中國科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所 李棟

1　從智能制造的發(fā)展認識邊緣計算

一談到智能制造，我們就會(huì )提到三個(gè)集成，即在生產(chǎn)制造領(lǐng)域的縱向集成，在價(jià)值鏈領(lǐng)域的橫向集成，以及產(chǎn)品全生命周期的數字化端到端集成。我們在這里主要關(guān)注生產(chǎn)制造領(lǐng)域的縱向集成，即如何使現在的生產(chǎn)制造系統適應未來(lái)大規模的定制化生產(chǎn)的需求。

在生產(chǎn)制造領(lǐng)域，目前的傳統方式是采用分層的架構，其核心思想是：把復雜的問(wèn)題逐一分層，每個(gè)部分解決一部分問(wèn)題，最后構建一個(gè)整體的系統。傳統方式的特點(diǎn)是簡(jiǎn)潔高效，但同時(shí)也會(huì )帶來(lái)信息孤島等很多其他的問(wèn)題?，F在有了更強大的通訊和計算的能力，有了云計算和人工智能，我們能夠通過(guò)更豐富的信息手段和計算能力來(lái)提升跨層次、跨領(lǐng)域的更深層次的優(yōu)化。

基于以上觀(guān)點(diǎn)，我們認為未來(lái)的工業(yè)控制系統將會(huì )是一個(gè)以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數據分析為技術(shù)核心的開(kāi)放平臺。在該領(lǐng)域的發(fā)展過(guò)程中，邊緣計算可以在工業(yè)控制系統中的IT與OT系統的融合方面得到充分的價(jià)值體現。

2　新一代自主可重構工業(yè)控制系統關(guān)鍵技術(shù)

我們利用邊緣計算水平解耦的思想構建了新一代自主可重構的工業(yè)控制系統的技術(shù)架構，如圖1所示。主要分為四個(gè)部分：最下層是泛在化感知層，利用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)進(jìn)行廣泛的數據采集；上一層是將IT與OT融合的全互聯(lián)的制造網(wǎng)絡(luò )；再向上，我們提出了一個(gè)叫做語(yǔ)義化信息集成層，意義在于將大量的信息和設備高效集成；下面三層的工作都是為了最終的制造應用來(lái)服務(wù)的，因此最上層也就是服務(wù)化制造應用層。

圖1 新一代自主可重構的工業(yè)控制系統的技術(shù)架構

2.1　泛在化感知

泛在化感知層的主要作用是采集現場(chǎng)的信息并且進(jìn)行控制。目前，工業(yè)應用面臨的主要挑戰：抗干擾、高實(shí)時(shí)、低功耗。

2.1.1　泛在化感知的新技術(shù)方向

（1）WIA-PA

在這方面中國科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)沈自所）在流程行業(yè)已經(jīng)做出了一定的成績(jì)，建立了流程工業(yè)低速、低功耗的工業(yè)無(wú)線(xiàn)的標準WIA-PA。在802.15.4物理層基礎上，實(shí)現自適應跳頻、多跳高實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)、高精度同步技術(shù)，使得數據傳輸可靠性達99%以上，網(wǎng)絡(luò )功耗在微安級。目前，WIA-PA已成為IEC國際標準?；谶@項技術(shù)我們研制的相關(guān)產(chǎn)品在已經(jīng)石油石化、電力、冶金等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。

（2）WIA-FA

在離散領(lǐng)域，面向離散加工行業(yè)，沈自所研制了傳感器、控制器、執行器之間互聯(lián)通信的高速無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)WIA-FA。在802.11物理層基礎上，實(shí)現頻域輪詢(xún)、動(dòng)態(tài)信道調度、聚合Ack技術(shù)，使得百點(diǎn)規模的數據傳輸時(shí)延低于10ms，可靠性達99.99%以上。目前，WIA-FA也已成為了IEC國際標準。

（3）NB-IoT

同時(shí)，我們也注意到像NB-IoT這樣的窄帶物聯(lián)網(wǎng) （Narrow Band - Internet of Things），具有低成本、低功耗、廣覆蓋等特點(diǎn)，定位于運營(yíng)商級、基于授權頻譜的低速率物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)。市場(chǎng)研究公司Machina預測，NB-IoT未來(lái)將覆蓋25%的物聯(lián)網(wǎng)連接。NB-IoT已經(jīng)于2016年6月成為3GPP正式標準。NB-IoT作為NB-CIoT和NB-LTE兩種標準的融合，平衡了各方利益，也將會(huì )成為泛在化感知層非常重要的技術(shù)力量。

2.2　全互聯(lián)制造網(wǎng)絡(luò )

在全互連制造網(wǎng)絡(luò )這一層，主要提供的是在IT與OT網(wǎng)絡(luò )融合的基礎之上形成的一個(gè)融合網(wǎng)絡(luò )。這個(gè)網(wǎng)絡(luò )將同時(shí)承載IT與OT的業(yè)務(wù)，它的主要特點(diǎn)就是能夠滿(mǎn)足各種不同實(shí)時(shí)性要求的流量的混合傳輸。

2.2.1　全互聯(lián)制造網(wǎng)絡(luò )的新技術(shù)方向

（1）IEEE802.1 Time-Sensitive Networking

IEEE802.1 Time-Sensitive Networking能夠基于以太網(wǎng)實(shí)現管理業(yè)務(wù)與控制業(yè)務(wù)的混流傳輸，能夠保障控制業(yè)務(wù)流的同步低時(shí)延通信；標準對802.11的MAC機制進(jìn)行改進(jìn)，借鑒PROFINET的全網(wǎng)調度方法，通過(guò)對傳輸任務(wù)截止期的精細化調度保障傳輸時(shí)延。同時(shí)，IEEE802.1 Time-Sensitive Networking提出了802.1Qbu幀優(yōu)先級和802.1Qbv傳輸調度兩個(gè)標準補充，已經(jīng)通過(guò)項目授權（PAR），正在技術(shù)研究階段。

（2）ISA100.15 Wireless Backhaul Network

ISA100.15無(wú)線(xiàn)回程網(wǎng)是基于遠距離寬帶無(wú)線(xiàn)技術(shù)實(shí)現現場(chǎng)傳感網(wǎng)與工廠(chǎng)骨干控制網(wǎng)的互聯(lián)，支撐現場(chǎng)感知數據回傳到控制中心的回程網(wǎng)架構。網(wǎng)絡(luò )中設計了回程網(wǎng)絡(luò )的標準接口和管理架構，研發(fā)了多種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )共享頻譜下的共存技術(shù)。2013年8月巴西油田Rio de Janeiro開(kāi)展了面向油井遠程測量的回程網(wǎng)絡(luò )現場(chǎng)驗證，70余家企業(yè)參與其中。

（3）工業(yè)軟件定義網(wǎng)絡(luò )（SDN）技術(shù)

工業(yè)軟件定義網(wǎng)絡(luò )基于SDN技術(shù)支持工廠(chǎng)管理業(yè)務(wù)與控制業(yè)務(wù)的混流傳輸，支持一網(wǎng)到底。針對工廠(chǎng)管理業(yè)務(wù)和控制業(yè)務(wù)特征，我們設計了基于流交換的處理核心和基于SDN的協(xié)同調度機制，形成了混流傳輸模式下的確定性傳輸保障技術(shù)體系，并且已研制出工業(yè)SDN交換機原型。

2.3　語(yǔ)義化信息集成

網(wǎng)絡(luò )作為系統整體的支撐，下一步要考慮的是如何將原來(lái)分層的ERP、MES、DCS之間，以及設計、工程、生產(chǎn)、維護、服務(wù)等不同生產(chǎn)制造環(huán)節高效地集成在一起？現在主流的一個(gè)發(fā)展方向是通過(guò)語(yǔ)義的方式進(jìn)行高效融合。該方式主要面臨的挑戰是相關(guān)數據具有海量、多維、異構、時(shí)空關(guān)聯(lián)的特性。

2.3.1　語(yǔ)義化信息集成的新技術(shù)方向

（1）FDI （Field Device Integration）

FDI指的是現場(chǎng)設備集成，通過(guò)建立一個(gè)跨協(xié)議的設備集成技術(shù)對EDDL和FDT/DTM技術(shù)的集成與整合，解決工廠(chǎng)范圍內的智能設備，由于供應商不同，信息描述格式不同導致的異構問(wèn)題，以及進(jìn)而帶來(lái)的現場(chǎng)設備全局管理問(wèn)題。目前得到了5大自動(dòng)化基金會(huì )和主要供應商的認可，正在進(jìn)行起草標準征求意見(jiàn)稿工作，開(kāi)發(fā)套件及相關(guān)工具正在積極研發(fā)中。

（2）eCl@ss

eCl@ss是劃分和描述產(chǎn)品與服務(wù)類(lèi)別的國際標準，采用通用的數據模型把不同的系統結合在一起，提出了一套完整的產(chǎn)品描述與分類(lèi)系統，其中包括精細的等級分類(lèi)結構、多語(yǔ)種針對產(chǎn)品和服務(wù)的等效定義及目錄，目前已形成IEC、ISO國際標準，定義了超過(guò)三萬(wàn)個(gè)類(lèi)型的產(chǎn)品與服務(wù)、超過(guò)五千個(gè)的產(chǎn)品屬性，具有覆蓋品類(lèi)全面、精細的特點(diǎn)，eCl@ssOWL本體庫于2003年開(kāi)始構建，現可提供語(yǔ)義化支持。

（3）數字工廠(chǎng)語(yǔ)義化信息集成平臺

沈自所在這方面研發(fā)了一個(gè)數字工廠(chǎng)語(yǔ)義化信息集成平臺。這個(gè)平臺為工廠(chǎng)提供自底（現場(chǎng)設備）向上（綜合應用）的統一信息語(yǔ)義化描述與集成服務(wù)。通過(guò)構建工業(yè)信息統一語(yǔ)義模型，工廠(chǎng)多層次關(guān)聯(lián)關(guān)系本體庫，攻克工廠(chǎng)信息語(yǔ)義存儲與關(guān)聯(lián)檢索關(guān)鍵技術(shù)，完成數字工廠(chǎng)語(yǔ)義管理云平臺，進(jìn)而縮短工廠(chǎng)各環(huán)節信息集成時(shí)間、降低集成復雜度，對柔性、智能制造提供支撐。目前已初步完成統一語(yǔ)義模型、多層次關(guān)聯(lián)本體庫以及信息語(yǔ)義化存儲與檢索關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，構建出原型系統。

2.4　服務(wù)化制造應用

2.4.1　服務(wù)化制造應用

沈自所提出了以模塊化、服務(wù)化的模式，實(shí)現制造應用的動(dòng)態(tài)自組織，實(shí)現設備服務(wù)封裝、注冊、查詢(xún)、管理與組合技術(shù)。

2.4.2　服務(wù)化制造應用的新技術(shù)方向

（1）OPC-UA

OPC-UA標準是基于Web Service框架實(shí)現自動(dòng)化設備數據與操作的封裝，提供開(kāi)放服務(wù)。以統一的Web Service描述，兼容了工業(yè)領(lǐng)域原有的數據存取、報警事件、安全約束、歷史訪(fǎng)問(wèn)等多種數據交換標準，實(shí)現了跨平臺、跨應用的不同廠(chǎng)商設備的互操作。OPC-UA標準受到了眾多工業(yè)設備制造商支持，西門(mén)子、Matrikon、Softing等多家廠(chǎng)商提出了軟件解決方案，并正在研發(fā)硬件連接網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品。

（2）智能工廠(chǎng)服務(wù)合成引擎

基于OPC-UA開(kāi)放服務(wù)的功能，我們制作了一個(gè)針對工廠(chǎng)生產(chǎn)中的動(dòng)態(tài)需求，能夠對自動(dòng)化設備Web服務(wù)進(jìn)行基于場(chǎng)景的自適應組合，從而形成動(dòng)態(tài)工作流，能夠實(shí)現設備服務(wù)建模，動(dòng)態(tài)場(chǎng)景建模，以及綜合考慮設備占空比和效用優(yōu)先原則的設備選擇與服務(wù)組合機制。目前，我們已經(jīng)完成了該技術(shù)原型系統的開(kāi)發(fā)。

3　工業(yè)4.0產(chǎn)線(xiàn)實(shí)驗床

為了實(shí)現工業(yè)4.0時(shí)代訂單客制化并支持單件生產(chǎn)，SIA與SAP聯(lián)合打造了一條示范產(chǎn)線(xiàn)，這是一個(gè)從企業(yè)IT系統到車(chē)間控制OT系統的垂直集成解決技術(shù)方案。示范產(chǎn)線(xiàn)以車(chē)型、顏色等配置供客戶(hù)自由選擇的定制化模型車(chē)的裝配過(guò)程為例，模擬了從消費者下單到制造商生產(chǎn)交付的全過(guò)程，展現工業(yè)4.0下的智能工廠(chǎng)的理念。

如圖2所示的傳統產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)模式是按照不同的管理域和業(yè)務(wù)域進(jìn)行劃分，在這個(gè)過(guò)程中，如果想構建一個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)的系統，需要大量I/O的配置，進(jìn)行各種邏輯的編輯。

圖2 傳統產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)模式

如果要在同一條生產(chǎn)線(xiàn)中生產(chǎn)不同型號的產(chǎn)品，所有生產(chǎn)需求都要經(jīng)過(guò)程序員實(shí)現，在進(jìn)行配置設定切換的過(guò)程中，很多參數都需要重新進(jìn)行配置，將會(huì )消耗大量時(shí)間?；谇拔奶岬降乃膶蛹軜?，我們構建了一個(gè)新的生產(chǎn)模式。該模式支持根據用戶(hù)的需求，根據生產(chǎn)場(chǎng)景的變化，根據訂單的變化，生產(chǎn)線(xiàn)能夠自動(dòng)靈活地調配資源，進(jìn)而形成一套個(gè)性化的智能生產(chǎn)制造的系統。

基于新模式的生產(chǎn)線(xiàn)能夠實(shí)現以下的場(chǎng)景：

（1）車(chē)型、顏色等選項自由組合的定制化模型車(chē)全自動(dòng)單件生產(chǎn)；

（2）生產(chǎn)系統根據訂單變化動(dòng)態(tài)調整結構；

（3）基于預測性維護的生產(chǎn)系統動(dòng)態(tài)調整和快速維修服務(wù)。

這個(gè)新的產(chǎn)線(xiàn)模式具備以下幾個(gè)方面的價(jià)值：一是實(shí)現大規模定制化生產(chǎn)；二是支持混線(xiàn)、柔性生產(chǎn)；第三點(diǎn)是能夠提高生產(chǎn)系統快速響應能力，縮短系統重構周期。

4　行業(yè)典型案例

4.1　智能油田全流程優(yōu)化管控系統

在石油化工領(lǐng)域，針對中石油全流程優(yōu)化、降低開(kāi)采成本的重大需求，沈自所為中石油提供了針對石油化工領(lǐng)域的智能管控系統，該系統能夠實(shí)現跨地質(zhì)、工程、生產(chǎn)、維修全流程優(yōu)化。該系統能夠完成以下幾個(gè)方面的具體工作：一是能夠完成油井生產(chǎn)狀態(tài)實(shí)時(shí)感知，智能診斷；二是實(shí)現了抽油機實(shí)時(shí)優(yōu)化控制；三是對于地質(zhì)、油藏、生產(chǎn)數據等方面進(jìn)行的綜合性?xún)?yōu)化。該系統目前已在遼河、勝利、新疆、松遼油田推廣應用，其效果非常顯著(zhù)，一方面能夠及時(shí)準確地診斷出油井發(fā)生油桿斷脫故障,有效延長(cháng)檢泵周期；另一方面，能夠實(shí)現生產(chǎn)管理的智能化、自動(dòng)化，減少人工投入達40%；此外，使得產(chǎn)液量計量準確率高達90%以上，抽油機有效節能高達30%以上。

4.2　石化生產(chǎn)過(guò)程參數在線(xiàn)監測與優(yōu)化管控系統

針對石化工廠(chǎng)物料、能源計量與過(guò)程參數優(yōu)化需求，沈自所實(shí)現了通過(guò)設備能源安全的全面感知結合生產(chǎn)工藝參數，進(jìn)行多維度優(yōu)化的整體優(yōu)化系統。該系統能夠及時(shí)判斷出石化現場(chǎng)一些設備的故障，同時(shí)可以提高計量精度，提高現場(chǎng)操作工的工作效率。該系統能夠提供以下三個(gè)方面的功能：一是設備運行狀態(tài)監測與故障診斷分析；二是能源在線(xiàn)實(shí)時(shí)計量與優(yōu)化調控分析；三是移動(dòng)作業(yè)安全監測與閉環(huán)管控。

目前該系統已在撫順石化、蘭州石化、安慶石化、齊魯石化、茂名石化、天津石化等大型石化廠(chǎng)進(jìn)行推廣應用，效果主要體現在：首先能夠及時(shí)準確診斷出機泵軸承故障，縮短停機檢修周期60%；其次是提供更加準確的計量，減少計量誤差達86%；另外支持移動(dòng)終端作業(yè)，提升現場(chǎng)維護效率達30%。

4.3　離散行業(yè)柔性生產(chǎn)管控系統

離散制造的企業(yè)對于生產(chǎn)線(xiàn)的需求主要是三個(gè)方面： 一是減人：自動(dòng)化率偏低，有較大的人力成本壓力，需要減少生產(chǎn)線(xiàn)上的工人數量；二是增效：批量定制模式下工藝調整頻繁，導致生產(chǎn)效率低下，產(chǎn)能不足；自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)普遍柔性程度不足，難以滿(mǎn)足快速工藝調整需求，需要支持柔性制造的生產(chǎn)線(xiàn)，實(shí)現快速轉產(chǎn)；三是品控：檢測力度不足，產(chǎn)品質(zhì)量難以嚴格把控，良品率波動(dòng)較大。普遍采用抽檢模式，質(zhì)量追溯能力有限，缺乏有效的全檢技術(shù)手段，需要細粒度的品質(zhì)控制手段，對產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行追溯。

目前自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)普遍存在柔性不足的問(wèn)題。雖然通過(guò)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)能夠實(shí)現減人、增效和品控的目的，但柔性程度還是相對不足的，因此難以滿(mǎn)足快速工藝調整時(shí)對生產(chǎn)線(xiàn)快速轉產(chǎn)的需求。

所以，我們對傳統模塊化生產(chǎn)線(xiàn)的制造方式進(jìn)行了升級，提出了針對工藝過(guò)程解耦的動(dòng)態(tài)優(yōu)化過(guò)程工藝。該工藝的特點(diǎn)是生產(chǎn)工序松耦合，能夠進(jìn)行產(chǎn)線(xiàn)級動(dòng)態(tài)重構，工序分解重排。

對此，我們設計了面向生產(chǎn)流程的動(dòng)態(tài)服務(wù)編程技術(shù)以及支持在線(xiàn)命令執行的服務(wù)適配器，分別可以解決基于Web服務(wù)的生產(chǎn)工藝與設備資源在線(xiàn)重構問(wèn)題和設備即插即用自動(dòng)化配置與互操作命令動(dòng)態(tài)執行的問(wèn)題。

該系統能夠實(shí)現生產(chǎn)線(xiàn)的產(chǎn)能增加30%，人員減少65%的顯著(zhù)效果；實(shí)現裝配過(guò)程分鐘級動(dòng)態(tài)切單、轉產(chǎn)；產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題檢測時(shí)間達到秒級，工藝缺陷追溯時(shí)間達到分鐘級。

5　總結

在智能制造的背景下，隨著(zhù)終端與連接規模的極速擴展，傳統集中式信息處理與管理的模式不再適用，將逐步演進(jìn)為集中式管理與分布式自治相結合的模式。邊緣計算就是充分利用物端的嵌入式計算能力，以分布式信息處理的方式實(shí)現物端的智能和自治，并與云計算結合，通過(guò)云端的交互協(xié)作，實(shí)現系統整體的智能化。

邊緣計算在制造業(yè)的核心價(jià)值是OT與IT的融合，從技術(shù)方面主要關(guān)注以下三點(diǎn)：

（1）要構建統一的技術(shù)架構，推進(jìn)水平解耦和平臺化，實(shí)現IT技術(shù)與OT技術(shù)的融合；

（2）高效地利用嵌入式計算資源實(shí)現智能化的決策控制；

（3）保障系統的安全性，包括物理安全和信息安全。

在產(chǎn)業(yè)鏈方面，邊緣計算是一個(gè)長(cháng)尾產(chǎn)業(yè)：環(huán)節多，應用體量小而分散，應該注意構建開(kāi)放的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，形成合力，將新的蛋糕做大，在為客戶(hù)解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中實(shí)現聯(lián)盟成員的商業(yè)價(jià)值。

（本文根據作者在邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立暨2016首屆邊緣計算產(chǎn)業(yè)峰會(huì )上所作報告整理）

摘自《自動(dòng)化博覽》2017年1月刊