★中國信息通信研究院 胡鐘顥，王哲 

摘要：邊緣計算技術(shù)廣泛普及并與傳統工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)深度融合，形成邊緣控制 這一新興概念。邊緣控制依托其開(kāi)放架構，可與新型工業(yè)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、實(shí)時(shí)虛擬化 技術(shù)及跨平臺編譯技術(shù)等相結合，在保證實(shí)時(shí)可靠工業(yè)控制的基礎上，集成一定 的計算能力以滿(mǎn)足當前工業(yè)現場(chǎng)的場(chǎng)景需求，以期對傳統工業(yè)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(fā)展路徑與趨勢及熱點(diǎn)技 術(shù)等幾個(gè)方面對邊緣控制技術(shù)進(jìn)行研討和分析。 

關(guān)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(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，ISA-95 （企業(yè)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(dòng)，自動(dòng)化市場(chǎng)結構一 直圍繞著(zhù)軟硬件強綁定方式演進(jìn)，供應商將硬件配套的 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境一并交付客戶(hù)[1]，同時(shí)，現場(chǎng)總線(xiàn)、實(shí)時(shí) 以太網(wǎng)等工業(yè)協(xié)議“七國八制”情況嚴重，現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )互 通困難，產(chǎn)生信息孤島，導致了工業(yè)控制在CT、OT、 IT層面壁壘高筑，阻礙了生態(tài)的發(fā)展，因而亟需工業(yè)控 制在技術(shù)上產(chǎn)生變革以解決上述問(wèn)題。

 2　傳統工業(yè)控制的演進(jìn)歷程 

回顧工業(yè)控制的演進(jìn)歷程，如圖1所示，主要經(jīng)歷 了三個(gè)重要時(shí)期：首先是上世紀三、四十年代模擬時(shí) 代。這一時(shí)期因有了戰時(shí)的積累，工業(yè)控制理論與技術(shù) 蓬勃發(fā)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(guò)渡到集中電路控 制；1946年計算機的出現，將工業(yè)控制從模擬時(shí)代帶 入到模擬和數字混合時(shí)代。隨著(zhù)全球第一個(gè)數字化工業(yè) 控制系統—直接數字控制（Direct Digital Control， DDC）建設完成，各種新的工業(yè)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(guò)配置其控制邏輯可更改的靈 活性，實(shí)現了對傳統的繼電器設備的替代。同時(shí)，這一 時(shí)期工控網(wǎng)絡(luò )也逐漸從串行通信向現場(chǎng)總線(xiàn)過(guò)渡，傳輸 能力和實(shí)時(shí)性有了較大的提升；工業(yè)控制從模擬和數字 混合時(shí)代過(guò)渡到數字時(shí)代的標志是1985年基于PC的工 業(yè)控制器的出現。工業(yè)PC具備開(kāi)放性、低成本、軟硬 件資源豐富、生態(tài)成熟等優(yōu)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(hù)所接受。在這一時(shí)期， 普通以太網(wǎng)逐步應用于工業(yè)控制系統，使適用于工業(yè)的 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)得到了快速發(fā)展。

 圖1 工業(yè)控制系統演進(jìn)歷程 

總結以往的演進(jìn)規律，工業(yè)控制的升級換代主要 是由內在因素和外在因素聯(lián)合驅動(dòng)產(chǎn)生的。內在因素表 現在來(lái)自工業(yè)現場(chǎng)側的需求的變化。隨著(zhù)機器視覺(jué)質(zhì) 檢、設備預測性維護等場(chǎng)景的引入，工業(yè)現場(chǎng)側不僅僅要對實(shí)時(shí)性的控制指令進(jìn)行處理，也要對大量的非實(shí) 時(shí)數據進(jìn)行處理，而當前工業(yè)控制系統不能滿(mǎn)足如此大 數據量的處理需求。另外，現場(chǎng)側產(chǎn)生大量的異構生產(chǎn) 數據，這些數據對于企業(yè)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(wú)法實(shí)現異構數據的共 享；外在因素表現在隨著(zhù)計算機、網(wǎng)絡(luò )等技術(shù)的不斷迭 代升級，以及與傳統工業(yè)控制技術(shù)相融合，從而催生出 新型工業(yè)控制技術(shù)。當前ICT技術(shù)如5G、TSN（Time Sensitive Networking）等確定性網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、邊緣計算 技術(shù)等與工業(yè)控制的融合正在走實(shí)向深，將驅動(dòng)新的工 控產(chǎn)品形式的產(chǎn)生。

 3　邊緣控制的概念及架構 

3.1　邊緣控制的概念由來(lái) 

考慮工業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)典型應用場(chǎng)景，生產(chǎn)線(xiàn)上 的數據通過(guò)采集匯總后，呈現在基于Web的用戶(hù)界面 上，工廠(chǎng)主管人員可通過(guò)分析生產(chǎn)目標達成情況和訂單 情況來(lái)對生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)調整。然而，上述場(chǎng)景在實(shí)現過(guò) 程中可能會(huì )面臨諸多問(wèn)題。數據產(chǎn)生于現場(chǎng)的傳感器和 執行器并傳輸信號到PLC進(jìn)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(shí)， 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(chǎng)服務(wù)器，需通 過(guò)HMI或SCADA執行數據轉發(fā)。整個(gè)過(guò)程中，數據在 多個(gè)中間件中流轉，提升了數據的安全性、完整性風(fēng) 險。同時(shí)，各節點(diǎn)間需經(jīng)過(guò)多次的協(xié)議轉換，例如PC 或服務(wù)器適用的IT協(xié)議TCP/IP、HTTP、PLC、傳感 器和執行器等適用的OT協(xié)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(kāi)發(fā)成本高，整個(gè)數據流轉過(guò)程涉及到OT工 程師、IT工程師相互間在領(lǐng)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(wǎng)絡(luò )邊緣和計算邊緣于一體的新型控制技 術(shù)[2]，兼具IT技術(shù)的信息搜集、處理、存儲、輔助決策 等能力和OT自動(dòng)化控制技術(shù)功能，同時(shí)具有集成邊緣 計算的能力。邊緣控制器是邊緣控制技術(shù)實(shí)現的產(chǎn)品形 態(tài)，第一套邊緣控制器系統（EPIC）來(lái)自于Opto22的 groovEPIC，是為了解決工廠(chǎng)數據流轉過(guò)程中所面臨的上 述問(wèn)題而設計研發(fā)的。

 邊緣控制器全稱(chēng)是EPIC（Edge Programmable Industrial Controller），Edge（邊緣）—即數據 產(chǎn)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(yǔ)言（如梯 形圖、功能模塊圖、順序功能圖等），也支持IT語(yǔ)言 （如C、Java、Python等），并且提供開(kāi)放編程環(huán)境； Industrial（工業(yè)）—即支持工業(yè)特性，如工業(yè)惡劣環(huán) 境、簡(jiǎn)化部署特性、設備自診斷、適配工業(yè)協(xié)議等； Controller（控制器）—即可執行硬實(shí)時(shí)控制任務(wù)，保 證時(shí)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(gè)層級，分別部署不同的設備或系統。邊緣側的設 備形態(tài)為邊緣控制器和邊緣網(wǎng)關(guān)，其南向通過(guò)現場(chǎng)總 線(xiàn)、工業(yè)以太網(wǎng)連接端側的執行器和傳感器等現場(chǎng)設 備，北向則通過(guò)以太網(wǎng)連入云側的邊緣云或公有云。邊 緣控制器和邊緣網(wǎng)關(guān)均可采用通用硬件架構并具備與現 場(chǎng)設備通訊能力，邊緣網(wǎng)關(guān)功能側重于對下層設備的數 據采集、處理分析和向云側進(jìn)行轉發(fā)，而邊緣控制器功 能偏向于對現場(chǎng)設備的實(shí)時(shí)控制，二者功能可分別獨立 實(shí)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(guān)鍵技術(shù) 

傳統工業(yè)現場(chǎng)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(chǎng)側或邊 緣機房，通過(guò)OT網(wǎng)絡(luò )連接到現場(chǎng)的傳感器和執行器， 并通過(guò)以太網(wǎng)或者無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，連接到中心云，實(shí)現云邊 協(xié)同、應用倉庫及云對邊緣的納管。在架構融合轉變的 過(guò)程中，邊緣控制器形成了一些關(guān)鍵技術(shù)熱點(diǎn)，包括云 邊協(xié)同、跨平臺編譯和實(shí)時(shí)虛擬化。 

（1）云邊協(xié)同 

云邊協(xié)同是邊緣原生的核心技術(shù)之一。云端通常具 備海量計算能力，通過(guò)云邊協(xié)同、云端開(kāi)放的能力和資 源可提供給邊緣端的應用進(jìn)行調研。以機器學(xué)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(fā) 邊緣端，邊緣端執行推理并根據結果下發(fā)控制指令給現 場(chǎng)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(jìn)行模型訓練并更新模型再次下發(fā)給邊緣 端。另外一個(gè)場(chǎng)景是邊緣端實(shí)時(shí)采集的現場(chǎng)工況數據經(jīng) 預處理后上傳到云端進(jìn)行匯總分析，從而實(shí)現數據可視 化，以支持工廠(chǎng)管理層的精準決策。

 圖3 基于云邊協(xié)同的邊緣控制流程 

（2）實(shí)時(shí)虛擬化 

實(shí)時(shí)虛擬化技術(shù)是實(shí)現虛擬化邊緣控制的關(guān)鍵技 術(shù)，既融合了虛擬化技術(shù)，同時(shí)也保持工業(yè)控制的實(shí)時(shí) 特性。其實(shí)現方式一般是在一套硬件上運行兩個(gè)或者多 個(gè)操作系統，其中包括實(shí)時(shí)操作系統（用以運行邏輯 控制、運動(dòng)控制等實(shí)時(shí)功能）和分時(shí)操作系統（如桌 面系統，用以運行HMI/SCADA或者數據庫等非實(shí)時(shí)應 用），各系統間互不干擾，分時(shí)操作系統的啟停不會(huì )影 響到實(shí)時(shí)系統的運行。實(shí)時(shí)虛擬化的優(yōu)勢主要體現在其 兼顧了邊緣計算和工業(yè)控制的硬實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)虛擬化實(shí)現方式 分為托管實(shí)時(shí)虛擬化和裸機實(shí)時(shí)虛擬化，如圖4所示。 托管實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)虛擬機RTOS和分時(shí)操作系統， 工業(yè)控制程序在RTOS中運行；裸機實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)虛擬化，其隔離性和實(shí)時(shí) 性均優(yōu)于托管的實(shí)時(shí)虛擬化[4]。 

圖4 托管實(shí)時(shí)虛擬化和裸機實(shí)時(shí)虛擬化 

（3）跨平臺編譯 

跨平臺編譯技術(shù)將成為邊緣控制的重要賦能工 具，可實(shí)現程序的通用開(kāi)發(fā)和通用部署，打破了原有 編譯環(huán)境與硬件強綁定所產(chǎn)生的壁壘?？缙脚_編譯技 術(shù)可提供包括IT和OT的多語(yǔ)言支持環(huán)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(shù) 如CodeSys，其RTE（運行環(huán)境）通過(guò)對分時(shí)系統內 核進(jìn)行實(shí)時(shí)性改造，保證了工控系統的確定性，同時(shí) 支持主流的CPU架構（如ARM、X86），可在通用PC 上進(jìn)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(shí)現了諸多先 進(jìn)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(diǎn)是支持多種場(chǎng)景的IT/ OT語(yǔ)言混合編程，并通過(guò)統一接口的功能塊進(jìn)行封裝 以開(kāi)放調用。 

（4）新型網(wǎng)絡(luò )技術(shù) 

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

 5　邊緣控制的發(fā)展路徑與趨勢 

通過(guò)調研當前邊緣控制產(chǎn)業(yè)的發(fā)展狀態(tài)及市場(chǎng)上的 邊緣控制器的功能及實(shí)現方式，筆者發(fā)現目前邊緣控制 器主要形成了兩種發(fā)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(guān)注點(diǎn)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(jìn)行必要 的數據處理、分析，并且集成物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議能力，直連云 端。這種發(fā)展路徑擴展了原有工業(yè)控制器的能力，有助 于工廠(chǎng)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(lián)網(wǎng)協(xié)議與云端通信，可集 成HMI/SCADA功能；西門(mén)子公司的S7-1500+TM NPU 智能模塊，具備神經(jīng)處理單元模塊，可實(shí)現AI算法和 PLC邏輯的融合，可集成視覺(jué)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(shí)支持OT和IT語(yǔ)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(wù)，可越過(guò) 中間網(wǎng)關(guān)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)數據傳輸。 通用控制器的發(fā)展是由歐美發(fā)達國家主導的，其專(zhuān) 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(yè)利益角度出發(fā)，自下而上建設發(fā)展， 策略是在原有技術(shù)上進(jìn)行能力拓展，穩步推進(jìn)技術(shù)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(wǎng)絡(luò )、人工智能等新型ICT技術(shù)相結合。技 術(shù)上，在保證實(shí)時(shí)性的基礎上使控制系統向虛擬化方向 演進(jìn)，以提高資源利用率，同時(shí)降低軟硬件運維及成 本，并提供彈性算力實(shí)現設備數據集中管理，從而提升 產(chǎn)線(xiàn)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(lián)通聯(lián)合發(fā)布了基于5G的虛擬化邊緣 控制器，實(shí)現了毫秒級高實(shí)時(shí)控制；寶信、華為和上海 交通大學(xué)發(fā)布了基于廣域網(wǎng)的虛擬化邊緣控制器，實(shí)現 了20微秒的時(shí)延抖動(dòng)和4ms以?xún)鹊木W(wǎng)絡(luò )時(shí)延；中國聯(lián)通 和浙江中控發(fā)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(chǎng)商聯(lián)合推動(dòng)，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(jìn)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(yōu)勢，在OT領(lǐng)域將大有可 為，但當前國內產(chǎn)業(yè)發(fā)展尚未成熟，技術(shù)積累尚未完備， 因此提升其時(shí)間確定性和健壯性以在高節拍、高速控制場(chǎng) 景中對傳統控制器形成替代，將成為未來(lái)發(fā)力重點(diǎn)。 

6　邊緣控制發(fā)展建議 

邊緣控制的重要價(jià)值已受到普遍認同，國外先進(jìn)國 家和地區通過(guò)成立組織、啟動(dòng)孵化項目、制定框架和標 準、開(kāi)啟測試驗證來(lái)布局邊緣控制，國內也持續發(fā)布政 策以完善邊緣控制發(fā)展環(huán)境。未來(lái)，筆者建議從健全標 準體系、推動(dòng)技術(shù)創(chuàng )新及完善產(chǎn)業(yè)生態(tài)三個(gè)方面推動(dòng)邊 緣控制的規?；l(fā)展。 

（1）健全標準體系 

標準制定對于引導研發(fā)方向、規范產(chǎn)品形態(tài)具有重 要意義。當前邊緣控制相關(guān)標準較為匱乏，筆者建議兼 顧各發(fā)展路徑的邊緣控制，組織產(chǎn)業(yè)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(dòng)協(xié)同創(chuàng )新 

單純利用邊緣控制技術(shù)難以充分發(fā)揮其價(jià)值，需 與5G、AI、大數據等技術(shù)相結合，相互融合，協(xié)同創(chuàng ) 新。筆者建議面向多技術(shù)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(shí)學(xué)術(shù)上應適 時(shí)總結梳理關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展現狀和趨勢，為技術(shù)研究提 供重要參考。 

（3）完善產(chǎn)業(yè)生態(tài) 

邊緣控制是一項新興技術(shù)，如產(chǎn)業(yè)各方各自發(fā)力， 閉門(mén)造車(chē)，將會(huì )形成新的“七國八制”局面，無(wú)法從根 本上解決當前工控的閉塞局面。筆者建議應提供開(kāi)放的 合作平臺，促進(jìn)供給端研發(fā)合作和供需對接，以需求為 導向，以解決痛難點(diǎn)問(wèn)題為驅動(dòng)，形成合力發(fā)展局面。 同時(shí)，開(kāi)展各類(lèi)別邊緣控制產(chǎn)品評測，以測促用。

作者簡(jiǎn)介：

胡鐘顥，中國信息通信研究院工程師，主要從事工業(yè)互 聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算等領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)政策、技術(shù)研究和標準制定 等工作，長(cháng)期支撐工業(yè)和信息化部、國家發(fā)改委等部委 的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)政策制定、重大專(zhuān)項指南編制等工 作。已發(fā)表期刊及國際會(huì )議論文5篇，申請發(fā)明專(zhuān)利及 軟件著(zhù)作權6項，主持并參與起草行業(yè)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(yè)互聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算領(lǐng)域政策、技術(shù)標準， 產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面研究，長(cháng)期支撐工業(yè)和信息化部、國 家發(fā)改委等部委的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)政策制定、重大專(zhuān)項 指南編制等工作。目前擔任CCSA邊緣計算技術(shù)標準及 產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)委員會(huì )技術(shù)促進(jìn)組組長(cháng)，同時(shí)擔任IEEE Transactions on Vehicular Technology，IEEE Access 等國際期刊審稿人，已發(fā)表期刊及國際會(huì )議論文10余 篇，其中SCI檢索5篇，申請發(fā)明專(zhuān)利及軟件著(zhù)作權4 項，主持并參與起草10余項行業(yè)標準制定工作。 

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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年第2期暨《邊緣計算2023專(zhuān)輯》