1 目標和概述

工業(yè)一線(xiàn)現場(chǎng)中的事故先期預警和應急處置措施，基本現狀是從行政流程向數字化過(guò)渡的狀態(tài)，技術(shù)手段仍主要局限于單變量監測門(mén)限告警+人工值守，人工方式制定應急預案，對緊急事態(tài)的風(fēng)險控制有很大局限性，重大、特大事故仍然屢有發(fā)生。

工業(yè)作業(yè)現場(chǎng)視頻監控的痛點(diǎn)：

（1）監控攝像路數多，人工值守難以全部覆蓋。并且人工方式依賴(lài)責任心，無(wú)法避免危險漏檢漏報。

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

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

本解決方案是基于公司已有的自研智能網(wǎng)關(guān)和信息化平臺一體機硬件設備，采用邊緣計算的模式在工業(yè)一線(xiàn)現場(chǎng)實(shí)現人工智能對于違規行為識別報警類(lèi)的服務(wù)，從而將其納入物聯(lián)網(wǎng)綜合監測預警的完整業(yè)務(wù)體系中。邊緣平臺中的AI視頻分析算法通過(guò)標準接口與視頻監控和業(yè)務(wù)系統交互，可以實(shí)現定制化部署。方案中，對于A(yíng)I視頻分析功能算法，邊緣端平臺主要負責提送樣本和判決執行，云端主要負責大數據和深入學(xué)習。

2 解決方案部署

2.1 解決方案架構

解決方案采用嵌入式硬件平臺，基于自有的智能網(wǎng)關(guān)和信息化邊緣平臺一體設備，以Intel FPGA加速器件提供神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )AI運算能力。

圖1 解決方案部署架構圖

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

深度學(xué)習近年成為業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)，在圖像處理領(lǐng)域基于深度學(xué)習的算法已經(jīng)開(kāi)始被業(yè)界使用并展現了更高的準確度。但這些算法往往計算更加復雜，需要單獨的協(xié)處理器來(lái)進(jìn)行加速。在邊緣計算領(lǐng)域，由于設備對功耗的限制，對系統的性能功耗比有著(zhù)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可以達到33fps/W的能力，領(lǐng)先于其他的業(yè)界方案。

2.2 軟件平臺

預警一體機部署一套基于Linux的企業(yè)端平臺應用軟件，安全生產(chǎn)集控主站一體機部署一套基于Windows的實(shí)驗平臺軟件系統。平臺系統將安全生產(chǎn)相關(guān)數據和視頻進(jìn)行整合，實(shí)施整體監控、預報警處置、數據視頻聯(lián)動(dòng)、綜合分析、報警統計分析、趨勢預判分析等邊緣計算。

以邊緣計算的模式在工業(yè)一線(xiàn)現場(chǎng)實(shí)現人工智能識別判決類(lèi)的服務(wù)，納入已有的安全生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)監測和信息化業(yè)務(wù)系統。算法部署采用邊云協(xié)同的模式，在邊緣端平臺采集提送樣本和執行識別判決實(shí)時(shí)報警，在云端主要實(shí)現大數據匯聚管理和算法深入學(xué)習。

2.3 配置和控制接口

通過(guò)百兆局域網(wǎng)，采用標準軟件接口進(jìn)行數據交互，既可以實(shí)現云端遠程控制和配置管理，也可以實(shí)現數據調閱、模型推送等北向協(xié)同交互操作。對于安全生產(chǎn)相關(guān)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)而言，顯而易見(jiàn)的是視頻報警相關(guān)服務(wù)必須是在邊緣側實(shí)時(shí)實(shí)現，而尋找不安全行為、報警事件和安全風(fēng)險乃至事故預警之間的聯(lián)系必須基于大數據從而形成邊緣側實(shí)時(shí)分析報警、云端按需調閱，深入挖掘的基本協(xié)同聯(lián)動(dòng)模式。邊緣側與云端的最優(yōu)協(xié)同模式，可在后續工作中充分結合大數據專(zhuān)家和行業(yè)專(zhuān)家的智慧，進(jìn)一步探索。

2.4 數據通訊接口

通過(guò)百兆局域網(wǎng)傳輸，傳輸內容為視頻流、實(shí)時(shí)監測數據、報警數據、報警閾值、報警信息、遠控信息等。

2.5 安全措施

實(shí)驗平臺中運算處理器采用嵌入式SoC，運行基于Linux操作系統的專(zhuān)用嵌入式軟件，保證了軟件系統的可靠性和安全性。系統采用分級用戶(hù)權限管理，數據和視頻存儲采用嵌入數據庫、數據加密和數據水印技術(shù)保證數據安全不可篡改。

信息安全架構：

系統信息安全涉及以下四個(gè)方面：

（1）邊緣節點(diǎn)系統等設備的接入安全控制；

（2）數據傳輸安全；

（3）邊緣節點(diǎn)系統與工廠(chǎng)生產(chǎn)網(wǎng)（工控網(wǎng)）間的安全隔離；

（4）部署在各級的系統設備安全防護。

邊緣節點(diǎn)系統是部署在工廠(chǎng)的數據采集前置設備，直接決定了數據的有效性、可靠性和安全性。因此首先需對邊緣節點(diǎn)系統進(jìn)行合法性接入控制，并對其進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測。其次，上級系統下發(fā)的查詢(xún)指令也需要確保合法及有效。為此，通過(guò)建設核心的基于數字證書(shū)的加密設備認證體系，為網(wǎng)絡(luò )中每個(gè)節點(diǎn)頒發(fā)數字證書(shū)，通過(guò)數字證書(shū)的鑒權及驗簽來(lái)保證加密設備及下達指令的合法性和有效性。邊緣節點(diǎn)系統采集的數據屬于企業(yè)經(jīng)營(yíng)性數據，并涉及生產(chǎn)安全和環(huán)境安全，在傳送給上級各個(gè)中心前，需進(jìn)行數據加密，數據加密需采用國密算法。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。

邊緣節點(diǎn)系統需要從工廠(chǎng)的自動(dòng)化控制系統獲取數據，為了保證工控系統以及生產(chǎn)網(wǎng)的安全，需在邊緣節點(diǎn)系統與工控網(wǎng)、生產(chǎn)網(wǎng)之間部署安全隔離防護設備（網(wǎng)閘以及工業(yè)防火墻等），避免系統對工控系統和生產(chǎn)管理系統的非法操作。

3 方案優(yōu)勢

表1

（1）實(shí)時(shí)可靠

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

·基于嵌入式平臺整體集成，穩定可靠。

（2）效果顯著(zhù)

（3）成本優(yōu)勢

· 監控值守人員需求降低一個(gè)數量級； 

· 前后端同步接警； 

· 基本上杜絕漏報問(wèn)題。 

·現有的AI視頻分析實(shí)現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）；

·云平臺實(shí)現方案服務(wù)器昂貴，邊緣計算方案硬件成本顯著(zhù)降低。

（4）業(yè)務(wù)完整

·把視頻監控報警信息納入安全應急信息化，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)現綜合監測管理。

（5）定制服務(wù)

·針對工業(yè)領(lǐng)域的個(gè)性化痛點(diǎn)，以統一的模塊化部署架構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)現視頻分析預警，可以達到零漏報，誤報率：≤3%，報警響應時(shí)間：≤2s?？梢造`活地加載、更換、升級、卸載。并且在用戶(hù)現場(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控網(wǎng)絡(luò )。

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

在我國、安全生產(chǎn)關(guān)注的重點(diǎn)行業(yè)主要有：危險化學(xué)品、煤礦、非煤礦山、煙花爆竹、重點(diǎn)工貿等等。 據國家安監總局統計，2016年全國重點(diǎn)危險化學(xué)品生產(chǎn)企業(yè)數量為16,442家，煤礦企業(yè)9624家，非煤礦山60,947座，2016年規模以上工業(yè)企業(yè)單位數量為383,148家 。同時(shí)，建筑工地、港口碼頭等場(chǎng)所也是這項解決方案的典型推廣應用場(chǎng)景。根據2015年的一份統計數字，僅北京一地工地數量達到10,000多個(gè)，天津更是達到11,000以上。

如此巨大的應用場(chǎng)景體量，如此廣闊的市場(chǎng)空間，目前的現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)器平臺的視頻分析?，F在我們基于邊緣計算模式的解決方案得到推廣應用的話(huà)，可以預期把生產(chǎn)一線(xiàn)的安全監測預警能力推到一個(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)險水平，具有特別重大的社會(huì )價(jià)值。同時(shí)，商業(yè)應用直接市場(chǎng)價(jià)值保守估計在數百億，帶動(dòng)的關(guān)聯(lián)市場(chǎng)價(jià)值預計在千億以上。

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