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1 目標(biāo)和概述

工業(yè)一線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)中的事故先期預(yù)警和應(yīng)急處置措施，基本現(xiàn)狀是從行政流程向數(shù)字化過(guò)渡的狀態(tài)，技術(shù)手段仍主要局限于單變量監(jiān)測(cè)門(mén)限告警+人工值守，人工方式制定應(yīng)急預(yù)案，對(duì)緊急事態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)控制有很大局限性，重大、特大事故仍然屢有發(fā)生。

工業(yè)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控的痛點(diǎn)：

（1）監(jiān)控?cái)z像路數(shù)多，人工值守難以全部覆蓋。并且人工方式依賴(lài)責(zé)任心，無(wú)法避免危險(xiǎn)漏檢漏報(bào)。

（2）視頻監(jiān)控中發(fā)現(xiàn)的安全違章事件難以納入事件記錄和預(yù)警處置閉環(huán)，無(wú)法跟蹤。

（3）現(xiàn)有的主流方案中，企業(yè)視頻需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳至監(jiān)管平臺(tái)，一是傳輸帶寬成本過(guò)高，二是給監(jiān)管部門(mén)帶來(lái)無(wú)法化解的巨大責(zé)任壓力。

本解決方案是基于公司已有的自研智能網(wǎng)關(guān)和信息化平臺(tái)一體機(jī)硬件設(shè)備，采用邊緣計(jì)算的模式在工業(yè)一線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)人工智能對(duì)于違規(guī)行為識(shí)別報(bào)警類(lèi)的服務(wù)，從而將其納入物聯(lián)網(wǎng)綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警的完整業(yè)務(wù)體系中。邊緣平臺(tái)中的AI視頻分析算法通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口與視頻監(jiān)控和業(yè)務(wù)系統(tǒng)交互，可以實(shí)現(xiàn)定制化部署。方案中，對(duì)于AI視頻分析功能算法，邊緣端平臺(tái)主要負(fù)責(zé)提送樣本和判決執(zhí)行，云端主要負(fù)責(zé)大數(shù)據(jù)和深入學(xué)習(xí)。

2 解決方案部署

2.1 解決方案架構(gòu)

解決方案采用嵌入式硬件平臺(tái)，基于自有的智能網(wǎng)關(guān)和信息化邊緣平臺(tái)一體設(shè)備，以Intel FPGA加速器件提供神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)AI運(yùn)算能力。

圖1 解決方案部署架構(gòu)圖

本方案采用新一代的Intel至強(qiáng)處理器。至強(qiáng)處理器專(zhuān)業(yè)級(jí)的計(jì)算和視覺(jué)功能，提供令人充滿(mǎn)信心的專(zhuān)業(yè)計(jì)算以及可靠的工作負(fù)載性能、集成圖形支持和值得信賴(lài)的硬件增強(qiáng)安全性。新一代的至強(qiáng)處理器提供大幅增強(qiáng)的性能和功能。

深度學(xué)習(xí)近年成為業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)，在圖像處理領(lǐng)域基于深度學(xué)習(xí)的算法已經(jīng)開(kāi)始被業(yè)界使用并展現(xiàn)了更高的準(zhǔn)確度。但這些算法往往計(jì)算更加復(fù)雜，需要單獨(dú)的協(xié)處理器來(lái)進(jìn)行加速。在邊緣計(jì)算領(lǐng)域，由于設(shè)備對(duì)功耗的限制，對(duì)系統(tǒng)的性能功耗比有著更苛刻的要求。在各種協(xié)處理器方案中，基于Intel FPGA的方案展現(xiàn)了業(yè)界領(lǐng)先的性能功耗比，例如在處理AlexNet網(wǎng)絡(luò)時(shí)，Intel Arria10-1150可以達(dá)到33fps/W的能力，領(lǐng)先于其他的業(yè)界方案。

2.2 軟件平臺(tái)

預(yù)警一體機(jī)部署一套基于Linux的企業(yè)端平臺(tái)應(yīng)用軟件，安全生產(chǎn)集控主站一體機(jī)部署一套基于Windows的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件系統(tǒng)。平臺(tái)系統(tǒng)將安全生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)和視頻進(jìn)行整合，實(shí)施整體監(jiān)控、預(yù)報(bào)警處置、數(shù)據(jù)視頻聯(lián)動(dòng)、綜合分析、報(bào)警統(tǒng)計(jì)分析、趨勢(shì)預(yù)判分析等邊緣計(jì)算。

以邊緣計(jì)算的模式在工業(yè)一線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)人工智能識(shí)別判決類(lèi)的服務(wù)，納入已有的安全生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)和信息化業(yè)務(wù)系統(tǒng)。算法部署采用邊云協(xié)同的模式，在邊緣端平臺(tái)采集提送樣本和執(zhí)行識(shí)別判決實(shí)時(shí)報(bào)警，在云端主要實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)匯聚管理和算法深入學(xué)習(xí)。

2.3 配置和控制接口

通過(guò)百兆局域網(wǎng)，采用標(biāo)準(zhǔn)軟件接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，既可以實(shí)現(xiàn)云端遠(yuǎn)程控制和配置管理，也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)閱、模型推送等北向協(xié)同交互操作。對(duì)于安全生產(chǎn)相關(guān)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)而言，顯而易見(jiàn)的是視頻報(bào)警相關(guān)服務(wù)必須是在邊緣側(cè)實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，而尋找不安全行為、報(bào)警事件和安全風(fēng)險(xiǎn)乃至事故預(yù)警之間的聯(lián)系必須基于大數(shù)據(jù)從而形成邊緣側(cè)實(shí)時(shí)分析報(bào)警、云端按需調(diào)閱，深入挖掘的基本協(xié)同聯(lián)動(dòng)模式。邊緣側(cè)與云端的最優(yōu)協(xié)同模式，可在后續(xù)工作中充分結(jié)合大數(shù)據(jù)專(zhuān)家和行業(yè)專(zhuān)家的智慧，進(jìn)一步探索。

2.4 數(shù)據(jù)通訊接口

通過(guò)百兆局域網(wǎng)傳輸，傳輸內(nèi)容為視頻流、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)、報(bào)警閾值、報(bào)警信息、遠(yuǎn)控信息等。

2.5 安全措施

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中運(yùn)算處理器采用嵌入式SoC，運(yùn)行基于Linux操作系統(tǒng)的專(zhuān)用嵌入式軟件，保證了軟件系統(tǒng)的可靠性和安全性。系統(tǒng)采用分級(jí)用戶(hù)權(quán)限管理，數(shù)據(jù)和視頻存儲(chǔ)采用嵌入數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)加密和數(shù)據(jù)水印技術(shù)保證數(shù)據(jù)安全不可篡改。

信息安全架構(gòu)：

系統(tǒng)信息安全涉及以下四個(gè)方面：

（1）邊緣節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)等設(shè)備的接入安全控制；

（2）數(shù)據(jù)傳輸安全；

（3）邊緣節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)與工廠生產(chǎn)網(wǎng)（工控網(wǎng)）間的安全隔離；

（4）部署在各級(jí)的系統(tǒng)設(shè)備安全防護(hù)。

邊緣節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)是部署在工廠的數(shù)據(jù)采集前置設(shè)備，直接決定了數(shù)據(jù)的有效性、可靠性和安全性。因此首先需對(duì)邊緣節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行合法性接入控制，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測(cè)。其次，上級(jí)系統(tǒng)下發(fā)的查詢(xún)指令也需要確保合法及有效。為此，通過(guò)建設(shè)核心的基于數(shù)字證書(shū)的加密設(shè)備認(rèn)證體系，為網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)頒發(fā)數(shù)字證書(shū)，通過(guò)數(shù)字證書(shū)的鑒權(quán)及驗(yàn)簽來(lái)保證加密設(shè)備及下達(dá)指令的合法性和有效性。邊緣節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)屬于企業(yè)經(jīng)營(yíng)性數(shù)據(jù)，并涉及生產(chǎn)安全和環(huán)境安全，在傳送給上級(jí)各個(gè)中心前，需進(jìn)行數(shù)據(jù)加密，數(shù)據(jù)加密需采用國(guó)密算法。在接入 4G、有線(xiàn)寬帶網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需通過(guò)防火墻進(jìn)行隔離。

邊緣節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)需要從工廠的自動(dòng)化控制系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，為了保證工控系統(tǒng)以及生產(chǎn)網(wǎng)的安全，需在邊緣節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)與工控網(wǎng)、生產(chǎn)網(wǎng)之間部署安全隔離防護(hù)設(shè)備（網(wǎng)閘以及工業(yè)防火墻等），避免系統(tǒng)對(duì)工控系統(tǒng)和生產(chǎn)管理系統(tǒng)的非法操作。

3 方案優(yōu)勢(shì)

表1

（1）實(shí)時(shí)可靠

·在邊緣前端直接分析判決，擺脫對(duì)網(wǎng)絡(luò)的依賴(lài)；

·基于嵌入式平臺(tái)整體集成，穩(wěn)定可靠。

（2）效果顯著

（3）成本優(yōu)勢(shì)

· 監(jiān)控值守人員需求降低一個(gè)數(shù)量級(jí)； 

· 前后端同步接警； 

· 基本上杜絕漏報(bào)問(wèn)題。 

·現(xiàn)有的AI視頻分析實(shí)現(xiàn)方式需要視頻占用帶寬上傳云端，增加成本（參考50M=10萬(wàn)/年）；

·云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方案服務(wù)器昂貴，邊緣計(jì)算方案硬件成本顯著降低。

（4）業(yè)務(wù)完整

·把視頻監(jiān)控報(bào)警信息納入安全應(yīng)急信息化，形成完整服務(wù)；

·把視頻分析與生產(chǎn)線(xiàn)工序、工況協(xié)同整合，實(shí)現(xiàn)綜合監(jiān)測(cè)管理。

（5）定制服務(wù)

·針對(duì)工業(yè)領(lǐng)域的個(gè)性化痛點(diǎn)，以統(tǒng)一的模塊化部署架構(gòu)提供差異化定制服務(wù)。

4 產(chǎn)業(yè)價(jià)值

本解決方案采用 “邊緣智能硬件+嵌入式業(yè)務(wù)軟件+定制化AI算法”的部署模式，利用人工智能實(shí)現(xiàn)視頻分析預(yù)警，可以達(dá)到零漏報(bào)，誤報(bào)率：≤3%，報(bào)警響應(yīng)時(shí)間：≤2s。可以靈活地加載、更換、升級(jí)、卸載。并且在用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)已部署的攝像頭滿(mǎn)足分辨率要求的情況下，不需要重新部署攝像監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

在工業(yè)生產(chǎn)安全應(yīng)急的場(chǎng)景中，基于可靠性和實(shí)時(shí)性考慮，利用邊緣計(jì)算在工業(yè)一線(xiàn)場(chǎng)景中直接解決檢測(cè)預(yù)警的問(wèn)題有特別突出的創(chuàng)新性意義，是邊緣計(jì)算應(yīng)用價(jià)值的最典型體現(xiàn)，具有先進(jìn)技術(shù)推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步的示范效應(yīng)。

在我國(guó)、安全生產(chǎn)關(guān)注的重點(diǎn)行業(yè)主要有：危險(xiǎn)化學(xué)品、煤礦、非煤礦山、煙花爆竹、重點(diǎn)工貿(mào)等等。 據(jù)國(guó)家安監(jiān)總局統(tǒng)計(jì)，2016年全國(guó)重點(diǎn)危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量為16,442家，煤礦企業(yè)9624家，非煤礦山60,947座，2016年規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)單位數(shù)量為383,148家 。同時(shí)，建筑工地、港口碼頭等場(chǎng)所也是這項(xiàng)解決方案的典型推廣應(yīng)用場(chǎng)景。根據(jù)2015年的一份統(tǒng)計(jì)數(shù)字，僅北京一地工地?cái)?shù)量達(dá)到10,000多個(gè)，天津更是達(dá)到11,000以上。

如此巨大的應(yīng)用場(chǎng)景體量，如此廣闊的市場(chǎng)空間，目前的現(xiàn)狀基本還是只能通過(guò)值班人員人工值守目視巡查，只有極少有實(shí)力的企業(yè)基于自身的特殊需求上了基于服務(wù)器平臺(tái)的視頻分析。現(xiàn)在我們基于邊緣計(jì)算模式的解決方案得到推廣應(yīng)用的話(huà)，可以預(yù)期把生產(chǎn)一線(xiàn)的安全監(jiān)測(cè)預(yù)警能力推到一個(gè)新的境界，進(jìn)一步控降重特大事故發(fā)生概率和社會(huì)安全風(fēng)險(xiǎn)水平，具有特別重大的社會(huì)價(jià)值。同時(shí)，商業(yè)應(yīng)用直接市場(chǎng)價(jià)值保守估計(jì)在數(shù)百億，帶動(dòng)的關(guān)聯(lián)市場(chǎng)價(jià)值預(yù)計(jì)在千億以上。

摘自《自動(dòng)化博覽》2018年增刊《邊緣計(jì)算2018專(zhuān)輯》