01背景

計算技術(shù)經(jīng)歷了大型機計算、PC計算、網(wǎng)絡(luò )計算、云計算等階段之后，進(jìn)入了邊緣計算/霧計算。圖1示出了邊緣計算的5大關(guān)鍵利益。正是由于邊緣計算呈現了它在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的重要地位，所以這幾年來(lái)贏(yíng)得了工業(yè)界的特殊關(guān)注。

圖1 邊緣計算的5大關(guān)鍵利益

02工業(yè)環(huán)境下的邊緣計算

工業(yè)環(huán)境下的邊緣計算通常以實(shí)時(shí)或者以接近實(shí)時(shí)的方式獲取正確的設備數據，以推動(dòng)更好的決策，必要時(shí)還可以進(jìn)行工業(yè)過(guò)程控制。為了實(shí)現這一目標，必須先行構建邊緣設備及嵌入其中的軟件、邊緣服務(wù)器以及云的基礎架構，并連續全天候地運行。

工業(yè)網(wǎng)絡(luò )邊緣可以擴展到工業(yè)設備、機械制造、控制器和傳感器。當下，邊緣計算和分析正在快速地向靠近機械裝置和數據源的地點(diǎn)部署。隨著(zhù)工業(yè)系統數字化轉型已成定勢，分析、決策和控制這些以往都是集中完成的功能，正在從物理上加速向邊緣設備、邊緣服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò )、云及其聯(lián)接系統分散。與此同時(shí)，自動(dòng)化資產(chǎn)設備正在提升其執行邊緣計算的功能。

邊緣計算支持IT/OT融合，在架構中的這兩個(gè)領(lǐng)域之間架起了橋梁。這特別明顯地表現在它不僅擔任原有服務(wù)于現場(chǎng)數據的角色，同時(shí)也為上一層的網(wǎng)絡(luò )承擔數據服務(wù)，而且正在成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構中一個(gè)組成部分。

數據在接近產(chǎn)生數據的源頭進(jìn)行處理，意味著(zhù)邊緣計算和分析可能不把所有的數據向云端發(fā)送，而是將一些數據就地處理，諸如數據過(guò)濾、數據集成等。邊緣系統可自行決定哪些數據要發(fā)送，向什么地方發(fā)送和什么時(shí)候發(fā)送。讓邊緣具有智能有助于解決工業(yè)設施（如采油井、采礦點(diǎn)、化工廠(chǎng)等）通常會(huì )遇到的問(wèn)題，如低帶寬、低延遲、感知以任務(wù)為關(guān)鍵的的數據等，以保證知識產(chǎn)權不致被人竊取。

當制造廠(chǎng)在實(shí)施將廠(chǎng)內的機械設備和裝置，以及生產(chǎn)系統與數字化企業(yè)相聯(lián)接的解決方案時(shí)，流程工業(yè)和離散工業(yè)的最終用戶(hù)都樂(lè )于看到在邊緣執行實(shí)時(shí)智能。在現今的互聯(lián)工廠(chǎng)中，邊緣計算將提供下一代的智能聯(lián)接設備和數字化企業(yè)的基礎。這些智能邊緣設備可將傳感器的數據和流信息加以集結和分析，以支持預測性的分析平臺。

利用邊緣計算和云計算的混合方法將為每個(gè)流程工業(yè)和離散工業(yè)的用戶(hù)提供可執行的信息，用以支持實(shí)時(shí)的業(yè)務(wù)決策、資產(chǎn)監測、數據分析過(guò)程報警、過(guò)程控制，以及深度學(xué)習等等。而邊緣計算和云計算的算力移往網(wǎng)關(guān)和IIoT的邊緣設備，這一趨勢日趨明顯。

許多終端用戶(hù)期望在邊緣實(shí)施數據分析，這并不出人意料。如果工業(yè)向智能互聯(lián)機械和生產(chǎn)系統的生態(tài)系統發(fā)展和遷移，第一步就是建立數字化的環(huán)境，在這數字化的環(huán)境中，實(shí)現了信息安全的工廠(chǎng)在生產(chǎn)過(guò)程中運用可以存取、采集、集結和分析數據的智能設備，并提供可執行的信息，使運行、維護以及工廠(chǎng)和產(chǎn)品的設計和工程部門(mén)都能獲得優(yōu)化設計、制造和支持的能力和手段。

操作運行、資產(chǎn)管理和可靠性等的迫切需要，推動(dòng)終端用戶(hù)去部署和利用邊緣計算。但是隨著(zhù)機械裝置和設備以及生產(chǎn)系統的邊緣計算和設備持續不斷增加，首先要關(guān)注的一定是網(wǎng)絡(luò )和信息安全的問(wèn)題。當邊緣設備可以聯(lián)接工廠(chǎng)的生態(tài)系統、產(chǎn)品和現場(chǎng)的設備裝置，甚至制造供應鏈的時(shí)候，設備和聯(lián)接必須保證網(wǎng)絡(luò )和信息的安全和可靠。

具有信息賦能運行操作的智能制造和邊緣計算，實(shí)際上為改善業(yè)務(wù)性能提供了無(wú)限的潛力。過(guò)去長(cháng)期在機械裝置內和過(guò)程中未被利用的數據將被發(fā)掘利用，為快速地辨識生產(chǎn)低效率的問(wèn)題所在，針對制造條件來(lái)比較產(chǎn)品質(zhì)量，精確查明在安全、生產(chǎn)或環(huán)境等方面的潛在問(wèn)題，都會(huì )變成現實(shí)。邊緣基礎結構的遠程管理將立即與操作人員以及不在現場(chǎng)的專(zhuān)家發(fā)生聯(lián)接，這樣故障的避免，及時(shí)處理可能導致停機事件的解決，或快速地進(jìn)行診斷或尋找故障點(diǎn)，都會(huì )很快實(shí)現。

總之，邊緣計算和云計算的基礎架構將加速I(mǎi)T和OT的融合匯聚。于是，那些原來(lái)只關(guān)心自己責任范圍內系統的IT和OT的專(zhuān)業(yè)人員，就可以相互學(xué)習對方的技術(shù)。IT的專(zhuān)業(yè)人員需要把他們的企業(yè)網(wǎng)絡(luò )運行的經(jīng)驗和無(wú)處不在的運用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議進(jìn)入制造應用的技巧向OT人員傳授；OT人員需要把過(guò)去的自動(dòng)化孤島向現在的全廠(chǎng)互聯(lián)互通和以信息為中心的邊緣和云架構升級遷移。于是，邊緣計算就成為將IT與OT融合交匯的關(guān)鍵點(diǎn)。

03工業(yè)邊緣的兩個(gè)視角

在考慮工業(yè)邊緣環(huán)境時(shí)，我們可以從運行操作的視角和網(wǎng)絡(luò )基礎架構的視角分別進(jìn)行思考。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)IIoT把運行操作的邊緣和網(wǎng)絡(luò )基礎架構的邊緣聯(lián)接在 一起，凝聚成為一個(gè)整體。為了實(shí)現業(yè)務(wù)的目標將它們綁定在一起，形成整個(gè)IT/OT融合交匯的一個(gè)關(guān)鍵部分。圖2描繪了這一場(chǎng)景。在云端可以部署需求規劃、 PDM、供應鏈、資產(chǎn)管理、ERP、MES等企業(yè)的應用軟件和功能；其下安排網(wǎng)絡(luò )邊緣的基礎架構，而操作運行的邊緣資產(chǎn)包括傳感器、變送器、控制閥、工藝閥門(mén)、 控制系統等自動(dòng)化資產(chǎn)，以及固定資產(chǎn)、運載工具、驅動(dòng)裝置等。 

圖2 工業(yè)邊緣的兩個(gè)視角

運行操作的工業(yè)邊緣。運行操作的工業(yè)邊緣是兩 個(gè)邊緣環(huán)境中最直接的，它是工業(yè)過(guò)程的邏輯運行操作的始端和末端。不過(guò)不同的組織如企業(yè)、客戶(hù)、運 行操作等，對邊緣的定義或許是有所不同的。一個(gè)采礦公司會(huì )把一個(gè)裝有某個(gè)設備的地點(diǎn)視為其制造過(guò)程的運行操作邊緣；而石油天然氣工業(yè)則會(huì )把鉆井平臺或鉆井與其相關(guān)的設備如油泵或天然氣泵、管線(xiàn)和火炬設備視為邊緣。對于制造業(yè)，工廠(chǎng)的操作運行邊緣由一些機械設備和裝置組成，例如上料機器人、金屬沖壓機等。對于發(fā)電工業(yè)，邊緣會(huì )是汽輪機或燃氣輪機或是風(fēng)力發(fā)電機的變速齒輪箱；對于輸配電工業(yè)，邊緣則是變電站、變壓器或移動(dòng)供電站。從上述例子中可見(jiàn)，在一個(gè)大型的操作運行過(guò)程內，邊緣設備被用來(lái)執行關(guān)鍵操作，但是這些操作是有限度的，有時(shí)是與其它設備相互隔離的。 

網(wǎng)絡(luò )工業(yè)邊緣。與上述經(jīng)過(guò)提煉的過(guò)程相反，網(wǎng)絡(luò )的工業(yè)邊緣對于工業(yè)操作人員來(lái)說(shuō)不是那么明顯符合預期。許多含混不清源自操作人員通過(guò)存在已久、且經(jīng)過(guò)不斷深化的視角去看待技術(shù)，其中包括分散過(guò)程控制、可編程邏輯控制和其它自動(dòng)化應用。這些模糊不清的看法通常導致對IIoT過(guò)程的誤解，以為其建設和價(jià)值與過(guò)去幾十年來(lái)自動(dòng)化成功的做法相似。 

從網(wǎng)絡(luò )的視角看，開(kāi)發(fā)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的過(guò)程是為了通過(guò)數據共享、數據的分層管理和數據的系統使信息得以傳輸、分析、提煉，上升為知識，為決策提供依據和選擇。在傳統的OT領(lǐng)域，系統是在操作運行過(guò)程的范圍內被加以隔離，形成為信息孤島，而IT則從超出這一視界來(lái)考慮，通常是從克服壁壘，如何實(shí)現更有效率的運行操作的設想來(lái)考慮的。 

事實(shí)上網(wǎng)絡(luò )邊緣的定義是由IT人員完成的，但并不止于此。IT人員描述利用云計算技術(shù)，建立開(kāi)發(fā)互聯(lián)網(wǎng)賦能的數據共享的基礎，同時(shí)建立智能的設備。于是云變成了“集中的中心環(huán)境”，據此來(lái)識別和定義邊緣。這樣，網(wǎng)絡(luò )邊緣就成了向云端提供數據的設備和系統 了。不過(guò)，對于現今的工業(yè)希冀達到的目的，這樣的定義過(guò)于簡(jiǎn)單化了。 

與工業(yè)的操作運行相似，工業(yè)網(wǎng)絡(luò )邊緣發(fā)生在信息技術(shù)網(wǎng)絡(luò )的邏輯始端和末端。它由具有數據通信、數據管理（例如信息安全、可視化、預處理和存貯）和計算能力的裝置和設備組成。網(wǎng)絡(luò )基礎架構的邊緣可以包括一系列的技術(shù)，同時(shí)這一生態(tài)系統的分散性往往又附加了模糊點(diǎn)。它通常是傳統的IT裝置和設備以及有目的建造的工業(yè)系統和技術(shù)（諸如新加的傳感器和執行器）的混合體。這許多技術(shù)作為各別的部件被導入工業(yè)環(huán)境或者被導入一個(gè)網(wǎng)絡(luò )。它們的功能性也可被嵌入在一個(gè)操作運行的基礎架構中（如嵌入在透平中、機器人中或運載工具中）。

04在工業(yè)邊緣構建可靠的虛擬化和控制應用

對于幾乎所有的應用，在工業(yè)邊緣的虛擬化和控 制計算都是適用而有益的。大多數處于邊緣的系統、設備和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIoT的傳感器，正在向更智能、而且能夠提供大量數據的方向發(fā)展。在現場(chǎng)經(jīng)過(guò)改善提高的 SCADA和HMI，其聯(lián)接性也為存取這些大量的數據做好了準備。 

在生產(chǎn)層，在現場(chǎng)或操作人員需要查看大量數據的時(shí)候，部署了更多的HMI功能一定會(huì )使工廠(chǎng)、成套裝置和產(chǎn)線(xiàn)的操作運行更有效率。這包括基本的流程或過(guò)程監控和控制，在操作人員需要立即取得實(shí)時(shí)生產(chǎn)圖表和趨勢變化時(shí)，所提供的精確而齊全的數據，再配以可進(jìn)行調整和改變的手段，再加上從現場(chǎng)設備中取得的大數據，并依據這些實(shí)時(shí)數據所進(jìn)行的更細化的分析，這無(wú)異是如虎添翼，提高了操作人員即時(shí)深入了解生產(chǎn)狀況的可視化和決策指導的能力。數據分析還可以揭示長(cháng)期的趨勢，使操作人員從中獲得為改善效率而采取行動(dòng)的信息。這一般不可能從直接觀(guān)察實(shí)時(shí)數據做到。除了改善操作運行而外，在計劃或項目的生命周期的其他階段，也可從工業(yè)邊緣中獲得利益。在設計和開(kāi)發(fā)期間，經(jīng)過(guò)驗證的邊緣計算架構，為從一個(gè)項目到下一個(gè)項目的復用和提高設計效率，提供了良好的結構化手段。邊緣計算的模塊化性質(zhì)意味著(zhù)原始設備制造商O(píng)EM和系統集成商SI可以在內部開(kāi)發(fā)平臺上進(jìn)行編程和測試，并可以在新的和現有的現場(chǎng)生產(chǎn)系統中利用這些結果?？焖俚腍MI的部署和HMI可移動(dòng)的性能，還使得在新系統和老系統的調試投運更為方便。運用可靠的瘦客戶(hù)端使不間斷的維護更為簡(jiǎn)便，如有必要可以快速進(jìn)行瘦客戶(hù)端的重新部署和替代。在調試投運期間利用移動(dòng)可視化和在便攜式電腦或臺式電腦的計算客戶(hù)端，可為維護團隊提供尋找故障問(wèn)題的選項。 

那么誰(shuí)掌握工業(yè)邊緣計算呢？這與誰(shuí)掌握工業(yè)自動(dòng)化計算結構和如何來(lái)定義工業(yè)邊緣和瘦客戶(hù)端滾動(dòng)顯示有關(guān)。傳統的工業(yè)計算解決方案在很大程度上建立在商用信息技術(shù)IT的基礎結構之上。許多用于工業(yè)的計算技術(shù)都是逐漸從商業(yè)應用轉移過(guò)來(lái)的，例如PC機、服務(wù)器、以太網(wǎng)線(xiàn)和Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)、虛擬機、瘦客戶(hù)端和若干冗余方案。不過(guò)制造業(yè)和流程工業(yè)總是緊緊圍繞著(zhù)操作運行技術(shù)OT領(lǐng)域。而OT要求許多上述的IT基礎架構的同時(shí)，還要加上特定使命和特定要求的硬件、軟件和通信方法，例如PLC、HMI、智能化儀表裝置，以及工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議等等。

IT和OT業(yè)務(wù)單元的融合并非終局游戲，工業(yè)邊緣的部署必須產(chǎn)生于這兩個(gè)團隊成功協(xié)調的結果。一般地講，IT人員并不曾受過(guò)工業(yè)專(zhuān)用設備的培訓。事實(shí)上，工業(yè)網(wǎng)絡(luò )通常必須與業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò )小心地用防火墻隔離。OT 依賴(lài)于虛擬機和瘦客戶(hù)端技術(shù)，但OT人員通常不會(huì )具有 管理以IT為中心的廣泛協(xié)調能力。

一個(gè)可供運用的中間平臺把以IT為中心的硬軟件部署功能打包到以OT為中心的運行平臺。這樣OT人員便 可以方便地操作和維護IT技術(shù)。

傳統的自動(dòng)化計算架構包括分布式和集中式的部件。純OT設備如PLC和PAC安裝在工業(yè)邊緣可以與現場(chǎng)設備如電動(dòng)機、閥門(mén)和傳感器等直接互動(dòng)，采集信息，并執行細化的控制。這些OT資產(chǎn)不斷改進(jìn)其性能，仍然起著(zhù)重要的作用。與IT范圍橫向連接的工業(yè)自動(dòng)化SCADA和HMI采集上述OT設備的數據，構成一個(gè)局部 的“核心”，并可通過(guò)與臺式PC機聯(lián)網(wǎng)，在所有有需要 的地方作為得心應手的工具。目前一個(gè)正在發(fā)展的趨勢是在工廠(chǎng)層外安裝控制和虛擬化的計算資產(chǎn)，或者甚至在傳送帶和機械裝置上安裝邊緣設備，這有可能使問(wèn)題復雜化了。 

一個(gè)更合適的解決方案是保持集中的冗余服務(wù)器硬件作為核心，但將它作為與自動(dòng)化有關(guān)的主虛擬機，而在所需要的地方將HMI應用服務(wù)作為遠程的瘦客戶(hù)端。冗余服務(wù)器可以采用傳統的IT樣式，也可以采用專(zhuān)為工業(yè)任務(wù)而設計開(kāi)發(fā)的經(jīng)過(guò)OT優(yōu)化的版本，即新推出的具有冗余成對網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的邊緣計算平臺，如Stratus的ztC邊緣系統。 

瘦客戶(hù)端技術(shù)是可靠部署和管理分布式HMI和虛擬機的優(yōu)先方案，尤其是這種系統支持移動(dòng)設備的客戶(hù)端。這意味著(zhù)任意工業(yè)自動(dòng)化的虛擬機或應用程序都可以任意PC機、盤(pán)裝式終端或連到公司內網(wǎng)的移動(dòng)設備，實(shí)現可視化和進(jìn)行操作。瘦客戶(hù)端的架構使OT人員在邊緣取得更好地體驗，同時(shí)使承擔工業(yè)自動(dòng)化核心的OT人員維護管理水平大幅提高。所得到的利益體現在：瘦客戶(hù)端可使用硬件資源要求不高因而相對便宜的設備，快速替代和重新配置的成本較低。 

單內核技術(shù)非常適合于開(kāi)發(fā)運用于邊緣的數據采 集、處理和分析設備，這是因為它是一種實(shí)現單一服務(wù)部件（單元）輕量級的機制。它對硬件資源的要求較低，易于快速配置和替代。它具有APP服務(wù)的靈活性，像HMI這樣的遠程設備就可以利用單內核技術(shù)和有關(guān)的APP，快速構成專(zhuān)用的有針對性的數據采集分析和顯示。它又易于開(kāi)發(fā)，在工廠(chǎng)內的開(kāi)發(fā)和測試活動(dòng)可以在 虛擬機環(huán)境中進(jìn)行，而不論主機在何地，因而對實(shí)際現場(chǎng)部署的硬件設備要求不高。

上述這些特點(diǎn)對于OEM廠(chǎng)商和系統集成商很有意義。運用虛擬化和瘦客戶(hù)端可加速集成的進(jìn)度，特別是與多臺服務(wù)器和PC機方案的組態(tài)相比，將開(kāi)發(fā)組態(tài)的過(guò)程轉移到生產(chǎn)系統的瘦客戶(hù)端，顯然方便而快速；運用虛擬化和瘦客戶(hù)端大大簡(jiǎn)化了系統維護， 集中控制的虛擬機的維護遠比分布式資產(chǎn)的維護來(lái)得容易，尤其是在軟件升級和為信息安全打補丁的時(shí)候更是如此；以單內核為基礎形成瘦客戶(hù)端的架構，系統可擴展性好，這得益于集中的標準化和良好的復用 性；另外，通過(guò)建立和部署以運用虛擬化和瘦客戶(hù)端 為基礎的設備，可為實(shí)現一致性、可靠性以及再現性 的最佳實(shí)踐打下堅實(shí)基礎。圖3是采用Stratus虛擬操 作系統的瘦客戶(hù)端架構的方案，易于用任務(wù)專(zhuān)用的虛 擬化和移動(dòng)軟件來(lái)構成。

圖3 用虛擬機和移動(dòng)軟件構成瘦客戶(hù)端的架構

綜上所述可以得出以下結論：采用瘦客戶(hù)端和虛擬 化的架構有利于提高工業(yè)邊緣系統的易管理性、靈活性 和可靠性。

05邊緣可編程工業(yè)控制器

最近美國自動(dòng)化市場(chǎng)上出現了一種所謂的“邊緣 可編程工業(yè)控制器”（EPIC）。它所集成的硬件和軟 件執行控制、監控、數據采集、操作員接口、邊緣數據 處理和一定的數據分析功能。其設計的初衷是為了滿(mǎn)足 在長(cháng)期的運行過(guò)程中OT/IT融合所要求的扁平化結構， 以及資產(chǎn)間的無(wú)縫通信，同時(shí)還要運用開(kāi)放的標準化的通信協(xié)議和編程語(yǔ)言。這一簡(jiǎn)化現場(chǎng)-邊緣-云端的層次的方案，核心是提高工業(yè)邊緣計算功能的效率；或者稱(chēng)之為將IIoT的智能始于邊緣。圖4的上半部分是現有的IIoT的復雜架構，由眾多的傳感器采集的數據經(jīng)過(guò) PLC、OPC服務(wù)器、HMI/PC和防火墻傳送至云端；而下半部分是傳感器通過(guò)邊緣可編程工業(yè)控制器，直接送往云端。

圖4 IIoT結構扁平化的解決方案

要求一個(gè)解決方案能實(shí)現OT和IT雙方相互被理解， 需要具備以下的功能：就地將OT領(lǐng)域的物理量轉換為能 被IT領(lǐng)域運用的信息安全的通信協(xié)議和語(yǔ)言所能處理的 數據；處理和過(guò)濾海量數據，僅向云發(fā)送必要的、供進(jìn)一步分析用的數據；提供通信接口，提供閉環(huán)實(shí)時(shí)控制 要求的處理能力；將上述要求打包成一種能在嚴酷工業(yè)環(huán)境下可靠運行的設備，能經(jīng)受振動(dòng)、潮濕、環(huán)境溫度 變化和各種頻率的的電磁干擾。 

滿(mǎn)足IIoT的可互操作性應該在邊緣設備中具備如下的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，如MQTT/Sparkplug、TCP/IP、 HTTP/S和互聯(lián)網(wǎng)的專(zhuān)用語(yǔ)言RESTful 的API；具備互聯(lián)網(wǎng)的信息安全技術(shù)，如SSL/TLS加密和認證。而云基系統必須調用RESTful API存取數據，或者使用publishsubscribe通信模型（如MQTT/Sparkplug）從遠程邊緣設備中獲取數據，而無(wú)需像目前的工業(yè)應用中那樣經(jīng)過(guò)較為復雜的層次和轉換。

EPIC雖然不是PLC或PAC，但它提供可編程控制 器的標準編程語(yǔ)言：功能塊圖（FBD）、結構化文本 （ST）、順序功能圖（SFC）和梯形圖（LD）。當然也 可以通過(guò)EPIC的開(kāi)源OS，運用高級語(yǔ)言（如C/C++、 Java、Python或其它）存取和編寫(xiě)運用程序。

來(lái)源：邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟ECC