边缘计算用到的数学方法（4个案例整篇干货）

(中国计算机世界出版服务公司出品)

企业可以通过多种形式将处理能力和存储放置在企业网络的边缘，以实现更快的响应时间和更低的带宽需求。

边缘计算对不同的用户意味着不同的事情。不过，有一件事是不变的，那就是位置很重要。

有了边缘计算，即使与网络连接中断，自主采矿设备也可以对地下一英里以下的意外情况做出反应。当酒店客人通过手机下单点菜并希望将菜送到游泳池边上时，边缘计算可以引导使用距离客人最近的服务器。

目前，在各个行业中，传感器、智能设备和移动用户的数量正在激增。为了应对越来越多的需要就地处理的分散数据，企业开始投资边缘计算。低延迟对于许多应用程序至关重要，而边缘计算可消除将数据移至数据中心或公有云进行处理的时间。

另一个因素是将数据回传到数据中心的成本。就地进行处理和分析可以减少对昂贵带宽的需求。

在沉浸式交互领域，边缘计算可以让实时数据的生成更靠近人类和机器。据Gartner的数据显示，到2022年，在由企业生成的数据当中，超过50％的数据将在数据中心或云端以外的地方进行创建和处理。

边缘计算部署并不是孤岛式的。边缘基础设施通常通过企业数据中心或云端进行集中管理。边缘服务可通过内容交付网络、托管服务提供商和云服务提供商交付。目前这些服务商正在通过区域数据中心、本地微数据中心和电信发射塔上的计算能力来扩展自己的业务。企业IT的主要任务是集成传感器、移动设备、接入点、网关、边缘服务器、存储和网络设备等所有组件，并对从边缘扩展到本地和云数据中心的操作进行管理。

Gartner认为，在边缘计算的使用方面，企业目前倾向于先从由卖方或系统集成商主导的单一简单用例入手进行尝试。经过几年时间后，企业将开始尝试各种边缘计算用例。Gartner预测，到2023年底，超过50％的大型企业将对于物联网或沉浸式体验至少部署6个边缘计算用例，这一数值与2019年的不到1％形成了鲜明对比。

以下是4家不同行业中的企业关于他们在边缘计算方面的尝试，以及他们在员工安全、生产力、客户服务和收入方面的经验。

边缘计算加快了

人工智能维护货运列车的速度

闲置时间是货运列车运营的敌人。Duos Technologies的首席运营官Scott Carns指出，铁路公司以平均速度来衡量货运列车的性能，这一数值通常在每小时35-37英里之间。“平均速度每提高一英里，盈利就相当于增加了一千万美元。为此，人们大力对那些能够提升效率的技术进行投资。”

导致货运列车速度放缓的一个因素是检查。在北美地区，当货运列车越过铁路线时，运营商必须要抽出时间对车辆进行强制性检查。从以往经验看，工人需要对停放在铁路货场的列车上的机械部件进行目视检查和物理检查。为了简化该过程，Duos开始使用部署在货场上传感器、成像设备和分析工具。

Duos公司正在建设多个铁路检测门，检测门就像大型车棚一样。列车通过Duos检测门会被自动检查，不必降低速度，也不用像以往那样进入检查场进行物理检查。检测门配备有可照亮列车的大功率LED灯和可以高速捕获图像的摄像头。

Carns说：“我们修建的这些大型检测门可供列车以每小时40、50、60英里的速度穿越。在列车穿越时，我们从各个角度对整个列车进行成像，然后通过AI算法寻找用例或机械缺陷。该系统可以检测出漏油、零件损坏和舱门缺失的情况，并指出需要修复的问题。”

系统可以从九种不同的摄像机视角观察每节列车。每部摄像机会产生大约1GB的数据，因此一节列车大约会产生9GB的数据。一列普通火车大约有120节车厢，因此每列火车生成的数据量约为1TB。由于全美的许多跟踪站点都位于偏远地区，导致可用的WAN带宽各不相同，加之数据量巨大，这使得将数据发送到中央数据中心进行处理变得不切实际。

与Duos检测门相邻的是IT系统房间。每个房间放置有两个安装有Dell XR2服务器和PowerVault存储的45U机架。Carns说：“我们的想法是在轨道旁边修建一个小型数据中心，以在边缘处理所有数据。”

为了遵守铁路安全法规，检查工作必须迅速展开，以便在火车到达附近的车站时可以进行维修。“我们必须近实时地进行检查工作，因为列车必须在到达目的地之前完成检查。”

另外，根据检测门位置的不同，每天可能有30到40列火车通过。在下一列火车通过之前，处理工作必须完成。这些数据密集型操作会在轨道旁边迅速完成。

Duos大约在18个月前从Dell的PowerEdge VRTX刀片服务器迁移到XR2。因为XR2平台可使系统更具模块化。

考虑到服务器必须承受的环境条件，对服务器进行额外的加固也很重要。例如，作为Duos检测门部署地之一的加拿大温尼伯，那里的温度在夏天可以上升到90度，在冬天会下降到零下40度。在铁路行业最大的挑战之一是维护和可维护性。除了军事和海洋应用之外，就属铁路了。Duos还计划继续扩大其检测门的建设。在未来几年中，该公司预计将部署60或70套。

在开发方面，该公司也将继续扩大其AI应用程序的范围。最近，Duos开始使用热成像技术来捕获和分析安装在列车车厢下方的电力牵引电机在不同温度下的运行情况模型。此举旨在为这些容易损坏和烧坏的昂贵零件提高预测性维护。

位置感知应用程序让酒店客房变得更加智能

在边缘执行大量操作有时可以减少硬件数量。在Nobu Hotels，经过升级的无线基础设施正在以更少的专有硬件支持更多的物联网和由AI驱动的应用程序。

Nobu目前正在对其酒店的网络基础设施进行标准化改造，以使Wi-Fi接入能够与访客和员工的应用程序融合在一起，这其中包括内容交付、照明控制、门锁和安全警报。Nobu Hospitality的全球IT主管Rodney Linville说，这样可使Nobu简化其现场硬件要求，从而达到节省时间和资金的目的。

Linville说：“为了简化酒店的开张工作以及将高科技与酒店有机地融合在一起，我需要确保所选择的技术能够做到这一点。我们希望能够马上实现这些，而不是等到将来。”

为此，Nobu开始在位于芝加哥、华沙和伦敦的三家新酒店部署Aruba设备。该设备使用了Aruba的边缘和核心交换机，基于角色和设备安全网络访问控制的ClearPass策略管理器，以及支持运行WLAN、Zigbee、蓝牙和第三方协议的IoT设备的位置就绪型访问点。

网络基础设施支持酒店的移动POS机、财产管理系统和访客应用程序等管理型应用程序。此外，它们还可为酒店客房提供门锁、温度控制、酒店服务等技术。客人可以使用自己的移动设备办理入住、退房、订房服务，要求更换床上用品，或是升起窗帘。员工可以监视房间的进出，对门锁进行重新编程，或处理客人在紧急情况下的求助。

Linville说：“能够在房间中的任何地方建立连接，并能够控制房间中的服务，这就是我们客房的改造要求。”Nobu的目标是允许客人使用自己的手机或无线设备来管理酒店的服务，管理房间内的不同系统（例如门锁、电视或空调）。

为了实现这一目标，IT团队正在将Aruba接入点中的蓝牙信标和Zigbee网关与可实时生成、分析数据并根据数据采取行动的IoT和分析应用程序进行配对。

此外，Nobu还开始将Aruba的基础设施与ASSA ABLOY全球解决方案的访问控制技术集成在一起。ASSA ABLOY技术可让客人使用智能手机在线办理入住手续并打开客房的门锁。过去，Nobu必须为ASSA ABLOY非接触式进入系统部署专用的室内网关。通过集成，Nobu可以使用Aruba接入点来保护室内智能门锁与集中式门锁管理软件之间的通信安全，而不再依靠单独的Zigbee网关。

Linville要求ASSA ABLOY使用Aruba硬件替代专用的网关。Linville说：“这些专用网关几乎可以在酒店内部另设一个网络来控制客房的门锁。当我们已经在酒店中部署了这项技术时，我们不想为此付费。”

另一个关键项目让Aruba设备与第三方员工安全应用程序共同使用。React Mobile提供了便携式应急按键，在酒店员工遇到客人受到威胁或紧急医疗事故等危险或威胁情况时可随时提醒安全人员。该警报系统整合了基于位置的服务，过去它们需要IT部门进行部署和作为一个独立的网络进行维护，房间中安装的蓝牙信标也是专用的。

通过系统整合，Nobu可以使用Aruba带物联网功能的接入点来提供必要的连接性。如果员工按下React Mobile智能手机应用程序上的“帮助”按键，那么Aruba接入点中的蓝牙信标将使用该应用程序确定用户的位置，通过Wi-Fi发送帮助请求。

在Nobu的要求下，多家供应商通力合作，及时整合了他们的系统，最终使位于芝加哥的酒店得以开业。这些部署需要反复试验，努力都会得到回报。有了芝加哥的经验后，华沙酒店相关设施部署的就变得非常简单了。

Aruba也有意愿投资研发和探索AI。Linville说：“我们选择Aruba的原因之一是因为他们像我一样渴望进行这些类型的整合。他们看到了其中的价值。”

Nobu使用Aruba平台的另一个考虑因素是安全性。Aruba设备集成了具有基于角色的防火墙和入侵防御功能。这些功能可帮助Nobu让其移动POS应用程序符合支付卡信息（PCI）数据安全要求。其他的企业供应商也可以提供这种安全性，但是他们需要在网络中添加新的设备。

位于边缘的超融合基础设施简化了IT工作

多年前对超融合基础设施（HCI）平台进行的展示引起了Jeff Miller的关注，但是该系统的规模却是一个大问题。Miller说：“我个人认为当时的展示非常完美，只不过我需要的规模并不需要那么大，再小10倍就可以了。”为此，他与供应商Scale Computing一直保持着联系，并密切关注着HCI的发展，直到使用规模可以满足他的需求。

Jerry's Foods在明尼苏达州和佛罗里达州开设了50多家零售店，主营日用百货、酒类和五金。Miller是该公司的IT总监。过去，每家分店都有虚拟服务器和SAN，但是这些老旧的系统难以管理且维护费用不菲。如今，Jerry's Foods部署Scale Computing的HE150边缘设备项目已经接近尾声。此举使得该公司能够重构其整个IT战略。

HE150基于Intel NUC mini PC构建，使用了NVMe存储的全闪存计算设备，其尺寸大约为三台智能手机堆叠在一起，功能包括灾难恢复、高可用性群集、滚动升级和集成的数据保护。

就地处理对于一些核心商店应用程序至关重要。例如，产品信息需要在现场进行管理。这些商店的商品项目有6.5万至7万种。这些商品需要在数据库中被跟踪，随着供应商对其产品进行更改，该数据库会不断更新。POS交易依赖数据访问，其中包括UPC代码、供应商编号、产品类别和价格。所有这些都必须驻留在本地，并且可以在本地被查看。

另一个重要的现场应用程序是电子福利转移（EBT）系统。为了验证资金的可用性，该系统要求本地POS应用程序与美国政府运行的系统之间交链。由于采用了集群化，这使得HE150基础设施具有高可用性。将EBT应用程序迁移至HE150基础设施后，该基础设施会与美国政府的系统执行ping操作，以确认用户的账户情况。如果购物者无法使用EBT资金，他们会选择在其他可以使用EBT资金的地方购物。这会对Jerry's Foods的销售业绩产生重大影响。Miller说：“例如，如果明尼阿波利斯的Lake Street商店不能使用EBT，那么不到一个小时，我们就可能会损失4万美元。”

目前店内的工作负载在计算和智能方面都不繁重，这主要是由于美国社会动荡所致。在今年夏天明尼阿波利斯的骚乱中，一家分店受到了严重破坏。目前Jerry's Foods正在对其进行重建，包括强化的建筑物安全系统，这些工作将给本地IT资源带来更多负担。在其他地方，Jerry's Foods正在考虑安装太阳能屋顶，以降低能源成本，如果建成的话，店内的空调系统将实现智能化。

借助边缘设备，Jerry's Foods可以自定义在每个位置运行的应用程序。在边缘处理要求更高的分店，Miller计划部署Scale Computing的大型HCI设备。目前，决定使用多大规模取决于本地需要存储多少视频。Miller 说：“无论是大还是小，对我们来说仍然是优势。”

从总体上看，Scale Computing设备减少了IT部门花在管理店内基础设施上的时间，因为所用的资源变少了。与传统的虚拟化系统相比，Jerry's Foods的此次部署预计将在五年内将每个实例的成本降低一半。Miller说：“关于Scale的好处是，所有的老旧基础设施都消失了。我们也可以完全摆脱VMware了。”与此同时，许多专用硬件设备也将被淘汰。过去，所有的分店都必须为某些应用程序维护其专用硬件。

Jerry's Foods还有一些分店将换用新的边缘基础设施模型，该模型将于明年春季完成。Miller的下一步计划是考虑将云存储与运行在边缘的应用程序联系起来。

IT/OT融合技术在采矿业中大放异彩

瑞典矿业和冶炼生产商Boliden 公司的工人正在开采铜、锌、铅、金和银，只不过他们在舒适的地面控制室中进行，而不是在地下巷道中进行井下做业。

在瑞典加彭贝格的Boliden工地，自主采矿设备在不适合派工人下井工作的地方运行。这些地方充满了灰尘和振动，并且容易渗入水和产生有毒气体。在这种环境中，通讯设备也无法正常工作。

多年来，自动化一直在改变着采矿业。Sandvik Mining and Rock Technology（山特维克矿山和岩石技术公司 ）早在2004年就制造了第一台自动采矿设备。如今，在地下矿井中完全自主运行的设备是目前最先进的设备。Sandvik矿业信息管理产品线经理Petri Mannonen说：“车载计算机可以独立控制机器，而无需人工干预。”Petri Mannonen主要负责为凿岩、破碎、筛分、装载、装载、拖运、挖掘和拆除等作业提供设备和服务。

采矿业现代化的主要发展动力是员工安全。因为地下采矿是一个危险的环境，让工人们远离危险的环境可以提高安全性。

另一个关键目标是提高运营效率。

随着采矿技术的进步，对网络连接性的要求也越来越高。不仅仅是笔记本电脑在地下运行，具有网络连接功能的机器对于运营来说更是至关重要。随着挖掘工作变得越来越智能，连接性也被从小型专用网络扩展到整个矿山网络当中。借助覆盖性更高的连接性，矿业公司通过检测可以使人员、设备与其他资源保持安全距离。在紧急情况下，高可靠性的连接可为通信协调和响应提供帮助。

Sandvik为Boliden公司的Garpenberg矿井提供了采矿设备和运营软件。这些软件可以通过有线或无线连接思科的工业物联网IoT网络。Sandvik的AutoMine软件可实现对地下采矿设备进行自主控制和远程控制，控制室里的工程师可以跟踪资源情况并根据需要进行调整。此外，Boliden还使用了Sandvik的OptiMine软件从采矿设备中收集数据并进行分析，以优化生产。

为了确保环境和设备的安全，从设备到控制室再到安全解决方案都需要一个强大而可靠的通信网络。为此，Boliden在网络方面使用了由思科的工业交换机和接入点构建的低延迟物联网网络。

网络在地下必须保持连通状态这是一条硬性要求。思科物联网全球销售董事总经理Dave Wilson说，这种连通性帮助采矿行业实现了转型，尤其是Sandvik的商业模式。

Wilson说：“现在，我们能够在恶劣环境中提供联网功能，让设备可以连接到网络。这使得Sandvik能够对其业务模型进行重构并进一步发展。联网功能也使得车辆变得更智能。加入了工具、传感器和软件后，车辆变成一个可以分析正在发生事件的大型传感器。用户可以根据分析数据优化整个流程。”

尽管Garpenberg矿井位于地下一英里处，但是工程师可实时跟踪人员和设备的情况。车载传感器可以帮助导航并跟踪设备的健康状况，以确保其处于最佳运行状态。而收集到的数据还有助于制定业务决策。

这些功能使得采矿作业发生了革命性变化。自动驾驶的卡车可以自主行驶，“驾驶员”不会感到疲倦。这些车辆在矿井中的精度可以达到厘米级，并且可以前往以前从未开采过的地方。

许多计算是在矿井最远处的边缘独立进行的。由于设备可以在网络覆盖面积不佳的区域中工作，因此许多分析工作是在车辆上完成的。

更高级的分析是在地面上完成的。通常，设备收集的物联网数据要么发送到存储数据的本地中央存储库，要么发送到云端进行分析。随着边缘计算的发展，IT系统与运营技术的融合趋势在采矿业得到了彰显。

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