01 引言

邊緣計算利用日益提升的設備級計算、儲存、網(wǎng)絡(luò )資源，協(xié)同完成高可靠、低延遲的實(shí)時(shí)控制、數據處理、完全防護等任務(wù)。邊緣計算在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛、智慧城市等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用前景。隨著(zhù)邊緣計算的崛起，現有工業(yè)自動(dòng)化體系結構發(fā)生根本的改變，由原來(lái)基于ISA-95的結構^[1]逐漸向工業(yè)云+邊緣計算系統的形態(tài)轉變。在新的體系下，工業(yè)軟件從最上層的ERP、PLM、CRM等系統一直到邊緣側的工控軟件都將發(fā)生模式上的根本轉變。在ISA-95的傳統模式下^[2]，信息交互往往只在相鄰的層級之間進(jìn)行。例如ERP系統只與MES系統直接對接，而MES也只與下層的SCADA系統以及上層的ERP系統進(jìn)行交互。當最底層新增的傳感數據需要與上層系統交互時(shí)，需要對數據鏈路上的每一個(gè)系統進(jìn)行修改，造成系統開(kāi)發(fā)與維護的效率低下。在系統規模日益龐大、交互功能復雜的情況下，軟件開(kāi)發(fā)與測試的時(shí)間將成倍增長(cháng)，逐步超過(guò)項目硬件成本支出。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+邊緣計算的模式下，工業(yè)軟件的開(kāi)發(fā)模式將從傳統的桌面應用向基于服務(wù)化的工業(yè)App過(guò)渡。工業(yè)軟件根據實(shí)時(shí)性、可靠性與數據量的需求分為云端或者邊緣端應用兩類(lèi)。CAD、CAE、ERP、MES、PLM、CRM等傳統工業(yè)設計、運營(yíng)管理類(lèi)軟件由于功能眾多、體積龐大、數據復雜、實(shí)時(shí)性要求低、擴展性要求強，適合以工業(yè)云為載體進(jìn)行服務(wù)化升級轉型。以ERP以及MES系統為例，此類(lèi)系統由大量的軟件模塊組成，包括銷(xiāo)售、需求計劃、供應鏈管理、計劃與執行、庫存、財務(wù)會(huì )計、人力資源、 倉庫管理、采購、品質(zhì)管理等。由于工業(yè)系統具有很強的行業(yè)特性，不同行業(yè)、不同生產(chǎn)模式的企業(yè)對于此類(lèi)系統的需求有著(zhù)極大的差異，很難找到兩個(gè)企業(yè)擁有完全相同的運營(yíng)方式。因此，如將每個(gè)模塊單獨封裝成為工業(yè)App部署在云端，可以針對不同企業(yè)滿(mǎn)足深度定制的需求，減少用戶(hù)由于頻繁升級造成的不便。單獨部署的模塊也可以減少企業(yè)在此類(lèi)軟件上的投入，避免造成資源浪費。

而SCADA、HMI、PLC、DCS等生產(chǎn)控制、裝備嵌入式軟件對實(shí)時(shí)性與可靠性要求極高，因此一般功能較為單一。部分控制代碼響應時(shí)間甚至需要控制在1ms之內，而與云的通訊時(shí)間則遠遠超過(guò)這個(gè)時(shí)間，以至于在一個(gè)通訊周期內，控制代碼已經(jīng)運行了幾百個(gè)周期，因此此類(lèi)工業(yè)App更適合以邊緣計算系統為載體，以獨立設備資源運行確保實(shí)時(shí)性與可靠性不受影響。隨著(zhù)芯片技術(shù)的不斷進(jìn)步以及儲存價(jià)格的下降，目前邊緣計算節點(diǎn)的運算與儲存資源已可承擔多個(gè)實(shí)時(shí)性要求較高的工業(yè)應用同時(shí)部署執行。

模式的改變帶來(lái)的是軟件開(kāi)發(fā)方式的改變，如圖1所示，以服務(wù)為基礎的工業(yè)App的流程開(kāi)發(fā)者可以使用任意編程語(yǔ)言（比如IEC 61131-3 ST，LD^[3]，C/C++,Java,甚至是JavaScript）編寫(xiě)的工業(yè)邊緣計算App通過(guò)打包為容器上傳到工業(yè)云Edge App商店中，而使用者則無(wú)需開(kāi)發(fā)任何代碼，從工業(yè)Edge App商店中選擇所需的應用并且配置部署模型下載或者更新工業(yè)Edge App，通過(guò)賦能的方式定義邊緣計算節點(diǎn)的功能與職責范圍，包含實(shí)時(shí)控制、可視化、監控、數據采集、數據過(guò)濾、數據在線(xiàn)分析等?；贗EC 61499^[4]的高靈活性的部署帶來(lái)不單是用戶(hù)的自由度，通過(guò)有效整合邊緣資源，能夠有效降低成本，提升設備利用率。當然，受制于現有工業(yè)總線(xiàn)以及設備物理位置的所限，部署的靈活性受到一定的限制。當TSN^[5]以及5G^[6]在工業(yè)普及后，能給工業(yè)云+邊緣計算系統的構架帶來(lái)更大的柔性。

02 邊緣計算節點(diǎn)管控體系

在新的工業(yè)云+邊緣計算體系下，節點(diǎn)與節點(diǎn)間的智能管控已經(jīng)成為必不可少的部分。一個(gè)邊緣計算節點(diǎn)除了承擔計算、儲存、通訊功能外，還應該具備任務(wù)管理、數據管理、數據分析等功能。此外，由于工業(yè)系統對可靠性與安全性的特殊要求，不能完全依賴(lài)基于云計算的決策機制。工業(yè)現場(chǎng)生產(chǎn)系統應即使在與工業(yè)云連接斷開(kāi)的情況下也能保證正常生產(chǎn)，因此也更加凸顯邊緣計算在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要性。在2018年邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟峰會(huì )上，邊-云協(xié)同的概念被作為邊緣計算參考構架3.0的主要亮點(diǎn)提出^[7]。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算框架下，工業(yè)系統可以選擇邊-云協(xié)同的模式，包括公有云+邊緣計算系統或者私有云+邊緣計算系統，當然也可以選擇僅有邊緣計算系統支撐。在任意一種模式下，都需要對現有的設備節點(diǎn)進(jìn)行管控。然而，目前的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算則處于起步階段，并未有標準協(xié)議與規范來(lái)約束邊緣計算節點(diǎn)的管理、邊緣端數據的處理、邊-云協(xié)同機制。

因此， IEEE P2805系列標準孕育而生。IEEE P2805系列標準由IEEE工業(yè)電子學(xué)會(huì )標準專(zhuān)委會(huì )推薦的針對邊緣計算相關(guān)的系列標準，目前已經(jīng)獲得IEEE標準委員會(huì )批準立項的共有三個(gè)部分：分別是P2805.1邊緣計算節點(diǎn)自我管理協(xié)議^[2]；P2805.2邊緣計算節點(diǎn)數據采集、過(guò)濾與緩存管理協(xié)議^[2]；以及P2805.3邊-云協(xié)作機器學(xué)習協(xié)議^[2]。如圖2所示，三部分協(xié)議相輔相成，共同形成完整的邊緣計算智能管控體系。

2.1　IEEE P2805.1邊緣計算節點(diǎn)自我管理協(xié)議

IEEE P2805.1邊緣計算節點(diǎn)自我管理協(xié)議主要面向多個(gè)邊緣計算節點(diǎn)之間的自組織、自配置、自恢復和自發(fā)現等相互協(xié)作機制相關(guān)協(xié)議。隨著(zhù)邊緣計算節點(diǎn)數量的增長(cháng)，邊緣計算節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )和分布式應用程序的管理將成為巨大的挑戰。此部分管理協(xié)議針對邊緣計算節點(diǎn)間分布式應用的部署，降低用戶(hù)的部署復雜度，實(shí)現設備的即插即用所建立。在更靠近數據源的邊緣端作為決策，可以減少由于通信延遲帶來(lái)的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。邊緣計算節點(diǎn)根據反饋數據進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，依仗當前信息以及知識做出決策，并且對執行進(jìn)行實(shí)時(shí)干預，例如改變執行的動(dòng)作或者參數等。當前，邊緣計算節點(diǎn)發(fā)現、標識、協(xié)作等消息傳遞和安全性機制并無(wú)統一定義。因此，此部分標準將制定對邊緣計算節點(diǎn)軟硬件的兩部分管理方法，硬件管理部分包括：

• 如何在邊緣計算節點(diǎn)上注冊、更新、查找、刪除其他節點(diǎn)； 

• 如何查詢(xún)其他節點(diǎn)的計算、儲存以及通訊資源使用情況；

• 如何遠程啟動(dòng)、停止節點(diǎn)。軟件管理部分則包括：

• 如何在邊緣計算節點(diǎn)上創(chuàng )建、更新、查詢(xún)、刪除應用；

• 如何分布式更新應用以及故障診斷；

• 如何在邊緣計算節點(diǎn)上設置數據的權限、隱私、所有權；

• 如何支撐邊緣計算節點(diǎn)間的擴展性與負載平衡；

• 如何在邊緣計算節點(diǎn)間共享文件。

2.2　IEEE P2805.2邊緣計算節點(diǎn)數據采集、過(guò)濾與緩存管理協(xié)議

IEEE P2805.2邊緣計算節點(diǎn)數據采集、過(guò)濾與緩存管理協(xié)議主要針對控制器（包括可編程邏輯控制器，計算機數字控制器（CNC）和工業(yè)機器人控制器等不同設備）進(jìn)行數據采集的協(xié)議。當前的數據采集無(wú)法實(shí)現高度定制化，因此必須引入可重配置的數據規則，例如定制化的數據采集周期、頻率，數據格式轉換和過(guò)濾無(wú)效數據等功能，并根據工業(yè)云或者其他邊緣計算網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)下發(fā)的規則對通過(guò)不同接口獲取的現場(chǎng)設備數據進(jìn)行自動(dòng)緩存、過(guò)濾和計算。通過(guò)對數據預處理操作，可以實(shí)現在將數據轉發(fā)到工業(yè)云或者其他存儲空間之前，對其進(jìn)行清洗與壓縮，以便能夠對歷史數據進(jìn)行高效分析，優(yōu)化生產(chǎn)工藝流程。這部分標準的主要內容包括：

• 定制化數據采集（包括分組、周期、頻率、質(zhì)量等）；

• 數據過(guò)濾清洗；

• 數據恢復；

• 數據分區；

• 數據緩存；

• 數據預處理算法下發(fā)；

• 數據完整性與來(lái)源檢測；

• 自定義數據類(lèi)型。

2.3　IEEE P2805.3邊-云協(xié)作機器學(xué)習協(xié)議

IEEE P2805.3邊-云協(xié)作機器學(xué)習協(xié)議制定了如何使用邊-云協(xié)同的方式在邊緣計算節點(diǎn)上啟用機器學(xué)習協(xié)議。該標準為低功耗、低成本的嵌入式設備上實(shí)現機器學(xué)習算法提供了實(shí)施參考。目前，尚未定義任何標準來(lái)涵蓋邊-云協(xié)同的機器學(xué)習功能。例如，邊緣計算基于機器學(xué)習模型以及實(shí)時(shí)數據來(lái)判斷是否更改節點(diǎn)控制流程或者甚至向工業(yè)云、其他節點(diǎn)發(fā)送警報。此部分的標準包含：

• 提供邊緣機器學(xué)習、邊-云協(xié)同機器學(xué)習等模式；

• 提供分布式機器學(xué)習模型參考；

• 提供分布式機器學(xué)習訓練方法參考；

• 如何下發(fā)部署已訓練好的機器學(xué)習模型；

• 在線(xiàn)優(yōu)化；

• 邊緣計算節點(diǎn)推理。 

03 結語(yǔ) 

綜上所述，在工業(yè)網(wǎng)絡(luò )化系統逐漸普及的情況下，邊緣計算系統的軟件開(kāi)發(fā)模型即將產(chǎn)生巨大的改變，邊緣計算節點(diǎn)相比以往能夠提供大量全新智能管控方法。然而，目前的邊緣計算仍然處于早期研究階段，相關(guān)標準的制定已經(jīng)落后于市場(chǎng)實(shí)際需求。因此，IEEE P2805邊緣計算節點(diǎn)系列標準以解決邊緣端智能數據與設備管控為目標，通過(guò)定義自我管理協(xié)議、數據采集、過(guò)濾與緩存管理協(xié)議以及邊-云協(xié)作機器學(xué)習協(xié)議來(lái)實(shí)現設備賦能。在邊-云協(xié)作的模式下，邊緣計算在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域一定能發(fā)揮更大的作用。 

參考文獻：

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來(lái)源： 邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟ECC