邊緣計算越來(lái)越受到了來(lái)自IT和OT領(lǐng)域的企業(yè)的關(guān)注，本文旨在從制造本質(zhì)—從源頭分析如何去推進(jìn)其實(shí)現，以期獲得產(chǎn)業(yè)專(zhuān)家的批評指正。

1 圍繞制造的本質(zhì)解決問(wèn)題

對于制造業(yè)企業(yè)而言，運營(yíng)水平可以用盈利能力來(lái)評估，進(jìn)而分解為高成本效率地生產(chǎn)出合格產(chǎn)品，即，穩定的產(chǎn)品品質(zhì)以及成本的不斷下降，快速的交付能力。質(zhì)量、成本與交付是制造業(yè)的核心話(huà)題，而對于智能制造則在于解決“全局協(xié)同”過(guò)程中的材料、時(shí)間、能耗等的優(yōu)化，進(jìn)而進(jìn)一步提升成本效率空間。

就產(chǎn)品的加工品質(zhì)、速度而言，在成本約束條件下已經(jīng)發(fā)揮到極致，因此，新的優(yōu)化空間來(lái)自于“集成”與“協(xié)同”，另一個(gè)維度則在于個(gè)性化帶來(lái)的挑戰，為了解決協(xié)同的成本優(yōu)化以及個(gè)性化給生產(chǎn)帶來(lái)的成本效率難題，信息流匯集并進(jìn)行全局優(yōu)化是邊緣計算的核心問(wèn)題。

圖1 回歸制造的本質(zhì)解決運營(yíng)水平問(wèn)題

圖1來(lái)自?xún)?yōu)也大數據，數據包括了基礎的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)改善，運營(yíng)中的機器設備的健康管理、然后到全局尋優(yōu)，再到最終的自主化，具有學(xué)習分析與決策能力，這個(gè)過(guò)程中會(huì )遇到基于數據的各種任務(wù)。這些任務(wù)就是邊緣計算所聚焦的，除了基礎的控制外，包括數據的連接、匯集、存儲、呈現、學(xué)習等各種層級的問(wèn)題，需要由邊緣計算來(lái)進(jìn)行完成，因此，邊緣計算并非是一個(gè)計算問(wèn)題，而是圍繞任務(wù)而一系列的架構與規范接口問(wèn)題。

2 數據連接，打通IT與OT的關(guān)鍵

不得不說(shuō)，在推進(jìn)邊緣計算中遇到的第一個(gè)障礙是“連接問(wèn)題”，IT世界訪(fǎng)問(wèn)OT世界并非想象那么容易，即使在總線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的30年后，圖2是世界經(jīng)濟論壇2014年對北美、歐洲、總體關(guān)于IoT推進(jìn)的難點(diǎn)的調研評估，雖然并非是新的結果，但就實(shí)而言，卻并未過(guò)時(shí)。

圖2 世界經(jīng)濟論壇2014年就IoT發(fā)展的難點(diǎn)調研評估

缺乏互操作標準是影響數據“流暢”訪(fǎng)問(wèn)的關(guān)鍵，在單獨的機器上，各個(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)或基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的數據都可以流暢訪(fǎng)問(wèn)，但是，在機器與機器之間，需要“協(xié)同”的時(shí)候，數據卻被不同的總線(xiàn)割裂為孤島，而打破孤島似乎提了很多年，然而，在現實(shí)的工廠(chǎng)中仍然是無(wú)法達到的。

對于IT廠(chǎng)商而言訪(fǎng)問(wèn)OT的設備遇到總線(xiàn)的障礙，因為你得為每個(gè)總線(xiàn)開(kāi)發(fā)接口轉換硬件，并寫(xiě)驅動(dòng)，即使實(shí)時(shí)以太網(wǎng)在物理上保持了一致，但依然需要寫(xiě)變量地址表的映射與讀取程序，而這一切使得IT與OT之間的訪(fǎng)問(wèn)變得沒(méi)有“經(jīng)濟性”—這是非常關(guān)鍵的一點(diǎn)，技術(shù)能否被推動(dòng)的關(guān)鍵正在于此，若缺乏經(jīng)濟性，那么無(wú)論是技術(shù)提供商還是用戶(hù)，都無(wú)法從中獲益，那么就無(wú)法推進(jìn)。

OPC UA和TSN被賦予了這一歷史責任，作為IEC62451標準，OPC UA被RAMI4.0、IIRA等制定為語(yǔ)義互操作層面的規范，它解決了異構網(wǎng)絡(luò )中的各個(gè)主體之間可以通過(guò)相同的語(yǔ)義對話(huà)。

TSN則解決了在網(wǎng)絡(luò )中，OT周期性控制任務(wù)所需的實(shí)時(shí)數據傳輸機制，以及IT大容量非周期性數據的傳輸問(wèn)題，通過(guò)VLAN交換機，在TSN網(wǎng)絡(luò )可以傳輸兩種不同的數據，而離開(kāi)TSN網(wǎng)絡(luò )則可以通過(guò)標準的Internet方式傳輸數據，這帶來(lái)最大的好處在于IT可以對OT的透明訪(fǎng)問(wèn)。

圖3反映了這一過(guò)程的發(fā)展。

圖3 工業(yè)網(wǎng)絡(luò )標準發(fā)展過(guò)程

3 邊緣計算的垂直層級

圖4則是一個(gè)現場(chǎng)采集站（基于OPC UA TSN）的邊緣節點(diǎn)（Edge Node）到一個(gè)控制器（Embedded Edge Controller），它可以實(shí)現安全的數據記錄與匯總到邊緣計算服務(wù)器（Edge Computing），然后通過(guò)OPC UA/MQTT等到云端的垂直應用過(guò)程。

除了物理可見(jiàn)的實(shí)現架構，數據如何被應用也是整個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵，對于工廠(chǎng)而言，邊緣計算主要在于實(shí)現本地的一些應用，可能包括的應用如下：

（1）數據匯集與協(xié)同的應用

對于最為典型的工廠(chǎng)應用如OEE計算，需要將品質(zhì)、機器運行時(shí)間相關(guān)參數、稼動(dòng)率等計算并實(shí)時(shí)顯示給工廠(chǎng)管理級，以便全局觀(guān)測狀態(tài)。

（2）規劃與分析問(wèn)題

對于很多工廠(chǎng)應用而言，需要考慮在線(xiàn)的規劃問(wèn)題，如玻璃切割，如何在線(xiàn)檢測，劃分等級，并對其進(jìn)行按照CRM中的系統訂單進(jìn)行規劃，以便把不同等級的玻璃按照需要進(jìn)行切割處理，并分流到不同的包裝線(xiàn)，而對于印刷工廠(chǎng)而言，如何把不同訂單實(shí)現重組，以獲得最小的材料浪費，這些都是邊緣側的應用需要解決的問(wèn)題。

圖4 邊緣計算的垂直架構與技術(shù)應用

（3）數據呈現問(wèn)題

邊緣側同時(shí)采用了更為開(kāi)放的技術(shù)來(lái)實(shí)現傳統工廠(chǎng)需要專(zhuān)用的SCADA、HMI等才能實(shí)現的數據透明訪(fǎng)問(wèn)，而基于OPC UA架構，新的Web-Based架構可以支持更為豐富、多元的數據呈現，任意終端均可作為節點(diǎn)訪(fǎng)問(wèn)數據。

4 規范與經(jīng)濟性是邊緣計算的關(guān)鍵

事實(shí)上，很多類(lèi)似的計算任務(wù)、數據處理任務(wù)在過(guò)去都是存在的，那么邊緣計算的意義是什么呢？

（1）更為經(jīng)濟的運行：基于開(kāi)放的技術(shù)，乃至開(kāi)源的技術(shù)所構建的生態(tài)系統來(lái)降低整個(gè)用戶(hù)的系統經(jīng)濟性，對于數據的連接、匯集、存儲、商業(yè)智能、智能應用等，必須選擇經(jīng)濟的方法，傳統的專(zhuān)用系統，乃至MES、ERP都是非常龐大的系統，且需要高昂的咨詢(xún)、安裝測試、運營(yíng)維護的成本，缺乏經(jīng)濟性的技術(shù)是難以持久的，而邊緣計算采用開(kāi)放的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)分布式的計算組件（APP），可以降低用戶(hù)在應用端軟件的成本，而基礎設施則采用通用的服務(wù)。

（2）提高企業(yè)應對變化的能力：大型的系統、專(zhuān)業(yè)的應用軟件對于中小企業(yè)非常不經(jīng)濟的同時(shí)，而且使得企業(yè)難以響應市場(chǎng)的快速變化，當技術(shù)發(fā)生了升級，大量的基礎設施投資、軟件、人員培訓都會(huì )成為企業(yè)難以快速轉型升級的因素，而這些導致了企業(yè)對技術(shù)的響應慢帶來(lái)效率的下降。

（3）規范與標準：邊緣計算更多的意義在于實(shí)現“協(xié)同”，而這個(gè)計算架構并非是要對原有的系統的拆除，因為在自動(dòng)化領(lǐng)域、垂直行業(yè)的優(yōu)化、策略等模型方面過(guò)去已經(jīng)累積了大量的知識、應用，這些必須通過(guò)“標準”與規范“協(xié)同”進(jìn)而發(fā)揮更大的效應，因此，邊緣計算在推進(jìn)時(shí)主要是“規范與標準”的推進(jìn)，使得原有大量的資源被有效的連接，與新的技術(shù)（云計算、人工智能）相融合。

就如同圖5所示，邊緣計算需要數據的規范，RAMI4.0是工業(yè)4.0組織對于計算側信息的模型的構建標準，基于這個(gè)標準，數據才能被結構化，進(jìn)而有效的應用。

圖5 RAMI4.0管理殼

5 邊緣計算應用場(chǎng)景分析

很多時(shí)候，人們似乎覺(jué)得邊緣計算是一個(gè)很復雜的問(wèn)題，但，如果我們僅把這些問(wèn)題理解為接口與規范，IT與OT的銜接就沒(méi)有那么復雜。

圖6以自動(dòng)化廠(chǎng)商的控制器為接口點(diǎn)，支持OPC UA即可實(shí)現對OT數據的結構性訪(fǎng)問(wèn)，OPC UA扮演的角色在于將數據按照規范的語(yǔ)義、結構來(lái)存放，并支持TCP/UDP、Web Service、http（s）的連接與應用服務(wù)。數據流被應用于控制、計算、通過(guò)邊緣側與云建立存儲連接、以及云端的大時(shí)間周期積累以及分析處理的運算，而另一個(gè)方向就是信息回流至現場(chǎng)層的過(guò)程，OPC UA的Client/Server架構以及Pub/Sub形式都可以支持數據的雙向連接。

圖6 OT側與邊緣側、云端之間的連接關(guān)系

預測性維護顯然是一個(gè)典型的應用場(chǎng)景（如圖7所示），自動(dòng)化廠(chǎng)商在現場(chǎng)有著(zhù)豐富的I/O采樣能力，這包括對機械系統中連軸器、軸承的振動(dòng)、溫度、電流等與故障相關(guān)的信號，而這些信號需要做一些濾波、快速傅里葉變換獲得包絡(luò )線(xiàn)，對振幅烈度、頻率等參數進(jìn)行信號預處理，如果沒(méi)有這些預處理，用于本地分析報警，這種嵌入式的邊緣控制器（Embedded EdgeController）是包含了控制任務(wù)的。相對而言，這些數據并非是需要非常高的實(shí)時(shí)性需求的，那么就可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送至云端，而對于需要實(shí)時(shí)處理的OEE計算等則直接到邊緣計算軟件棧。

圖7 典型的預測性維護架構

邊緣計算軟件棧與OT的運行架構接近，但是，所采用的是非OT專(zhuān)用架構，由于IT的技術(shù)往往采用開(kāi)放的商業(yè)軟件、開(kāi)源代碼構架，因此，其開(kāi)放性連接性更強，邊緣運行時(shí)類(lèi)似于PLC中的Runtime對通信、任務(wù)進(jìn)行調度處理，而協(xié)議分析器則對不同的數據通信進(jìn)行適配，并對數據進(jìn)行分類(lèi)匯總、計算、呈現等處理，邊緣計算架構也包括針對這類(lèi)架構的編程開(kāi)放環(huán)境。

總結而言，邊緣計算的實(shí)現在于通過(guò)對原有技術(shù)、應用的創(chuàng )建規范性接口，連接信息流，打破信息孤島，在企業(yè)工廠(chǎng)側實(shí)現“協(xié)同”，整體服務(wù)于生產(chǎn)運營(yíng)的成本效率，由于采用開(kāi)放的技術(shù)，這使得用戶(hù)在基礎設施投資、軟件應用配置方面更為經(jīng)濟，這是邊緣計算大勢所趨的原動(dòng)力，即，任何技術(shù)必須服務(wù)于制造業(yè)的本質(zhì)，我們解決一切問(wèn)題，構建系統必須圍繞解決生產(chǎn)運營(yíng)的實(shí)際問(wèn)題，并且提供經(jīng)濟性才能快速發(fā)展。

作者簡(jiǎn)介：

宋華振（1972-），男，工程師，現任貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（中國）有限公司市場(chǎng)部經(jīng)理，多年從事工業(yè)自動(dòng)化系統的開(kāi)發(fā)和實(shí)施工作，現主要從事市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)策劃和市場(chǎng)分析工作。

摘自《自動(dòng)化博覽》2018年增刊《邊緣計算2018專(zhuān)輯》