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摘要：當前，全球范圍內產業變革和工業數字化轉型蓬勃興起，工業互聯網邊緣計算作為信息技術與制造業深度融合的產物，已經成為新工業革命的關鍵技術支撐。在企業構建工業互聯網技術體系過程中，如何在工業現場應用邊緣計算是業界關注的重要問題。針對上述挑戰，本文以離散制造業為例，深入分析了離散制造業發展需求，詳細介紹了針對離散制造業特點的邊緣計算實施架構，同時系統闡述了離散制造業典型場景的邊緣計算已有應用解決方案，為引導和促進離散制造業邊緣計算應用發展提供了參考。

關鍵詞：工業互聯網；邊緣計算；離散制造業；實施架構

Abstract: Industrial transformation and industrial digital transformation are booming around the world. Industrial Internet edge computing, as a product of deep integration of information technology and manufacturing, has become the key technical support of the new industrial revolution. In the process of building an industrial Internet technology system, applying edge computing in industrial fields has attracted a lot of attention. To meet the above challenges, this paper takes discrete manufacturing as an example, deeply analyzes the development needs of discrete manufacturing, and introduces the implementation architecture of edge computing for discrete manufacturing. Moreover, this paper also expounds the existing application solutions of edge computing in typical scenarios of discrete manufacturing. The reference for guiding and promoting the development of discrete manufacturing edge computing applications is provided in this paper.

Key words: Industrial internet; Edge computing; Discrete manufacturing; Implementation architecture

1　引言

近年來，隨著新一代信息技術的進步和相關政策的支持，我國離散型制造業正積極地向數字化、智能化、網絡化方向轉型，然而制約離散制造業轉型的瓶頸仍有很多，例如，工業現場存在眾多“信息孤 島”；現有數據資源的可利用率不高，降低了數字化的實用價值；工業現場網絡協議多樣異構，設備互聯互通困難等，這些因素都為離散制造業轉型發展造成了巨大阻礙。

而工業互聯網邊緣計算通過在靠近工業現場執行側的網絡邊緣構建融合網絡、計算、存儲、應用等核心能力為一體的一種分布式開放體系，提供智能邊緣服務并與云端協同工作，可以滿足離散制造業在快速系統聯接、智能數據處理、實時業務分析、安全運營管理等方面的關鍵需求，幫助離散制造業突破數字化和網絡化的局限，實現行業升級轉型。本文首先深入分析了離散制造業發展需求，詳細闡述了離散制造業邊緣計算發展的重大意義及最新態勢，系統介紹了適用于離散制造業的邊緣計算實施參考架構及針對離散制造業典型場景的已有邊緣計算解決方案，為引導和促進離散制造業邊緣計算應用發展提供了參考。

2　離散制造業數字化轉型面臨的挑戰

2.1　離散制造業發展現狀及需求

離散制造的產品往往由多個零件經過一系列并不連續的工序的加工最終裝配而成，例如飛機制造、船舶制造等。近年來，隨著我國離散制造業的發展，其對業務時延、隱私和安全等指標的要求也進一步升級，整體作業呈現精細化，智能化和柔性化的發展趨勢，在此過程中，我國離散制造業自動化技術方面的發展現狀及挑戰如下：

工業現場數據類型異構混雜，缺少完整的數據集成應用架構。目前離散制造業普遍存在低端產能過剩、高端產能不足的情況。提高高端產能首先需要從裝備入手提高生產品質。一方面，行業生產經驗還需要長期積累來轉化為設備工藝軟件的進步；另一方面，數據驅動的應用還需進一步加強來促進工藝參數的優化、生產調度的優化、生產設備的實時監控診斷、預測性維護等。行業內大部分設備和產線傳感器數量不足，一些關鍵的物理量尚缺乏有效的傳感測量手段，一些自動化裝備獲取的狀態數據沒有通過開放式接口提供給第三方，且原有的自動化系統和架構都不能提供良好的支撐。

生產過程柔性化不足，單機設備缺少開放式接口，設備間缺少統一的互聯互通標準。因為離散制造業涉及的行業眾多，發展不均衡，整個離散制造業目前還未普遍實現基于訂單的柔性自動化生產。總體上，隨著數控機床、工業機器人以及PLC的廣泛應用，各個行業的單機自動化水平都有了較大提升，但離散制造業整體還處于以單機自動化為主和剛性自動化產線為主的狀況，柔性自動化產線較少，真正實現基于訂單的柔性自動化產線更少，OT系統和IT系統難以實現互聯互通。

產線自動化軟件系統薄弱，生產自動化程度不足，運營人員勞動強度大，效率低。在目前的發展階段，各個離散制造行業的自動化軟件水平極不均衡，在國產裝備中還存在大量“黑盒子”，即缺少自主關鍵工藝控制能力，大量采用第三方的專用控制器，既難以實現工藝算法和軟件的自主迭代升級，也影響了裝備軟件的統一架構設計。同時，相對于流程行業，離散制造業的設備產線操作人員、品質檢測人員、生產管理人員、設備維護人員工作內容更為繁瑣，更容易出現疲勞狀況。對于生產規劃人員來說，離散制造涉及的不確定性因素較多，制定按需生產、有彈性的生產計劃比較困難。一些關鍵零件加工環節、裝配環節不能完全依賴于自動化，需要有經驗的工人完成，目前尚缺乏有效的人機協作機制來減輕操作工人的勞動強度。基于機器視覺等手段的在線檢測裝置正獲得廣泛的應用，但在很多工廠，質量檢測仍是一個勞動力密集環節。

原有標準和解決方案不適應轉型發展。原有的工廠自動化和信息化架構的參考模型主要是ISA-95的L0到L4金字塔模型，該模型定義了ERP、MOM、SCADA、PLC／DCS之間的接口和數據交換標準。

目前，一方面在實際中該標準并沒有得到很好地實現，廣泛采用的是主流廠家以數據庫為中心的方案；另一方面，該標準也需要進一步完善，適應離散制造業數字化轉型的需求。

2.2　工業互聯網邊緣計算推動離散制造業轉型升級

針對上述問題和挑戰，可以看出，隨著離散制造業數字化和網絡化的深化，離散制造業發展將面臨著深層次的問題，包括生產效率與成本控制的提升接近極限，無法有效應對靈活多變的市場需求等，同時對于生產現場實時性、可靠性以及智能化能力的要求也不斷提高。而滿足上述需求不僅需要云計算的整體運籌，更需要邊緣計算的本地實時決策職能。邊緣計算提供了設備之間互聯互通機制、OT系統和IT系統互聯互通機制，以及部署于工業現場的實時數據采集、匯聚、存儲、分析機制，可以快速便捷的實現OT與IT的整合。因此，基于工業互聯網體系架構的邊緣計算將在離散制造業的數字化轉型中發揮重要作用，有利于解決離散制造業當前和未來所面臨的如下問題：

邊緣計算為離散制造業提供邊緣側的數據匯聚采集和智能決策分析能力。當前大量離散制造系統受限于數據的不完備性，整體設備效率等指標數據計算比較粗放，難以用于效率優化。邊緣計算平臺基于設備信息模型實現語義級別的制造系統橫向通信和縱向通信；基于容器化的邊緣計算核心組件保證設備數據采集的完整性和有效性；基于實時數據流處理機制匯聚和分析大量現場實時數據，實現基于模型的生產線多數據源信息融合，為離散制造系統的決策提供強大的數據支持；基于邊云協同的人工智能模型訓練和部署機制，將為離散制造領域專家提供大量平臺化、模塊化的靈活易用工具，不斷提升工廠的精益制造能力。

邊緣計算能有效解決離散制造業的設備間連接性問題。離散制造領域行業眾多，行業碎片化導致設備連接協議眾多，造成設備互聯困難。邊緣計算平臺具有完善的連接配置和管理能力，收集系統間實時通信需求和服務質量要求，運行優化調度算法，轉化為對TSN交換機和5G網絡的配置，支持多種實時數據流傳輸。在保證信息安全的基礎上，不僅可以把支持傳統接口和協議的設備接入邊緣計算平臺，而且通過引入數據抽象層，使得不能直接互聯互通的設備基于邊緣計算平臺實現互聯互通，邊緣計算平臺的低延遲性能可以保證設備間的實時橫向通信。

邊緣計算平臺可以實現離散制造業自動化軟件開發的軟硬件解耦。智能工廠的運行依賴于智能裝備和智能流程，需要大量的實時軟件支持。目前很多裝備實時應用軟件過度依賴于具體的控制系統硬件，難以遷移到不同的系統。基于邊緣計算平臺的微服務架構，可以將大量實時規劃、優化排版、設備監控、故障診斷和分析、AGV調度等功能封裝在邊緣應用程序上，實現了軟件與硬件平臺的解耦，降低了開發難度，提高了軟件質量，通過邊緣計算平臺可進行邊緣應用程序的靈活部署，實現了領域知識的分享。

邊緣計算具有豐富的抽象和粘合能力，針對老工廠升級和新工廠建設的不同需求，能夠提供具有一致性的設計解決方案。目前大量老工廠都面臨數字化轉型問題，邊緣計算由于具有豐富的連接性和靈活的部署能力，可以提供多種輕量級的解決方案，在不對自動化裝備進行大規模升級的情況下，通過增加邊緣網關、邊緣計算平臺和必要的邊緣數據采集終端，可以有效提高制造工廠的數字化水平，加強數據在制造系統各個環節間的流動，實現各種基于數據的智能應用。

總體來說，基于邊緣計算的解決方案可以有效解決離散制造業發展過程中面臨的設備連接、數據采集處理、柔性生產等諸多問題，促進離散制造業實現全局協同，提升生產效率，不斷強化離散制造業生產現場的物聯連接、上云用云和數據分析能力，并帶動一批離散制造業智能化應用走向成熟商用，助力離散制造業升級轉型。

3　離散制造業邊緣計算解決方案實踐

3.1　離散制造業邊緣計算實施架構

離散制造業邊緣計算實施架構包括現場設備層、邊緣計算平臺以及實現邊云協同的云平臺層，如圖1所示，邊緣計算平臺負責從各現場設備采集數據，實現邊緣側各類數據的統一接入、存儲、邊緣分析處理等，并通過對現場設備的物聯集成（如：生產設備、物流設備、檢測設備）采集設備運行參數，將數據傳送至云平臺，同時實時接收云平臺下發的控制指令，最終反饋至相應設備，從而實現對現場設備的數字化管理，對離散制造業的生產過程控制、工藝優化具有重要意義。

圖1 離散制造業邊緣計算實施參考架構

此外，隨著邊緣計算在離散制造業中的應用不斷廣泛，云計算與邊緣計算的協同效應也在快速增強，邊云協同成為離散制造業數字化改造的主要使能器。一方面，邊緣計算在工廠內部發揮重要作用。邊緣側數據分散，本地應用系統多，需要大量的計算、存儲資源。邊緣計算平臺可以實現業務數據本地處理及生產現場的實時控制反饋，同時，邊緣計算平臺通過東西向聯接進行數據和知識的交換，支持計算、存儲資源的橫向彈性擴展，能夠完成本地的實時決策和實時優化操作。另一方面，邊緣計算平臺將與工廠外的云平臺協同聯動，邊緣側聚焦實時、小數據的處理，而云平臺側聚焦長周期、大數據的處理。邊緣計算平臺通過南北向鏈接與更上層的工業云平臺實現數據交換和應用管理協同，實現邊緣側基礎設施資源的統一管理、調度和運維，支撐邊緣側應用的靈活部署和升級。

其中，邊緣計算在離散制造業中的應用形式主要以邊緣計算平臺為主，如圖2所示，通用邊緣計算平臺一般包含邊緣控制器、邊緣網關以及邊緣云三層架構，基于云原生的邊云協同架構，采用輕量級容器管理、虛擬化等技術構建統一的現場異構數據集成平臺，實現邊緣側人員、設備、物料、環境、業務管理等數據的接入、存儲、處理等功能。

圖2 邊緣計算平臺架構

邊緣控制器是工業網絡邊緣側連接各種現場設備，進行工業協議的轉換和適配，統一接入到邊緣計算網絡中，并將設備能力以服務的形式進行封裝，實現物理上和邏輯上生產設備之間通信連接。邊緣控制器硬件架構設計采用分布式異構計算平臺，一般采用CPU+GPU/FPGA協同的異構計算體系結構，支持全分布式控制以及多種控制器的協作運行和無縫集成，也是目前各種實時嵌入式硬件平臺實現的主流實現方案；在滿足硬件實時需求前提下，利用多物理內核結合虛擬化技術的支持，實現在同一硬件平臺上運行實時與非實時任務或操作系統，并滿足系統多樣化與可移植性的需求，提高整體平臺體系的安全性、可靠性、靈活性以及資源的利用效率；應用時空隔離的多任務和多線程調度機制與改造優化調度算法相結合的方式，實現任務調度機制。

邊緣網關是指具備邊緣計算、過程控制、運動控制、機器視覺、現場數據采集、工業協議解析能力的邊緣計算裝置。邊緣網關能適應工業現場復雜惡劣環境，滿足國內主流控制器、工業機器人、智能傳感器等工業設備的接入和數據解析的需求，支持邊緣端數據運算及通過互聯網推送數據到工業互聯網平臺。邊緣網關可將現場各種工業設備、裝置采用、應用系統的標準或私有通信協議轉化成標準OPCUA及MQTT通訊協議，使得上位系統及工業互聯網平臺可采用統一的協議和信息模型與不同設備和系統互相通信，方便系統集成，實現遠程監控、故障診斷、配置下載、遠程管理等功能。

邊緣云是邊緣側單個或者多個分布式協同的服務器，通過本地部署的應用實現特定功能，提供彈性擴展的網絡、計算、存儲能力，滿足可靠性、實時性、安全性等需求，是實現IT技術與OT技術深度融合的重要紐帶。一方面，將在云端基于機器學習離線訓練好的模型部署到邊緣云，并通過定期更新模型算法來同步邊緣智能，可以使得緊急類故障能夠在本地及時報警，同時可以對一些相關參數指標進行實時修正；另一方面，根據模型中輸出與特征之間權重關系，優化終端上傳數據的過濾規則，以此減少流量成本和云端存儲成本。

3.2　離散制造業邊緣計算解決方案實踐

由于離散制造過程中每道工序中涉及的工藝參數不一，而統合這些參數需要花費大量的人力和時間。同時，離散制造對于流程管控要求較高，在企業內部一般將同一工序的設備按照空間和行政管理劃分建成一些生產組織（例如部門、工段或小組），這將勢必會出現各個小組之間的數據互通性和共享性間歇或斷續的現象。此外，離散制造業產品設計、處理需求和定貨數量方面變動較多，呈現少量多樣化特征。

離散制造業具有以上特征，也決定了邊緣計算需要針對不同產品、產線具有不同的特征性部署，主要分為少品種大批量離散制造業與多品種小批量離散制造業兩大類別。其中少品種大批量離散制造業以汽車生產制造領域和電子制造領域為典型代表；多品種小批量離散制造業以工程機械領域，船舶制造領域和定制家具領域為典型代表。

在電子制造領域，和利時依照散制造業邊緣計算實施參考架構搭建數字化車間建設和運行的核心支撐系統，如圖3所示。該解決方案以電子生產所要求的工藝和設備為基礎，以信息技術、自動化、測控技術等為手段，用數據連接車間不同單元，對生產運行過程進行管理、診斷和優化。解決方案集邊緣計算、工業互聯網、工業機器人、工業視覺、RFID和二維碼、AGV小車等先進技術于一體，打通生產計劃、電子生產車間制造、倉儲管理、質量管理、設備管理、工藝管理等相關業務模塊的數據流和信息流，實現數字化車間。

圖3 電子生產數字化車間解決方案架構

在船舶制造領域，中國科學院沈陽自動化研究所基于離散制造業邊緣計算實施參考架構，形成面向船舶舾裝件制造行業個性化定制和自組織生產系統解決方案，將車間內的工業機器人智能控制器功能集中部署在生產車間的邊緣節點，根據舾裝制造企業訂單和生產場景的變化，采用邊緣局部優化和云端全局優化相結合的方式，通過資源-資源、任務-資源的雙向實時自主通信、交互和決策，實現多智能體分布式的、自主、協同解決（或提前避免）車間生產異常，自動靈活地調配資源，進而形成一套個性化的智能生產制造的系統，從而最大化提高舾裝制造車間生產效率、優化制造資源配置、保證產品質量、降低生產成本和能耗。

4　總結與展望

近年來，全球產業鏈積極推進邊緣計算技術和應用的發展,促進建成統一開放的平臺，支持不同方案及產品的集成融合，加快推進網絡化標準化工作，這一趨勢在離散制造業轉型中體現得尤其明顯。盡管邊緣計算在離散制造業落地實施過程中上取得了一些進展，但在推進過程中仍面臨著一些問題。例如，邊緣計算在離散制造業中涉及從產線層邊緣控制器協同，到工廠層內外網絡架構融通，再到企業層工業云部署等多個方面的解決方案尚未完善，同時邊緣計算也對傳統離散制造業的運營模式帶來了挑戰，這些都需要各界共同努力去解決。

隨著邊緣計算的不斷發展，其與離散制造業在產業鏈上下游的協同合作將變得更為緊密，使得未來將會有一大批面向離散制造業的商用邊緣計算解決方案落地，從而推進離散制造業開啟轉型新航道。

★工業和信息化部2018年工業互聯網創新發展工程—工業互聯網邊緣計算基礎標準和試驗驗證專項資助

參考文獻：

[1] 中國信息通信研究院, 工業互聯網產業聯盟. 離散制造業邊緣計算解決方案白皮書[R]. 2019.

[2] 叢力群. 工業互聯網中邊緣計算的實現方法[J]. 自動化博覽, 2018, No. 294 (05) : 53 - 57.

[3] 工業互聯網產業聯盟. 工業互聯網垂直行業應用報告[R]. 2019.

[4] 工業互聯網產業聯盟. 工業互聯網平臺白皮書[R]. 2019.

[5] The Industrial Internet of Things Volume G1: Reference Architecture[Z].

作者簡介：

王哲，男，博士，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、車聯網等方面的研究，曾在IEEE Transactions on Vehicular Technology、IEEE ICC以及IEEE PIMRC等頂級SCI期刊及會議上發表學術論文十余篇。

摘自《自動化博覽》2019年11月刊