1. Что такое Edge Computing?
Edge Computing — это распределённая вычислительная парадигма, которая обрабатывает данные рядом с местом их создания. В отличие от подхода, при котором данные отправляются для обработки в централизованный центр обработки данных, вычислительные ресурсы размещаются на границе сети для выполнения таких задач, как сбор, обработка и анализ данных.
Выполнение необходимой обработки рядом с местом создания данных позволяет уменьшить объём передаваемых данных и задержку обработки. Некоторые функции также могут выполняться независимо даже в условиях нестабильного сетевого подключения к центральной системе.
Edge Computing — это не архитектура, предназначенная для замены центральной системы, а архитектура, в которой они совместно выполняют различные функции. Задачи, требующие сбора данных или немедленной обработки, могут выполняться на Edge, тогда как такие задачи, как хранение больших объёмов данных, а также интеграция и обработка данных из нескольких мест, могут выполняться центральной системой.
2. Зачем нужен Edge Computing в средах IoT
В средах IoT различные Devices, например датчики и оборудование, непрерывно генерируют данные. В архитектуре, которая отправляет все эти данные в центральную систему для обработки, в зависимости от объёма данных и состояния сети могут возникать различные ограничения. Edge Computing позволяет уменьшить эти ограничения за счёт обработки данных рядом с местом их создания.
2.1 Обработка данных в реальном времени
В средах IoT иногда требуется быстро обрабатывать данные. Когда оборудование необходимо немедленно контролировать после определения его состояния или когда нужно оперативно отреагировать на нештатную ситуацию, задержка, возникающая при отправке данных в удалённую центральную систему и получении результатов обратно, может стать проблемой.
Обработка данных непосредственно на Edge позволяет сократить полный сетевой цикл и выполнять на месте функции, требующие быстрого отклика.
2.2 Зависимость от сетевого подключения
В средах, где установлены IoT Devices, трудно гарантировать, что сетевое подключение к центральной системе всегда будет оставаться стабильным. Если вся обработка выполняется центральной системой, проблема с сетевым подключением также может повлиять на обработку данных на Device.
Если настроить систему на выполнение необходимых функций на Edge, сбор и обработка данных на месте смогут продолжаться даже при временной недоступности подключения к центральной системе.
2.3 Объём передаваемых данных
В средах IoT множество Devices непрерывно генерируют данные, а Devices, создающие данные через короткие интервалы, могут производить значительные объёмы данных. Отправка всех необработанных данных в центральную систему увеличивает не только нагрузку на сеть, но и вычислительную нагрузку на центральную систему.
Выполнение фильтрации, агрегации или предварительной обработки данных на Edge позволяет отправлять в центральную систему только необходимые данные, уменьшая объём сетевой передачи и нагрузку на обработку в центральной системе.
3. Применение Edge Computing на IoT-платформе заказчика
IoT-платформа заказчика использует архитектуру Edge Computing для сбора данных, создаваемых на промышленных объектах, и их передачи в центральную систему. На объекте развёрнут Edge Gateway; сбор данных с оборудования и часть обработки выполняются на Edge, после чего необходимые данные отправляются в центральную систему.
3.1 Раннее удаление ненужных данных
На IoT-платформе заказчика при сборе данных с оборудования можно применить OutOfRange Filter для проверки их достоверности. Для каждого элемента данных задаётся диапазон значений, которые могут быть нормально собраны. Если собираются данные за пределами этого диапазона, они удаляются на Edge и не передаются на последующие этапы обработки.
Если недостоверные данные отправить в центральную систему и оценивать там, потребуется выполнить ненужные этапы, включая передачу данных, их получение и последующую обработку. На IoT-платформе заказчика достоверность оценивается на Edge, где данные собираются впервые, поэтому неподходящие данные можно удалить как можно быстрее.
Это уменьшает влияние ненужных данных на последующую обработку и позволяет отправлять в центральную систему преимущественно достоверные данные.
3.2 Реакция на отключение сети
Сеть между Edge и центральной системой не всегда стабильна. Даже при временном отключении сети сбор данных между Edge Gateway и оборудованием на объекте может выполняться независимо.
На IoT-платформе заказчика данные временно хранятся в InfluxDB, расположенной на Edge, поэтому собранные с оборудования данные не теряются, даже если их невозможно отправить в центральную систему. Система настроена таким образом, чтобы после восстановления сетевого подключения повторно отправлять временно сохранённые данные в центральную систему.
InfluxDB — это база данных временных рядов, в которой хранятся данные, непрерывно создаваемые во времени; она используется для временного хранения данных IoT, собранных на Edge. Это предотвращает прямое превращение временного сбоя сети, связанного с центральной системой, в прерывание сбора данных на объекте или потерю данных.
3.3 Преобразование и стандартизация данных
На IoT-платформе заказчика необходимая предварительная обработка выполняется на Edge до отправки собранных с оборудования данных в центральную систему. Она включает применение Scaling Factor к необработанным собранным данным для преобразования их в используемые на практике значения, а также преобразование названий элементов данных, специфичных для оборудования, в стандартные названия элементов, используемые IoT-платформой заказчика.
Таким образом, необходимая обработка выполняется на объекте, где создаются данные, а система настроена на отправку в центральную систему данных с единообразным форматом, прошедших обработку.
Если бы это преобразование выполнялось в центральной системе, центральной системе пришлось бы знать даже способы представления необработанных данных для каждого типа оборудования. Выполняя необходимые преобразования данных оборудования на Edge до их отправки, можно уменьшить зависимость центральной системы от подробных способов представления данных, используемых каждым типом оборудования.
4. Распределение ответственности между Edge и центральной системой
Применение Edge Computing не означает, что все функции выполняются на Edge. На IoT-платформе заказчика ответственность распределяется между Edge и центральной системой в зависимости от того, эффективнее ли выполнять функцию на объекте или она требует интеграции и обработки данных из нескольких мест.
Edge выполняет обработку, связанную с непосредственным взаимодействием с оборудованием или требующую выполнения сразу после сбора данных. Он также настроен на выполнение функций, которые должны продолжаться независимо от состояния подключения к центральной системе.
Напротив, такие функции, как интеграция, хранение или мониторинг данных, собранных из нескольких мест, выполняются центральной системой. Функции, которые необходимо обрабатывать на основе данных всей системы, а не отдельного объекта, размещаются в центральной системе, что позволяет управлять несколькими Edge интегрированным образом.
Настройка и управление функциями, выполняемыми на Edge, также осуществляются через центральную систему. Центральная система управляет параметрами, необходимыми для сбора и обработки данных, и передаёт их на Edge, а Edge выполняет фактический сбор и обработку данных на объекте на основе полученных параметров.
В конечном итоге IoT-платформа заказчика применяет следующий основной принцип распределения ответственности: функции, которые должны быть расположены рядом с объектами и оборудованием, размещаются на Edge, а функции, требующие интегрированного управления несколькими объектами и использования их данных, размещаются в центральной системе.
genie