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就應(yīng)用的普遍而言，當(dāng)今工業(yè)自動(dòng)化是唯一一個(gè)仍然使用專用計(jì)算機(jī)、PLC和DCS控制系統(tǒng)，而不是在系統(tǒng)邊緣使用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算平臺進(jìn)行本地控制、優(yōu)化、分析和數(shù)據(jù)提煉的行業(yè)。從OT領(lǐng)域的發(fā)展歷程來看，經(jīng)典的PLC/DCS（特別是大型DCS）除了具備數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)控制和完成確定性任務(wù)，   以及一定的網(wǎng)絡(luò)通信功能外，也具備一定的數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)分析的功能。不過數(shù)據(jù)采集的范圍還是局限于原先設(shè)定的控制對象，  充其量只能就地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、過濾和局部優(yōu)化，不可能從生產(chǎn)的全局視野去安排決策控制的目標(biāo)。這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還沒有成熟到向工業(yè)生產(chǎn)推廣的程度，  計(jì)算技術(shù)也不曾發(fā)展到云計(jì)算時(shí)代。然而云計(jì)算雖有算力強(qiáng)勁的優(yōu)勢，  卻又有受限于通信能力（特別是廣域通信）  所造成的針對大規(guī)模實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的劣勢。顯然，讓處于嚴(yán)苛工業(yè)環(huán)境下的PLC/DCS大幅提高算力和存儲(chǔ)，  并不是一種合理的成本安排和技術(shù)解決方案。由此可以得出如下的結(jié)論：  邊緣計(jì)算的應(yīng)運(yùn)而生是隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代來臨，  與此同時(shí)制造業(yè)又正在經(jīng)歷著一場前所未有的變革這兩種形勢的積極推動(dòng)所致。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造、工業(yè)4.0的實(shí)現(xiàn)，都有待制造裝備在高水平上提供數(shù)字化、信息化與智能化的基礎(chǔ)，  有待IT/OT的實(shí)質(zhì)性融合。正如Gartner所預(yù)測的，“邊緣計(jì)算對基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)營領(lǐng)導(dǎo)者的意義在于，  到2025年75%的數(shù)據(jù)將在傳統(tǒng)的集中數(shù)據(jù)中心或云之外創(chuàng)建和處理”。從技術(shù)基礎(chǔ)上說，  隨著芯片、通訊與儲(chǔ)存技術(shù)的不斷提升，  工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的硬軟件能力取得了極大的提高。為了充分利用現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)資源，  產(chǎn)生了對邊緣計(jì)算功能的迫切需求，  也使得過去難以實(shí)現(xiàn)的智能變成可能。就發(fā)展的順序而言，先有云計(jì)算和互聯(lián)網(wǎng)，然后才有云-邊-端的架構(gòu)生成。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的推進(jìn)過程中，OT與IT融合難的問題越發(fā)明顯，一邊是以IT企業(yè)領(lǐng)銜的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺試圖向工業(yè)應(yīng)用大規(guī)模挺進(jìn)，另一邊是以O(shè)T企業(yè)領(lǐng)銜的制造系統(tǒng)設(shè)備信息化水平不斷提升，但工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺始終無法與制造系統(tǒng)雙向互通，實(shí)現(xiàn)智能算法與模型的真正落地。可以預(yù)料，邊緣計(jì)算的出現(xiàn)和快速推廣運(yùn)用，將成為OT與IT融合的紐帶、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)落地的實(shí)際載體。

1  工業(yè)邊緣計(jì)算的概述和參考架構(gòu)

1980年美國普渡大學(xué)工業(yè)工程系提出計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的參考模型，被國際工業(yè)和學(xué)術(shù)界奉為經(jīng)典，后來發(fā)展成為ISA 95企業(yè)信息系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)；企業(yè)信息系統(tǒng)集成國際標(biāo)準(zhǔn)IEC/ISO 62264脫胎于ISA 95。迄今為止ISA 95的參考架構(gòu)仍然是工業(yè)企業(yè)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)參考架構(gòu)，因而在開創(chuàng)工業(yè)邊緣計(jì)算的技術(shù)方向時(shí)，從總體視角來看它依然是基本的參考架構(gòu)。圖1完整地表述了將ISA 95的參考模型映射到工業(yè)云-邊-端所對應(yīng)的架構(gòu)。從工廠的信息集成發(fā)展到企業(yè)的信息集成，  原有的5層模型增加到6層模型，  也即從企業(yè)內(nèi)部的管理擴(kuò)展到把企業(yè)經(jīng)營活動(dòng)的上下游（涵蓋供應(yīng)鏈、產(chǎn)品全生命周期等）都包羅進(jìn)來，目的是保證企業(yè)生產(chǎn)和管理的全局優(yōu)化。對應(yīng)由頂層向底層的各個(gè)層級，它們的數(shù)據(jù)流量和時(shí)間尺度分別是：管理層為百萬字節(jié)/天（Megabytes/days），運(yùn)營操作層為兆字節(jié)/小時(shí)（Mbytes/hours），監(jiān)控/協(xié)調(diào)層為千字節(jié)/分（Kilobytes/minutes），直接控制層為字節(jié)/秒（Bytes/seconds），設(shè)備和過程層為位/微秒（bits/microseconds）。按照對實(shí)時(shí)性能的要求可以大致將這些層級劃分為兩類：  L4層的ERP和L3層MES劃分為實(shí)時(shí)性要求低或較低、數(shù)據(jù)量大的一類，對應(yīng)于工業(yè)云-邊-端的架構(gòu)，這一類可以遷移到云端。而L2層的SCADA和HMI、L1層的PLC/DCS以及L0層的傳感器和執(zhí)行器，實(shí)時(shí)性要求高、數(shù)據(jù)量低，對應(yīng)于工業(yè)云-邊-端的架構(gòu)，這一類必須保留在生產(chǎn)現(xiàn)場，它們都是屬于邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)（ECN）。

圖1 ISA 95參考架構(gòu)對云-邊-端的映射

圖2是一個(gè)典型的工業(yè)云和邊緣計(jì)算架構(gòu)，分為三層。頂層是工業(yè)云平臺，提供涵蓋設(shè)計(jì)、制造、管理和維護(hù)的各種應(yīng)用程序。為了降低部署和運(yùn)營成本，傳統(tǒng)的ERP、MES、產(chǎn)品生命周期管理（PLM）和客戶關(guān)系管理（CRM）系統(tǒng)都可以遷移到工業(yè)云。此外，通過邊緣計(jì)算設(shè)備采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以增強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行分析、供應(yīng)鏈分析、能耗優(yōu)化等工業(yè)云創(chuàng)新應(yīng)用。這些服務(wù)甚至可以由第三方提供，并運(yùn)行在本地云/本地?cái)?shù)據(jù)中心上，而不是公共云上。中間層為工業(yè)邊緣網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)算法部署、計(jì)算、組網(wǎng)、存儲(chǔ)資源均衡，管理各ECN的數(shù)據(jù)集流程。邊緣網(wǎng)關(guān)保證了快速開發(fā)以及通過模型驅(qū)動(dòng)的模塊化服務(wù)編排的敏捷部署，負(fù)責(zé)監(jiān)控客戶端、終端、物聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)器之間的所有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包交換事務(wù)，還可以通過修改這些數(shù)據(jù)包提供附加功能，例如當(dāng)本地網(wǎng)絡(luò)檢測到新設(shè)備使用未識別的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時(shí)，邊緣網(wǎng)關(guān)需要自動(dòng)配置該新協(xié)議，或者更新安全策略以保護(hù)ECN。如果發(fā)現(xiàn)來自底層物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的攻擊，邊緣網(wǎng)關(guān)應(yīng)檢測并阻止其訪問；反之，來自外部IT系統(tǒng)的攻擊也應(yīng)該由邊緣網(wǎng)關(guān)來阻止。底層包含一系列分布式ECN。ECN可以執(zhí)行一項(xiàng)或多項(xiàng)功能，包括具有協(xié)議轉(zhuǎn)換的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、實(shí)時(shí)閉環(huán)可編程控制器、用于大數(shù)據(jù)分析的本地云和低成本傳感器。這些功能可根據(jù)閉環(huán)反饋數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分配到任意ECN的組合。

在圖2所示的參考模型中，工業(yè)邊緣計(jì)算可以通過多種方式與工業(yè)云進(jìn)行協(xié)同。這表現(xiàn)在：（1）工業(yè)邊緣計(jì)算可以實(shí)時(shí)（毫秒級）提供本地計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)和虛擬化資源的自我管理和平衡；還可以分發(fā)和執(zhí)行工業(yè)云制定的策略，包括管理設(shè)備、資源和連接。（2）從數(shù)據(jù)角度來看，ECN主要用于數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)預(yù)定義的規(guī)則進(jìn)行初步的數(shù)據(jù)處理和分析；工業(yè)云提供從多個(gè)ECN收集的海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析和挖掘。通過云與邊緣之間的高效數(shù)據(jù)流動(dòng)，可以降低數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品質(zhì)量跟蹤和數(shù)據(jù)挖掘的成本。（3）在應(yīng)用領(lǐng)域中，工業(yè)邊緣提供執(zhí)行環(huán)境、執(zhí)行部署計(jì)劃并監(jiān)控部署的邊緣應(yīng)用程序的生命周期。例如，機(jī)器學(xué)習(xí)模型在工業(yè)云上訓(xùn)練后，再部署到ECN進(jìn)行推理。對于工業(yè)云上的典型應(yīng)用，如開發(fā)、測試、數(shù)字孿生等，ECN則對這些靈活、可互操作、基于組件設(shè)計(jì)和微服務(wù)化的模塊進(jìn)行實(shí)例化。

圖2 典型的工業(yè)云和邊緣計(jì)算架構(gòu)

表1給出描述邊緣計(jì)算和云計(jì)算范式的維度，著重揭示了將邊緣計(jì)算方法應(yīng)用于制造過程所面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

表1 邊緣和云的特點(diǎn)比較維度

作為工業(yè)云的補(bǔ)充，工業(yè)邊緣計(jì)算提供了互操作性、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和自優(yōu)化，而這些都不是工業(yè)云的主要關(guān)注點(diǎn)。互操作性確保了系統(tǒng)到系統(tǒng)級數(shù)據(jù)遷移以及設(shè)備到設(shè)備級數(shù)據(jù)交換的垂直和水平集成。通過ECN的全面互操作性，可以將柔性和分布式協(xié)同運(yùn)行引入產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、供應(yīng)鏈等制造過程的整個(gè)周期。此外，通過將云邊協(xié)同模式應(yīng)用到新的業(yè)務(wù)中，可以實(shí)現(xiàn)資源的最大利用。邊緣實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理將減少工業(yè)云的工作量，數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、校準(zhǔn)、轉(zhuǎn)換可在邊緣設(shè)備上實(shí)時(shí)完成，無需向工業(yè)云發(fā)送海量數(shù)據(jù)。通過工業(yè)云和 邊緣計(jì)算資源的協(xié)同，可以將數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化擴(kuò)展到邊緣節(jié)點(diǎn)。采用來自工業(yè)云和分布式推理的預(yù)先訓(xùn)練的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，可以滿足實(shí)時(shí)約束和提升數(shù)據(jù)處理的效率。

圖3是研華公司的云-邊-端架構(gòu)示意圖，將這三層的功能都具體化了。

圖3 研華公司的云-邊-端三層架構(gòu)及其功能表述

2  從三個(gè)視角分析工業(yè)邊緣計(jì)算

在制造背景下的工業(yè)邊緣計(jì)算可以理解為：這是一類常駐在臨近數(shù)據(jù)物理源頭的分布式邊緣節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的系統(tǒng)。這些邊緣節(jié)點(diǎn)必須運(yùn)行在任意一種容器內(nèi)，并且受到集中的管理。邊緣節(jié)點(diǎn)既要與云端層級連接，又要與生產(chǎn)資產(chǎn)層級連接，還要與其它的邊緣節(jié)點(diǎn)連接，而且邊緣節(jié)點(diǎn)可以暫時(shí)性地離線運(yùn)行。

從概念上講，邊緣計(jì)算是通過云中心平臺采用分布式的方法去處理、管理和運(yùn)行數(shù)據(jù)的。工業(yè)邊緣計(jì)算意義上的數(shù)據(jù)處理，并不等同于就地或現(xiàn)場的數(shù)據(jù)處理，它還應(yīng)該有如下兩個(gè)特征：邊緣是對中心而言，有邊緣就一定有中心，因此邊緣計(jì)算盡管是在離數(shù)據(jù)生成點(diǎn)盡可能近的地方進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，但它一定是為中心進(jìn)一步的全局?jǐn)?shù)據(jù)處理服務(wù)的；邊緣計(jì)算采用虛擬化的軟件技術(shù)，主要是容器化技術(shù)（例如Docker）。

下面從基礎(chǔ)架構(gòu)、應(yīng)用和操作運(yùn)行三個(gè)不同的視角來分析邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)。

（1）基礎(chǔ)架構(gòu)視角

一般邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)由一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)和一個(gè)客體系統(tǒng)兩部分組成，如圖4所示。計(jì)算節(jié)點(diǎn)包括物理硬件、操作系統(tǒng)和系統(tǒng)管理程序；在邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)中允許運(yùn)行獨(dú)立的客體系統(tǒng)。客體系統(tǒng)由容器的運(yùn)行時(shí)（runtime）

以及容器化軟件本身組成。

圖4 邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)架構(gòu)框圖

從基礎(chǔ)架構(gòu)的視角看，邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)必須具備的特性：其一是具有運(yùn)行和管理容器化軟件的能力，為邊緣容器的運(yùn)行提供輕量級的虛擬化，而不是像虛擬機(jī)那樣還必須帶有自己的操作系統(tǒng)；其二是具有上連云層級、下連生產(chǎn)資產(chǎn)層級的雙向連接能力，這意味著一個(gè)符合要求的邊緣基礎(chǔ)架構(gòu)需要經(jīng)由各種可用的網(wǎng)絡(luò)提供與云端直接或間接的連接性，而且還要能處理暫時(shí)的離線運(yùn)行狀態(tài)。與云端連接必須有足夠的信息安全保證，不能簡單地依賴嚴(yán)格的網(wǎng)絡(luò)隔離措施，因?yàn)樵破脚_需要與更多的構(gòu)成制造系統(tǒng)的重要部分如用戶、數(shù)據(jù)、服務(wù)和設(shè)備等進(jìn)行連接。

通常邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)有兩種實(shí)現(xiàn)方案，一種是在工廠數(shù)據(jù)中心以虛擬化的方式建立的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)；還有就是在生產(chǎn)現(xiàn)場部署的物理邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，近些年發(fā)展迅速的邊緣可編程工業(yè)控制器、輕量級的嵌入式設(shè)備都屬于這一類。利用容器的編排技術(shù)在數(shù)據(jù)中心部署邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)具有以下優(yōu)點(diǎn)：高可用性、良好的可擴(kuò)展性、降低運(yùn)行成本以及沒有附加的硬件和接線要求。在以下場景建議采用物理邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)：在生產(chǎn)單元中由于要為網(wǎng)絡(luò)減負(fù)，進(jìn)行諸如數(shù)據(jù)過濾和數(shù)據(jù)聚合等處理；為降低延遲，運(yùn)行基于人工智能的控制回路；要求連接附加的外部設(shè)備；將不安全的協(xié)議轉(zhuǎn)換為具有信息安全的協(xié)議。

（2）應(yīng)用視角

從應(yīng)用的視角描述部署在邊緣節(jié)點(diǎn)上滿足OT和IT要求的應(yīng)用功能組件，而且這些功能組件作為容器化的軟件需要與云-邊-端的體系結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)架構(gòu)相匹配。這就是說功能組件需要解決下面這些典型的問題：在分布式邊緣環(huán)境中支持和管理標(biāo)準(zhǔn)化通信；對不同的數(shù)據(jù)源進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和轉(zhuǎn)換，從而將整個(gè)解決方案推向一個(gè)通用的語義建模方法；將客戶的業(yè)務(wù)邏輯組件用標(biāo)準(zhǔn)化的連接模塊集成；管理分布式邊緣節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；確定邊緣節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)邏輯，并在邊緣和云環(huán)境之間管理業(yè)務(wù)邏輯。

因此，應(yīng)用程序視圖需要包含多個(gè)具有一系列不同功能的組件，包括：云連接，生產(chǎn)資產(chǎn)連通性，用于邊緣節(jié)點(diǎn)內(nèi)部和分布式邊緣節(jié)點(diǎn)之間通信的組件，數(shù)據(jù)處理和預(yù)處理，數(shù)據(jù)聚合，語義富集（semanticenrichment），具有特定業(yè)務(wù)邏輯的組件（例如邊緣分析、機(jī)器學(xué)習(xí)）等。

從應(yīng)用的視角來看，邊緣節(jié)點(diǎn)上連云端，下連資產(chǎn)，如圖5所示，為了執(zhí)行其特定的應(yīng)用功能需要在其內(nèi)部通過消息代理/API網(wǎng)關(guān)對若干功能組件（如圖中的數(shù)據(jù)處理功能組件、語義富集功能組件和其它邊緣應(yīng)用的功能組件）進(jìn)行集成。功能組件的功能性一般隨所使用的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)或智能制造系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜程度（即隨數(shù)據(jù)源的數(shù)量和類型、數(shù)據(jù)的容量以及應(yīng)用功能和應(yīng)用點(diǎn)的多少）而變化。

圖5 從應(yīng)用視角分析邊緣節(jié)點(diǎn)舉例

為了解決上述邊緣節(jié)點(diǎn)的典型要求，需要考慮以下幾點(diǎn):

?在邊緣應(yīng)用程序和邊緣節(jié)點(diǎn)之間創(chuàng)建松散耦合架構(gòu)的消息代理或API網(wǎng)關(guān)；

?按用例的要求選擇同步或者異步通信模式；

?用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和下達(dá)命令數(shù)據(jù)所定義的、柔性的有效載荷格式；

?用于語義富集的信息模型；

?離線場景和數(shù)據(jù)緩沖能力；

?訓(xùn)練復(fù)雜的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，其中在云端訓(xùn)練的是算力要求高、有足夠可資利用的數(shù)據(jù)流存取水平的模型，在邊緣訓(xùn)練的主要是考慮帶寬約束限制、有一定實(shí)時(shí)要求的模型。

圖6為一個(gè)參考用例，生產(chǎn)資產(chǎn)連接器從PLC采集能源數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)發(fā)給消息代理。消息代理確保了不 同邊緣應(yīng)用程序和連接器之間的消息交換。能量分析組件實(shí)現(xiàn)一個(gè)按用戶要求定制的業(yè)務(wù)邏輯，從采集到的數(shù)據(jù)中識別異常。因此，應(yīng)用程序從消息代理接收能量數(shù)據(jù)、執(zhí)行分析，并將結(jié)果發(fā)布到消息代理上。云連接器將分析結(jié)果傳輸?shù)狡髽I(yè)總線。這個(gè)參考用例還描述了云連接器和生產(chǎn)資產(chǎn)連接器通過消息代理將新的參數(shù)從企業(yè)總線傳輸?shù)絇LC，并在PLC中更改了一個(gè)運(yùn)行參數(shù)。

圖6 一個(gè)參考用例（從應(yīng)用視角分析）

（3）運(yùn)行視角

由于制造業(yè)的應(yīng)用在穩(wěn)定性和自動(dòng)化方面有特殊的要求，邊緣節(jié)點(diǎn)的綜合操作方法是必不可少的。這里重點(diǎn)討論在邊緣節(jié)點(diǎn)的整個(gè)生命周期中對其進(jìn)行管理的重要功能。

邊緣節(jié)點(diǎn)會(huì)經(jīng)歷從規(guī)劃、硬軟件準(zhǔn)備、組態(tài)、運(yùn)行直到退役的生命周期各個(gè)階段。每個(gè)階段的成功執(zhí)行都有特定需求。這些需求通常可以通過附加的云服務(wù)來滿足。主要的云服務(wù)支持有：邊緣節(jié)點(diǎn)管理和編排服務(wù)、監(jiān)控服務(wù)、安全服務(wù)和邊緣節(jié)點(diǎn)參數(shù)同步。

管理和編排服務(wù)：  一般來說，這種云服務(wù)的任務(wù)是獲取所連接邊緣節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)或設(shè)置所需狀態(tài)。

在硬軟件準(zhǔn)備階段，該服務(wù)對新的邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編排引導(dǎo)。第一步是創(chuàng)建數(shù)字標(biāo)識，數(shù)字標(biāo)識可以源自現(xiàn)有的資產(chǎn)管理系統(tǒng)。然后提供一個(gè)端點(diǎn)，邊緣節(jié)點(diǎn)在此發(fā)起連接。為此，必須執(zhí)行邊緣節(jié)點(diǎn)的基本設(shè)置，示例操作包括安裝操作系統(tǒng)、提供代理和提供安全憑據(jù)。該服務(wù)還可以保存和管理邊緣節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)組態(tài)。

初始連接完成后，邊緣節(jié)點(diǎn)提供基本的自描述特征（狀態(tài)）。將節(jié)點(diǎn)狀態(tài)與服務(wù)中的目標(biāo)配置進(jìn)行比較，如果發(fā)生偏差，狀態(tài)更新被發(fā)送到邊緣節(jié)點(diǎn)。狀態(tài)更新可以是安全或策略更新、組態(tài)和應(yīng)用程序版本更改。在圖6的參考用例中，組態(tài)參數(shù)是識別異常能源消費(fèi)模式的閾值。

對于每個(gè)特定的用例都要為所裝的應(yīng)用程序配置一定的參數(shù)。這些參數(shù)在組態(tài)階段被推送到邊緣節(jié)點(diǎn)用于應(yīng)用程序。例如將一個(gè)組態(tài)文件加載到存儲(chǔ)器，并在啟 動(dòng)時(shí)由容器獲取。在操作階段發(fā)生刷新時(shí)也是如此。

最后一個(gè)階段是退役。在物理邊緣節(jié)點(diǎn)上，退役是由硬件故障或升級周期引起的；這時(shí)需要更換硬件，并將退役節(jié)點(diǎn)的識別號及其狀態(tài)轉(zhuǎn)移到新設(shè)備；為了減少生產(chǎn)場景中的停機(jī)時(shí)間，這種重新定位必須由服務(wù)盡可能無縫地自動(dòng)完成。在虛擬邊緣節(jié)點(diǎn)上，故障失效將導(dǎo)致啟動(dòng)一個(gè)新的邊緣節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)移數(shù)字識別號。如果邊緣節(jié)點(diǎn)可以完全退役，需從邊緣節(jié)點(diǎn)管理服務(wù)中刪除其識別號。

監(jiān)控服務(wù)：  從邊緣節(jié)點(diǎn)收集所有日志以及量測單位和量程信息。

信息既可以來自主機(jī)系統(tǒng)，也可以來自運(yùn)行的容器應(yīng)用程序。因此，邊緣運(yùn)行時(shí)和應(yīng)用程序必須支持這種機(jī)制。

在硬軟件準(zhǔn)備階段，邊緣節(jié)點(diǎn)建立與監(jiān)控服務(wù)的連接。通過該服務(wù)，可以將報(bào)警（例如所分配的內(nèi)存容量不足）應(yīng)用于傳入數(shù)據(jù)的流分析。之后，報(bào)警、日志以及測量單位和量程可以在接下來的組態(tài)和操作階段使用。它們用于確定系統(tǒng)的健康狀況和執(zhí)行事件跟蹤。為了獲得有意義的結(jié)果，日志消息必須具有定義好的格式。通用組件包括消息來源、嚴(yán)重程度、內(nèi)容、UTC時(shí)間戳和相關(guān)標(biāo)識，以確保更好的可跟蹤性。

安全服務(wù)：  負(fù)責(zé)管理邊緣節(jié)點(diǎn)及其應(yīng)用程序的安全。

在硬軟件準(zhǔn)備階段，邊緣節(jié)點(diǎn)第一次連接到云服務(wù)，并互相認(rèn)證它們的安全措施。在大規(guī)模安裝物理邊緣節(jié)點(diǎn)的場景下，可以提供對第一次連接有效的默認(rèn)認(rèn)證。安全服務(wù)的第二個(gè)任務(wù)是通過比較目標(biāo)狀態(tài)和當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)執(zhí)行安全策略。例如更新主機(jī)系統(tǒng)和應(yīng)用程序的安全規(guī)則，再比如禁用端口。在組態(tài)階段，安全服務(wù)通過處理與安全相關(guān)的任務(wù)（例如安裝證書）連接到第三方服務(wù)，從而支持邊緣應(yīng)用程序組態(tài)。此外，邊緣應(yīng)用程序可以通過該服務(wù)以安全的方式管理其中不得泄露的內(nèi)容。在運(yùn)行階段，對漏洞數(shù)據(jù)庫進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控，任何發(fā)現(xiàn)都可能導(dǎo)致目標(biāo)狀態(tài)的潛在更新。在退役階段，將撤銷邊緣節(jié)點(diǎn)中與安全相關(guān)的內(nèi)容。

邊緣節(jié)點(diǎn)參數(shù)同步：  參數(shù)同步服務(wù)的任務(wù)是同步云服務(wù)和邊緣節(jié)點(diǎn)之間的應(yīng)用程序參數(shù)。因此主要用于操作階段。通過設(shè)備管理服務(wù)以同步方式對云和邊緣的參數(shù)刷新。作為先決條件，邊緣容器運(yùn)行時(shí)必須能夠接收這些參數(shù)，并向容器應(yīng)用程序提供。容器應(yīng)用程序本身需要能夠解釋它們，并根據(jù)來自參數(shù)同步服務(wù)的設(shè)定值進(jìn)行動(dòng)態(tài)刷新。

在圖6的示例中，流程專家程序?qū)υ粕系目梢暬瘮?shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后在邊緣節(jié)點(diǎn)通過參數(shù)同步服務(wù)設(shè)置新值用以減少能源消耗。

3  工業(yè)邊緣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程

在新技術(shù)和概念的早期發(fā)展階段都有標(biāo)準(zhǔn)化的迫切需求，邊緣計(jì)算也不例外。不過目前的邊緣計(jì)算在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定方面已經(jīng)落后于市場實(shí)際需求。工業(yè)是典型的需要標(biāo)準(zhǔn)化的領(lǐng)域，因此需要定義標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與規(guī)范來約束邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的管理、邊緣端數(shù)據(jù)的處理、邊-云協(xié)同機(jī)制等關(guān)鍵問題。于是有許多官方標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)包括ISO、IEC、IEEE、歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）、電信行業(yè)協(xié)會(huì)（TIA）、云原生計(jì)算基金會(huì)（CNCF）、Linux基金會(huì)（LF Edge）  、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC）等都正在從事與邊緣計(jì)算相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。ISO、 IEC、IEEE把注意力集中于邊緣計(jì)算在智能制造和工 業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化問題，其余那些原本從事通信領(lǐng)域的機(jī)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)化的重點(diǎn)大部分放在邊緣與云端的通信（如5G）、信息安全等方面。例如IEC/TC 65/WG 23“智能制造框架和系統(tǒng)架構(gòu)”標(biāo)準(zhǔn)化工作組，  2021年的主要話題和任務(wù)就是搞清邊緣計(jì)算對智能制造的影響，包括市場的走向和未來的要求、邊緣計(jì)算的可用性及影響、智能制造對邊緣計(jì)算的要求、工業(yè)邊緣計(jì)算對物理安全和功能安全的影響，以及工業(yè)邊緣計(jì)算對信息安全的影響等。這說明IEC已經(jīng)下決心開發(fā)和制定工業(yè)邊緣計(jì)算的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但尚處于起步階段。而走在前面的IEEE在3年前就開始制定工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+邊緣計(jì)算體系下節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間的智能管控標(biāo)準(zhǔn)。邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)除了承擔(dān)計(jì)算、儲(chǔ)存、通信功能外，還應(yīng)具備任務(wù)管理、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析等功能。再加上工業(yè)系統(tǒng)對可靠性與安全性的嚴(yán)格要求，不能完全依賴基于云計(jì)算的決策機(jī)制，也就是說即使在與工業(yè)云連接斷開的情況下工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)系統(tǒng)也應(yīng)保證正常生產(chǎn)，因此也更加凸顯邊緣計(jì)算在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的重要性。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算框架下，工業(yè)系統(tǒng)可以選擇邊-云協(xié)同的模式，包括公有云+邊緣計(jì)算系統(tǒng)或者私有云+邊緣計(jì)算系統(tǒng)，當(dāng)然也可以選擇僅由邊緣計(jì)算系統(tǒng)來支撐。在任意一種模式下，都需要對現(xiàn)有的設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管控。

從基礎(chǔ)架構(gòu)、應(yīng)用和操作運(yùn)行三個(gè)視角來分析邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)所提出的許多問題，都可以通過標(biāo)準(zhǔn)化的方法來解決。IEEE P2805系列標(biāo)準(zhǔn)可解決相當(dāng)一部分。IEEE P2805系列標(biāo)準(zhǔn)是IEEE下屬工業(yè)電子學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化專委會(huì)開發(fā)的與邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)相關(guān)的系列標(biāo)準(zhǔn)。目前已經(jīng)獲得IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)批準(zhǔn)立項(xiàng)的共有三個(gè)部分：P2805.1邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)自我管理協(xié)議；P2805.2邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集、過濾與緩存管理協(xié)議；P2805.3邊-云協(xié)作機(jī)器學(xué)習(xí)協(xié)議。三部分協(xié)議相輔相成，共同形成完整的邊緣計(jì)算智能管控體系。通過為邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)定義這些標(biāo)準(zhǔn)，解決了互操作性問題，從而可為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用帶來巨大的利益。

IEEE P2805系列標(biāo)準(zhǔn)旨在解決工業(yè)邊緣計(jì)算的三個(gè)挑戰(zhàn)：（1）在生產(chǎn)現(xiàn)場內(nèi)存在大量的ECN時(shí)，  如何自動(dòng)管理這些節(jié)點(diǎn)是關(guān)鍵。IEEE P2805.1標(biāo)準(zhǔn)定義ECN的自我管理協(xié)議，包括ECN的識別、資源管理、備份、負(fù)載平衡和數(shù)據(jù)共享。（2）為了定義如何管理每個(gè)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)采集，在IEEE P2805.2標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)范用于ECN數(shù)據(jù)采集、濾波和緩沖的協(xié)議，包括如何配置數(shù)據(jù)獲取和驗(yàn)證數(shù)據(jù)，如何定義數(shù)據(jù)預(yù)處理規(guī)則，以及如何管理ECN上的數(shù)據(jù)緩沖。（3）在獲得大量可供分析的數(shù)據(jù)后，需要定義機(jī)器學(xué)習(xí)方法如何在工業(yè)云和邊緣計(jì)算之間進(jìn)行協(xié)作。IEEE P2805.3標(biāo)準(zhǔn)定義了用于機(jī)器學(xué)習(xí)的云-邊緣協(xié)作協(xié)議，為在低功耗、低成本的嵌入式設(shè)備上應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法提供了指導(dǎo)方針。此外，還涵蓋了分布式機(jī)器學(xué)習(xí)模型的部署以及在線優(yōu)化。如圖7所示。

圖7 IEEE P2805邊緣節(jié)點(diǎn)管理標(biāo)準(zhǔn)

4  結(jié)束語

工業(yè)邊緣計(jì)算是邊緣計(jì)算應(yīng)用中最具發(fā)展?jié)摿徒?jīng)濟(jì)效益的一個(gè)領(lǐng)域，也是面對的應(yīng)用場景最多、技術(shù)最綜合最復(fù)雜、對標(biāo)準(zhǔn)化需求最迫切的領(lǐng)域，因此吸引了許多傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化企業(yè)和IT企業(yè)的重視和推動(dòng)。僅以IT/OT融合這一熱門話題為例，為了追求這二者的融合而將設(shè)計(jì)約束引入邊緣計(jì)算。通常作為設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的指導(dǎo)，OT和IT解決方案有著不同的約束和要求。OT關(guān)注生產(chǎn)過程的安全性、效率、穩(wěn)定性和連續(xù)性，而IT則優(yōu)先考慮速度、安全性和數(shù)據(jù)分析。邊緣計(jì)算必須融合OT和IT的特性，以最大限度地發(fā)揮其潛力。例如，如何利用IT系統(tǒng)的敏捷性，并按OT的指標(biāo)確保以執(zhí)行任務(wù)為關(guān)鍵要求的連續(xù)性，以及對時(shí)延敏感過程的高可用性。此外，還必須考慮來自不同數(shù)據(jù)源（分布在車間的各種系統(tǒng)中）的后端數(shù)據(jù)集成及其語義的挑戰(zhàn)。還要從中選擇那些對業(yè)務(wù)至關(guān)重要、必須在邊緣進(jìn)行計(jì)算的數(shù)據(jù)。

5G作為新一代的無線通信技術(shù)和正在發(fā)展中的確定性IP網(wǎng)絡(luò)，都是加強(qiáng)工業(yè)邊緣計(jì)算必不可少的通信工具。一些邊緣網(wǎng)關(guān)已經(jīng)配備了5G模塊，如研華的5G邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)UNO-137在滿足穩(wěn)定的工業(yè)控制的同時(shí)，可以提供硬件加密以及最新的5G通訊；  搭配Codesys、DAQNavi、VisionNavi、Edgelink等軟件，還可以使傳統(tǒng)的工業(yè)控制在邊緣側(cè)變得更智能。

工業(yè)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)加上智能化軟件，有些人稱之為邊緣智能（Edge AI）  。最近一個(gè)在歐洲進(jìn)行的調(diào)查結(jié)果預(yù)示著邊緣智能市場呈現(xiàn)指數(shù)曲線的增長勢頭，而德國無疑是最大的市場，  其從2020年到2025年的增長率達(dá)到28%。類似的情況正在其他發(fā)達(dá)國家出現(xiàn)，我國也出現(xiàn)了蓬勃發(fā)展的苗頭。但針對邊緣計(jì)算乃至邊緣智能的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)男枨蠓治觥⒓夹g(shù)研究、產(chǎn)品開發(fā)，以及標(biāo)準(zhǔn)化工作都十分缺失，這個(gè)問題如果不處理好，必將為整個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智能制造系統(tǒng)的建設(shè)帶來很大的困難。畢竟大部分?jǐn)?shù)據(jù)來自底層設(shè)備，而粗放的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)上云并不能解決最關(guān)鍵的那些問題。

作者簡介：

彭   瑜  （1938-），男，湖南長沙人，教授級高級工程師，上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院教授級高工、顧問，PLCopen中國組織名譽(yù)主席。迄今為止，  已經(jīng)為中國工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展服務(wù)了50多年，涉及流程工業(yè)、離散制造業(yè)等領(lǐng)域的檢測、控制、生產(chǎn)制造、執(zhí)行管理等多個(gè)方面。

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年2月刊