Nie przegap naszych innych inspirujących blogpostów, w których omawiamy różne formy przetwarzania brzegowego, takie jak: Rozwiązań przetwarzania brzegowego Thick, Thin i Micro Edge. Integracja rozwiązań przetwarzania brzegowego w sterownikach programowalnych automatyki (PAC) i logicznych (PLC), Zagrożenia i rozwiązania w zakresie bezpieczeństwa przetwarzania brzegowego.