1  引言

在端-邊-云的結構已經(jīng)基本形成的今天，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還未能展現其潛力。在工業(yè)現場(chǎng)，邊緣計算節點(diǎn)作為端與云的連接點(diǎn)，始終無(wú)法真正發(fā)揮其巨大作用。一方面，現場(chǎng)端側系統與設備的封閉使得邊緣計算節點(diǎn)始終只能作為輔助存在，從而逐漸被“邊緣化”。另一方面，雖然邊緣計算節點(diǎn)給系統提供了大量額外的計算與儲存資源，工業(yè)現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )的多樣性也使得這些資源無(wú)法與現有設備資源通過(guò)統一的網(wǎng)絡(luò )無(wú)縫整合到一起，使得工業(yè)邊緣計算處于一種“食之無(wú)味、棄之可惜”的狀態(tài)。要實(shí)現工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)萬(wàn)物互聯(lián)、信息互通的終極目標，端側與邊緣側需要進(jìn)一步深度融合，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的“端-邊-云”三層架構則將進(jìn)一步進(jìn)化為“邊-云”兩層架構。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與邊緣計算架構演進(jìn)如圖1所示。

圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與邊緣計算架構演進(jìn)

在邊緣側，一體化的新邊緣節點(diǎn)將取代原有ISA-95[1]架構中的L0~L2層，形成集傳感/執行、控制與監控為一體的分布式邊緣計算節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )。除此之外，這些節點(diǎn)還能夠承擔新的任務(wù)類(lèi)型，例如數據采集處理、機器學(xué)習等計算類(lèi)任務(wù)，并且基于數據分析結果對工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化。在云端，設計、研發(fā)、測試、管理等各類(lèi)工業(yè)軟件將逐步實(shí)現服務(wù)化，即用戶(hù)無(wú)需安裝任何軟件，直接通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)云端來(lái)完成工作。而各個(gè)邊緣節點(diǎn)與云平臺之間則可以通過(guò)統一的網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行實(shí)時(shí)數據交互與決策部署下發(fā)，從而真正實(shí)現全計算、全聯(lián)接、全解耦的閉環(huán)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構。

要實(shí)現以上目標，  在設備端需要一套完整的硬件、軟件與網(wǎng)絡(luò )技術(shù)體系與標準，稱(chēng)為“工業(yè)數字底座”。工業(yè)數字底座又應該包含哪些內容呢？圖2是面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算的工業(yè)數字底座特征，工業(yè)數字底座應該在確保工業(yè)系統實(shí)時(shí)性與可靠性的基礎上，通過(guò)融合計算、儲存與網(wǎng)絡(luò )資源優(yōu)化從設計、開(kāi)發(fā)、測試、部署到維護的全流程，降低成本并提升產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在硬件層面，需要保證邊緣計算節點(diǎn)能夠提供足夠的算力與儲存能力來(lái)滿(mǎn)足部署應用的需求；在軟件層面，需要提供一套支撐柔性邊緣應用部署的設計開(kāi)發(fā)語(yǔ)言與部署機制；在網(wǎng)絡(luò )層面，需要一套能夠保證確定性通訊延遲的一體化網(wǎng)絡(luò )。下文將分三方面來(lái)描繪工業(yè)數字底座的特性與實(shí)現路徑。

圖2 面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算的工業(yè)數字底座特征

2   “全計算”—智能化硬件終端

一個(gè)符合工業(yè)數字底座要求的邊緣計算節點(diǎn)首先要有一定的算力與儲存能力的保證。得益于芯片工藝技術(shù)的進(jìn)步，現有的嵌入式芯片的算力與儲存能力已經(jīng)得到了巨大的提升，部分基于A(yíng)RM芯片的工業(yè)網(wǎng)關(guān)性能甚至已經(jīng)超越了計算機。按照算力與儲存能力劃分，可以將邊緣計算節點(diǎn)分為三個(gè)等級[2]。

第一等級（L1）的邊緣計算節點(diǎn)具備一定的計算與儲存能力，擁有執行例如感知、驅動(dòng)設備、監控界面等單一任務(wù)的能力。L1等級的邊緣計算節點(diǎn)不具備同時(shí)運行多個(gè)應用的能力，也無(wú)法與其他節點(diǎn)協(xié)作共同完成任務(wù)。此外，由于任務(wù)單一，此類(lèi)設備通常無(wú)需實(shí)時(shí)操作系統的加持，例如傳感器、變頻器、小型控制器等，通常這一等級的邊緣計算節點(diǎn)可以對應ISA-95架構中的L0層設備。在儲存方面應該能夠保證小型系統與設備一定時(shí)間的數據緩存要求。

第二等級（L2）的邊緣計算節點(diǎn)則具備較強的計算與儲存能力，能夠同時(shí)運行多個(gè)L1節點(diǎn)任務(wù)，還能支撐大型工業(yè)控制系統的正常運作。在滿(mǎn)足ISA-95架構中L1控制層的實(shí)時(shí)性要求的基礎上，也應該整合L2監控層的需求。同時(shí)，多個(gè)L2級邊緣計算節點(diǎn)之間可以相互協(xié)作來(lái)完成分布式任務(wù)，例如離散制造中多個(gè)機器人冗余與協(xié)同、過(guò)程控制中多個(gè)工藝動(dòng)態(tài)優(yōu)化等。為支撐多個(gè)應用同時(shí)運行，L2級別的邊緣計算節點(diǎn)通常搭載有實(shí)時(shí)操作系統來(lái)保障任務(wù)的實(shí)時(shí)性與可靠性。多個(gè)異構L2邊緣計算節點(diǎn)設備，比如邊緣控制器、邊緣網(wǎng)關(guān)等組合起來(lái)能完成大型PLC或DCS系統的所有功能，同時(shí)也能兼顧SCADA/HMI系統的部分功能，  緩存較長(cháng)時(shí)間的過(guò)程運行數據，并且支持對數據進(jìn)行清洗與預處理工作。

第三等級（L3）的邊緣計算節點(diǎn)則具備極強的計算與儲存能力，可以通過(guò)多CPU多核來(lái)滿(mǎn)足強實(shí)時(shí)高并發(fā)的任務(wù)需求，也能保存全部的歷史數據，并且利用機器學(xué)習實(shí)現數據驅動(dòng)的在線(xiàn)優(yōu)化。此類(lèi)邊緣計算節點(diǎn)包括服務(wù)器或本地云，通常工廠(chǎng)對數據的安全性以及私密性要求極高，為保護工藝參數，本地云的部署概率更高。本地云通過(guò)容器等虛擬化技術(shù)以及自身強大的算力，可以根據實(shí)際應用需求來(lái)調配計算與儲存資源，也可以實(shí)現熱備份冗余、熱插拔、主動(dòng)防御策略等來(lái)保證不間斷的生產(chǎn)過(guò)程。同時(shí)，每個(gè)虛擬化環(huán)境能夠根據需求搭載不同的實(shí)時(shí)操作系統。原則上，L3級的邊緣計算節點(diǎn)能夠滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)所有的需求。

實(shí)現每個(gè)硬件終端都能作為計算節點(diǎn)，需要標準化、模塊化、易擴展的硬件平臺來(lái)支撐各個(gè)等級的邊緣計算節點(diǎn)要求。用戶(hù)可以根據實(shí)際系統規模與功能規格選擇合適的節點(diǎn)數量、CPU內核數量、I/O接口數量等，真正實(shí)現每個(gè)節點(diǎn)全都能作為計算資源支撐邊緣應用運行。

3   “全聯(lián)接”—透明化網(wǎng)絡(luò )傳輸

有了“全計算”的硬件支撐后，下一個(gè)需要解決的是通訊問(wèn)題?，F有工業(yè)現場(chǎng)通訊情況較為復雜，在ISA-95  L0與L1層之間存在著(zhù)“七國八制”的問(wèn)題，常用的工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)就有二十余種，例如PROFIBUS/PROFINET、Modbus/TCP、Ethernet/

IP、EtherCAT等。這些總線(xiàn)通?？梢苑譃閮深?lèi)：基于RS485和基于以太網(wǎng)。雖然基于以太網(wǎng)的工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)通常能提供更快的通訊速度與更大的網(wǎng)絡(luò )容量，但仍有大量的工業(yè)現場(chǎng)采用基于RS485的串行通訊方式來(lái)降低成本。即使是工業(yè)以太網(wǎng)總線(xiàn)，也分為基于IP和不使用IP兩種，因此要實(shí)現工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算落地，“全聯(lián)接”成為了一個(gè)必須要面對的挑戰。

無(wú)論是哪種工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)，目的都是為了保證控制器與現場(chǎng)設備模塊間的確定性通訊，即在規定時(shí)間內完成I/O數據的交互。這里的規定時(shí)間通常指的是PLC輪詢(xún)時(shí)間，   即最差執行時(shí)間（Worst Case Execution Time）。為保證控制器與I/O設備同步，工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)必須在每一輪詢(xún)周期內確保完成一次數據交互。而控制層、監控層與管理層之間，由于實(shí)時(shí)性要求相對較低，基本已經(jīng)實(shí)現了基于IP網(wǎng)絡(luò )的通訊方式。因此，OT與IT融合的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題即如何打通這兩大網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現從云到設備的一網(wǎng)到底。

近年來(lái)，各種新型網(wǎng)絡(luò )技術(shù)層出不窮[3]，  例如IEEE 802工作組正在積極制定與推動(dòng)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )（Time- Sensitive Networking，TSN）來(lái)取代現有工業(yè)現場(chǎng) 總線(xiàn)。TSN在數據鏈路層針對現有的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )特性與需求進(jìn)行了優(yōu)化，自2012年開(kāi)始，包括時(shí)間同步、調度與整形等一系列三十余個(gè)標準已經(jīng)發(fā)布或正在制定中。TSN可以保證時(shí)間敏感任務(wù)在以太網(wǎng)中的確定性傳輸。此外，由華為發(fā)布的確定性IP網(wǎng)絡(luò )同樣也獲得了高度關(guān)注，相對于TSN更多地針對數據鏈路層進(jìn)行修改，確定性IP網(wǎng)絡(luò )（Deterministic IP）則是基于網(wǎng)絡(luò )層，通過(guò)引入周期性轉發(fā)與調度機制，將數據包放入確定性的傳輸周期內，從而保證了網(wǎng)絡(luò )報文傳輸的時(shí)延上限。確定性IP網(wǎng)絡(luò )還通過(guò)資源預留與路徑規劃的方式，可以隨時(shí)創(chuàng )建確定性路徑，進(jìn)一步地保證了點(diǎn)對點(diǎn)的確定性傳輸。在儀表方面，APL/IP異軍突起，以最小的改造代價(jià)來(lái)實(shí)現傳感器網(wǎng)絡(luò )的IP化。此外，5G（5.5G）、Wi-Fi 6等無(wú)線(xiàn)技術(shù)，也通過(guò)冗余通道的方式來(lái)保證通訊時(shí)延的確定性，減小抖動(dòng)時(shí)間。但是由于工業(yè)現場(chǎng)的強干擾，容易造成丟包等錯誤，從而嚴重影響工業(yè)實(shí)時(shí)控制的可靠性，目前工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )多數都應用于實(shí)時(shí)性與可靠性要求相對較低的場(chǎng)景，想大規模部署還需要進(jìn)一步降低最差執行時(shí)間。先進(jìn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò )架構如圖3所示。

圖3 先進(jìn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò )架構[3]

工業(yè)控制系統在保證通訊的實(shí)時(shí)性與可靠性的前提下，盡可能地降低成本。對大多數工業(yè)場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，只要能滿(mǎn)足這些基本訴求，終端用戶(hù)并不會(huì )指定具體使用的通訊協(xié)議網(wǎng)絡(luò )。因此，要實(shí)現工業(yè)云平臺與邊緣計算節點(diǎn)的“全聯(lián)接”，支撐一網(wǎng)到底的透明化網(wǎng)絡(luò )是工業(yè)數字底座的根基。為實(shí)現OT與IT的深度融合，統一的IP網(wǎng)絡(luò )是較為可行的方案，根據現場(chǎng)的實(shí)際情況，每個(gè)工廠(chǎng)可以將TSN、DIP、APL/IP、工業(yè)5.5G、Wi-Fi 6、光通訊等技術(shù)自由搭配，組建最適合行業(yè)特性的一體化網(wǎng)絡(luò )解決方案。

4 “全解耦”—虛擬化應用軟件

在邊緣端，目前工業(yè)現場(chǎng)設備搭載的軟件基本上都是“專(zhuān)機專(zhuān)用”，硬件與軟件強耦合，當硬件性能與網(wǎng)絡(luò )發(fā)生改變時(shí)，軟件無(wú)法被直接應用移植。當邊緣計算節點(diǎn)具備了可支配計算與儲存能力，以及基于IP網(wǎng)絡(luò )實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)確定性通訊之后，軟件形態(tài)也需要改變來(lái)適應這些新的特性。

要實(shí)現軟件可復用、可移植、可重構等特性，需要實(shí)現軟硬件的徹底解耦，現有的工業(yè)邊緣計算應用開(kāi)發(fā)方式首先需要變革。在設計時(shí)，工程師可以使用一套設計語(yǔ)言與開(kāi)發(fā)環(huán)境來(lái)實(shí)現異構網(wǎng)絡(luò )平臺的工業(yè)邊緣計算應用開(kāi)發(fā)；在部署時(shí)，工程師可以實(shí)現系統一鍵下發(fā)并且能自由調整部署方案；在運行時(shí)，工業(yè)邊緣計算應用則可以根據實(shí)時(shí)需求變化來(lái)動(dòng)態(tài)調整自身功能參數。而支撐這些功能，則需要一套支持虛擬化的工業(yè)邊緣計算應用開(kāi)發(fā)與運行環(huán)境。

開(kāi)放自動(dòng)化系統及其標準IEC 61499正逢其時(shí)[4]。IEC 61499標準提出的分布式工業(yè)控制軟件系統級建模語(yǔ)言，以圖形化的功能塊網(wǎng)絡(luò )為基礎，通過(guò)系統、設備、資源、功能塊、應用、部署、管理等七大標準模型，實(shí)現了軟硬件解耦設計、一體化系統部署以及分布式運行協(xié)作等一系列OT與IT融合關(guān)鍵問(wèn)題。以此為基礎，通過(guò)將IEC 61499運行時(shí)系統與虛擬化技術(shù)結合，將C/C++、Python、IEC 61131-3等不同編程語(yǔ)言編寫(xiě)的代碼通過(guò)統一接口的功能塊封裝，將功能塊網(wǎng)絡(luò )作為輕量級容器打包下發(fā)到設備，在確保實(shí)時(shí)性與可靠性的基礎上，進(jìn)一步實(shí)現自發(fā)現、自診斷、自?xún)?yōu)化等智能化管理功能，形成“全解耦”的工業(yè)邊緣計算應用軟件。

5  工業(yè)數字底座應用前景

由開(kāi)放硬件計算平臺、點(diǎn)對點(diǎn)確定性通訊以及軟硬解耦虛擬應用組成的工業(yè)數字底座究竟能發(fā)揮多大的威力？首先，“全計算”使得一臺算力強大的邊緣節點(diǎn)設備可以替代多臺專(zhuān)用設備，軟件可以根據實(shí)際硬件資源配置隨意部署，從而大幅度降低了系統的建設成本；其次，“全聯(lián)接”的統一IP工業(yè)網(wǎng)絡(luò )除了能保證高實(shí)時(shí)要求的工業(yè)生產(chǎn)任務(wù)，還能實(shí)現從云到端一網(wǎng)到底，徹底打通信息橋梁；最后，“全解耦”的工業(yè)邊緣計算節點(diǎn)可以實(shí)時(shí)監控邊緣應用軟件的運行狀態(tài)，針對突發(fā)狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調配負載，從而保證了工業(yè)邊緣計算系統的可靠性。具備“全計算、全聯(lián)接、全解耦”的工業(yè)數字底座將為現有工業(yè)帶來(lái)革命性的進(jìn)步，在保證實(shí)時(shí)性與可靠性的同時(shí)，大幅度提升了系統的靈活性，降低了從設計到運維的全生命周期成本。

基于工業(yè)數字底座，2021年5月由華為、紫金山實(shí)驗室、上海交通大學(xué)與寶信軟件共同完成了全球首個(gè)廣域云化PLC實(shí)驗，如圖4所示，使用鯤鵬服務(wù)器、歐拉操作系統、確定性IP網(wǎng)絡(luò )以及海王星IEC 61499運行環(huán)境，在鋼鐵行業(yè)中，實(shí)現了在相距600公里間的兩個(gè)邊緣計算節點(diǎn)間控制周期穩定小于6ms。此次實(shí)驗的成功，標志著(zhù)技術(shù)上工業(yè)數字底座已經(jīng)能夠滿(mǎn)足工業(yè)的實(shí)際需求。未來(lái)，當標準化的解決方案部署到工廠(chǎng)內時(shí)，能對汽車(chē)制造、冶金鋼鐵、核電風(fēng)電等各行業(yè)產(chǎn)生顛覆性的影響。

圖4 廣域云化PLC試驗

6  結語(yǔ)

隨著(zhù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與邊緣計算的推進(jìn)，五花八門(mén)的現場(chǎng)設備與“七國八制”的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )嚴重阻礙了OT與IT的深度融合。將標準化硬件平臺、確定性IP網(wǎng)絡(luò )以及虛擬化應用軟件相結合，通過(guò)工業(yè)云平臺賦能工作數字底座，從而滿(mǎn)足離散制造與流程工業(yè)不同特性，真正打通工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)價(jià)值鏈。

作者簡(jiǎn)介：

戴文斌  （1984-），男，上海人，教授，現就職于上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程自動(dòng)化系，擔任IEEEP2805邊緣計算系列標準工作組主席。主要從事下一代分布式工業(yè)控制軟件、工業(yè)信息化、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算等方向的研究工作。

參考文獻：

[1] C. Johnsson. ISA 95-how and where can it be applied[J]. Technical Papers of ISA, 2004, 454 : 399 - 408.

[2] W. Dai, H. Nishi, V. Vyatkin, V. Huang, Y. Shi and X. Guan. Industrial Edge Computing: Enabling Embedded Intelligence[J]. IEEE Industrial Electronics Magazine, 2019, 13 (4) .

[3] 工業(yè)網(wǎng)絡(luò )聯(lián)接IP化技術(shù)與實(shí)踐白皮書(shū)[Z]. 2021.

[4] IEC 61499-2012, Function Blocks, International Standard, Second Edition[S].

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年2月刊