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华为云IEF边云协同操作系统

解决方案名称:华为云IEF边云协同操作系统

申报单位或企业:华为技术有限公司

单位或企业的概况

华为是全球领先的ICT(信息与通信)基础设施和智能终端提供商,致力于把数字世界带入每个人、每个家庭、每个组织,构建万物互联的智能世界。我们在通信网络、IT、智能终端和云服务等领域为客户提供有竞争力、安全可信赖的产品、解决方案与服务,与生态伙伴开放合作,持续为客户创造价值,释放个人潜能,丰富家庭生活,激发组织创新。华为坚持围绕客户需求持续创新,加大基础研究投入,厚积薄发,推动世界进步。华为成立于1987年,是一家由员工持有全部股份的民营企业,目前有18万员工,业务遍及170多个国家和地区。

推荐理由

华为云IEF是华为云首创的云原生的边云协同操作系统,是华为智能体中支持智能交互的核心技术。IEF开创性地将云原生技术与边缘场景相结合,能够全面兼容丰富的k8s生态,同时覆盖现场设备、近场计算及5G MEC等边缘场景,满足各类用户的个性化需求。IEF可内置于各种类型的设备,让设备成为华为云的智能边缘,并进一步提升了轻量化部署、异构设备接入、大规模管理与业务高可靠的能力,已经促成全国高速取消省界等大规模商用项目落地。IEF为企业提供完整的边云协同一体化的边缘计算解决方案,目前已在智慧交通、智慧能源、工业互联网等场景中得到广泛应用。

解决方案基本情况

解决方案名称:华为云IEF边云协同操作系统

解决方案涉及领域工业制造、智能交通、智慧城市、电力能源、 智慧教育、智慧物流、智慧零售、智慧园区              

解决方案的目标和概述:

随着云、5G、AI技术的快速发展,企业智能升级的诉求愈加强烈,边缘计算的应用场景和行业也愈加广泛。对于如何实现边缘计算资源的按需部署、统一管控及边云协同,在各行业的实践中都面临着挑战,比如:如何在摄像头、无人机等资源受限的边缘设备上运行智能应用及算法;智慧交通、智慧电力场景下,海量异构边缘设备接入、海量边缘应用统一部署及升级带来的问题如何解决,以及如何保证离线场景的业务高可靠,等等。

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图1:华为智能体总体架构及华为云IEF定位

华为智能体是企业智能升级的参考架构,其核心特征是云网边端一体化协同。华为云IEF是华为云首创的云原生的边云协同操作系统,是华为智能体中支持智能交互的核心技术。IEF开创性地将云原生技术与边缘场景相结合,能够全面兼容丰富的k8s生态,同时覆盖现场设备、近场计算及5G MEC等边缘场景,满足各类用户的个性化需求。

IEF可内置于各种类型的设备,让设备成为华为云的智能边缘,并进一步提升了轻量化部署、异构设备接入、大规模管理与业务高可靠的能力,已经促成全国高速取消省界等大规模商用项目落地。IEF为企业提供完整的边云协同一体化的边缘计算解决方案,目前已在智慧交通、智慧能源、工业互联网等场景中得到广泛应用,其具备如下功能特点:

  • 极致轻量化:支持容器和函数部署,最小仅需128MB内存,处于业界领先水平;

  • 统一管理:基于k8s等云原生技术,提供异构设备接入、镜像管理、应用分发、应用升级、应用运维等功能,实现边缘业务完整生命周期管理;

  • 大规模管理:单租户最大支持十万节点、百万级应用,应用镜像分钟级即可分发至万级节点,已落地业界规模最大的边缘计算项目——全国高速公路取消省界收费站;

  • 业务高可靠:去中心化的边边协同重调度,业界独家支持离线场景下,应用故障秒级恢复,保障边缘业务高可用。

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图2:IEF保障业务高可靠架构

同时,IEF秉持开放合作的模式,与业界伙伴共筑开放的边缘计算应用生态及硬件生态,赋能合作伙伴快速构建智能边缘解决方案,与伙伴共同为客户提供优质的边缘计算解决方案:

  • 北向应用入口方面,IEF对接华为云EI、IoT、ROMA、区块链等云服务,将高阶云服务能力延伸到边缘,并联合园区、交通、电力、煤炭等行业15家TOP严选合作伙伴,在智能边缘市场上架200+边缘应用,包含AI算法、物联网、大数据分析、流数据处理等应用;

  • 南向边缘硬件生态方面,IEF与华为智能计算、机器视觉、数据存储等产品预集成,使其与华为云天然可协同;同时,IEF与第三方硬件开放集成,X86/ARM架构均可接入。

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图3:IEF打造开放的边缘应用及硬件生态

代表性及推广价值:

华为云IEF采用商业+开源双轮驱动的模式,已在产业界及开源社区形成广泛的影响力。IEF于2017年启动预研,2018年公测并将内核KubeEdge贡献到开源社区,成为CNCF首个正式边缘计算项目 2020年由CNCF孵化。IEF当前商用时间已近2年,在交通、电力、园区、制造等各行各业积累了丰富的项目实践。

案例一:智慧高速——全国高速公路取消省界收费站项目(下称“取消省界”)

背景:高速公路作为交通行业数字化转型的典型场景,使用电子收费代替人工收费,面临着收费模式和收费技术的双重重构。长远来看,减少人工收费站,并建设的大量ETC门架系统,是未来交通管理行业走向信息化的必要一环。中国作为高速公路总里程世界第一的国家,传统的收费模式是由全国33个省市自治区独立管理辖区内的高速公路,进行人工收费。全国的计费统计复杂,费率难以统一管理,人工收费效率低下,高峰期容易造成交通拥堵,影响通行效率。基于以上挑战,中国交通部自2019年开始在全国范围内推行电子收费系统,取消省界之间的人工收费站。

交通部路网中心联合华为云,基于IEF实现了全国487个省界收费站的撤销、24588套ETC门架系统的统一管理,支撑全国14万多公里高速公路“一张网”运行、“一盘棋”管理,使得省界通行速度平均提升13%,高速收费业务效率提升10倍以上,让省界通行拥堵从此成为历史。

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图4:取消省界项目边云协同架构

基于IEF打造的边云协同解决方案,具备异构设备纳管、大规模接入、统一管理与运维以及分权分域等优势:

1、 异构设备纳管:当前IEF支持x86、ARM32、ARM64架构设备接入,并且支持主流操作系统如CentOS、Ubuntu等。取消省界项目中不同省份、区域选择的边缘计算硬件都不同,IEF的异构设备纳管能力让用户可以快速接入并部署业务,无需进行统一适配;

2、 大规模接入:取消省界是当前业界规模最大的商用落地边缘计算项目。当前取消省界项目中已接入近7万边缘节点,最高峰时接入近8万边缘节点。交通项目的规模往往随着业务场景丰富而扩大,IEF支持水平集群扩容,能够支持用户根据自身诉求接入更多节点及应用;

3、 统一管理:取消省界项目规模庞大,接入了海量的边缘节点与应用,因而对高效的生命周期管理带来极大难度。IEF将管理功能可视化,提供边缘节点及应用的全流程生命周期管理能力,有效降低各省、市以及路段的运维人员的使用门槛;

4、 分权分域:由于取消省界覆盖全国各省、市、自治区,参与系统建设、维护的工作人员队伍庞大,因此对于每个操作人员的权限管理与控制显得尤为重要。IEF结合用户实际使用情况,支持部级、省级、路段公司、路段分公司以及收费站多层级、细粒度的权限管控,有效提升部署效率,降低管理风险。

取消省界项目通过与华为云IEF的结合,整体提升了项目建设效率,半年内实现从方案设计到通车试运行,有效支撑全国高速自由流建设。同时IEF的边云协同架构,也支持客户不断丰富自身业务场景,灵活扩展方案,为后续向车路协同、自动驾驶演进提供了坚实基础。 

案例2:智慧电力巡检——端边云协同智能巡检解决方案

背景:近年来,中国电力行业发展迅速,行业规模大幅增长,在5G、物联网、云计算以及人工智能等高新技术的影响下,中国电力行业进入了转型升级的新时期,“泛在电力物联网”、“微电网”等规划层出不穷。根据GlobalData预计,到2020年,我国输电线路总里程将接近160万公里,随着电力网络的不断扩大,基本功能巡检与维护,成为电力公司发展的瓶颈。电力巡检基本可以分为三个阶段:手工巡检、智能化巡检以及无人化巡检,当前我国电力巡检行业正处于手工巡检到智能化巡检的升级过程中。传统巡检更多依赖人力的投入,存在劳动强度大,巡检效率低,安全风险高,人力成本开支大等问题,难以匹配上电网业务快速发展的节奏,因此电力企业引入了大量的智能摄像头,物联网设备结合边缘计算、大数据、人工智能来解决巡检工作的瓶颈。

当前智能巡检的项目中存在三大瓶颈:

1、 摄像头产生海量图像数据,回传造成巨大的网络带宽成本。无论是分布在电塔,或是电站的摄像头,时时刻刻将视频或图片回传分析中心,通过分析中心进行故障定位,会导致大量正常或无效的数据进行传输,造成了网络资源的浪费。尤其在网络质量难以保证的偏远地区,巡检工作也会受到影响;

2、 原始模型精度一般,需不断迭代。原始模型精度往往有限,需要不断地通过脱敏生产数据来进行再训练,不断地升级运行在智能设备上的模型来实现精准故障判定;

3、 由于电站分布的客观地理因素,若原始数据集中处理,从故障发生到故障判断造成了巨大的时延。通过位于巡检现场的摄像头将视频数据回传至中心处理,导致故障判定不具备实时性,故障的识别与判断延迟会带来巨大的安全隐患。

为解决智能巡检的短板,提升巡检效率与精度,华为云IEF与电力行业伙伴联合打造了端、边、云协同的智能巡检解决方案。方案具备三大特点:

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5:端、边、云协同智能巡检解决方案架构

1、 边缘数据就近处理:重复、无效数据在边缘侧直接过滤,只回传关键数据,有效降低网络带宽的消耗,降低巡检成本;

2、 云上训练,快速部署:企业自建AI训练平台,针对输电、变电等场景实现AI训练,将更新的模型打包成标准镜像推至镜像管理仓库SWR,IEF通过提供批量部署、更新能力,实现边缘侧模型快速升级,提升运维效率;

3、 边缘推理,实时报障:边缘侧实时监控设备运行状态,对突发故障进行判定,缩短故障发生到故障判定的间隔,提升电力巡检工作的实时性。

方案不仅可实现输电线路情况的实时监控与分析,减少人工监视的漏报与误报,还可利用人工智能实现图像的智能识别,大幅降低了人力投入,显著提升线路运维工作效率,前端就地分析大幅降低了对于公网流量、云端存储与计算资源的占用,整体系统成本大幅降低30%,传统输电人“坐朝问道、垂拱平章”的巡检梦想正成为现实,视频巡检开始改变传统的人工巡检模式。 

案例3:智慧园区——中海物业

中海物业携手华为,围绕业务场景持续创新,构建基于兴海物联网云平台的智慧建筑全生命周期服务,并努力打造人工智能深度应用的品质园区,构筑美好生活。基于与华为的成功合作,未来将全面推广铺开‘城市中心+项目’管理模式,管理范围覆盖5个城市共37个项目,总面积约700万平方米;用技术辅助“服务”,预估整体运营和管理效率将提升约30%,每年将节约近亿元。

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图6:智慧园区边云协同架构

基于华为云IEF的智慧园区解决方案特点:

1、 实时处理:边缘侧实时感知入侵、人流量大等异常事件,降低园区人力成本;

2、 边云协同:实现边缘节点的统一管理和全生命周期管理,支撑全栈AI架构落地,云端训练,边缘推理,持续迭代;

3、 开放架构:硬件、边缘计算平台、业务能力解耦,兼容传统摄像头,客户可灵活扩展方案,不断围绕场景丰富业务能力。

案例4:工业互联网——三联虹普

工业生产中的数据采集,维度和频度是产品质量的重中之重,过去,人力采集能做到分钟级已经很不容易;现在合成纤维的需求量越来越大,向生产企业提出了更高要求,这意味着数据采集必须达到秒级响应的水平。三联虹普联合华为云,打造以IEF为基础的端边云协同解决方案,

端侧是合成纤维产线设备,边侧采用华为硬件部署IEF及工业模型,云端采用IEF进行边缘应用及节点的全生命周期管理。部署该套方案后,模型训练更新从月提升到小时;客户的定制化质量需求匹配率提升了28.5%;代替人工抽检模式,提升检测效率80%。

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图7:工业互联网边云协同架构

基于华为云IEF的工业互联网解决方案特点:

1、工业数据边缘处理:协同合作伙伴,实现在边缘侧对工业数据的采集、预处理;

2、全栈AI:软硬件预集成,边云协同,灵活被集成,以新架构切入高价值的工业生产过程场景;

3、安全可靠:边缘节点双向证书认证机制,节点集群高可用。

案例5:KubeEdge——CNCF首个边缘计算项目

KubeEdge是华为云IEF的内核,是CNCF首个边缘计算项目,在2018年由华为云团队贡献到开源社区CNCF,并在2019年成为正式项目,2020年孵化。当前KubeEdge在社区中已获得2400+ Star,600+ Fork,并有300+贡献者,60+企业/机构参与社区贡献。Kubernetes IoT Edge工作组已将KubeEdge作为边缘计算参考架构,并且KubeEdge已经成为产业界构建边云协同架构的参考架构主要选项之一,贡献者包括:

  • 华为云,时速云,Easystack, DaoCloud,Amazon,Red Hat,Inovex,Infoblox

  • ARM,三星, EMQ,Midokura,Rightech

  • 中国联通,中国电信,中国移动,Orange

  • 浙大SEL实验室,中科大,之江实验室,电子科大

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图8:KubeEdge发展历程

解决方案详细介绍:

华为云IEF整体架构如下:

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图9:华为云IEF整体架构

华为云IEF北向支持K8s标准应用生态,南向通过运行环境标准化、插件化支持异构设备接入,构建开放生态。IEF的核心特性及其实现原理:

1、 极致轻量化:端侧设备由于资源有限,对边缘计算平台的资源占用往往有较强约束。华为云IEF通过对已有框架的插件化实现以及实施轻量化改造(裁剪边缘侧不适用场景、重写模块等),加上容器引擎的轻量化实现,可以有效提升边缘业务并发启动速度,并大幅降低稳态下的内存占用。

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图10:IEF容器引擎的轻量化实现方式及效果

2、 离线自治及故障自愈:工业制造、交通等领域经常会有边缘节点离线的场景,要保证业务高可靠,离线节点需要具备故障迁移、多实例运行以及本地恢复等能力。实现原理:依据先预选、再优选的方式基于调度优先级构建边缘部署优选树;再依据调度优先级的顺序对高优先级节点进行监控,决策是否接管调度;最后依据边缘部署优选树进行节点调度决策传递,当本节点接管调度决策后,依据设置好的调度策略对应用在本节点进行调度。

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图11:离线自治及故障自愈实现方式

3、 大规模节点管理:需要解决三方面的问题,包括如何应对大流量冲击、如何在短时间内完成大规模边缘应用分发,以及提高批量管理操作的效率。

1) 应对大流量冲击:多K8S集群构成联邦管理,提升可用性;裁减多余周期消息,精简监控、日志消息,优化边云通信数量;南向限制并发连接数和消息量,北向限制并发请求数,保护系统;对节点注册、节点列表查询、应用列表查询等关键流程进行优化,通过调整锁操作、整合查询等手段提升系统并发性能;分析高负载的SQL查询,通过增加索引、批量查询、优化SQL语句等方法提升响应时间,降低DB负载。

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图12:应对大流量冲击方案架构

2) 短时间内完成大规模应用分发:建立边缘镜像加速站点,自动同步主镜像仓库中选定的镜像,利用边缘侧本地大带宽向同一区域的边缘节点提供镜像下载服务。在3000边缘节点的规模下,将集中施工完成时间从一周缩短到半天。

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图13:大规模边缘应用镜像快速分发架构

3) 提高批量管理操作效率:增加标签过滤应用/节点功能,过滤出具有同一同种类(如门架)的应用/节点;每一次批量部署/升级对应一个job,每一个的应用部署/升级对应一个的task,属于某个特定的job;针对这些job和task,IEF并发进行部署/升级;为了应对由于网络抖动、高并发流控导致task失败的问题,在页面提供重试能力。

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图14:批量管理操作优化关系设计

4. 安全性:IEF保证云边端全流程端到端安全:1)边云通信安全,EdgeCore与IEF建立Websocket+TLS加密双向通道,EdgeCore自下向上发起,双向消息收发通过证书认证、加密;2)云端安全,前置DDos网络安全防护,防恶意攻击;3)IAM认证,通过IAM角色分配AK/SK允许从边缘节点访问AOM、SWR、DIS等华为云资源;4)节点证书,为每个边缘节点颁布唯一接入证书,双向通讯通过证书认证、加密;5)应用证书,为边缘应用颁发证书用于访问EdgeCore;6)设备证书,边缘设备使用证书进行身份认证。

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图15:IEF云边端全流程安全性架构

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