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邊緣計算越來越受到了來自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)其實現(xiàn)，以期獲得產(chǎn)業(yè)專家的批評指正。

1 圍繞制造的本質(zhì)解決問題

對于制造業(yè)企業(yè)而言，運營水平可以用盈利能力來評估，進(jìn)而分解為高成本效率地生產(chǎn)出合格產(chǎn)品，即，穩(wěn)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)的核心話題，而對于智能制造則在于解決“全局協(xié)同”過程中的材料、時間、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)化空間來自于“集成”與“協(xié)同”，另一個維度則在于個性化帶來的挑戰(zhàn)，為了解決協(xié)同的成本優(yōu)化以及個性化給生產(chǎn)帶來的成本效率難題，信息流匯集并進(jìn)行全局優(yōu)化是邊緣計算的核心問題。

圖1 回歸制造的本質(zhì)解決運營水平問題

圖1來自優(yōu)也大數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括了基礎(chǔ)的生產(chǎn)經(jīng)營改善，運營中的機器設(shè)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(xí)分析與決策能力，這個過程中會遇到基于數(shù)據(jù)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(chǔ)的控制外，包括數(shù)據(jù)的連接、匯集、存儲、呈現(xiàn)、學(xué)習(xí)等各種層級的問題，需要由邊緣計算來進(jìn)行完成，因此，邊緣計算并非是一個計算問題，而是圍繞任務(wù)而一系列的架構(gòu)與規(guī)范接口問題。

2 數(shù)據(jù)連接，打通IT與OT的關(guān)鍵

不得不說，在推進(jìn)邊緣計算中遇到的第一個障礙是“連接問題”，IT世界訪問OT世界并非想象那么容易，即使在總線技術(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)的難點的調(diào)研評估，雖然并非是新的結(jié)果，但就實而言，卻并未過時。

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

缺乏互操作標(biāo)準(zhǔn)是影響數(shù)據(jù)“流暢”訪問的關(guān)鍵，在單獨的機器上，各個現(xiàn)場總線或基于實時以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)都可以流暢訪問，但是，在機器與機器之間，需要“協(xié)同”的時候，數(shù)據(jù)卻被不同的總線割裂為孤島，而打破孤島似乎提了很多年，然而，在現(xiàn)實的工廠中仍然是無法達(dá)到的。

對于IT廠商而言訪問OT的設(shè)備遇到總線的障礙，因為你得為每個總線開發(fā)接口轉(zhuǎn)換硬件，并寫驅(qū)動，即使實時以太網(wǎng)在物理上保持了一致，但依然需要寫變量地址表的映射與讀取程序，而這一切使得IT與OT之間的訪問變得沒有“經(jīng)濟性”—這是非常關(guān)鍵的一點，技術(shù)能否被推動的關(guān)鍵正在于此，若缺乏經(jīng)濟性，那么無論是技術(shù)提供商還是用戶，都無法從中獲益，那么就無法推進(jìn)。

OPC UA和TSN被賦予了這一歷史責(zé)任，作為IEC62451標(biāo)準(zhǔn)，OPC UA被RAMI4.0、IIRA等制定為語義互操作層面的規(guī)范，它解決了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的各個主體之間可以通過相同的語義對話。

TSN則解決了在網(wǎng)絡(luò)中，OT周期性控制任務(wù)所需的實時數(shù)據(jù)傳輸機制，以及IT大容量非周期性數(shù)據(jù)的傳輸問題，通過VLAN交換機，在TSN網(wǎng)絡(luò)可以傳輸兩種不同的數(shù)據(jù)，而離開TSN網(wǎng)絡(luò)則可以通過標(biāo)準(zhǔn)的Internet方式傳輸數(shù)據(jù)，這帶來最大的好處在于IT可以對OT的透明訪問。

圖3反映了這一過程的發(fā)展。

圖3 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展過程

3 邊緣計算的垂直層級

圖4則是一個現(xiàn)場采集站（基于OPC UA TSN）的邊緣節(jié)點（Edge Node）到一個控制器（Embedded Edge Controller），它可以實現(xiàn)安全的數(shù)據(jù)記錄與匯總到邊緣計算服務(wù)器（Edge Computing），然后通過OPC UA/MQTT等到云端的垂直應(yīng)用過程。

除了物理可見的實現(xiàn)架構(gòu)，數(shù)據(jù)如何被應(yīng)用也是整個問題的關(guān)鍵，對于工廠而言，邊緣計算主要在于實現(xiàn)本地的一些應(yīng)用，可能包括的應(yīng)用如下：

（1）數(shù)據(jù)匯集與協(xié)同的應(yīng)用

對于最為典型的工廠應(yīng)用如OEE計算，需要將品質(zhì)、機器運行時間相關(guān)參數(shù)、稼動率等計算并實時顯示給工廠管理級，以便全局觀測狀態(tài)。

（2）規(guī)劃與分析問題

對于很多工廠應(yīng)用而言，需要考慮在線的規(guī)劃問題，如玻璃切割，如何在線檢測，劃分等級，并對其進(jìn)行按照CRM中的系統(tǒng)訂單進(jìn)行規(guī)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，而對于印刷工廠而言，如何把不同訂單實現(xiàn)重組，以獲得最小的材料浪費，這些都是邊緣側(cè)的應(yīng)用需要解決的問題。

圖4 邊緣計算的垂直架構(gòu)與技術(shù)應(yīng)用

（3）數(shù)據(jù)呈現(xiàn)問題

邊緣側(cè)同時采用了更為開放的技術(shù)來實現(xiàn)傳統(tǒng)工廠需要專用的SCADA、HMI等才能實現(xiàn)的數(shù)據(jù)透明訪問，而基于OPC UA架構(gòu)，新的Web-Based架構(gòu)可以支持更為豐富、多元的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，任意終端均可作為節(jié)點訪問數(shù)據(jù)。

4 規(guī)范與經(jīng)濟性是邊緣計算的關(guān)鍵

事實上，很多類似的計算任務(wù)、數(shù)據(jù)處理任務(wù)在過去都是存在的，那么邊緣計算的意義是什么呢？

（1）更為經(jīng)濟的運行：基于開放的技術(shù)，乃至開源的技術(shù)所構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng)來降低整個用戶的系統(tǒng)經(jīng)濟性，對于數(shù)據(jù)的連接、匯集、存儲、商業(yè)智能、智能應(yīng)用等，必須選擇經(jīng)濟的方法，傳統(tǒng)的專用系統(tǒng)，乃至MES、ERP都是非常龐大的系統(tǒng)，且需要高昂的咨詢、安裝測試、運營維護(hù)的成本，缺乏經(jīng)濟性的技術(shù)是難以持久的，而邊緣計算采用開放的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過分布式的計算組件（APP），可以降低用戶在應(yīng)用端軟件的成本，而基礎(chǔ)設(shè)施則采用通用的服務(wù)。

（2）提高企業(yè)應(yīng)對變化的能力：大型的系統(tǒng)、專業(yè)的應(yīng)用軟件對于中小企業(yè)非常不經(jīng)濟的同時，而且使得企業(yè)難以響應(yīng)市場的快速變化，當(dāng)技術(shù)發(fā)生了升級，大量的基礎(chǔ)設(shè)施投資、軟件、人員培訓(xùn)都會成為企業(yè)難以快速轉(zhuǎn)型升級的因素，而這些導(dǎo)致了企業(yè)對技術(shù)的響應(yīng)慢帶來效率的下降。

（3）規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)：邊緣計算更多的意義在于實現(xiàn)“協(xié)同”，而這個計算架構(gòu)并非是要對原有的系統(tǒng)的拆除，因為在自動化領(lǐng)域、垂直行業(yè)的優(yōu)化、策略等模型方面過去已經(jīng)累積了大量的知識、應(yīng)用，這些必須通過“標(biāo)準(zhǔn)”與規(guī)范“協(xié)同”進(jìn)而發(fā)揮更大的效應(yīng)，因此，邊緣計算在推進(jìn)時主要是“規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)”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(shù)據(jù)的規(guī)范，RAMI4.0是工業(yè)4.0組織對于計算側(cè)信息的模型的構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)，基于這個標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)才能被結(jié)構(gòu)化，進(jìn)而有效的應(yīng)用。

圖5 RAMI4.0管理殼

5 邊緣計算應(yīng)用場景分析

很多時候，人們似乎覺得邊緣計算是一個很復(fù)雜的問題，但，如果我們僅把這些問題理解為接口與規(guī)范，IT與OT的銜接就沒有那么復(fù)雜。

圖6以自動化廠商的控制器為接口點，支持OPC UA即可實現(xiàn)對OT數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)性訪問，OPC UA扮演的角色在于將數(shù)據(jù)按照規(guī)范的語義、結(jié)構(gòu)來存放，并支持TCP/UDP、Web Service、http（s）的連接與應(yīng)用服務(wù)。數(shù)據(jù)流被應(yīng)用于控制、計算、通過邊緣側(cè)與云建立存儲連接、以及云端的大時間周期積累以及分析處理的運算，而另一個方向就是信息回流至現(xiàn)場層的過程，OPC UA的Client/Server架構(gòu)以及Pub/Sub形式都可以支持?jǐn)?shù)據(jù)的雙向連接。

圖6 OT側(cè)與邊緣側(cè)、云端之間的連接關(guān)系

預(yù)測性維護(hù)顯然是一個典型的應(yīng)用場景（如圖7所示），自動化廠商在現(xiàn)場有著豐富的I/O采樣能力，這包括對機械系統(tǒng)中連軸器、軸承的振動、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，對振幅烈度、頻率等參數(shù)進(jìn)行信號預(yù)處理，如果沒有這些預(yù)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(shù)據(jù)并非是需要非常高的實時性需求的，那么就可以通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至云端，而對于需要實時處理的OEE計算等則直接到邊緣計算軟件棧。

圖7 典型的預(yù)測性維護(hù)架構(gòu)

邊緣計算軟件棧與OT的運行架構(gòu)接近，但是，所采用的是非OT專用架構(gòu)，由于IT的技術(shù)往往采用開放的商業(yè)軟件、開源代碼構(gòu)架，因此，其開放性連接性更強，邊緣運行時類似于PLC中的Runtime對通信、任務(wù)進(jìn)行調(diào)度處理，而協(xié)議分析器則對不同的數(shù)據(jù)通信進(jìn)行適配，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類匯總、計算、呈現(xiàn)等處理，邊緣計算架構(gòu)也包括針對這類架構(gòu)的編程開放環(huán)境。

總結(jié)而言，邊緣計算的實現(xiàn)在于通過對原有技術(shù)、應(yīng)用的創(chuàng)建規(guī)范性接口，連接信息流，打破信息孤島，在企業(yè)工廠側(cè)實現(xiàn)“協(xié)同”，整體服務(wù)于生產(chǎn)運營的成本效率，由于采用開放的技術(shù)，這使得用戶在基礎(chǔ)設(shè)施投資、軟件應(yīng)用配置方面更為經(jīng)濟，這是邊緣計算大勢所趨的原動力，即，任何技術(shù)必須服務(wù)于制造業(yè)的本質(zhì)，我們解決一切問題，構(gòu)建系統(tǒng)必須圍繞解決生產(chǎn)運營的實際問題，并且提供經(jīng)濟性才能快速發(fā)展。

作者簡介：

宋華振（1972-），男，工程師，現(xiàn)任貝加萊工業(yè)自動化（中國）有限公司市場部經(jīng)理，多年從事工業(yè)自動化系統(tǒng)的開發(fā)和實施工作，現(xiàn)主要從事市場營銷策劃和市場分析工作。

摘自《自動化博覽》2018年增刊《邊緣計算2018專輯》