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★中國信息通信研究院 胡鐘顥，王哲 

摘要：邊緣計算技術廣泛普及并與傳統工業自動化技術深度融合，形成邊緣控制 這一新興概念。邊緣控制依托其開放架構，可與新型工業網絡技術、實時虛擬化 技術及跨平臺編譯技術等相結合，在保證實時可靠工業控制的基礎上，集成一定 的計算能力以滿足當前工業現場的場景需求，以期對傳統工業控制形成互補或部 分替代。本文旨在從邊緣控制的概念形成、參考架構、發展路徑與趨勢及熱點技 術等幾個方面對邊緣控制技術進行研討和分析。 

關鍵詞：邊緣計算；邊緣控制 

Abstract: Edge computing technology is widely popularized and deeply integrated with traditional industrial automation technology, forming a new concept of edge control. Relying on its open architecture, edge control can be combined with new industrial network technology, real-time virtualization technology and cross-platform compilation technology. On the basis of ensuring real-time and reliable industrial control, it can integrate certain computing capabilities to meet the needs of emerging scenes in the current industrial field, so as to form a complementary or partial replacement for traditional industrial control. This paper aims to discuss and analyze edge control technology from the aspects of concept formation, reference framework, development path and trend, and hot technologies. 

Key words: Edge computing; Edge control

 1　引言 

自20世紀70年代PLC進入工業自動化領域，ISA-95 （企業系統與控制系統集成國際標準）的L1和L2層的 制造控制層的軟硬件結構未有變動，自動化市場結構一 直圍繞著軟硬件強綁定方式演進，供應商將硬件配套的 軟件開發環境一并交付客戶[1]，同時，現場總線、實時 以太網等工業協議“七國八制”情況嚴重，現場網絡互 通困難，產生信息孤島，導致了工業控制在CT、OT、 IT層面壁壘高筑，阻礙了生態的發展，因而亟需工業控 制在技術上產生變革以解決上述問題。

 2　傳統工業控制的演進歷程 

回顧工業控制的演進歷程，如圖1所示，主要經歷 了三個重要時期：首先是上世紀三、四十年代模擬時 代。這一時期因有了戰時的積累，工業控制理論與技術 蓬勃發展，工控形式主要是模擬監測儀表和模擬單回路 反饋控制器，并逐漸從分散電路控制過渡到集中電路控 制；1946年計算機的出現，將工業控制從模擬時代帶 入到模擬和數字混合時代。隨著全球第一個數字化工業 控制系統—直接數字控制（Direct Digital Control， DDC）建設完成，各種新的工業控制設備逐漸嶄露 頭角，如1969年出現的PLC（Programble Logic Controller）和1975年出現的DCS（Distributed Control System），通過配置其控制邏輯可更改的靈 活性，實現了對傳統的繼電器設備的替代。同時，這一 時期工控網絡也逐漸從串行通信向現場總線過渡，傳輸 能力和實時性有了較大的提升；工業控制從模擬和數字 混合時代過渡到數字時代的標志是1985年基于PC的工 業控制器的出現。工業PC具備開放性、低成本、軟硬 件資源豐富、生態成熟等優勢，其媲美PLC的可靠性及 易部署、易操作、易維護等特性使其逐漸被設備提供 商、解決方案集成商及終端用戶所接受。在這一時期， 普通以太網逐步應用于工業控制系統，使適用于工業的 實時以太網得到了快速發展。

 圖1 工業控制系統演進歷程 

總結以往的演進規律，工業控制的升級換代主要 是由內在因素和外在因素聯合驅動產生的。內在因素表 現在來自工業現場側的需求的變化。隨著機器視覺質 檢、設備預測性維護等場景的引入，工業現場側不僅僅要對實時性的控制指令進行處理，也要對大量的非實 時數據進行處理，而當前工業控制系統不能滿足如此大 數據量的處理需求。另外，現場側產生大量的異構生產 數據，這些數據對于企業精細管理和精準決策有重要意 義，但當前工控系統較為封閉，無法實現異構數據的共 享；外在因素表現在隨著計算機、網絡等技術的不斷迭 代升級，以及與傳統工業控制技術相融合，從而催生出 新型工業控制技術。當前ICT技術如5G、TSN（Time Sensitive Networking）等確定性網絡技術、邊緣計算 技術等與工業控制的融合正在走實向深，將驅動新的工 控產品形式的產生。

 3　邊緣控制的概念及架構 

3.1　邊緣控制的概念由來 

考慮工業生產中的一個典型應用場景，生產線上 的數據通過采集匯總后，呈現在基于Web的用戶界面 上，工廠主管人員可通過分析生產目標達成情況和訂單 情況來對生產進行實時調整。然而，上述場景在實現過 程中可能會面臨諸多問題。數據產生于現場的傳感器和 執行器并傳輸信號到PLC進行數據統計，然后PLC將統 計數據再傳輸至PC中的通信程序并本地儲存，同時， 數據也傳輸至基于PC的HMI和SCADA系統中。最后， 為了將數據傳輸至本地或云端部署的工廠服務器，需通 過HMI或SCADA執行數據轉發。整個過程中，數據在 多個中間件中流轉，提升了數據的安全性、完整性風 險。同時，各節點間需經過多次的協議轉換，例如PC 或服務器適用的IT協議TCP/IP、HTTP、PLC、傳感 器和執行器等適用的OT協議Ethernet/IP、Profinet、 OPC UA等，相互轉換復雜度高，需要一定的工作量。 另外就是開發成本高，整個數據流轉過程涉及到OT工 程師、IT工程師相互間在領域邊界的配合。

 由此，邊緣控制的概念應運而生。邊緣控制是集 設備邊緣、網絡邊緣和計算邊緣于一體的新型控制技 術[2]，兼具IT技術的信息搜集、處理、存儲、輔助決策 等能力和OT自動化控制技術功能，同時具有集成邊緣 計算的能力。邊緣控制器是邊緣控制技術實現的產品形 態，第一套邊緣控制器系統（EPIC）來自于Opto22的 groovEPIC，是為了解決工廠數據流轉過程中所面臨的上 述問題而設計研發的。

 邊緣控制器全稱是EPIC（Edge Programmable Industrial Controller），Edge（邊緣）—即數據 產生于邊緣、處理于邊緣，并和邊緣計算緊密結合； Programmable（可編程）—既支持OT語言（如梯 形圖、功能模塊圖、順序功能圖等），也支持IT語言 （如C、Java、Python等），并且提供開放編程環境； Industrial（工業）—即支持工業特性，如工業惡劣環 境、簡化部署特性、設備自診斷、適配工業協議等； Controller（控制器）—即可執行硬實時控制任務，保 證時間確定性、可靠性，完整代替傳統控制器功能。

3.2　邊緣控制的參考架構 

邊緣控制的參考架構，如圖2所示，分為端、邊、 云三個層級，分別部署不同的設備或系統。邊緣側的設 備形態為邊緣控制器和邊緣網關，其南向通過現場總 線、工業以太網連接端側的執行器和傳感器等現場設 備，北向則通過以太網連入云側的邊緣云或公有云。邊 緣控制器和邊緣網關均可采用通用硬件架構并具備與現 場設備通訊能力，邊緣網關功能側重于對下層設備的數 據采集、處理分析和向云側進行轉發，而邊緣控制器功 能偏向于對現場設備的實時控制，二者功能可分別獨立 實現靈活部署，也可組合在一臺邊緣計算硬件設備上。 

圖2 邊緣控制參考架構示意圖[3]

 4　邊緣控制關鍵技術 

傳統工業現場的ISA-95五層架構，正在向“云-邊端”三層架構轉變。邊緣控制器一般部署于現場側或邊 緣機房，通過OT網絡連接到現場的傳感器和執行器， 并通過以太網或者無線網絡，連接到中心云，實現云邊 協同、應用倉庫及云對邊緣的納管。在架構融合轉變的 過程中，邊緣控制器形成了一些關鍵技術熱點，包括云 邊協同、跨平臺編譯和實時虛擬化。 

（1）云邊協同 

云邊協同是邊緣原生的核心技術之一。云端通常具 備海量計算能力，通過云邊協同、云端開放的能力和資 源可提供給邊緣端的應用進行調研。以機器學習為例，如圖3所示，一般流程是云端首先將訓練好的模型下發 邊緣端，邊緣端執行推理并根據結果下發控制指令給現 場執行器，并將執行結果反饋至云端，然后云端根據反 饋結果再次進行模型訓練并更新模型再次下發給邊緣 端。另外一個場景是邊緣端實時采集的現場工況數據經 預處理后上傳到云端進行匯總分析，從而實現數據可視 化，以支持工廠管理層的精準決策。

 圖3 基于云邊協同的邊緣控制流程 

（2）實時虛擬化 

實時虛擬化技術是實現虛擬化邊緣控制的關鍵技 術，既融合了虛擬化技術，同時也保持工業控制的實時 特性。其實現方式一般是在一套硬件上運行兩個或者多 個操作系統，其中包括實時操作系統（用以運行邏輯 控制、運動控制等實時功能）和分時操作系統（如桌 面系統，用以運行HMI/SCADA或者數據庫等非實時應 用），各系統間互不干擾，分時操作系統的啟停不會影 響到實時系統的運行。實時虛擬化的優勢主要體現在其 兼顧了邊緣計算和工業控制的硬實時特性，另外虛擬化 使資源利用率大幅提升，還可以節約能耗，節省空間， 更適用于邊緣端部署。目前主要的實時虛擬化實現方式 分為托管實時虛擬化和裸機實時虛擬化，如圖4所示。 托管實時虛擬化是基于Type-2型的虛擬機，在基礎操 作系統之上，運行實時虛擬機RTOS和分時操作系統， 工業控制程序在RTOS中運行；裸機實時虛擬化是基于 Type-1型的虛擬機，在Hypervisor上直接運行多操作 系統，包括RTOS。裸機實時虛擬化，其隔離性和實時 性均優于托管的實時虛擬化[4]。 

圖4 托管實時虛擬化和裸機實時虛擬化 

（3）跨平臺編譯 

跨平臺編譯技術將成為邊緣控制的重要賦能工 具，可實現程序的通用開發和通用部署，打破了原有 編譯環境與硬件強綁定所產生的壁壘。跨平臺編譯技 術可提供包括IT和OT的多語言支持環境，并具有可復 用性、可配置性和便攜性[5]。典型的跨平臺編譯技術 如CodeSys，其RTE（運行環境）通過對分時系統內 核進行實時性改造，保證了工控系統的確定性，同時 支持主流的CPU架構（如ARM、X86），可在通用PC 上進行安裝，使CodeSys具有了明顯的跨平臺特征。 另外，基于IEC-61499的編程平臺，如4DIAC IDE及 EcoStructure Automation Expert等，實現了諸多先 進理念，比如軟硬件解耦、支持虛擬化、支持整體設 計、集成信息模型等，其核心點是支持多種場景的IT/ OT語言混合編程，并通過統一接口的功能塊進行封裝 以開放調用。 

（4）新型網絡技術 

以5G和確定性網絡為代表的新型網絡技術與邊緣控 制的結合，將成為解決工業現場互通問題的重要支撐。 5G作為接入側技術，為工業現場提供了海量設備接入能 力并具備端到端傳輸低時延、大帶寬、高吞吐等服務特 性，可有效滿足邊緣端實時指令處理需求和大數量的非實 時數據處理需求。確定性網絡如時間敏感網絡（TSN）、 確定網（DetNet）和確定性IP（D-IP）網絡，可用于提 供實時數據傳輸，保證了確定的通信服務質量如超低上界 的時延、抖動、丟包率、上下界可控的帶寬以及超高下界 的可靠性，能夠滿足工業現場高質量通信需求[6]。

 5　邊緣控制的發展路徑與趨勢 

通過調研當前邊緣控制產業的發展狀態及市場上的 邊緣控制器的功能及實現方式，筆者發現目前邊緣控制 器主要形成了兩種發展路徑，分別是通用邊緣控制器和 虛擬化邊緣控制器。 

（1）通用邊緣控制

通用邊緣控制器的關注點在傳統控制器基礎上的能 力拓展，一般集成邊緣計算能力，在邊緣側可進行必要 的數據處理、分析，并且集成物聯網協議能力，直連云 端。這種發展路徑擴展了原有工業控制器的能力，有助 于工廠內各層級系統和設備的縱向打通。 

典型的通用型邊緣控制器如：霍尼韋爾公司的 ControlEdge PLC，支持物聯網協議與云端通信，可集 成HMI/SCADA功能；西門子公司的S7-1500+TM NPU 智能模塊，具備神經處理單元模塊，可實現AI算法和 PLC邏輯的融合，可集成視覺處理單元芯片，適用于圖像處理；奧普圖公司的groovEPIC，即前文提及的第一 套邊緣控制器，可在邊緣采集、處理、查看和交換數 據，并且同時支持OT和IT語言編程；施耐德的莫迪康 M262邊緣控制器，由獨立內核執行通信任務，可越過 中間網關進行物聯網數據傳輸。 通用控制器的發展是由歐美發達國家主導的，其專 注于傳統控制器與ICT層面融合的功能升級。

通用邊緣控 制器從維護既有商業利益角度出發，自下而上建設發展， 策略是在原有技術上進行能力拓展，穩步推進技術革新。 

（2）虛擬化邊緣控制 

虛擬化邊緣控制器一般基于通用PC架構，并可與 5G、確定性網絡、人工智能等新型ICT技術相結合。技 術上，在保證實時性的基礎上使控制系統向虛擬化方向 演進，以提高資源利用率，同時降低軟硬件運維及成 本，并提供彈性算力實現設備數據集中管理，從而提升 產線柔性。 

典型的虛擬化邊緣控制器應用案例如：東土科技與 三一重工、中國聯通聯合發布了基于5G的虛擬化邊緣 控制器，實現了毫秒級高實時控制；寶信、華為和上海 交通大學發布了基于廣域網的虛擬化邊緣控制器，實現 了20微秒的時延抖動和4ms以內的網絡時延；中國聯通 和浙江中控發布了基于5G MEC的虛擬化邊緣控制系統 DeepControl。

 虛擬化邊緣控制器主要由國內各廠商聯合推動，意 在突破傳統控制器架構束縛，集中邊緣資源以提高資源利 用率，進而減少軟硬件成本。虛擬化邊緣控制因其靈活、 適應性強和綜合成本較低等優勢，在OT領域將大有可 為，但當前國內產業發展尚未成熟，技術積累尚未完備， 因此提升其時間確定性和健壯性以在高節拍、高速控制場 景中對傳統控制器形成替代，將成為未來發力重點。 

6　邊緣控制發展建議 

邊緣控制的重要價值已受到普遍認同，國外先進國 家和地區通過成立組織、啟動孵化項目、制定框架和標 準、開啟測試驗證來布局邊緣控制，國內也持續發布政 策以完善邊緣控制發展環境。未來，筆者建議從健全標 準體系、推動技術創新及完善產業生態三個方面推動邊 緣控制的規模化發展。 

（1）健全標準體系 

標準制定對于引導研發方向、規范產品形態具有重 要意義。當前邊緣控制相關標準較為匱乏，筆者建議兼 顧各發展路徑的邊緣控制，組織產業各方統籌規劃，統 一布局，構建邊緣控制標準體系架構，形成整體的標準 視圖，健全邊緣控制標準體系。 

（2）推動協同創新 

單純利用邊緣控制技術難以充分發揮其價值，需 與5G、AI、大數據等技術相結合，相互融合，協同創 新。筆者建議面向多技術融合，建設圍繞邊緣控制的綜 合測試床以孵化形成一體化解決方案，同時學術上應適 時總結梳理關鍵技術及發展現狀和趨勢，為技術研究提 供重要參考。 

（3）完善產業生態 

邊緣控制是一項新興技術，如產業各方各自發力， 閉門造車，將會形成新的“七國八制”局面，無法從根 本上解決當前工控的閉塞局面。筆者建議應提供開放的 合作平臺，促進供給端研發合作和供需對接，以需求為 導向，以解決痛難點問題為驅動，形成合力發展局面。 同時，開展各類別邊緣控制產品評測，以測促用。

作者簡介：

胡鐘顥，中國信息通信研究院工程師，主要從事工業互 聯網、邊緣計算等領域產業政策、技術研究和標準制定 等工作，長期支撐工業和信息化部、國家發改委等部委 的工業互聯網產業政策制定、重大專項指南編制等工 作。已發表期刊及國際會議論文5篇，申請發明專利及 軟件著作權6項，主持并參與起草行業標準多項。

 王　哲，博士，中國信息通信研究院高級工程師，主 要從事工業互聯網、邊緣計算領域政策、技術標準， 產業發展等方面研究，長期支撐工業和信息化部、國 家發改委等部委的工業互聯網產業政策制定、重大專項 指南編制等工作。目前擔任CCSA邊緣計算技術標準及 產業發展推進委員會技術促進組組長，同時擔任IEEE Transactions on Vehicular Technology，IEEE Access 等國際期刊審稿人，已發表期刊及國際會議論文10余 篇，其中SCI檢索5篇，申請發明專利及軟件著作權4 項，主持并參與起草10余項行業標準制定工作。 

參考文獻：

[1] 彭瑜. 流程工業開放自動化的重要發展趨勢[J]. 自動化儀表, 2019, 40 (03) : 1 - 6. 

[2] 彭瑜. 邊緣可編程工業控制器—PLC轉型的一個方向 (上) [J]. 今日制造與升級, 2021 (08) : 18 - 21. 

[3] 胡巍, 胡楊, 柯藝鴻. 初探“邊緣控制”[J]. 自動化博覽, 2022, 39 (05) : 52 - 57.

[4] 王涵. 基于微內核架構的嵌入式實時虛擬化技術研究與實現[D]. 中國電子科技集團公司電子科學研究院, 2022. DOI:10.27728/ d.cnki.gdzkx.2022.000095. 

[5] 文淵博. 面向智能計算系統的跨平臺編譯技術研究[D]. 中國科學技術大學, 2022. DOI:10.27517/d.cnki.gzkju.2022. 000382. [6] 李立平, 陸威, 王夢曉, 等. 5G專網TSN總體架構及關鍵技術[J]. 移動通信, 2022, 46 (08) : 41 - 46、105.

摘自《自動化博覽》2023年第2期暨《邊緣計算2023專輯》