摘要：作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的一項關(guān)鍵技術(shù)，邊緣計算在工業(yè)界引起了廣泛討論，針對不同行業(yè)、不同場(chǎng)景的應用探索不斷涌現?；趯︿撹F行業(yè)現狀、特點(diǎn)、環(huán)境、需求、痛點(diǎn)、任務(wù)和未來(lái)發(fā)展趨勢的深刻分析，結合中國寶武發(fā)展實(shí)際，本文對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)頂層架構設計中邊緣層實(shí)施的一些技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行闡述，對鋼鐵行業(yè)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展具有迫切的實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；云邊端架構；邊緣計算

1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成為國家戰略

中國門(mén)類(lèi)齊全、規模巨大的工業(yè)體系不間斷地產(chǎn)生海量的工業(yè)大數據，通過(guò)破解這些工業(yè)大數據，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成為中國制造業(yè)在新一輪制造革命中贏(yíng)得競爭力的鑰匙。

自2018年，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)連續三年被寫(xiě)入了《政府工作報告》，從“打造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺”到“發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，推進(jìn)智能制造”，國家持續推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設的力度不斷加大。

2020年2月，中央政治局會(huì )議明確指出：要發(fā)揮好有效投資關(guān)鍵作用，推動(dòng)生物醫藥、醫療設備、5G網(wǎng)絡(luò )、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等發(fā)展。2020年，國家全面部署“新基建”，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成為“新基建”的重要組成部分，是加速工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展進(jìn)程的重要標志，進(jìn)一步證明工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)由政策驅動(dòng)、技術(shù)牽引全面轉入落地實(shí)踐的快車(chē)道。

2 數據驅動(dòng)的云、邊、端架構

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是OT和IT深度融合的產(chǎn)物，是一個(gè)涉及模型、軟件、平臺、網(wǎng)絡(luò )和工業(yè)裝備等各種要素組成的復雜完整的智能系統，而其中數據就像智能體的“血液”，貫通肢體到中樞，是智能體產(chǎn)生活力的源泉[1]。

基于對鋼鐵行業(yè)需求和特點(diǎn)的深入分析，充分考慮解決方案在業(yè)界的普適性，對“一總部、多基地”的大型鋼鐵企業(yè)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構分為兩部分加以界定[2]。 一是以云端平臺為中心、以多個(gè)邊緣節點(diǎn)為數據通道、縱向以“云、邊、端”層次構成的層次型系統架構，適用于各產(chǎn)業(yè)板塊中具有特定業(yè)務(wù)內涵的經(jīng)營(yíng)單元，如： 鋼鐵制造單元、工業(yè)服務(wù)子公司等。二是面向集團或行業(yè)生態(tài)圈，以橫向多節點(diǎn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò )型架構，如圖1所示。

圖1 中國寶武工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)施架構圖

其中，邊緣節點(diǎn)的平臺部署、數據處理、功能設計、云邊協(xié)同等，形成具有普適可推廣價(jià)值的技術(shù)解決方案和應用實(shí)踐，有助于各類(lèi)鋼鐵制造單元工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)部署和建設。

3 邊緣計算

邊緣層部署實(shí)施的核心目的是實(shí)現對可識別數據對象的有效管理和流轉，邊緣側所有功能設計都與數據和數據應用緊密相關(guān)。

3.1 邊緣計算是一個(gè)技術(shù)概念

在流程驅動(dòng)的傳統企業(yè)信息化系統中，每一層級都承載具體的業(yè)務(wù)功能，與企業(yè)的管理結構相適應，不存在邊緣的概念。所以，邊緣是一個(gè)技術(shù)概念，并沒(méi)有特定的業(yè)務(wù)內涵。邊緣之所以在工業(yè)領(lǐng)域受到關(guān)注，因為其在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數據處理方面的特殊優(yōu)勢，而非其運行特定的業(yè)務(wù)功能。

在討論邊緣計算技術(shù)應用時(shí)，經(jīng)常會(huì )涉及加載何種業(yè)務(wù)。事實(shí)上，將傳統業(yè)務(wù)功能（非數據型應用）賦予邊緣側不是必須要做的工作，在邊緣節點(diǎn)上部署應用功能會(huì )因行業(yè)、企業(yè)、專(zhuān)業(yè)、個(gè)人而異，取決于具體的場(chǎng)景需求和邊緣資源的配置情況，應靈活加以應對。

鋼鐵產(chǎn)線(xiàn)邊緣實(shí)施示意圖如圖2所示。

圖2 鋼鐵產(chǎn)線(xiàn)邊緣實(shí)施示意圖

3.2 邊緣需要一個(gè)平臺

與云端中心不同，邊緣側平臺要在有限計算資源的條件下，滿(mǎn)足數據采集流動(dòng)過(guò)程中數據處理的基本需求， 減少通信帶寬、延遲和安全顧慮。平臺以數據采集、預處理和分析展示為核心功能，包括（但不限于）：

（1）融合SCADA、過(guò)程控制系統，形成集實(shí)時(shí)數據采集、控制、計算和展示于一體的工業(yè)基礎自動(dòng)化軟件，滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)機組級的智能監控和過(guò)程控制需求；

（2）對區域內數據進(jìn)行實(shí)時(shí)串接勾連、時(shí)空對齊、減量解析、關(guān)聯(lián)建立、特征提取、規則發(fā)現等預處理等；

（3）按統一的數據字典要求，對工業(yè)現場(chǎng)數據進(jìn)行標準化和基本數據處理，實(shí)現基礎數據模型構建；

（4）在數據動(dòng)態(tài)處理過(guò)程中，構建有邊界范圍內的區域數據池，并進(jìn)行有限的數據緩存；

（5）基于統一服務(wù)接口，與云中心進(jìn)行數據交互；

2020年，寶信軟件的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺xIn3Plat入圍國家級雙跨平臺行列。它由兩個(gè)平臺產(chǎn)品組成：云端部署的ePlat和邊緣部署iPlat，其中寶武工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺之邊緣平臺功能架構圖如圖3所示。

圖3 寶武工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺之邊緣平臺功能架構圖 

3.3 邊緣數據處理與服務(wù)

邊緣層聚焦數據處理能力，整合并轉化為標準的數據格式，重點(diǎn)考慮數據流轉和處理，支撐各種數據信息資源的快速集成，為訪(fǎng)問(wèn)集成數據的應用提供統一數據模邊緣型和通用接口。

為應對來(lái)自現場(chǎng)（端）的數據匯聚和融合需求，需要解決各類(lèi)數據的存儲需求，包括：具有時(shí)間戳的流式數據存儲、過(guò)程控制中已經(jīng)整理好的關(guān)系數據、經(jīng)過(guò)數據對齊后的數據以及視頻媒體數據。

邊緣節點(diǎn)要匯聚數據，必然產(chǎn)生數據治理的相關(guān)需求。邊緣層聚焦數據采集過(guò)程中的數據處理，重在解決數據定義、數據標準化、數據質(zhì)量管理、數據資源管理、數據基礎建模和數據安全等方面的工作，經(jīng)過(guò)處理后所形成的有意義的數據均送到云端大數據中心。

4 邊緣計算節點(diǎn)的部署要求

在靠近物或數據源頭的一端部署邊緣節點(diǎn)，由網(wǎng)絡(luò )、計算、存儲、應用等構成的系統環(huán)境，提供近端服務(wù)、處理數據的規模取決于節點(diǎn)部署的總體考慮。

4.1 邊緣配置技術(shù)要求

邊緣節點(diǎn)資源配置的技術(shù)考量：

（1）邊緣的功能是解決實(shí)時(shí)性問(wèn)題，一個(gè)高效的實(shí)時(shí)數據處理的技術(shù)方案是邊緣的核心，且考慮到邊緣節點(diǎn)直面生產(chǎn)設備，對可靠性有高要求，操作系統、數據庫、中間件等基礎關(guān)鍵資源宜采用成熟軟件；

（2）考慮到邊緣節點(diǎn)具有一定的數量規模，采用統一的技術(shù)架構和標準化的解決方案，有利于低成本快速部署，支撐數據共享和業(yè)務(wù)協(xié)同，降低成本；

14 / 自動(dòng)化博覽·邊緣計算專(zhuān)輯 / 2021.02

（3）在邊緣采用成熟的云計算技術(shù)是可行的，包括：虛擬化技術(shù)、虛機動(dòng)態(tài)漂移等，有利于提升系統資源的利用率，但不意味著(zhù)邊緣是一個(gè)縮小版的云環(huán)境；

（4）邊緣節點(diǎn)計算資源的配置需要靈活、輕量、穩定、可靠，同時(shí)應具有一定的彈性擴展能力，支持未來(lái)的平滑擴充；

（5）按照產(chǎn)線(xiàn)或工序建設的邊緣計算系統之間應采取隔離措施，保證資源邊界的清晰；

（6）在有條件的情況下，可以集約化部署，實(shí)現集中運維，降低運維成本，需統籌考慮各類(lèi)安全防護措施。

4.2 邊緣計算節點(diǎn)的部署場(chǎng)景

在鋼鐵制造過(guò)程中，邊緣節點(diǎn)內環(huán)境的配置要兼顧存量產(chǎn)線(xiàn)的運行，場(chǎng)景部署上要有恰當的解決方案。

（1）對于新建系統（產(chǎn)線(xiàn) 、工序、工廠(chǎng)等）

基于傳統過(guò)程計算機功能進(jìn)行重構和擴展可以形成理想的邊緣計算環(huán)境，在完成SCADA服務(wù)（與監控系 統扁平化）、數據采集、模型計算、工序跟蹤等功能的基礎上，擴展智能網(wǎng)關(guān)功能，實(shí)現基本的數據服務(wù)和邊緣智能。

（2）對于存量系統

對于已經(jīng)投運的產(chǎn)線(xiàn)，由于不可能對運行中的存量過(guò)程計算機（L2）系統進(jìn)行功能改造，故需要一個(gè)額外的裝置（或系統），解決從各產(chǎn)線(xiàn)（機組、裝備）過(guò)程計算機采集數據，實(shí)現基本的數據服務(wù)和邊緣智能，稱(chēng)為數據采集服務(wù)器。

考慮到經(jīng)濟性和合理性，數據采集服務(wù)器可以視需求做一對多配置，在一個(gè)邊界清晰的區域范圍完成所有數據的采集和服務(wù)，從而擴展為區域數據服務(wù)器，如圖4所示。

圖4 用于新建和改造場(chǎng)景的區域服務(wù)器配置

4.3 邊緣部署規則

（1）要清晰地定義區域的邊界，如：熱軋區域，由此部署區域服務(wù)器可以形成一個(gè)完整的數據樣本，充分體現數據之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系；

（2）消除按照專(zhuān)業(yè)（職能）分工設立的垂直數據通道，區域內所有數據統一匯聚到邊緣節點(diǎn)，以便形成完整的區域數據樣本，實(shí)現數據融合；

（3）邊緣計算資源環(huán)境，除了完成原有的L2功能外，重點(diǎn)強化數據處理和服務(wù)功能；

（4）在邊緣不建議部署大容量的存儲資源，由云端解決大量數據的長(cháng)期存儲是合理的，且更具經(jīng)濟性；

（5）邊緣平臺應以解決實(shí)時(shí)性數據處理和應用為核心，且應盡量降低對邊緣硬件資源的需求，提供輕量級便捷部署的可行性方案；

（6）除裝備（產(chǎn)線(xiàn)）之間必須的工藝聯(lián)鎖信號外，不建議邊緣節點(diǎn)之間留有進(jìn)行大量數據交互的通道，邊緣節點(diǎn)之間的數據交互應通過(guò)其共享的云中心來(lái)協(xié)調實(shí)現；

（7）不建議部署超出數據范圍的跨域集成應用。如：在以產(chǎn)線(xiàn)為對象配置邊緣節點(diǎn)的場(chǎng)景中，跨機組產(chǎn)線(xiàn)、跨工序、跨流程，進(jìn)行服務(wù)融合、數據融合的集控開(kāi)發(fā)是不合理的。

5 邊緣計算的技術(shù)實(shí)踐

5.1 邊緣與云端功能協(xié)同

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，幾乎所有的跨域應用功能都是在云端完成的，但需要邊緣做基礎的數據支撐，邊緣計算與云計算在網(wǎng)絡(luò )、業(yè)務(wù)、應用和智能方面進(jìn)行協(xié)同至關(guān)重要。云、邊協(xié)同包括：

（1）云、邊平臺協(xié)同

中國寶武工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺由兩個(gè)產(chǎn)品組成： ePlat、iPlat。其中，ePlat以云為核心部署，實(shí)現平臺 內各業(yè)務(wù)流程的集成，以及企業(yè)、產(chǎn)業(yè)之間橫向緊密集成，從而構成生態(tài)圈建設的重要技術(shù)支撐；iPlat則部署 在邊緣節點(diǎn)，支撐在工廠(chǎng)內部從端到云數據的縱向“穿透式”深度貫通，保證數據的流動(dòng)和控制的閉環(huán)，兩個(gè)平臺構成一個(gè)“T”型骨架，相互協(xié)同，提供縱向和橫向兩個(gè)維度的互聯(lián)互通。

平臺協(xié)同要求在平臺架構設計、技術(shù)路線(xiàn)選擇上具有強相關(guān)性和一致性，保證數據高效地流動(dòng)，從而帶來(lái)高效的應用開(kāi)發(fā)效率和絕妙的使用體驗。

（2）云、邊數據協(xié)同

數據協(xié)同的基礎是數據接口的規范化、數據描述的一致化、數據應用的標準化和數據展示的一體化。邊緣側更適用局部性、實(shí)時(shí)、短周期數據的處理與分析，能更好地支撐本地業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)智能化決策與執行；云端大數據中心擅長(cháng)全局性、非實(shí)時(shí)、長(cháng)周期、綜合性的大數據處理與分析，尤其是多源融合數據的全要素分析，能夠在長(cháng)周期維護、業(yè)務(wù)決策支撐等領(lǐng)域發(fā)揮優(yōu)勢。

邊緣計算的輸出成為云計算的輸入，而無(wú)需在云端重復所有數據準備相關(guān)的處理工作，可以大大提高計算的效率。

（3）云、邊應用協(xié)同

邊緣端實(shí)時(shí)采集匯聚工廠(chǎng)單個(gè)工序（裝備、過(guò)程） 的各類(lèi)工藝過(guò)程數據、產(chǎn)品品質(zhì)數據、設備狀態(tài)數據、能源消耗數據、語(yǔ)音及視頻等信號數據，按照時(shí)間和空間維度對數據進(jìn)行勾連轉換、對齊處理、特征值提取加工，為現場(chǎng)提供實(shí)時(shí)的過(guò)程監控診斷和機理模型控制， 為云端數據采集進(jìn)行數據預處理、單工序節點(diǎn)數據匯聚, 支撐現場(chǎng)實(shí)時(shí)監控診斷預警和在線(xiàn)動(dòng)態(tài)優(yōu)化，其功能將覆蓋智能制造的方方面面，從實(shí)現監控產(chǎn)線(xiàn)、車(chē)間、工廠(chǎng)，到為提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、優(yōu)化企業(yè)運營(yíng)等做基礎數據準備，存在廣闊的創(chuàng )新空間。

云端通過(guò)一定的降頻，匯聚各專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理數據和經(jīng)過(guò)邊緣采集處理的現場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程數據，實(shí)現跨工序數據串接、全流程數據追溯和需要大規模數據的模型訓練，既服務(wù)于經(jīng)營(yíng)管理決策，又服務(wù)于現場(chǎng)生產(chǎn)控制策略的優(yōu)化，提供數據融合分析、在線(xiàn)決策支持和個(gè)性化數據服務(wù)；通過(guò)基地內部供需協(xié)同和專(zhuān)業(yè)協(xié)同，以及基地之間的資源協(xié)同改善企業(yè)運營(yíng)效率，支撐總部從采購到銷(xiāo)售，從產(chǎn)品設計、制造到服務(wù)的一體化經(jīng)營(yíng)。

5.2 區域集控系統

鋼鐵企業(yè)組織結構的設置是由工藝流程（鐵、鋼、軋等）決定的，工序構成了鋼鐵制造流程的基礎單元，工序業(yè)務(wù)的管理精細化對于鋼鐵企業(yè)的智能化運營(yíng)至關(guān)重要。因此，面向工序（多產(chǎn)線(xiàn)）部署邊緣節點(diǎn)，形成區域數據服務(wù)，在內涵和外延上都是一個(gè)符合邏輯的選項。同時(shí)，由于傳統的企業(yè)信息化系統功能多為面向企業(yè)職能管理（產(chǎn)供銷(xiāo)等）設計開(kāi)發(fā)，支撐工序環(huán)節實(shí)現更精細管理的系統工具和手段相對有限，不夠系統、完整，這在一定程度上削弱了精細化管理的能力，亟待加強。

目前，在寶武各基地乃至整個(gè)鋼鐵行業(yè)，各類(lèi)區域集控中心的建設方興未艾，受到“追捧”，除了減少人工、提高效率的需求驅動(dòng)外，還需在一定程度上解決目前大工序區域管理抓手缺位的難題，針對改善基礎管理效率做出重要探索與嘗試。鄂鋼全廠(chǎng)操業(yè)中心如圖5所示。

圖5 鄂鋼全廠(chǎng)操業(yè)中心

從表象上，面向工序的區域集控中心是將原來(lái)分散的操作室做物理集中，通過(guò)中心大屏融合信息展示，而本質(zhì)上是通過(guò)重構原有分散隔離的業(yè)務(wù)系統功能來(lái)提高業(yè)務(wù)運行的效率。其中，邊緣節點(diǎn)融合匯聚了大量實(shí)時(shí)數據形成的區域數據池，產(chǎn)生了多結構數據融合解析、復雜控制模型、在線(xiàn)實(shí)時(shí)分析等諸多高實(shí)時(shí)性、短周期、本地決策應用場(chǎng)景，使工廠(chǎng)管理精細化具有可行性和可操作的空間。因此集控中心建設的深層邏輯是智能工廠(chǎng)的建設。

以工序級（區域）集控系統為例（如：煉鋼），將邊緣側的功能分為以下類(lèi)型：

（1）監控類(lèi)：工藝過(guò)程、設備狀態(tài)實(shí)時(shí)監控，并依據自動(dòng)、手動(dòng)等控制模式以及工藝模型輸出形成的控制指令，控制響應設備按照邏輯完成規定的過(guò)程；

（2）模型類(lèi)：根據工藝模型和工藝參數進(jìn)行計算，形成控制指令，根據實(shí)際工況進(jìn)行模型演算和模型優(yōu)化計算，以保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)穩定運行；

（3）跟蹤類(lèi)：收集工藝過(guò)程和實(shí)績(jì)數據，對工藝過(guò)程各個(gè)環(huán)節和參數進(jìn)行采集，并以可視化方式展現， 幫助操作人員監視生產(chǎn)過(guò)程；

（4）數據類(lèi)：根據業(yè)務(wù)需求，以各種協(xié)議和通信方式獲取所需的數據，并對數據進(jìn)行預處理，如：噪音處理、異點(diǎn)剔除、數據缺失補充、時(shí)序對位、空間對位、減量解析等，形成可用的基礎數據模型隊列，將大量高頻次、多尺度、異構數據轉化成有序、關(guān)聯(lián)的數據隊列；

（5）管控類(lèi)：依據所接受的作業(yè)計劃、生產(chǎn)指令、制造規范等，基于區域數據，面向產(chǎn)品質(zhì)量、工序成本、能源消耗、物料管理等進(jìn)行實(shí)時(shí)的關(guān)聯(lián)性分析和動(dòng)態(tài)判定，持續優(yōu)化模型和參數，為全流程的成本質(zhì)量決策提供基礎數據要素。

在上述集控中心主要功能設計中：

功能（1）（2）（3）是過(guò)程計算機的傳統功能； 功能（4）是作為邊緣節點(diǎn)處理數據的核心功能，功能（5）則是基于數據加載本地應用的附加功能。

6 小結

邊緣計算的核心功能是面向數據，完成數據采集過(guò)程中的數據處理工作，節點(diǎn)部署、資源配置、功能設計等都圍繞這一核心來(lái)開(kāi)展，故稱(chēng)之為“以數據為核心”。邊緣節點(diǎn)所覆蓋的區域決定了數據匯聚的樣本邊界，在實(shí)踐中，會(huì )根據行業(yè)、企業(yè)、場(chǎng)景等時(shí)空考量而不同。事實(shí)上，靈活性是邊緣有別于云中心的一個(gè)重要特征，使得邊緣在工業(yè)場(chǎng)景中具有廣闊的應用空間，切忌將邊緣做成一個(gè)縮小版的云節點(diǎn)。

邊緣上部署應用功能并非必需，一個(gè)輕量級的邊緣節點(diǎn)可以?xún)H僅是一個(gè)數據通道，但不否認，基于匯聚數據加載本地應用是合理的訴求，既符合實(shí)時(shí)性，又具有經(jīng)濟型，這也是邊緣愈加智能的重要驅動(dòng)，不同的邊緣部署產(chǎn)生不同的數據樣本邊界，就產(chǎn)生了加載本地應用的差異?？梢灶A見(jiàn)，隨著(zhù)技術(shù)的不斷演進(jìn)，越來(lái)越多的應用會(huì )推向邊緣，越來(lái)越高的智能會(huì )在邊緣實(shí)現。

作者簡(jiǎn)介：

叢力群，教授級高級工程師，博士，現任上海寶信軟件股份有限公司技術(shù)總監，中國寶武集團技術(shù)業(yè)務(wù)終身專(zhuān)家、上海市首批科技領(lǐng)軍人才。長(cháng)期以來(lái)致力于工業(yè)領(lǐng)域綜合自動(dòng)化技術(shù)與應用研究，在該領(lǐng)域取得了豐碩的成果。目前專(zhuān)注于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構與應用方案的研究， 主持編寫(xiě)了“鋼鐵行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用實(shí)踐白皮書(shū)”， 參與了寶武集團鋼鐵生態(tài)圈及寶鋼股份智能制造規劃工作等。

參考文獻：

[1] 叢力群. 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中邊緣計算的實(shí)現方法[J]. 自動(dòng)化博覽, 2018, 35 ( 5 ) : 48 - 52.

[2] 中國寶武工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究院. 中國寶武工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構體系（1.0）[R/OL]. 2020.

摘自《自動(dòng)化博覽》2021年2月刊