融合 5G 与边缘计算 加速电力行业智能化转型

英特尔支持国网信通构建 5G MEC 解决方案,打造电力 5G 网络,实现云边协同。

引言:

  • 电力 5G 网络的构建,成功将电力业务数据从公网转移到更加独立、安全的电力专网内,专网专用,在实现数据高性能、低延迟处理的同时,也更好地保障了信息安全。第二代英特尔® 至强® 可扩展处理器、英特尔® FlexRAN 参考架构、OpenNESS 等先进产品与技术的引入,在帮助新方案实现高效边缘数据处理、灵活便捷的无线接入之余,也有效提升了边缘应用开发部署和云边协同的效率,使多种电力应用场景实现了智能化。

  • 赵训威 资深专家 国网信通

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国家电网有限公司 (以下简称 “国家电网”) 旗下的国网信通产业集团 (以下简称 “国网信通”) 为积极响应国家 “新基建” 战略,应对自动化、智能化设备所需的大量信息传输和数据处理需求,正基于 5G MEC (Mobile Edge Computing) 解决方案构建电力 5G 网络,计划将数据从公网转移到专网进行传输与处理,以更好地保障数据安全,并充分结合 5G 网络高带宽、低延时、大连接的特性,在边缘就近实施业务卸载和高速处理,进而实现出色的云边协同能力,以提升业务效率。
                                
为高效地推进这一方案的构建与部署,国网信通携手英特尔等合作伙伴,通过引入第二代英特尔® 至强® 可扩展处理器、英特尔® FlexRAN 参考架构以及开放式网络边缘服务软件 (Open Network Edge Services Software,OpenNESS) 等一系列软硬件产品与技术,在 5G 白盒一体化小站设计、统一边缘应用管理以及高性能计算处理等方面为新方案提供助力。

目前,基于新方案的电力 5G 网络已在多个真实场景中进行了部署实践,并收获了来自一线的良好反馈,即将成为加速整个电力行业智能化转型的新助力。
                                
基于 5G MEC 的全新解决方案为电力 5G 网络带来的应用优势:
 

  • 基于 5G MEC 新方案的电力 5G 网络架构,能充分利用 5G 网络高带宽、低时延、 海量连接等特点,为高性能电力应用场景提供支持,并强化信息安全保障; 
  • 通过引入英特尔® FlexRAN 参考架构,5G MEC 解决方案能快速实现基于软件定义的虚拟网络接入方案,支持多终端灵活接入,为电力应用实现低延时服务奠定基础; 
  • OpenNESS 能抽象化地去除网络复杂性,加速边缘应用开发部署效率,且该平台基于微服务架构实现,便于集成管理,支持应用快速更新升级; 
  • 第二代英特尔® 至强® 可扩展处理器集成了英特尔® SST-BF (Intel® Speed Select Technology - Base Frequency) 技术,能为 5G MEC 场景所需的大规模用户面数据转发需求提供工作核心主频提升的支持,进而提高工作效率并降低整体功耗。 

多年来,贯穿发电、输电、变电、配电、用电等一系列环节的电力行业各业务场景,都对数据传输与处理有着层出不尽的需求。无论是在线路巡检、资源调度,还是在建设运维、安全生产过程中,都有大量电力设备、管线和监控系统在吞吐、交换和处理着海量的数据。而随着越来越多的智能化应用被引入电力企业,数据处理需求更是进一步激增。

以往电力行业一般使用 4G、WiFi、以太网、串口 / 载波等通信方式实施数据交换和信息传递,但这些方式往往有着通信时延较大、数据安全性无法保障、部署与接入灵活性较弱,以及可靠性不足、带宽有限等问题。以巡检机器人为例,由于通信带宽和终端处理能力有限,以往机器人一般只能配备单摄像头,巡视面不足且结果需由人工做分析,容易造成误差。当网络环境较差时,也可能因较大通信时延而造成响应延迟,带来安全隐患。同时更多关键业务数据通过公网传输,也会带来数据安全隐患。

有鉴于此,国家电网开始借助 5G 技术的发展来加速电力行业的数字化转型。作为网络与人工智能 (Artificial Intelligence, 以下简称 AI ) 自下而上的天然融合,5G 基于增强型移动宽带 (Enhanced Mobile Broadband, eMBB)、海量物联网通信 (massive Machine Type Communication, mMTC) 与超高可靠低时延 (Ultra-Reliable Low Latency Communication, uRLLC) 三类场景的技术创新,以及 MEC、网络切片等关键技术,能针对电力行业的需求提供定制化的网络服务,并在带宽、时延及连接规模上实现更优的匹配,从而有效提升资源使用效率,减少基础建设投入。

作为国家电网旗下的专业子公司,国网信通携手英特尔,针对电力行业真实业务场景中的一系列需求,结合 5G 与 MEC 技术带来的网络传输与边缘计算优势,通过 5G 综合智能柜 (5G in box) 等产品,以全新的 5G MEC 解决方案构建电力 5G 网络,并引入第二代英特尔® 至强® 可扩展处理器、英特尔® FlexRAN 参 考 架 构 以 及 O p e n N E S S 等 软 硬 件 产 品 与 技 术 ,为 5 G  M E C 方案的构建提供了强有力的算力、架构与软件方案支持。


为电力行业提供强力专网支撑和云边协同能力

电力行业的各业务场景通常都有业务流程长、覆盖广且需求复杂多样,同时对数据安全要求较高等特点,因此国网信通在进行电力 5G 网络设计时,着重考虑以下两个因素:
 

  • 与 5G 公网形成互补优势: 融合 5G 公网和专网的不同优势, 一方面利用 5G 公网的覆盖优势,解决电网 “真正最后一公里” 的通信接入问题; 另一方面,通过优化传输路径,将核心业务数据从公网中剥离,再导入电力专网,来应对电力业务通信时延及数据安全问题; 
     
  • 形成高效MEC计算处理节点: 将边缘节点升级为数据计算处理的能力中心。一方面利用 5G 核心网虚拟化、用户面与控制面分离、可灵活部署的新特性,与MEC 一起实现业务就近卸载和按需分发; 另一方面,为边缘场景中的AI应用提供强劲坚实的算力支持。 

基于上述诉求,国网信通与英特尔合作,依托多项基于英特尔® 架构的产品与技术,采用独立非公有网络 (Non-Public Networks,NPNs) 模式构建了全新的电力 5G 网络。这个专网基于通用 x86 架构服务器构建的新架构如图一所示,其以网络功能虚拟化 (Network Functions Virtualization,NFV) 方式弹性承载基带处理单元 (Base Band Unite,BBU)、边缘用户面功能 (User Plane Function,UPF) 及其他边缘应用。同时,通过在架构中实现核心网控制面与用户面的分离,消除了高速网络中的性能瓶颈。

如图一中红色虚线框所示,独立NPNs的设计使架构中所有接入网网元、核心网网元以及边缘平台服务器都支持本地同平台部署,且通用计算平台支持软件按需部署,实现软硬件解耦。通过这一架构,电力企业可以独立部署并独享专有或切片网络资源,且可根据业务特性自定义部署规模,弹性可扩展能力更强。同时,用户也能对其核心数据设置更高的安全等级。在无线接入网设计上,国网信通为新架构采用了基于英特尔® FlexRAN 参考架构的 5G 小站设计,以提升无线传输性能和接入灵活性。当需要更大的无线覆盖时,用户也可在架构中部署额外的无线接入节点。

图一 国网信通电力5G网络方案的网络架构

基于新架构的电力 5G 网络可以被部署在发电站、变电站、换流站等封闭园区内,并直接服务于相关的 AI 应用方案。例如在输变电线路自动巡检方案中,翱翔盘旋的 5G 网联无人机会源源不断地将采集到的高清视频数据上传到后台云端,然后根据相应的故障分析、隐患预警等 AI 算法模型,推理得到相应策略再返回无人机进行下一步工作。在这个过程中,有一个潜在的问题: 如果其中所有与数据清洗、模型推理相关的工作都是由远端云平台来完成的话,那么就造成巨大的网络传输压力,并形成更明显的响应时延,这在很多时延敏感场景中都可能带来严重影响。
                                
为进一步降低响应时延,国网信通在新的架构中也结合英特尔提供的开源 OpenNESS 平台、第二代英特尔® 至强® 可扩展处理器等技术与产品,在边缘侧打造具备强大计算处理的 MEC 边缘云平台。通过将大量复杂计算与AI处理工作下沉到离业务终端更近的边缘平台,优化传输路径,能帮助相关业务得以更便捷地从公网导入电力专网,获得更快的响应速度及更高的安全性,从而有效应对电力行业应用中,有关智能防控、事故告警、设备监测等高实时、高安全性业务场景的需求。
                                
目前,为了让更多电力企业更为便捷地部署 5G MEC 方案,国网信通与英特尔等合作伙伴一起,针对电力应用场景与公网应用的差异化,遵循 “极简灵活,多能高效” 的设计理念,推出 5G 综合智能柜。这种智能柜如图二所示,在硬件设计上,聚合了 MEC 平台、BBU、RRU 等产品,在单一机柜内集数据通信、存储、计算及应用于一体,方便了电力企业的部署与应用; 在硬件之上,其内置的 MEC 数据计算平台、业务应用平台等,可为上层的众多智能化应用提供充沛的算力输出,帮助企业根据实际场景需要来选配不同AI应用系统,从而满足各应用场景差异化需求。

在电力行业的部署实践中,这一新方案设计被证明具有以下优势:
 

  • 支持多终端、多网络、多业务数据的通信传输:基于英特尔® FlexRAN 参考架构的 5G 白盒一体化小站设计,可以便捷地兼容现有设备、通信及业务系统;
  • 支持 BBU、MEC、edge UPF 单设备紧凑部署:可降低网络建设成本和设备占用空间,在通用计算平台上实现网络的灵活部署和便捷应用,优化数据传输路径,实现业务就近卸载和按需分发;
  • 提供边缘侧 AI 能力:通过集成 MEC 平台,支持选配不同 AI 应用系统,实现多源数据的融合分析及智能识别;
  • 支持通信管控 + MEC 边缘计算 + AI 应用平台的按需配置:可根据业务需求提供边端、云端、混合等多样化的部署方式,满足用户差异化需求。

值得一提的是,OpenNESS、英特尔® FlexRAN 参考架构等开放式架构设计的引入,带来了良好软硬件兼容性和产业生态环境,让国网信通 5G MEC 方案所构建的云边协同能力在服务电力行业之外,也可以通过与 5G 公网协同等方式,为周边产业提供能力输出,此举不仅能提升资源利用率,也使电力 5G 网络同样成为 5G 大网的重要组成部分。


英特尔软硬件产品与技术助力 5G MEC 方案构建

作为通信与信息领域的创新引领者之一,英特尔一直致力于以丰富多样的软硬件产品与技术驱动 5G 和 MEC 技术的发展。如图三所示,在国网信通 5G MEC 方案的构建上,英特尔为 5G 白盒一体化小站设计、统一边缘应用管理,以及高性能计算等环节提供了一系列助力。

图三 英特尔® 架构产品与技术助力5G MEC方案构建

在 5G 场景下,智能终端设备具有便携、移动等特性,使得未来网络接入环境逐渐走向无线化。为了让 5G MEC 方案更方便地输出强大的云 (云计算) 网 (5G 网路) 应用能力,将业务下沉到边缘,英特尔为方案提供了英特尔® FlexRAN 参考架构。这一架构以第二代英特尔® 至强® 可扩展处理器、英特尔® 现场可编程门阵列 (Field Programmable Gate Array,FPGA) 等硬件产品作为计算处理核心,并结合数据平面开发套件 (Data Plane Development Kit,DPDK) 等技术对无线接入网的全面虚拟化提供支撑,且为网络切片的实现提供了更优支持。基于这一灵活、开放的参考架构,5G MEC 方案可以在通用 x86 架构服务器平台中实现传统无线接入网 BBU的性能,助电力企业为不同应用场景提供高吞吐、低时延的 5G 无线连接。

其次,电力 5G 网络通过将计算资源与业务应用下沉到边缘平台从而获得更高效能,而边缘与核心的架构差异导致应用软件无法直接迁移,由此带来的开发与部署工作十分繁重。为帮助 5G MEC 方案在公网和专网的异构网络环境下获得统一的应用开发、托管环境,从而让电力企业更方便地将智能应用迁移、部署至边缘,英特尔为之提供了开源的 OpenNESS 软件平台。该平台能与 Kubernetes 相互协同,支持边缘平台服务编排,并通过为边缘平台预配资源,实现应用性能加速。同时该平台还能通过提供便捷接入方式获取应用终端数据,并支持身份验证。通过 OpenNESS 平台,电力企业能够有效规避不同网络底层架构差异带来的影响,更高效地开发和部署边缘智能应用,大大降低方案的推广门槛。

而在关键的基础硬件设施构建上,第二代英特尔® 至强® 可扩展处理器、英特尔® FPGA 等,都为方案提供了充沛的算力。方案采用的英特尔® 至强® 金牌 6252N 处理器集成有英特尔® SST-BF 技术,可在不增加整体功耗的情况下,提升处理器某一核心的主频。这一特性能有效应对 5G MEC 场景中的大规模用户面数据转发需求,当处理器某个核心用于高速用户面数据转发时,英特尔® SST-BF 技术可以提升该核心的工作主频,从而带来更强的处理能力。这种灵活的调节,不仅能有效提升方案中关键工作负载的处理效率,也可降低整体能耗水平。


5G MEC方案实战:助力水电站实现智慧通航

建有水力发电站的大坝通常需要兼顾通航和发电,因此对航道中船只通航情况的掌握与管控,是保证生产安全与效率优化的重要前提。采用传统模式,水电站会通过摄像头采集影像来进行现场监测,再将视频数据回传到远端控制中心,帮助调度人员获悉情况并实施管控。

在以往的 4G 网络下,视频画面质量以及通道传输时延易受到传输距离以及网络状况的影响 ,体验不佳。同时,业务数据若采用公网传输,不仅信息安全性难以得到可靠保障,大容量视频也容易受到流量限制,费用也较高。为解决这些问题,国网某水口发电集团在国网信通的支持下,建设了国网首个电力 5G 本地化网络,以覆盖整个通航枢纽区域的 5G MEC 网络来实现水电站的智慧通航能力。

如图四所示,该电力 5G 网络的前端通过无线接入方式,将免布线、可快速安装的便携式 5G 布控球部署在视频图像采集点。 一方面通过边缘 MEC 平台实现高质量视频信号回传,另一方面由部署在企业机房的 5G 核心网设备实现用户的认证控制和数据安全处理。水电站的调度人员可以利用手机或电脑终端的应用程序,来实时监测船舶情况、人员行为、水位变化、闸门开合等情况,并实施操作管控。

电力 5G 网络模式实现了数据不出企业本地,这一方面保证了业务数据、控制信令不与外部网络交互,可更好地保障数据安全并节省流量费用; 另一方面,采用无线接入方式可有效解决有线网络部署难题,结合 5G 网络大带宽、低时延、海量连接的特性,能大大提升网络传输质量,实现高清视频实时回传,帮助调度人员高效监控通航情况,及时应对突发状况。

来自该水口发电集团的内部测试数据表明,在电力 5G 网络架构下,下行带宽高达 800MB~1GB,上行带宽实现定制化, 能更好地支持多路高清视频传输,且专网可连接成千上百个 5G 智能终端1,能同时支撑多个应用场景,覆盖更广监测范围,为水电站高效率调度给予更强有力的保障。

展望

5G 技术及边缘计算技术的结合与运用,使得电力行力内更多创新型应用场景得以孕育和孵化,也促使国家电网这样的大型能源企业得以快速推进新能源重点领域的攻坚克难。在英特尔® 架构软硬件与技术的支持下,基于 5G MEC 解决方案的电力 5G 网络可为电力行业的智能化转型提供更为高效和可 靠的技术保障。
                                
面向未来,国网信通将继续与英特尔展开深入合作,在更广泛的 5G 和 MEC 领域中推进创新合作,例如在时效性网络 ( Time – Sensitive Networking,T S N ) 等方面投入研究。同时,双方也将携手推进 5G 专网模式在其他行业的实践,让电力 5G 网络在助力电力行业数字化、智能化转型的同时,发挥更强的协同效应,为跨行业的、更广泛和多样的应用场景的智能化进程提供加速引擎。

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1 数据源自国网信通客户实际应用反馈,如欲了解详情,请咨询国网信通,http://www.sgit.sgcc.com.cn/