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1　項(xiàng)目目標(biāo)和概述

1.1　挑戰(zhàn)

針對行業(yè)多樣化的邊緣智能業(yè)務(wù)場景，運(yùn)用分布式計(jì)算、邊緣計(jì)算、AI、視頻監(jiān)控、IoT、5G等先進(jìn)技術(shù)，打造具有數(shù)字化能力的新型基礎(chǔ)設(shè)施，增強(qiáng)場景化、數(shù)智化能力，將“通信塔”升級為“數(shù)字塔”，服務(wù)社會各行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

（1）端云方案弊端

視聯(lián)業(yè)務(wù)使用100M云專線，單攝像機(jī)500元/月，云存儲、網(wǎng)絡(luò)帶寬費(fèi)用較高；針對實(shí)時(shí)監(jiān)控、工業(yè)物聯(lián)等敏感性業(yè)務(wù)，云端檢測并回傳數(shù)據(jù)時(shí)延較高；中心云AI推理服務(wù)器成本較高；面對高度關(guān)注信息安全的場景，要求本地業(yè)務(wù)自治、視頻數(shù)據(jù)不出園區(qū)。

（2）業(yè)務(wù)不同軟硬件需求不同

為適應(yīng)全國范圍內(nèi)不同業(yè)務(wù)場景的需求，需針對邊緣智能網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品做差異化功能定制開發(fā)，提供不同型號的軟硬件產(chǎn)品解決方案；邊緣設(shè)備計(jì)算資源受限，需在有限的計(jì)算資源內(nèi)提升視頻編解碼和壓縮效率；端邊設(shè)備協(xié)議多樣，為邊緣智能網(wǎng)關(guān)在通信協(xié)議統(tǒng)一提出挑戰(zhàn)。

（3）云平臺多標(biāo)準(zhǔn)各異

應(yīng)用場景的算法來自于不同的廠商和平臺，其加載和運(yùn)行方式各不相同，對邊緣智能網(wǎng)關(guān)AI算法的部署、管理、適配和授權(quán)等方面帶來了技術(shù)難點(diǎn)；隨著行業(yè)產(chǎn)品不斷豐富，云平臺支撐的業(yè)務(wù)場景逐漸呈現(xiàn)差異化、個性化，同時(shí)受限于無線、有線網(wǎng)絡(luò)差異，對云邊協(xié)同、遠(yuǎn)程運(yùn)維等帶來了新的技術(shù)問題。

（4）算法框架差異大適配難

當(dāng)前邊緣智能網(wǎng)關(guān)存在多種異構(gòu)硬件產(chǎn)品（瑞芯微、海思、英偉達(dá)），不同硬件平臺在底層算子支持、計(jì)算框架等方面存在較大差異，算法模型需要針對性的移植適配；算法模型在不同的硬件平臺適配后，缺少量化精度損失、性能、模型大小等指標(biāo)對比數(shù)據(jù)。

（5）需求碎片化開發(fā)周期長

隨著網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品系列的不斷擴(kuò)充和迭代，硬件平臺由不同廠商提供，功能界面各自獨(dú)立開發(fā)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)配置、狀態(tài)監(jiān)控、視頻/數(shù)據(jù)調(diào)閱等操作界面和流程的統(tǒng)一，為本項(xiàng)目的一項(xiàng)重要技術(shù)挑戰(zhàn)；針對不斷碎片化的客戶需求，如何快速開發(fā)邊緣側(cè)AI算法應(yīng)用，如何從POC到商用快速搶占市場，為本項(xiàng)目的另一項(xiàng)新的挑戰(zhàn)。

1.2　目標(biāo)和總體概述

針對行業(yè)多樣化的邊緣智能業(yè)務(wù)場景，運(yùn)用分布式計(jì)算、邊緣計(jì)算、AI、視頻監(jiān)控、IoT、5G等先進(jìn)技術(shù)，打造具有數(shù)字化能力的新型基礎(chǔ)設(shè)施，增強(qiáng)場景化、數(shù)智化能力，將“通信塔”升級為“數(shù)字塔”，服務(wù)社會各行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

（1）分布式邊緣計(jì)算降低業(yè)務(wù)服務(wù)成本和時(shí)延

本地處理，降低數(shù)據(jù)傳輸及存儲成本；中訓(xùn)邊推，降低算力使用成本；邊緣計(jì)算，降低業(yè)務(wù)時(shí)延，本地處理快速響應(yīng)。

（2）打造差異化產(chǎn)品競爭力

視頻監(jiān)控+邊緣AI+5G特色解決方案；算力卡、射頻等硬件模塊化設(shè)計(jì)的邊緣智能網(wǎng)關(guān)；物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備統(tǒng)一接入能力。

（3）快速滿足智能化場景需求

差異化的容器化運(yùn)行時(shí)環(huán)境及算力編排底座；統(tǒng)一的視頻抽幀處理、AI推理和告警上報(bào)開發(fā)框架；AI算法開發(fā)和移植效率提升。

（4）構(gòu)建多元化的行業(yè)云平臺對接能力

針對視聯(lián)及維護(hù)業(yè)務(wù)的平臺對接能力；4G/5G無線、WAN有線，HTTP、GB28181、MQTT多協(xié)議接入能力。

2　案例介紹

2.1　系統(tǒng)架構(gòu)

基于邊緣智能網(wǎng)關(guān)的視頻業(yè)務(wù)系統(tǒng)，在前端攝像機(jī)和中心云平臺之間增加了具有分布式智能計(jì)算能力的邊緣層，形成彈性更強(qiáng)的端邊云協(xié)同架構(gòu)，支撐行業(yè)數(shù)字化解決方案。

圖1

2.2　硬件平臺

采用主板+核心板+通用接口的設(shè)計(jì)：核心板+主板分離設(shè)計(jì)，將AI芯片與通用元器件獨(dú)立布局，屏蔽不同廠商AI芯片對外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響；主要部件采取模塊化設(shè)計(jì)，預(yù)留硬盤倉，可按需增減配，提供差異化的硬件產(chǎn)品。

圖2

2.3　軟件平臺

邊緣智能網(wǎng)關(guān)融合5G網(wǎng)絡(luò)通信、IoT及視頻終端接入、云邊協(xié)同、運(yùn)行管理、工具鏈&SDK等核心能力，為場景化的智能算法和應(yīng)用的部署運(yùn)行提供開放的基礎(chǔ)軟硬件環(huán)境，并提供多元化的平臺接入能力。

圖3

2.4　數(shù)據(jù)通訊

邊緣智能網(wǎng)關(guān)常見的網(wǎng)絡(luò)通信方式包括有線、4G/5G無線、Wi-Fi無線三種，為控制設(shè)備成本，因地制宜選擇一種或兩種適合的傳輸方式即可，無須配置冗余的通信模組，避免造成資源浪費(fèi)。

圖4

2.5　安全措施

模型加密：通過對稱算法（AES128）加密模型，實(shí)現(xiàn)模型快速加解密。

模型授權(quán)：非對稱算法生成授權(quán)文件，避免偽造和篡改。模型鑒權(quán)：通過磁盤掛載實(shí)現(xiàn)容器中的算法模型授權(quán)。

提供硬件加解密安全環(huán)境：根主密鑰可存放于芯片安全存儲空間，出廠燒寫后無法讀取且不可更改。

支持GB35114要求的芯片級SM2、SM3、SM4算法。

支持芯片級RSA2048、DES、AES、SHA256算法。

2.6　靈活部署

根據(jù)算法廠家對不同運(yùn)行時(shí)環(huán)境的需求，支持基礎(chǔ)鏡像、完整鏡像、獨(dú)立進(jìn)程三種部署方式。

圖5

2.7　邊緣推理引擎和中間件

智能分析是邊緣智能網(wǎng)關(guān)邊緣計(jì)算功能的核心部分，它從技術(shù)實(shí)現(xiàn)上通常包括視頻取流、解碼、抽幀、預(yù)處理、推理、后處理以及編碼輸出等主要環(huán)節(jié)。

圖6

2.8　異構(gòu)硬件算法適配

針對AI算法在不同異構(gòu)硬件平臺的邊緣智能網(wǎng)關(guān)移植工作量較大的問題，通過AI算法移植工具鏈，提升模型的適配效率，構(gòu)建邊緣模型的評估及版本迭代能力。

圖7

2.9　便攜式設(shè)計(jì)

面向施工工地安全監(jiān)控場景，針對施工人員未戴安全帽、未穿熒光服等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和違規(guī)行為告警。設(shè)計(jì)拉桿箱式的監(jiān)控箱，同時(shí)滿足“收納態(tài)、工作態(tài)、運(yùn)輸態(tài)”需求，實(shí)現(xiàn)“開箱即用，收箱即走”。

圖8

2.10　本地部署的數(shù)據(jù)駕駛艙

邊緣智能網(wǎng)關(guān)內(nèi)嵌行業(yè)大屏功能，滿足客戶本地化、私有化部署的需求，實(shí)現(xiàn)單個設(shè)備即可形成小型自治平臺，形成面向石油石化、施工安全、智慧園區(qū)、軌道交通等業(yè)務(wù)場景的行業(yè)解決方案。

圖9

3　代表性及推廣價(jià)值

3.1　應(yīng)用情況和效果

邊緣智能網(wǎng)關(guān)已在鐵塔視聯(lián)加油站、隧道、鐵路、工地、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、社區(qū)、園區(qū)場景應(yīng)用。截至2024年7月，涉及河南（3011.95萬元）、云南（2270.77萬元）、福建（1146.19萬元）、貴州（119.14萬元）等省行拓對外提供服務(wù)落地合同額達(dá)6548.05萬元，四省已經(jīng)提供應(yīng)用證明。

在鐵塔智能運(yùn)維項(xiàng)目，基于有動環(huán)監(jiān)控設(shè)備基礎(chǔ)上，試點(diǎn)期間獲得合同額489.4萬元，推進(jìn)運(yùn)用6.3萬臺邊緣網(wǎng)關(guān)設(shè)備，分布式計(jì)算節(jié)約投資646萬/年，網(wǎng)絡(luò)成本節(jié)約1020萬/年。

3.2　創(chuàng)新性

（1）降低鐵塔視聯(lián)業(yè)務(wù)服務(wù)成本30%

視頻本地處理，降低數(shù)據(jù)傳輸及存儲成本；本地智能計(jì)算，人防向技防升級，降低人力成本；中訓(xùn)邊推，分布式邊緣計(jì)算采用SOC架構(gòu)NPU芯片，降低算力成本。

（2）縮短智能算法和應(yīng)用開發(fā)、部署時(shí)間70%

抽幀中間件，大幅降低視頻處理開銷；開放推理引擎，容器運(yùn)行時(shí)環(huán)境降低應(yīng)用開發(fā)、部署及調(diào)試時(shí)間；算法適配工具鏈，縮減不同芯片架構(gòu)下不同模型移植時(shí)間80%。

（3）提升差異化競爭力門檻

多協(xié)議設(shè)備接入：IPC（ONVIF/RTSP/GB28181）、IoT（Modbus/485）、局域網(wǎng)（Wi-Fi/LAN）；多元化云邊協(xié)同：AIoT（MQTT）、鐵塔運(yùn)監(jiān)（IpSec/Http）、算法倉（IEF）、鐵塔視聯(lián)（GB28181級聯(lián)）。

（4）批量化行業(yè)賦能

鐵塔視聯(lián)，20+地市的加油站、隧道、鐵路、工地、園區(qū)場景賦能；智能運(yùn)維，運(yùn)維數(shù)智化、精益化管理水平提升。

3.3　技術(shù)的示范效應(yīng)

（1）決策效率提升：模塊化硬件設(shè)計(jì)和開放式軟件架構(gòu)，多平臺、多協(xié)議兼容性設(shè)計(jì)，提升了不同行業(yè)解決方案選型和決策效率。（2）生產(chǎn)效率提升：通過配套工具鏈及SDK提升算法模型開發(fā)效率70%、部署和運(yùn)行效率30%。（3）市場相應(yīng)速度提升：形成了“一套邊緣設(shè)備即為一個整體解決方案”的商業(yè)推廣模式，針對不斷碎片化的客戶需求，能夠快速開發(fā)邊緣側(cè)AI算法應(yīng)用，支撐POC到商用的快速響應(yīng)。（4）交付部署速度提升：三種容器運(yùn)行時(shí)框架（基礎(chǔ)鏡像、完整鏡像、獨(dú)立進(jìn)程）和智算編排系統(tǒng)，支撐行業(yè)算法和應(yīng)用的快速部署。

3.4　方案成熟性

（1）產(chǎn)品與解決方案：邊緣智能網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品創(chuàng)新成果通過了中國信通院泰爾實(shí)驗(yàn)室評估測試，內(nèi)容包括：產(chǎn)品基本規(guī)格、外觀結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)通信功能、視頻接入及處理能力、設(shè)備管理功能測試視、音頻處理功能、操作系統(tǒng)環(huán)境、適應(yīng)性及電磁兼容性。（2）數(shù)據(jù)與算法：通過對接鐵塔AIoT和視聯(lián)平臺實(shí)現(xiàn)算法和數(shù)據(jù)共享，關(guān)鍵算法準(zhǔn)確率提升至95%。（3）可靠性：設(shè)計(jì)要求邊緣智能網(wǎng)關(guān)使用壽命不低于5年，MTBF不低于30000小時(shí)。（4）耐用性：符合GB/T2423環(huán)境適應(yīng)性要求。（5）安全性：支持芯片級RSA2048、DES、AES、SHA256算法，支持公安部GB35114要求。

3.5　商業(yè)價(jià)值

（1）河南鐵塔：在智慧社區(qū)、加油站、施工工地、城市隧道實(shí)現(xiàn)規(guī)模推廣，累計(jì)支撐銷售額3011.95萬元，節(jié)省成本529.8萬元。

（2）云南鐵塔：在智慧邊境、邊界立體化防控場景中實(shí)現(xiàn)規(guī)模推廣，解決了政法客戶邊境防控監(jiān)管不及時(shí)、無法取證等實(shí)際問題，累計(jì)支撐銷售額2270.88萬元。

（3）福建鐵塔：在智慧鄉(xiāng)鎮(zhèn)、智慧工廠和鐵路護(hù)路場景中實(shí)現(xiàn)規(guī)模推廣，在駐地網(wǎng)運(yùn)維、智慧樓宇解決了生產(chǎn)與運(yùn)營過程中人工監(jiān)控效率低、處理響應(yīng)時(shí)延長、算控同步、區(qū)域系統(tǒng)自治等實(shí)際問題，累計(jì)支撐銷售額1146.19萬元，節(jié)省成本約20%。

（4）河南智能維護(hù)：鄭州市分公司代維費(fèi)用由288.2萬元/月下降至257.1萬元/月，維護(hù)成本下降約10%，節(jié)約的維護(hù)成本用于增加智能維護(hù)后臺稽核人員以及通過視頻檢查基站現(xiàn)場質(zhì)量人員。

3.6　社會價(jià)值

（1）行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型：支撐中國鐵塔變“通信塔”為“數(shù)字塔“的戰(zhàn)略，提升公司云-邊-端整體解決方案的市場競爭力和行業(yè)影響力，促進(jìn)各行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。（2）低功耗：基于端邊云協(xié)同方案，可減少至少90%的網(wǎng)絡(luò)帶寬；4款網(wǎng)關(guān)設(shè)備滿載功率約20-30W，且采用主動散熱設(shè)計(jì)，同配置服務(wù)器約200W，對比能耗減少80%以上。（3）低成本：中訓(xùn)邊推方案通過低成本邊緣推理芯片可節(jié)省30%的智算資源；4G/5G流量卡接入公網(wǎng)，平均約為30-50元/月，使用專線的邊緣智能設(shè)備平均約為500元/月，對比成本減少90%以上。（4）生產(chǎn)效率提升：工具及SDK提升算法模型開發(fā)效率70%、部署和運(yùn)行效率30%。（5）推進(jìn)信創(chuàng)：邊緣智能網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品主要采用瑞芯微系列SOC芯片，并支持寒武紀(jì)算力卡擴(kuò)展，大力支撐芯片國產(chǎn)化替代戰(zhàn)略。

摘自《自動化博覽》2025年2月刊