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1  引言

2021年11月16日印發(fā)的《“十四五”信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》  [1] 中有多處重點提到邊緣計算，  分別是：云邊協(xié)同、邊緣計算深化應用、時間敏感邊緣計算網絡和電力桿塔變電站邊緣數據中心的建設等。2021年11月30日印發(fā)的《“十四五”軟件和信息技術服務業(yè)發(fā)展規(guī)劃》  [2]重點提到了發(fā)展工業(yè)控制軟件和操作系統(tǒng)，  大力支持開展“軟件定義”及泛在操作系統(tǒng)平臺相關理論和技術研究，加強政產學研用對接，構建“軟件定義”核心技術體系。長期以來，國內IT底層標準、架構、生態(tài)等大多數都由國外IT巨頭制定，存在諸多安全風險。為了建立自有開放生態(tài)，國產“信創(chuàng)”得以實施，形成了巨大的市場需求[3]。根據百度百科統(tǒng)計，   目前國產主流操作系統(tǒng)達24種之多[4] ，主要分為通用桌面操作系統(tǒng)、通用服務器操作系統(tǒng)、專用實時操作系統(tǒng)、專用安全操作系統(tǒng)和通用云操作系統(tǒng)等。一般情況下，操作系統(tǒng)與硬件之間的緊耦合給應用軟件的遷移帶來了困難。云計算操作系統(tǒng)雖然實現(xiàn)了標準計算機的解耦，但又失去了針對工業(yè)場合的直接I/O驅動能力，影響了自動化和智能化的發(fā)展進程。雖然我國操作系統(tǒng)種類繁多，但卻鮮有基于邊緣計算的特定行業(yè)操作系統(tǒng)，因此研究此類系統(tǒng)對我國智能制造的發(fā)展具有十分重要的價值和意義。

2  邊緣計算操作系統(tǒng)的演進

2.1   單機操作系統(tǒng)

最初，計算機并沒有操作系統(tǒng)，直到今天，嵌入式和單片機仍然存在直接以無操作系統(tǒng)的模式進行單一任務開發(fā)，其優(yōu)勢在于具有高實時性能。最早的操作系統(tǒng)可以追溯到1964年美國MULTICS，其特點是面向單一硬件多路信息計算，雖然該項目以失敗告終，但卻成就了后續(xù)操作系統(tǒng)三個階段的發(fā)展[5]。第一個階段是1971年為了增加不同硬件系統(tǒng)的移植性，肯·湯普森和丹尼斯·里奇創(chuàng)造了C語言，并在1973年創(chuàng)造了Unix；第二個階段是進入1980年后，商業(yè)版本的Mac OS和Windows視窗操作系統(tǒng)的相繼產生；第三個階段是因1979年Unix轉為商用，林納斯·托瓦茲在其老師開源Minix的基礎上構建了Linux的初代系統(tǒng)。在這一期間操作系統(tǒng)也從單一的硬件逐漸發(fā)展為支持不同指令集硬件模式，有了操作系統(tǒng)，同一架構不同硬件配置的程序可以相互兼容，但不同架構仍然互不兼容，比如X86的程序不能在Risc指令集平臺上運行，使得操作系統(tǒng)發(fā)展成為了與計算機單一閉合硬件緊耦合的模式，只能協(xié)調和管理單核或多核CPU、南北橋芯片、總線、內存、硬盤、顯卡等內外設的基礎硬件。這種單一閉合的緊耦合模態(tài)也導致了計算機IT資源不能充分被利用，造成了計算機資源的閑置和浪費。

2.2   從虛擬化到云計算

進入2000年，虛擬化被逐漸提出，其目的是實現(xiàn)對IT資源的充分利用[6] ，一時之間包括FreeBSD jail、QEMU、XEN、KVM等紛紛涌現(xiàn)。如同Virtual Box或VMware work station，這一時期的虛擬化是對計算機硬件的模擬，一定程度上緩解了軟件與硬件的緊耦合。但是操作系統(tǒng)安裝于虛擬機與安裝于物理主機的模式仍然相同，因此虛擬機只是改變了平臺，并非系統(tǒng)。

2006年，Google首席執(zhí)行官埃里克?施密特在搜索引擎大會首次提出云計算 [7] 。數以千計的集群服務器同時運行，通過網格技術或分布式技術等功能，用戶能夠像使用電力、自來水等公用設施一樣使用計算能力，并按量計費。對于云計算的新需求，VMware vsphere、OpenStack得以廣泛使用，在中國，為了優(yōu)化計算實現(xiàn)軟硬件解耦，阿里飛天、安超云OS相繼誕生。雖然云計算構造了新的平臺，但是卻拋下了曾與其緊密結合的工業(yè)I/O，導致失去了控制側的實時性能。

2.3   邊緣計算的提出

由于云計算體量龐大，而且遠離了終端控制設備，新的近端控制需求不斷產生。業(yè)界希望把“浮于高空的云下沉”以滿足低時延、高可靠要求，于是“霧計算”隨之誕生，2012年被思科引入到行業(yè)應用中，后來邊緣計算隨之誕生[8]。與云計算不同，邊緣計算既有霧一側的“虛計算”，又有設備一側的“實計算”，因此有學者曾擔心云計算將被邊緣計算替代。后來被證實它們屬于互補融合關系[9] ，因此“云邊協(xié)同”成為了普遍共識。

針對邊緣計算的操作系統(tǒng)，目前業(yè)界并沒有統(tǒng)一的標準。由于邊緣計算既有虛部又有實部，在實部一側還包括不同操作系統(tǒng)、不同計算設備、不同指令集，甚至有的設備沒有操作系統(tǒng)。“異構”成為了邊緣計算的一個主要特征，使得邊緣計算是一種多硬件、多系統(tǒng)、多網絡的協(xié)作模型。

3  邊緣計算操作系統(tǒng)參考模型

由于邊緣計算需要管理更大范圍的硬件與軟件資源。狹義的操作系統(tǒng)是對單一閉合硬件架構的抽象，不能滿足邊緣計算的需求，需要開發(fā)廣義、多接入、異構、軟硬件解耦的新型操作系統(tǒng)。本工程研究中心通過調查、實驗和文獻檢索，得到了三種可參考模型。

3.1   容器化模型

目前最具影響力的容器技術即Docker[10] ，它具有輕量化、速度快、兼容性特征。由鏡像實例化的容器可以是主流的Ubuntu、Centos等Linux操作系統(tǒng)，也可以是一段可執(zhí)行的程序。容器技術實現(xiàn)了硬件與軟件的完全解耦，因此可以把不同的微服務編排到異構計算宿主機，包括虛擬機、實體機等，增加了細粒度[11]。在國內，華為推出了Isula，進一步輕量化了Docker應用，加上k3s或KubeEdge編排技術 [12,13]    （源自于kubernetes的邊緣計算運用）為物聯(lián)網及邊緣計算提供了極佳的平臺。容器技術提供了一種類似于Linux Shell的CLI指令，  可以認為它是建立于宿主機上的分布式操作系統(tǒng)，在容器與云計算之間，Kata起到了極佳的整合作用[14] ，能夠更好地輔助云邊協(xié)同。在我國，容器已經成為大型互聯(lián)網公司的重要工具，包括百度、阿里巴巴、騰訊、360、京東、大眾點評等都在應用。

3.2   分布式軟總線模型

鴻蒙系統(tǒng)[15]是第一款面向萬物互聯(lián)時代的全場景分布式操作系統(tǒng)，也是一款真正意義上的國產自主系統(tǒng)，鴻蒙系統(tǒng)的重要突破在于“分布式軟總線”，具備自發(fā)現(xiàn)、自組織、高帶寬、低時延和異構網絡組網的特點。分布式軟總線打破了傳統(tǒng)計算機單一封閉式硬件架構，實現(xiàn)了軟硬件的解耦，因此鴻蒙系統(tǒng)符合邊緣計算在末端I/O接入的要求，是一個極其重要的參考模型。截至目前，華為鴻蒙系統(tǒng)已經突破了1.5億用戶數。

3.3   再抽象元操作系統(tǒng)模型

元操作系統(tǒng) [16] 是構建于操作系統(tǒng)、容器及各種硬件上的寄生操作系統(tǒng)。Linux、Windows是對單體封閉硬件的抽象，假設把裝有操作系統(tǒng)或無操作系統(tǒng)的實體機、虛擬機、容器等看作硬件對象（或功能塊），那么針對這些“硬件”就可以再抽象，組建上層操作系統(tǒng)。美國斯坦福大學在2000年展開了（STandford AI Robot，STAIR）項目等，2007年，Willow Garage將其進行擴展和完善，   同時，  在無數研究人員的共同努力下推出了特定行業(yè)的機器人操作系統(tǒng)（Robot Operating System，ROS）  [17] ，早期的ROS是對Ubuntu Linux的再抽象，新的ROS版本新增了Debain、Windows和容器。按照傳統(tǒng)，運行于操作系統(tǒng)上的軟件一般被稱為應用程序，但ROS不同，由于提供了標準的操作系統(tǒng)服務，例如硬件抽象，底層設備控制，常用功能實現(xiàn)，進程間消息以及數據包管理，構造了機器人控制的分布式模型以及激光雷達、SLAM等硬件驅動和機器人的運行庫等，使得ROS成為了機器人這一特定行業(yè)的元操作系統(tǒng)  [18]

4  ICICOS的研究計劃

在國內，容器模型和分布式軟總線模型已經取得了技術突破。ROS作為一種機器人行業(yè)的開源元操作系統(tǒng)也獲得了廣泛的關注和大量應用研究。但是目前我國仍然沒有像ROS一樣的特定行業(yè)操作系統(tǒng)研究，  更是缺少面向邊緣計算的開源元操作系統(tǒng)開發(fā)。

圖1 ICICOS元操作系統(tǒng)的研究愿景

ICICOS（Industrial Cyber Intelligent Control Operating System）作為云南省高校邊緣計算網絡工程研究中心的重點打造對象，從誕生伊始就確定了面向工業(yè)自動化的實現(xiàn)人工智能的發(fā)展方向。如圖1所示，ICICOS把底層的物理對象稱之為智能單元（Smart Unit，SMU），通過對SMU的抽象，在邊緣計算中間層生成可供調用的功能塊（Function Block Diagram，F(xiàn)BD）。最后依靠云原生的方式連接功能塊，那么底層的SMU就可自動地組合成為新的生產線。針對于圖1所示的愿景，本工程研究中心確定了ICICOS的研究方向、任務和目標。

4.1   ICICOS的研究方向

ICICOS并非通用的計算機操作系統(tǒng)，它既不是Windows也不是Linux。事實上，它是一個特殊的工業(yè)體系，ICICOS計劃集成MATiec[19]和4diac[20,21]技術實現(xiàn)人工智能與工業(yè)自動化的融合（AI & IA）。自2016年提出以來，目的就是方便電氣工程師采用IEC 61131-3和IEC 61499的編程方式實現(xiàn)在云計算與邊緣計算平臺的自動化和智能化編程。圖2是其基本流程：通過云平臺配置硬件、網絡和編譯底層執(zhí)行代碼，  使用Isula或Docker容器構建邊緣計算中間平臺。接著，在邊緣計算底層，通過時間敏感網絡（Time Sensitive Network，TSN）保證離散設備之間的時間精準度，構建分布式時序驅動序列（Distributed Driver Series Container，DDSC），控制I/O采集數據和驅動執(zhí)行器動作。

圖2 ICICOS的研究方向

4.2   ICICOS的研究任務

ICICOS具有五項研究任務，分別是：

（1）基于嵌入式實時系統(tǒng)或單片機建立邊緣節(jié)點，組建分布式節(jié)點，具備多點通信接入能力，支持DDSC驅動I/O接口技術。

（2）構建Isula或Docker容器云后端，能夠動態(tài)安裝、實例化和撤銷所有程序和硬件配置。利用微服務增加容器的細粒度，支持云邊協(xié)同。

（3）支持IEC 61131-3或IEC 61499編程，能夠基于邊緣計算平臺監(jiān)控運行狀態(tài)和動態(tài)配置硬件。

（4）支持時間敏感網絡TSN而且能夠接入其它主流的現(xiàn)場總線，如Modbus、PROFIBUS等。

（5）能夠以多點通信接入方式連接物理對象I/O模塊，包括數字量輸入、輸出和模擬量輸入、輸出等。

4.3   ICICOS的研究目標

在工業(yè)自動化行業(yè)，電氣自動化工程師擅長于使用梯形圖（Ladder Diagram，LD）編程，電子電路工程師擅長于使用功能塊（Function Block Diagram，F(xiàn)BD）編程。ICICOS參考MATiec、4diac開源編譯器，將程序的硬件組態(tài)遷移到云計算層，工程師可以在該層開發(fā)、調試和維護程序等。圖3展示了ICICOS取代傳統(tǒng)PLC的方案目標。左側灰色部分表示傳統(tǒng)PLC程序開發(fā)流程。由于算力有限，傳統(tǒng)架構阻礙了人工智能在工業(yè)中的發(fā)展。通過云邊協(xié)同，可以增強算力，彌補PLC中CPU的算力不足，故應當刪除PLC的CPU模塊，取消其兩地編程功能，僅僅留下I/O，以便邊緣計算中間層管理。

圖3 ICICOS取代PLC的目標

P L C平臺的遷移必然造成實時性能的損失，使工業(yè)自動化（Industrial Automation，  IA）  從單機控制結構中脫離，但也增加了人工智能（Artificial Intelligence，AI）。若把各行各業(yè)比喻為齒條機構，人工智能、工業(yè)自動化和邊緣計算比喻為三個齒輪，那么利用邊緣計算就可以有效地把AI & IA嚙合，如圖4所示。

圖4 ICICOS人工智能與工業(yè)自動化融合目標

在實際應用中雖然AI齒輪和IA齒輪總會在資源爭奪的過程中較勁，但是通過研究和利用邊緣計算的三實時架構[22] ，可以有效地兼顧AI & IA的產業(yè)融合，這也是構建ICICOS邊緣計算元操作系統(tǒng)的宗旨目標。

5  總結與展望

本文通過綜述操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程，總結了邊緣計算操作系統(tǒng)的三種模型，提出發(fā)展元操作系統(tǒng)的設想。依托云南省高校邊緣計算網絡工程研究中心，本文提出了ICICOS計劃，  擬實現(xiàn)云、邊、端系統(tǒng)互聯(lián)互通，提供一種多系統(tǒng)協(xié)同和異構計算的綜合元操作系統(tǒng)平臺。

未來三年，本工程研究中心擬通過開發(fā)ICICOS邊緣計算元操作系統(tǒng)，在云端可以整合邊緣計算資源和終端設備的狀態(tài)和任務執(zhí)行情況，實現(xiàn)云邊協(xié)同的工業(yè)自動化和人工智能程序開發(fā)。  AP

★基金項目：云南省第七批高校重點實驗室和工程研究中心建設項目——云南省高校邊緣計算網絡工程研究中心；云南省教育廳科學研究基金項目（2022J1246）。

作者簡介：

蘇為斌  （1983-），男，云南通海人，電氣工程副教授，博士，ICICOS項目創(chuàng)始人，現(xiàn)就職于云南工商學院智能科學與工程學院，擔任云南省高校邊緣計算網絡工程研究中心負責人，主要研究方向為邊緣計算、工業(yè)自動化、人工智能等。

王依凱  （1984-），男，云南澄江人，網絡工程副教授，現(xiàn)就職于云南工商學院，擔任云南省高校邊緣計算網絡工程研究中心副主任，智能科學與工程學院計算機系主任，主要研究方向為邊緣計算網絡工程。

黃海軍  （1977-），男，浙江溫州人，副教授，碩士，現(xiàn)就職于云南工商學院，主要研究方向為網絡空間安全、邊緣計算網絡工程等。

董家瑞  （1983-），男，云南通海人，工程師，學士，ICICOS共同創(chuàng)始人，現(xiàn)就職于云南云創(chuàng)數字生態(tài)科技有限公司，主要研究方向為數據通信、區(qū)塊鏈、數據應用等。

李智新  （1979-），男，云南新平人，學士，現(xiàn)就職于中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，主要從事國際EPC項目管理、招標采購管理工作及研究。

陳   巍  （1983-），男，博士，現(xiàn)任昆明鼎邦科技股份有限公司新材料事業(yè)部總監(jiān)，主要研究方向為真空冶金裝備及技術及其自動化，為ICICOS提供真空冶金設備的應用試點。

雷小梅  （1984-），女，云南勐臘人，學士，現(xiàn)就職于云南工商學院智能科學與工程學院，主要研究方向為工業(yè)自動化。

李吉成  （1989-），男，山東臨沂人，講師，碩士，現(xiàn)就職于云南工商學院智能科學與工程學院，主要研究方向為工業(yè)仿真。

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摘自《自動化博覽》2022年2月刊