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引言/導讀
在未來網絡的研究與發展進程中，開源軟件起到了巨大的作用。開源軟件以快速迭代、開放、靈活可定制等特性受到了廣大研究人員的青睞，具有很強的前瞻性。在信息網絡的研究中，開源軟件涉及從單個設備的軟件實現到平臺級軟件系統的方方面面。中國聯通網絡技術研究院在《CUBENet集成驗證平臺研發》基礎上升級完成最新版開源開放CUBE-Platform部署，并在2018年MWCS進行了發布。該平臺是一套基于ONF社區M-CORD項目的電信邊緣云能力服務系統，遵循Apache2.0相關協議，是國內首個基于M-CORD架構部署的開源平臺項目，也是網研院在云計算領域首批獲得著作權的軟件產品，更是中國聯通在網絡開源研究領域軟件研發的重要成果。

一、關鍵詞

開源、白盒、行業專網、邊緣云

二、測試床項目承接主體

2.1發起公司和主要聯系人聯系方式中國聯合網絡通信有限公司網絡技術研究院 劉斯奇 18601102792

2.2合作公司北京博上網絡科技有限公司
中科諾維（北京）科技有限公司
 

三、測試床項目目標

         運營商方面，伴隨云計算、SDN、NFV等技術興起，國內外運營商都相繼提出中遠期網絡重構的戰略目標，一方面是想借助新技術產生新的業務模式，積極應對互聯網公司OTT服務對電信傳統業務造成的強力沖擊。另一方面希望依托新技術構建新的網絡架構，努力擺脫多年形成的僵化網絡對自身運維效率提升帶來的巨大阻礙。ONF（Open Networking Foundation）開放網絡基金會是2011年由運營商主導成立的國際開放聯盟組織，通過利用SDN、NFV和云化技術等方式圍繞網絡軟硬件解耦、白盒設備、開源軟件和軟件定義標準來構建解決方案，進而推動網絡基礎設施和運營商業務模式的轉型，幫助整個生態系統大幅降低Capex 和 Opex 成本，包括5G移動網絡，超級寬帶和其他新一代的網絡技術。CORD的核心就是用IT/互聯網運營商的技術思路/運維方法來解決電信運營商的技術、商業、管理、運維等問題。用開源軟件和白盒硬件來構建技術模塊，用通用的數據中心基礎設施規模來降低成本。中國聯通于2016年發起成立的“中國CORD產業聯盟”，也是意在整合傳統運營商、CORD制造商、芯片廠商、軟件服務商等各方優勢資源的同時，將開源開放的理念引入到合作中。基于開源社區組織的體系架構和軟件技術，依托產業聯盟，加強開源開發能力的建設，實現協同創新和合作共贏，共同推動CORD在中國的商用部署，加快向新一代網絡架構轉型。
垂直行業方面，當前能源電力行業集中度高、價值大、產業滲透面廣，且正在進入數字化轉型爆發期，部分發電企業仍存在人工作業環境惡劣及高危險系數等工作因素。發電廠工作區域范圍大、環境相對較差，傳統的巡視主要是通過人工方式，綜合運用感官以及一些配套的檢測儀器對設備進行以簡單定性判斷為主的檢查，該方式存在勞動強度大、檢測質量分散、主觀因素多、巡視不到位且難以全面監控、巡視結果數字化不便等缺陷。單純依靠傳統的傳感器及攝像頭監控會由于安裝環境等問題導致監控范圍和監控角度無法全覆蓋，而要保證全方位無死角的監控，又需要安裝過多的傳感器、攝像頭才能完成，在投入上會造成巨大的浪費，同時由于過多的傳感器需要維護，造成整體解決方案性價比低。

四、測試床方案架構

4.1測試床應用場景
以能源行業火力發電廠為例，其中輸煤系統是火力發電廠的重要輔助系統之一，輸煤棧橋內的皮帶機、滾軸篩、碎煤機、三通、犁煤器、除塵器、除鐵器等主要設備，速度監測、跑偏、撕裂、拉繩等保護設備以及電纜、排水、通風、供電、照明、消防、通訊附屬設備數量多、分布點多、總里程長，給人工巡檢帶來了繁重的勞動強度；同時輸煤棧橋存在易產生粉塵、噪聲大、空氣不易流通、散熱較慢等環境惡劣的問題，對日常巡檢提出了更高要求，也增加了人工巡檢的危險性。雖然當前大部分發電廠采用以固定點安裝監控視頻來檢測輸煤系統的環境及設備情況，通過人員攜帶便攜式儀器進行現場巡檢，然而固定式的監控靈活性差，存在監控死角，人員巡檢處于惡劣工作環境下，勞動強度大，外加現場為高空作業，易引發安全事故。目前多數工業園區雖通過WiFi進行無線接入，但WiFi在安全認證、抗干擾、信道利用率、QoS、業務連續性等方面無法進行保障，難以滿足工業需求。

4.2測試床架構
測試床架構是平臺的核心，涉及工業互聯網體系架構中的網絡、數據及安全等重要因素。基于開源M-CORD平臺實現，考慮到CORD開源社區的平臺中集成的為eNodeB和UE模擬器，因此在實際部署驗證時需要替換為真實的eNodeB和UE，本系統中一體化小基站即為eNodeB，位于機器人中的LTE CPE為UE。另外，CORD開源社區中使用了白盒交換機來模擬實際網絡中的Leaf-Spine網絡，而在本項目中，均部署運行在發電廠，不需要負載的傳輸網絡，因此，在項目中可以精簡白盒交換機的數量，通過一臺白盒交換機作為匯聚即可。
CORD開源社區中使用了開源的EPC，無論是在配置、穩定性和性能方面都存在一些不足，因此，在具體實施過程中，可以替換其中的開源EPC以提升整體系統的易用性、穩定性和性能。
綜上，測試床架構設計如下：

圖1  測試床架構

4.3測試床方案
經過對電廠業務的調研發現，選取晉能離石大土河電廠的五號輸煤管線作為智能監控試點進行實施自動化巡檢探索。即在五號輸煤管線上方安裝一巡檢機器人導軌，在巡檢機器人上安裝高清攝像頭、紅外熱成像儀、高清晰拾音器、激光雷達設備，這些設備將采集高清視頻圖像、音頻、熱成像等數據，數據通過機器人中集成的LTE無線通信模組以及管線附近安裝的LTE基站設備傳送到電廠核心機房的CORD監控平臺，CORD監控平臺中的監控應用服務程序對采集到的數據進行分析處理，將分析處理后的結果呈現到監控大屏上。
如下圖，為系統整體拓撲圖。

圖 2 總體方案拓撲圖

整體系統分為4大塊，即智能巡檢機器人、一體化小基站、巡檢平臺系統、監控與運維中心。

4.3.1智能巡檢機器人
在智能巡檢機器人上安裝5大組件：CPE通訊模塊、高清攝像頭、高清拾音器、紅外熱成像儀、激光雷達。如下圖所示：

圖 3 智能巡檢機器人

其中LTE CPE作為4G LTE無線通訊模組，提供基礎的LTE網絡連接服務，將采集設備收集到的數據通過該模組在LTE無線網絡上傳送， LTE CPE的工作頻段應與下節中一體化小基站的工作頻段相對應。
考慮到機器人的工作環境比較惡劣，如高粉塵、灑水清掃等因素，因此上述的整體部件將整體加封一個防塵、防水外殼，各組件在外殼內按照預先設計好的位置安裝固定。特別說明的是，LTE CPE需要與基站建立無線連接，而鐵質外殼可能對LTE型號有所遮擋損耗，因此，在外殼上預留兩根天線接口，將LTE CPE的內置天線改裝為外置天線。

4.3.2一體化基站
基站具有一體化、精確覆蓋、靈活部署等特性，在本項目中作為無線接入點，為機器人中的LTE CPE提供LTE無線接入服務。在小基站的選擇上需考慮如下因素：
1、覆蓋：5號輸煤管線總長約為130米，機器人將在預置路線上來回移動進行監控，小基站所發出的信號需要覆蓋機器人的移動路線，確保機器人中的LTE CPE能夠正常工作。
2、安裝位置：實際上也與上面一條覆蓋相關，若能安裝的管線中央，則可節省小基站的發射功率。但還需要考慮現場實地情況，包括固定位置是否有空間、是否能夠方便取電以及鏈接核心網的光纖/網線連接。
3、工作頻段：本次項目為了驗證中國聯通提出的開源平臺能否應用到垂直行業中，因此，首選考慮使用中國聯通的無線頻譜資源。此外，由于M-CORD系統與中國聯通的公網之間無任何連接，因此需要考慮將本小基站的工作頻段與公網的頻段錯開，以防對公網用戶造成影響。
4、防護：同機器人的安裝環境，需要能夠防塵、防水。

4.3.3行業專網及邊緣云綜合能力平臺（先期實現巡檢監控功能）
行業專網及邊緣云綜合能力平臺架構參考“4.2測試床架構”。

4.3.4監控和維護中心
分為兩個部分：監控大廳和維護終端。
采集到的數據通過巡檢監控平臺中的虛擬應用服務器處理后，得到分析后的結果，包括原始高清視頻圖像、熱成像圖像、粉塵噪音指數、不合規著裝人員等預警信息，這些結果信息均反饋到監控大廳的監控大屏上。具體的監控大廳只要能夠通過Http訪問M-CORD巡檢監控平臺中的虛擬監控應用服務器即可。
維護終端用于維護整個監控系統的運行，處理一些故障和修改一些配置使用。而系統的核心監控平臺所使用的服務器、交換機等設備位于中心機房，設備噪音、空調低溫以及操作臺受限，因此可在監控平臺的交換機上預留端口，通過此端口引出到操作間的維護終端。維護終端可以對系統平臺的一體化小基站、CORD服務器、接入交換機以及CORD平臺中各虛擬網元設備進行配置和運行狀態監控。

4.4方案重點技術
本測試床方案重點技術主要圍繞開源軟件、白盒硬件及提供專網服務能力來開展：

4.4.1開源軟件平臺 
CORD項目（Central Office Re-architected as a DataCenter）是ONF發起并管理的SDN領域開源項目，是建立和構建邊緣云概念的理想平臺，最新發布的版本已經完全支持云原生應用Kubernetes。CORD除可支持對運營商的CO(Central Office)機房進行改造為云數據中心外，也可對運營商及企業的邊緣機房進行云化改造為具備邊緣接入能力的基礎平臺，其目標是提供一個網絡運營商服務交付平臺的參考實現，其核心輸出包括一個軟件平臺、系列硬件規范和服務模型等。CORD項目整合了一系列開源項目，包括 OpenStack、Docker 和 ONOS?，并利用 DevOps 的應用開發模型為網絡運營商建立一個開放、可編程且敏捷的平臺。CORD的場景主要分為家庭接入業務（R-CORD）、企業業務（E-CORD）和移動業務（M-CORD）。
目前國際上開源社區在邊緣計算領域涉及的項目主要圍繞Akraino、StarlingX、vco和CORD四個項目。
Akraino是一個Linux基金會項目，支持針對邊緣計算系統和應用程序優化的高可用性云服務。 該項目成員有ARM、AT&T、戴爾EMC、愛立信、華為、英特爾公司、inwinSTACK、瞻博網絡、諾基亞、高通、Radisys、紅帽和風河等。它既包括了頂層邊緣應用程序或VNF，也包括了中間與底層基礎架構框架交互的中間件和邊緣API，當然也包括了管理底層基礎架構的Edge Stack，以及相應的生存周期管理、CI/CD和工具集。
StarlingX項目是OpenStack基金會啟動的另一個獨立的開源項目，它使用了許多OpenStack服務來提供核心的計算、存儲和網絡功能。它基于英特爾和風河貢獻的種子代碼，并將自己的組件與OpenStack、Ceph和OVS等領先的開源項目結合在一起，組成一套完美的軟件方案。同時，StarlingX也是在Akraino的框架下，但它大多基于OpenStack架構而來，并且向上層提供了一系列虛擬網絡化功能（Virtual Network Functions），方便上層的編排器來調用IaaS層的資源，而底層則是使用目前云計算平臺的Best Practice，即控制服務、計算服務（kvm）、網絡服務（ovs）、存儲服務（ceph）來完成。另外還會發現，StarlingX除了擁有OpenStack組件外，還增加了很多中間件如Software Management Service,、Fault Management Service, Host Management Service等，提供了更多的底層API，比OpenStack支持的功能點更多。
vCO是OPNFV社區的項目，該項目提供了住宅和企業的vCPE服務，展示了使用OpenStack云、OpenDaylight SDN控制器、OpenCompute平臺(OCP)兼容硬件開發的平臺及加載的一系列提供端到端服務的VNF。該演示表明，這一網絡服務支持現場配置連接和vCPE，具有實時遠程監測和分析、故障管理和服務保證等功能。vCO的組件與CORD不同，vCO是以OpenStack為基礎建立的，而CORD是建立在OpenStack或Docker容器之上。vCO使用OpenDaylight控制器，CORD使用XOS操作系統和ONOS控制器。

圖4 CORD與現有國內外技術對比

基于開源軟件的開放性特點，測試床也可根據行業需求對平臺需要做定制開發。

4.4.2白盒硬件
白盒設備通過部署在通用硬件系統，可以輕松拓展，部署在各種工業物聯網場景中。白盒設備也為測試床項目提供了極高的可復制性，為垂直行業數字化轉型、智能化轉型，提供了模版方案。本測試床涉及的白盒設備形態主要可分為承載核心網軟件功能通用服務器設備、白盒網絡設備（交換機）、白盒基站。白盒硬件和傳統與之相對立的黑盒設備其主要區別就是功能開放，包含三個層面：接口開放、架構開放及能力開放。
只有開放接口才能豐富整個產業鏈，產業鏈各方也可以更加專心“各司其職”，通過競爭催化創新，推動技術進步，增加兼容及可擴展性。與此同時，接口開放也為未來更好地共建、共享網絡，減少opex/capex提供強有力支撐。
對于架構的開放，可在未來行業或企業的應用中，通過軟件功能虛擬化形式和企業網關、業務網關及云接入網關設備共設，為企業提供可本地部署的邊緣計算能力。
對于能力開放，可嘗試將API接口提供給第三方應用，從而為企業及個人用戶提供更多的應用體驗服務。

4.4.3專網能力
專網用于承載隔離性要求極高的行業應用，在園區內采用獨立的無線設備、頻率資源、承載網和核心網，與公網無線、承載網、核心網完全隔離的通道，公網業務變化完全不會影響專網數據傳輸質量，形成嚴格隔離的行業專網。
獨立專網架構具有高隔離性，性能靈活定制等能力，但所有設備都需要單獨建設，成本高。此外，對于語音、短信等通信需求，獨立專網還需要單獨建設IMS、短信平臺等，增加額外投資。

圖5 獨立專網架構：獨立基站、頻率、承載網、核心網U面、C面

為園區分配獨立的頻段，建設獨立基站、承載網、核心網U面和C面設備。園區內的應用流量通過獨立頻段的空口接入獨立基站，在園區本地通過UPF分流，直接流向園區內網的應用平臺/園區私有云/IDC，或園區內承載應用平臺的邊緣云（MEC），相比公網流量，大大降低了傳輸時延，并保證園區內網流量不出園區，實現嚴格的數據隔離。
如果有訪問互聯網的需求，可通過園區內的UPF經安全設備（防火墻、抗DDoS等，沒有直接畫出）后接入互聯網。如果沒有訪問互聯網的需求，則不需要通過UPF接入互聯網。
用戶可以根據不同應用的需求，調整專網相應位置基站的上下行帶寬配比，管理終端的接入權限，配置終端IP地址池等網絡運營維護的操作。
任何公網的調整不會影響到專網業務。

4.5方案自主研發性、創新性及先進性
本方案以基于開源的電信邊緣云平臺作為面向電廠智能巡檢機器人的4/5G承載接入方案，平臺采用ONF社區最新的開源項目架構進行二次開發、集成智能機器人及相關基站組件，為電廠提供邊緣及專網接入的聯合創新型綜合能力平臺。
該綜合能力平臺通過使用開源CORD項目作為基礎接入架構，實現軟硬件解耦、設備白盒化、網絡虛擬化；并可集成電廠行業應用系統，為已有行業應用系統提供運行的平臺載體，同時還可以基于該平臺所提供的網絡能力進行新型應用系統的創新開發。
本方案利用無線機器人上搭載的激光測試儀及相關智能傳感器，對皮帶機、周圍環境進行視頻、紅外、聲音、氣體的監測和采集，采集到的數據通過無線基站設備送至平臺中集成的電廠應用分析系統，分析系統對采集到數據進行加工處理、基于AI人工智能的機器學習及模型訓練，最后將分析處理結果發送給中心管理平臺進行存儲、分析和處理，給出預警及其告警信息，為能源電力行業提供了可參考的智慧化改造案例及經驗。

4.6方案安全風險控制
由于廠區數據要求本地加載，不基于公網進行回傳，故本方案采用端到端的專網解決方案，起到了與公網數據的良好隔離，保證了數據的安全及私密性并有效的規避了外網攻擊的風險性。
 
 

五、測試床實施部署
 

5.1測試床實施規劃

 
5.2測試床實施的技術支撐及保障措施
主要圍繞上游社區-聯通-行業客戶三大塊合作模式開展相關工作，依托網研院資源牽頭成立開放合作實驗室，聯合生態合作伙伴去做項目導入，來為整體方案的部署實施提供技術支撐，并和其他合作實驗室和行業客戶開展相關的生態建設。中國聯通以成員角色參與開源社區，借助社區進一步提供技術驅動，在研究內容滿足部署的情況下，通過行業客戶提供的應用場景去進行試點應用和落地，并最終為社區提供案例反饋，形成完整閉環機制。

5.3測試床實施的自主可控性
充分利用開源軟件的快速迭代、開放、靈活可定制等特性，基于社區開放源代碼基礎進行二次編譯和開發，按需求進行調整及性能優化，推動方案平臺形成技術成果及相關軟件注冊權。

六、測試床預期成果

6.1測試床的預期可量化實施結果
輸出基于行業專網及邊緣云綜合能力平臺的“電信邊緣云能力服務系統”，并取得相關軟件注冊權。

6.2測試床的商業價值、經濟效益
結合能源行業部分中大型企業廠區存在信息化改造需求，且企業數據相對封閉，不宜接入公網環境，需引導性挖掘企業需求（企業提供對接環境場景）；聯合合作伙伴（設備廠家提供未來網絡終端模組、接入設備及VNF網元、核心網設備VNF網元）；結合自建邊緣及專網新技術平臺并提供網絡接入許可及頻率資源，為企業提供邊緣及專網能力服務，后期讓企業對接聯通集團或分公司政企大客戶部門，建立聯通和企業客戶之間新業務合作商業機制，進一步嘗試探索傳統電信運營商基于新技術平臺為企業提供邊緣及專網運營合作的新業務模式。

6.3測試床的社會價值
該測試床方案，聯通作為通信運營商提供了關鍵的通信和服務資源、專業的網絡技術團隊支撐、配套的產業鏈整合能力及網絡測試實驗環境，對接能源行業的具體應用落地場景，通過開源技術帶來的這種靈活性為整個通信和相關行業信息系統的融合奠定了基礎，推進了新興ICT技術與能源行業結合的創新應用落地，創造了可持續發展的良性生態環境，同時，也為未來5G專網運營積累了相關寶貴經驗。

6.4測試床初步推廣應用案例
山西晉能集團有限公司是成立于1999年9月，公司注冊資本6.46億元，總資產51.5億元，主要經營業務涉及煤—電—冶金、煤-電-鋁產業及國際貿易和高新技術產業。晉能離石大土河電廠是山西呂梁市實現市區集中供熱的主要熱源，也是山西省鋁循環產業園區局域電網運營試點方案批復的主要電源點，廠內具有超臨界機組、燃用低熱值煤、使用城市中水、熱電聯產、區域電網主要電源、節能減排等特點。電廠的建設，不僅能夠破解呂梁城區集中供熱熱源不足的歷史難題，同時對于推進呂梁煤、電、網、鋁協同發展，呂梁產業結構轉型升級、提高能源綜合利用效率、加快循環經濟發展、淘汰落后產能、促進大區污染防治、解決當地群眾就業等意義重大。
晉能離石大土河電廠作為火力發電廠（場景需求參考“4.1測試床應用場景”），存在相關信息化改造需求，為此，中國聯通網絡技術研究院基于開源CORD平臺，集成智能機器人及相關基站組件，研發了電廠智能巡檢解決方案，支持4G/5G無線接入，不但實現了巡檢機器人大帶寬、高穩定的無線連接，滿足激光測試儀及相關智能傳感器的數據實時回傳要求以及電廠環境中的高防塵要求，還利用部署在平臺中的電廠應用分析系統和邊緣人工智能技術，對相關的數據進行智能處理和分析，實現了電廠管理的智能化和可視化，為能源電力行業的智能化轉型提供了可參考的范例及經驗。

圖6 測試床應用案例系統圖

七、測試床成果驗證

7.1測試床成果驗證計劃
測試床成果驗證計劃主要包括無線性能和端到端業務驗證兩方面。

7.2測試床成果驗證方案
7.2.1無線性能
主要測試無線通信的性能指標，主要包括無線覆蓋、E2E時延。驗證工作如下：

 
7.2.2 E2E業務驗證
主要測試整個智能巡檢系統是否能夠正常工作，滿足日常的智能巡檢需求。驗證工作如下：

八、與已存在AII測試床的關系

無

九、測試床成果交付

9.1測試床成果交付件

 
9.2測試床可復制性
該測試床可為電廠信息化改造提供有力支撐，可將該解決方案打造成能源行業智能化改造的樣板，為行業內相關場景的適配提供參考依據，適用于中大型企業園區有邊緣接入、專網服務及安全生產代替高危人工作業的移動巡檢類場景。

9.3測試床開放性
該測試床基于開源項目構建，本身具備良好的開放及兼容能力，可以與企業的軟件系統進行平滑對接。由于測試床部署在開放通用硬件平臺上，可以拓展到相關場景開放環境中。

十、其他信息

10.1測試床使用者
 【明確非發起方的公司可以使用測試床程度，以及相關的要求和限制條件。】

10.2 測試床知識產權說明 【請清晰說明誰對測試床的建設、運營以及使用擁有產權。】
中國聯通

10.3測試床運營及訪問使用
建設初期通過專網解決方案模式推進，聯通牽頭相關設備廠家負責整體系統集成及平臺的部署、及運營。建設后期行業客戶可基于平臺進行業務訪問及簡單的操作及維護，相關技術難點及故障維護可通過維保服務由聯通地方分公司進行跟進支撐及解決。

10.4測試床資金

 
10.5測試床時間軸

聲明

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