2020年将有500亿设备联网，边缘计算如何助力网络架构升级？

演绎 inSite 第二十五期节目

边缘计算赋能泛在电力物联网

庞海天

清华大学计算机系博士

▼

庞海天 @ 演绎 inSite 演讲视频：

以下为庞海天演讲文字稿：

（根据演讲现场整理，基于原意有所删减，完整版请看视频）

大家好，我是江行智能的联合创始人，也是清华大学计算机系的博士庞海天，今天想跟大家分享的是，边缘计算赋能泛在电力物联网。

首先我想问大家一个问题，你们是否还记得上一次经历过的停电？现在很多人很宅，如果你叫他去某个地方玩，他唯一的问题是那里有没有 Wi-Fi，有网络的话就可以待下去，但是我们从来没有考虑过没有电力我们会怎么样？

2019 年 6 月 2 日深圳市遭遇了停电事故，从上午十点多停到下午一点，而且波及了深圳市的南山区和宝安区几个非常重要的区，到最后发现这个事故产生的罪魁祸首其实是一团风筝线，有人放风筝然后风筝线搅在了高压电线上面造成了短路，触发了电力系统的自动的保护机制，就造成了断电事故，之后会介绍一下我们的产品是怎么样避免类似的情况发生的，今天我会带来两个概念，第一个是技术概念，边缘计算；第二个是产业的概念，泛在电力物联网。

边缘计算可助力 5G 发挥全部威力

所有的计算机技术架构离不开三个主要的元素，通信、计算和存储。最早的计算机其实是我国劳动人民发明的算盘，我们用算盘做一些非常简单的计算，到后来衍生出主机，主机很有代表性的就是当年 IBM 大型机，包括中小型机等计算设备，可以用来做一些导弹弹道的预测、天气的计算，通过大型机来实现这些比较复杂问题的参数计算。

图 | IBM 大型机（来源：CIO）

再往后发展大型机变小了、变多了，还变到我们每个人的手里，就是个人电脑、PC，再往后发展个人电脑又变小了，变成了我们口袋里的手机，现在可以说成为了我们每个人身体的一部分。

当然在电脑和手机等智能设备发展的过程当中，其实网络也发生了一个深刻的变化。个人电脑是伴随 Internet 一起出现的，智能设备的普及中又伴随着无线通讯网 2G、3G、4G 的发展，而端上的计算设备与 Internet 相连就催生出了云计算，现在的电脑手机当中大量应用的数据和服务都是由云计算提供的。

（来源：Pixabay）

在现在的时间节点上，智能设备已经大量使用，云计算也已经大量地为我们服务，那不禁要问接下来是什么？计算架构和网络架构发展的下一步是什么？那就引出了大家很熟悉的 5G 网络的概念，2G 网络是萌生数据，3G 网络是催生数据，到了 4G 发展数据不同，5G 其实是一个跨时代的技术，除了能够提供更极致的体验和更大的容量之外，还会开启一个物联网的时代，并且渗透到各行各业当中去。

5G 的一些直观的技术指标是非常震撼的，比如它的下行的峰值带宽能够达到 20 Gbps，速度超越了光纤的传输速度，它的端到端时延能够小于 5 毫秒，超越了工业总线的实时性，我们发现 5G 的威力很大，可以潜在改变很多行业。

但回过头来看互联网的核心网还有有线网，更进一步说还是由光纤组成，而如果这一点在短期内不能有很大的改变，会使得 5G 网络带来的突破被核心光纤网磨平，5G 发展将遇到瓶颈，那怎么改变 5G 网络的这种状态，然后把它的威力全都发挥出来呢？边缘计算就应运而生了。

到 2020 年将会有超过 500 亿的设备进行连网，包括 VR 设备、AR 设备、可穿戴设备、汽车、机器人、工业设备等等都会连到网络上去，这就给现在的整个互联网架构带来非常大的挑战，因为设备的连接数量呈几何倍数地增长，同时设备数据的传输量也在快速增长。

从计算的角度来看，以人工智能为代表的计算任务已经在很多场景落地，给我们提供了更好的生活，比如自动驾驶、智慧城市、智慧工业等等，而这些计算任务都是对计算数据量要求非常大，同时对算力要求非常大的任务，所以在这个汇聚节点上网络需要颠覆性的升级，同时计算也需要颠覆性的升级，而边缘计算恰好就是物联网的神经末梢，也是人工智能去落地的最后一公里。

图 | 边缘计算被评为十大战略性科技（来源：Gartner）

边缘计算分别在 2018 年和 2019 年被 Gartner 评为了十大战略性科技，可以通过一个类比简单解释一下边缘计算的概念。比如有一种生物叫章鱼，它的神经元有 60% 分布在它的 8 条触角上，只有 40% 处于大脑上，所以它是多个大脑、多个小脑加一个大脑的构造。简单来说我们可以把章鱼的脑袋看作是云计算，它有一个大脑，触角就是边缘计算，边缘计算可以把云端的计算能力延伸到触角上，云计算相比边缘计算可以提供更低延迟的网络服务，能支持类似于高清视频或者其他对数据量要求非常大的服务的部署，同时它也能提供更好的网络利用效率，以及提升我们享用服务的效率。

这张图当中有一个很明显的对比，云计算它会把我们的数据全都收集到云端进行统一的服务和处理，然后再返回给我们，但是在 5G 这种低时延、高可靠性以及高带宽的场景上，我们更多的是需要数据和服务在本地处理，并且提供实时的反馈，那这就是边缘计算所擅长的东西。

未来电网将形成云边协同架构

边缘计算是一项技术，但是这项技术要想发挥它的威力一定要用到行业当中去。2019 年是电力系统当中泛在电力物联网的元年，今年 3 月份国家电网颁布了泛在电力物联网建设的工作部署，要充分应用移动互联和人工智能这些现代化的信息技术以及通信技术，实现电力系统中各个环节的万物互联、人机交互，并且具有状态全面监测、信息高效处理、应用便捷灵活的特征，而国家对于能源、电网、电力的一个终极目标是形成能源的互联网，而这种能源的互联网就需要坚强智能电网的支持，以及需要泛在电力物联网的支持。

图 | 能源互联网架构（来源：江行智能）

坚强智能电网是在原来的电力概念中，包括特高压发电、输电、变电、配电各个环节的电力系统，而泛在电力物联网更多指信息技术层面的一种技术。泛在电力物联网也包含 5 个核心的模块，云、管、边、场和端，其中边也就是边缘计算，它其实是处在一个枢纽模块的位置，而泛在电力物联网的建设需要规模更大、延迟更低、频次更高地进行感知预警和实时控制电力系统。

举一个简单的例子，我国的交流电是 50 赫兹，这也就意味着一个交流电的正弦波周期是 20 毫秒，为了保证电力系统的稳定性、可靠性和故障产生之后迅速的隔离性，很多时候要求在 100 毫秒中完成从数据采集到数据处理到最后的开关控制的这整个端到端的流程，那反推回来留给通信的延迟只有 20 毫秒。

我们有很多的传感器比如摄像头、机器人、一些电力的二次计量设备等等，传感器收集的数据会先汇集到边缘计算的节点当中，在里面可以运行一些人工智能的算法，做一些本地的控制、实时的预警，而云计算在这个过程当中会提供一个全生命周期的管控，以及完成人工智能中的一些训练和一些规模比较大的数据分析的任务，所以将来整个电网会是云和边协同的一个架构。

停电事故多发，通过边缘计算可及时止损

演讲开始时说到一个风筝线挂在了高压的输电线上，造成了深圳市长达三个小时的停电事故其实不是个例，整个国家电网在 2017 年跳闸数就发生了 1500 多次，而且有 550 次的故障停运，并且因为我们的线路在快速建设这两个数值每年都在增加，造成这些故障的原因很多是雷击、人祸、冰害、鸟害等等。

在原来的电力系统当中，对线路的巡视都是通过人工的方式来完成的，效率非常低而且周期非常长，很多时候当人去维护的时候需要线路停电，非常的不方便，而且是非实时的，人去定位故障要花很久的时间。

基于这样的情况电网里面部署了很多监拍装置代替人的眼睛，在输电线路上监测这一个区域的异常的状况，但是因为图片数据或者视频数据都需要实时的回传，会造成非常大的网络流量的开销，甚至在一些比较偏远的地方没有或者网络很差，并且数据传回到后需要后台人员去盯着一个非常大的屏幕，看各个区域是否有异常情况的发生，同时也非常消耗人力，而导致预警是非实时的，边缘计算恰好能够在这个场景上派上用场。

（来源：Pixabay）

在边缘计算的技术方案当中我们不仅是把眼睛部署到了输电线路上，同时把大脑也部署到了输电线路上，大脑会不停的分析这种场景当中有没有异常，如果一切正常数据就不需要往云端传送，只有当发生一些异常状况的时候才需要把数据转化成预警的信号，传回给运维人员，而运维人员拿到这个数据之后就可以第一时间地赶到现场去解决这个问题。

也就说当风筝线刚刚和高压线发生触碰甚至它接近的时候，就可以在第一时间发现这个危险的信号，从而采取一些措施或许就能避免这次停电的事故，或是把这个事故压缩到 10 分钟或者更短的时间中。

上面是我对边缘计算技术本身以及它在电网中应用的介绍，但是其实一项新的技术出来之后，同时是伴随着很多质疑的，有的人会问，这个东西跟之前提的分布式计算有什么样的区别? 也有人会问，这跟工业控制当中一些嵌入式的设备有什么区别？

关于这个问题我的思考是这样的，我们现在把时间拨回到 2010 年，当时在深圳有一个中国 IT 领袖峰会，BAT 的三位大佬都在上面分享了他们对于云计算的看法，有人觉得云计算就是新瓶装旧酒，有人觉得这个东西可能要过个几百年上千年甚至到阿凡达那个时代才能实现，也有人已经撸起袖子开始干了。但是到今天为止我们发现，他们都不约而同地推出了他们的云服务。

所以我想说的是技术的螺旋上升是一个规律，但是同样另一方面，技术的发展是一个不可逆转的车轮，我们作为一个从业者希望能够为边缘计算贡献一份力量，也希望这项技术在未来的各行各业中、各个生活场景中能够为我们人类提供一个更好的未来，谢谢大家！

演绎inSite 是 DeepTech 近期推出的一档青年科学家剧场式演讲栏目，内容聚焦“硬核”科学的现实应用价值，追寻从“科学”到“科技”再到“产业”的实现过程。从发起至今，已邀请到近四十位青年科学家就各热门议题展开讨论，节目在多个视频平台收获了数百万点击。接下来的一段时间，我们将定期分享科学家们在演绎inSite 上的演讲，一起为新知发声，打造未来洞见者。