Edge Computing: Warum lokale Datenverarbeitung die Zukunft des industriellen IoT ist

Kontext: über den reinen Cloud-Ansatz hinaus

Jahrelang galt ein einfacher Trend: alles in die Cloud senden. Mit der wachsenden Zahl von Sensoren in Industrie 4.0 und in der Medizintechnik wird die Netzwerkkapazität jedoch zum Engpass.

Edge Computing ersetzt die Cloud nicht. Es ist ihr intelligenter Partner, der das Rauschen herausfiltert und nur die wertvollen Signale an den zentralen Server sendet. Das Ergebnis sind schnellere Entscheidungen, ein geringerer Bandbreitenverbrauch und eine effizientere Nutzung der Cloud-Ressourcen.

Vier Säulen der Vorteile von Edge Computing

1. Latenz: wenn Millisekunden zählen

In der Robotik oder in autonomen Systemen ist die Round-Trip-Zeit zu einem entfernten Rechenzentrum häufig zu lang.

Edge Computing ermöglicht eine deterministische Reaktion in Echtzeit, was für die Sicherheit und die Präzision des Systems entscheidend ist.

2. Optimierung von Bandbreite und Kosten

Das Streaming von 4K-Video oder hochfrequenten Vibrationsdaten von Dutzenden Kameras und Sensoren in die Cloud ist teuer. Edge-Geräte mit SoCs wie NVIDIA Jetson oder NXP i.MX führen die Inferenz lokal aus und übertragen ausschließlich Anomaliemeldungen.

Das reduziert das übertragene Datenvolumen, den Bedarf an Cloud-Speicher und die Betriebskosten erheblich.

Bei Consilia setzten wir vergleichbare Prinzipien beispielsweise im Projekt einer TETRA-Basisstation um, bei dem ein Arm-Cortex-Prozessor gemeinsam mit einem FPGA die Daten effizient direkt an der Quelle verarbeitete.

3. Sicherheit und Datenschutz

In der Medizintechnik und in kritischen Infrastrukturen dürfen sensible Daten das lokale Netzwerk häufig nicht verlassen, oder sie sollten es nicht.

Zu den relevanten regulatorischen und sicherheitstechnischen Standards zählen:

• IEC 62443: Cybersicherheit im industriellen Umfeld (OT). Erfordert eine Segmentierung in Zonen und Conduits mit kontrollierter Kommunikation zwischen ihnen. Eine lokale Datenhaltung wird zwar nicht vorgeschrieben, die Architektur begünstigt jedoch deutlich, kritische Steuerungsdaten in geschützten lokalen Zonen zu belassen.
• DSGVO: regelt die Verarbeitung personenbezogener Daten und beschränkt deren Übermittlung außerhalb des EWR ohne geeignete Garantien. Die DSGVO verlangt zwar nicht, dass Daten im lokalen Netzwerk verbleiben, eine lokale oder EU-basierte Verarbeitung kann die Compliance jedoch vereinfachen.
• ISO 13485 / IEC 62304: zentrale Standards für das Qualitätsmanagement und die Softwarelebenszyklusprozesse bei Medizinprodukten.
• ISO 26262: funktionale Sicherheit im Automotive-Bereich, einschließlich ASIL-Klassifizierung und Gefahren- und Risikoanalyse (HARA).
• ISO/SAE 21434: Cybersicherheit im Automotive-Bereich, einschließlich Bedrohungs- und Risikoanalyse (TARA).
• EU-MDR: Medizinprodukteverordnung, einschließlich der grundlegenden Sicherheits- und Leistungsanforderungen (GSPR).

Edge Computing kann die Sicherheit stärken, indem sensible Rohdaten hinter der lokalen Firewall bleiben und die nach außen übertragene Informationsmenge reduziert wird.

4. Intelligentes Energiemanagement und Autonomie

Anders als Cloud-Server mit unbegrenzter Energieversorgung laufen Edge-Geräte häufig mit Batterien oder mit Energy Harvesting.

Edge Computing ermöglicht intelligente Schlafzyklen. Statt das Funkmodul rund um die Uhr aktiv zu halten, kann das SoC im Deep-Sleep-Zustand verbleiben und erst dann aufwachen, wenn die lokale KI ein bestimmtes Ereignis erkennt, etwa eine Vibrationsanomalie oder einen Sprachbefehl.

Je nach Auslastung und Duty Cycle kann dieser Ansatz die Batterielaufzeit erheblich verlängern und dabei die Reaktionsfähigkeit dort erhalten, wo sie gebraucht wird.

Expertenstimme

[citace]Wir bewegen uns von einer Cloud-first- zu einer Edge-first-Welt. Da Rechenleistung in jeden Aspekt unseres Lebens eingebettet wird, ist der ‚intelligente Edge‘ genau der Ort, an dem die kritischsten Daten entstehen und an dem die unmittelbarste Aktion stattfindet.[citace][citace-autor]Satya Nadella, CEO von Microsoft [citace-autor]

Vergleich: Cloud Computing und Edge Computing

Erfahrungen aus der Praxis: hybrider Ansatz

Unsere Projekterfahrung zeigt, dass die erfolgreichsten Umsetzungen auf ein hybrides Modell setzen: Der Edge übernimmt die unmittelbare Reaktion und die Sicherheit, während die Cloud für langfristiges maschinelles Lernen und die globale Geräteverwaltung genutzt wird.

So sieht Edge AI in der Praxis aus: Die Modelle werden zentral in der Cloud trainiert und anschließend auf Edge-Geräten bereitgestellt, wo die Inferenz nah an der Datenquelle stattfindet.

Ein anschauliches Beispiel für diesen hybriden Ansatz ist unser Projekt Gateway for Personal Safety.

In diesem Projekt werden die Daten mehrerer persönlicher Sicherheitsgeräte von einem Gateway erfasst und aggregiert, das auf einer System-on-Module-Plattform (SoM) mit Android basiert. Das Gateway integriert LTE-Modems, WLAN, Bluetooth und GPS.

Das Gateway verarbeitet und bewertet diese Daten lokal mittels Edge Computing. Akute Vorfälle kann das Gateway direkt vor Ort bearbeiten, in die Cloud wird nur eine kleine, relevante Teilmenge der Daten übertragen.

Drei zentrale Erkenntnisse für Ihr nächstes Projekt:

1. Definieren Sie, welche Daten wirklich gespeichert werden müssen: ein wirksamer Edge-Filter kann Tausende an Speicher- und Übertragungskosten einsparen.
2. Die Hardwareauswahl ist entscheidend: ob Sie sich für ein FPGA oder eine GPU entscheiden, hat erheblichen Einfluss auf die Verarbeitungseffizienz und den Energieverbrauch.
3. Unterschätzen Sie OTA-Updates nicht: die Verwaltung von Hunderten oder Tausenden Edge-Geräten erfordert vom ersten Tag an eine robuste Strategie für die Fernverwaltung.

Arbeiten Sie an einem Projekt, bei dem Latenz oder Datenschutz entscheidend sind?

Bei Consilia entwickeln wir Hardware und Software für anspruchsvolle Edge-Anwendungen, von der industriellen Automatisierung bis zu Medizinprodukten. Wir sagen Ihnen offen, wo eine Edge-Ebene tatsächlich einen Mehrwert schafft und wo sie lediglich eine unnötige Investition wäre.

Sehen Sie sich unsere Fallstudien an oder nehmen Sie direkt Kontakt mit uns auf.