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中國科學(xué)院沈陽自動化研究所 李棟

1　從智能制造的發(fā)展認識邊緣計算

一談到智能制造，我們就會提到三個集成，即在生產(chǎn)制造領(lǐng)域的縱向集成，在價值鏈領(lǐng)域的橫向集成，以及產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字化端到端集成。我們在這里主要關(guān)注生產(chǎn)制造領(lǐng)域的縱向集成，即如何使現(xiàn)在的生產(chǎn)制造系統(tǒng)適應(yīng)未來大規(guī)模的定制化生產(chǎn)的需求。

在生產(chǎn)制造領(lǐng)域，目前的傳統(tǒng)方式是采用分層的架構(gòu)，其核心思想是：把復(fù)雜的問題逐一分層，每個部分解決一部分問題，最后構(gòu)建一個整體的系統(tǒng)。傳統(tǒng)方式的特點是簡潔高效，但同時也會帶來信息孤島等很多其他的問題。現(xiàn)在有了更強大的通訊和計算的能力，有了云計算和人工智能，我們能夠通過更豐富的信息手段和計算能力來提升跨層次、跨領(lǐng)域的更深層次的優(yōu)化。

基于以上觀點，我們認為未來的工業(yè)控制系統(tǒng)將會是一個以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)分析為技術(shù)核心的開放平臺。在該領(lǐng)域的發(fā)展過程中，邊緣計算可以在工業(yè)控制系統(tǒng)中的IT與OT系統(tǒng)的融合方面得到充分的價值體現(xiàn)。

2　新一代自主可重構(gòu)工業(yè)控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

我們利用邊緣計算水平解耦的思想構(gòu)建了新一代自主可重構(gòu)的工業(yè)控制系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)，如圖1所示。主要分為四個部分：最下層是泛在化感知層，利用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)進行廣泛的數(shù)據(jù)采集；上一層是將IT與OT融合的全互聯(lián)的制造網(wǎng)絡(luò)；再向上，我們提出了一個叫做語義化信息集成層，意義在于將大量的信息和設(shè)備高效集成；下面三層的工作都是為了最終的制造應(yīng)用來服務(wù)的，因此最上層也就是服務(wù)化制造應(yīng)用層。

圖1 新一代自主可重構(gòu)的工業(yè)控制系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)

2.1　泛在化感知

泛在化感知層的主要作用是采集現(xiàn)場的信息并且進行控制。目前，工業(yè)應(yīng)用面臨的主要挑戰(zhàn)：抗干擾、高實時、低功耗。

2.1.1　泛在化感知的新技術(shù)方向

（1）WIA-PA

在這方面中國科學(xué)院沈陽自動化研究所（以下簡稱沈自所）在流程行業(yè)已經(jīng)做出了一定的成績，建立了流程工業(yè)低速、低功耗的工業(yè)無線的標準WIA-PA。在802.15.4物理層基礎(chǔ)上，實現(xiàn)自適應(yīng)跳頻、多跳高實時傳輸技術(shù)、高精度同步技術(shù)，使得數(shù)據(jù)傳輸可靠性達99%以上，網(wǎng)絡(luò)功耗在微安級。目前，WIA-PA已成為IEC國際標準。基于這項技術(shù)我們研制的相關(guān)產(chǎn)品在已經(jīng)石油石化、電力、冶金等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

（2）WIA-FA

在離散領(lǐng)域，面向離散加工行業(yè)，沈自所研制了傳感器、控制器、執(zhí)行器之間互聯(lián)通信的高速無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)WIA-FA。在802.11物理層基礎(chǔ)上，實現(xiàn)頻域輪詢、動態(tài)信道調(diào)度、聚合Ack技術(shù)，使得百點規(guī)模的數(shù)據(jù)傳輸時延低于10ms，可靠性達99.99%以上。目前，WIA-FA也已成為了IEC國際標準。

（3）NB-IoT

同時，我們也注意到像NB-IoT這樣的窄帶物聯(lián)網(wǎng) （Narrow Band - Internet of Things），具有低成本、低功耗、廣覆蓋等特點，定位于運營商級、基于授權(quán)頻譜的低速率物聯(lián)網(wǎng)市場。市場研究公司Machina預(yù)測，NB-IoT未來將覆蓋25%的物聯(lián)網(wǎng)連接。NB-IoT已經(jīng)于2016年6月成為3GPP正式標準。NB-IoT作為NB-CIoT和NB-LTE兩種標準的融合，平衡了各方利益，也將會成為泛在化感知層非常重要的技術(shù)力量。

2.2　全互聯(lián)制造網(wǎng)絡(luò)

在全互連制造網(wǎng)絡(luò)這一層，主要提供的是在IT與OT網(wǎng)絡(luò)融合的基礎(chǔ)之上形成的一個融合網(wǎng)絡(luò)。這個網(wǎng)絡(luò)將同時承載IT與OT的業(yè)務(wù)，它的主要特點就是能夠滿足各種不同實時性要求的流量的混合傳輸。

2.2.1　全互聯(lián)制造網(wǎng)絡(luò)的新技術(shù)方向

（1）IEEE802.1 Time-Sensitive Networking

IEEE802.1 Time-Sensitive Networking能夠基于以太網(wǎng)實現(xiàn)管理業(yè)務(wù)與控制業(yè)務(wù)的混流傳輸，能夠保障控制業(yè)務(wù)流的同步低時延通信；標準對802.11的MAC機制進行改進，借鑒PROFINET的全網(wǎng)調(diào)度方法，通過對傳輸任務(wù)截止期的精細化調(diào)度保障傳輸時延。同時，IEEE802.1 Time-Sensitive Networking提出了802.1Qbu幀優(yōu)先級和802.1Qbv傳輸調(diào)度兩個標準補充，已經(jīng)通過項目授權(quán)（PAR），正在技術(shù)研究階段。

（2）ISA100.15 Wireless Backhaul Network

ISA100.15無線回程網(wǎng)是基于遠距離寬帶無線技術(shù)實現(xiàn)現(xiàn)場傳感網(wǎng)與工廠骨干控制網(wǎng)的互聯(lián)，支撐現(xiàn)場感知數(shù)據(jù)回傳到控制中心的回程網(wǎng)架構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)中設(shè)計了回程網(wǎng)絡(luò)的標準接口和管理架構(gòu)，研發(fā)了多種無線網(wǎng)絡(luò)共享頻譜下的共存技術(shù)。2013年8月巴西油田Rio de Janeiro開展了面向油井遠程測量的回程網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場驗證，70余家企業(yè)參與其中。

（3）工業(yè)軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）技術(shù)

工業(yè)軟件定義網(wǎng)絡(luò)基于SDN技術(shù)支持工廠管理業(yè)務(wù)與控制業(yè)務(wù)的混流傳輸，支持一網(wǎng)到底。針對工廠管理業(yè)務(wù)和控制業(yè)務(wù)特征，我們設(shè)計了基于流交換的處理核心和基于SDN的協(xié)同調(diào)度機制，形成了混流傳輸模式下的確定性傳輸保障技術(shù)體系，并且已研制出工業(yè)SDN交換機原型。

2.3　語義化信息集成

網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)整體的支撐，下一步要考慮的是如何將原來分層的ERP、MES、DCS之間，以及設(shè)計、工程、生產(chǎn)、維護、服務(wù)等不同生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)高效地集成在一起？現(xiàn)在主流的一個發(fā)展方向是通過語義的方式進行高效融合。該方式主要面臨的挑戰(zhàn)是相關(guān)數(shù)據(jù)具有海量、多維、異構(gòu)、時空關(guān)聯(lián)的特性。

2.3.1　語義化信息集成的新技術(shù)方向

（1）FDI （Field Device Integration）

FDI指的是現(xiàn)場設(shè)備集成，通過建立一個跨協(xié)議的設(shè)備集成技術(shù)對EDDL和FDT/DTM技術(shù)的集成與整合，解決工廠范圍內(nèi)的智能設(shè)備，由于供應(yīng)商不同，信息描述格式不同導(dǎo)致的異構(gòu)問題，以及進而帶來的現(xiàn)場設(shè)備全局管理問題。目前得到了5大自動化基金會和主要供應(yīng)商的認可，正在進行起草標準征求意見稿工作，開發(fā)套件及相關(guān)工具正在積極研發(fā)中。

（2）eCl@ss

eCl@ss是劃分和描述產(chǎn)品與服務(wù)類別的國際標準，采用通用的數(shù)據(jù)模型把不同的系統(tǒng)結(jié)合在一起，提出了一套完整的產(chǎn)品描述與分類系統(tǒng)，其中包括精細的等級分類結(jié)構(gòu)、多語種針對產(chǎn)品和服務(wù)的等效定義及目錄，目前已形成IEC、ISO國際標準，定義了超過三萬個類型的產(chǎn)品與服務(wù)、超過五千個的產(chǎn)品屬性，具有覆蓋品類全面、精細的特點，eCl@ssOWL本體庫于2003年開始構(gòu)建，現(xiàn)可提供語義化支持。

（3）數(shù)字工廠語義化信息集成平臺

沈自所在這方面研發(fā)了一個數(shù)字工廠語義化信息集成平臺。這個平臺為工廠提供自底（現(xiàn)場設(shè)備）向上（綜合應(yīng)用）的統(tǒng)一信息語義化描述與集成服務(wù)。通過構(gòu)建工業(yè)信息統(tǒng)一語義模型，工廠多層次關(guān)聯(lián)關(guān)系本體庫，攻克工廠信息語義存儲與關(guān)聯(lián)檢索關(guān)鍵技術(shù)，完成數(shù)字工廠語義管理云平臺，進而縮短工廠各環(huán)節(jié)信息集成時間、降低集成復(fù)雜度，對柔性、智能制造提供支撐。目前已初步完成統(tǒng)一語義模型、多層次關(guān)聯(lián)本體庫以及信息語義化存儲與檢索關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，構(gòu)建出原型系統(tǒng)。

2.4　服務(wù)化制造應(yīng)用

2.4.1　服務(wù)化制造應(yīng)用

沈自所提出了以模塊化、服務(wù)化的模式，實現(xiàn)制造應(yīng)用的動態(tài)自組織，實現(xiàn)設(shè)備服務(wù)封裝、注冊、查詢、管理與組合技術(shù)。

2.4.2　服務(wù)化制造應(yīng)用的新技術(shù)方向

（1）OPC-UA

OPC-UA標準是基于Web Service框架實現(xiàn)自動化設(shè)備數(shù)據(jù)與操作的封裝，提供開放服務(wù)。以統(tǒng)一的Web Service描述，兼容了工業(yè)領(lǐng)域原有的數(shù)據(jù)存取、報警事件、安全約束、歷史訪問等多種數(shù)據(jù)交換標準，實現(xiàn)了跨平臺、跨應(yīng)用的不同廠商設(shè)備的互操作。OPC-UA標準受到了眾多工業(yè)設(shè)備制造商支持，西門子、Matrikon、Softing等多家廠商提出了軟件解決方案，并正在研發(fā)硬件連接網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品。

（2）智能工廠服務(wù)合成引擎

基于OPC-UA開放服務(wù)的功能，我們制作了一個針對工廠生產(chǎn)中的動態(tài)需求，能夠?qū)ψ詣踊O(shè)備Web服務(wù)進行基于場景的自適應(yīng)組合，從而形成動態(tài)工作流，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備服務(wù)建模，動態(tài)場景建模，以及綜合考慮設(shè)備占空比和效用優(yōu)先原則的設(shè)備選擇與服務(wù)組合機制。目前，我們已經(jīng)完成了該技術(shù)原型系統(tǒng)的開發(fā)。

3　工業(yè)4.0產(chǎn)線實驗床

為了實現(xiàn)工業(yè)4.0時代訂單客制化并支持單件生產(chǎn)，SIA與SAP聯(lián)合打造了一條示范產(chǎn)線，這是一個從企業(yè)IT系統(tǒng)到車間控制OT系統(tǒng)的垂直集成解決技術(shù)方案。示范產(chǎn)線以車型、顏色等配置供客戶自由選擇的定制化模型車的裝配過程為例，模擬了從消費者下單到制造商生產(chǎn)交付的全過程，展現(xiàn)工業(yè)4.0下的智能工廠的理念。

如圖2所示的傳統(tǒng)產(chǎn)線的生產(chǎn)模式是按照不同的管理域和業(yè)務(wù)域進行劃分，在這個過程中，如果想構(gòu)建一個生產(chǎn)線的系統(tǒng)，需要大量I/O的配置，進行各種邏輯的編輯。

圖2 傳統(tǒng)產(chǎn)線的生產(chǎn)模式

如果要在同一條生產(chǎn)線中生產(chǎn)不同型號的產(chǎn)品，所有生產(chǎn)需求都要經(jīng)過程序員實現(xiàn)，在進行配置設(shè)定切換的過程中，很多參數(shù)都需要重新進行配置，將會消耗大量時間。基于前文提到的四層架構(gòu)，我們構(gòu)建了一個新的生產(chǎn)模式。該模式支持根據(jù)用戶的需求，根據(jù)生產(chǎn)場景的變化，根據(jù)訂單的變化，生產(chǎn)線能夠自動靈活地調(diào)配資源，進而形成一套個性化的智能生產(chǎn)制造的系統(tǒng)。

基于新模式的生產(chǎn)線能夠?qū)崿F(xiàn)以下的場景：

（1）車型、顏色等選項自由組合的定制化模型車全自動單件生產(chǎn)；

（2）生產(chǎn)系統(tǒng)根據(jù)訂單變化動態(tài)調(diào)整結(jié)構(gòu)；

（3）基于預(yù)測性維護的生產(chǎn)系統(tǒng)動態(tài)調(diào)整和快速維修服務(wù)。

這個新的產(chǎn)線模式具備以下幾個方面的價值：一是實現(xiàn)大規(guī)模定制化生產(chǎn)；二是支持混線、柔性生產(chǎn)；第三點是能夠提高生產(chǎn)系統(tǒng)快速響應(yīng)能力，縮短系統(tǒng)重構(gòu)周期。

4　行業(yè)典型案例

4.1　智能油田全流程優(yōu)化管控系統(tǒng)

在石油化工領(lǐng)域，針對中石油全流程優(yōu)化、降低開采成本的重大需求，沈自所為中石油提供了針對石油化工領(lǐng)域的智能管控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)跨地質(zhì)、工程、生產(chǎn)、維修全流程優(yōu)化。該系統(tǒng)能夠完成以下幾個方面的具體工作：一是能夠完成油井生產(chǎn)狀態(tài)實時感知，智能診斷；二是實現(xiàn)了抽油機實時優(yōu)化控制；三是對于地質(zhì)、油藏、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等方面進行的綜合性優(yōu)化。該系統(tǒng)目前已在遼河、勝利、新疆、松遼油田推廣應(yīng)用，其效果非常顯著，一方面能夠及時準確地診斷出油井發(fā)生油桿斷脫故障,有效延長檢泵周期；另一方面，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)管理的智能化、自動化，減少人工投入達40%；此外，使得產(chǎn)液量計量準確率高達90%以上，抽油機有效節(jié)能高達30%以上。

4.2　石化生產(chǎn)過程參數(shù)在線監(jiān)測與優(yōu)化管控系統(tǒng)

針對石化工廠物料、能源計量與過程參數(shù)優(yōu)化需求，沈自所實現(xiàn)了通過設(shè)備能源安全的全面感知結(jié)合生產(chǎn)工藝參數(shù)，進行多維度優(yōu)化的整體優(yōu)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠及時判斷出石化現(xiàn)場一些設(shè)備的故障，同時可以提高計量精度，提高現(xiàn)場操作工的工作效率。該系統(tǒng)能夠提供以下三個方面的功能：一是設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷分析；二是能源在線實時計量與優(yōu)化調(diào)控分析；三是移動作業(yè)安全監(jiān)測與閉環(huán)管控。

目前該系統(tǒng)已在撫順石化、蘭州石化、安慶石化、齊魯石化、茂名石化、天津石化等大型石化廠進行推廣應(yīng)用，效果主要體現(xiàn)在：首先能夠及時準確診斷出機泵軸承故障，縮短停機檢修周期60%；其次是提供更加準確的計量，減少計量誤差達86%；另外支持移動終端作業(yè)，提升現(xiàn)場維護效率達30%。

4.3　離散行業(yè)柔性生產(chǎn)管控系統(tǒng)

離散制造的企業(yè)對于生產(chǎn)線的需求主要是三個方面： 一是減人：自動化率偏低，有較大的人力成本壓力，需要減少生產(chǎn)線上的工人數(shù)量；二是增效：批量定制模式下工藝調(diào)整頻繁，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下，產(chǎn)能不足；自動化產(chǎn)線普遍柔性程度不足，難以滿足快速工藝調(diào)整需求，需要支持柔性制造的生產(chǎn)線，實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)產(chǎn)；三是品控：檢測力度不足，產(chǎn)品質(zhì)量難以嚴格把控，良品率波動較大。普遍采用抽檢模式，質(zhì)量追溯能力有限，缺乏有效的全檢技術(shù)手段，需要細粒度的品質(zhì)控制手段，對產(chǎn)品質(zhì)量進行追溯。

目前自動化生產(chǎn)線普遍存在柔性不足的問題。雖然通過自動化生產(chǎn)線能夠?qū)崿F(xiàn)減人、增效和品控的目的，但柔性程度還是相對不足的，因此難以滿足快速工藝調(diào)整時對生產(chǎn)線快速轉(zhuǎn)產(chǎn)的需求。

所以，我們對傳統(tǒng)模塊化生產(chǎn)線的制造方式進行了升級，提出了針對工藝過程解耦的動態(tài)優(yōu)化過程工藝。該工藝的特點是生產(chǎn)工序松耦合，能夠進行產(chǎn)線級動態(tài)重構(gòu)，工序分解重排。

對此，我們設(shè)計了面向生產(chǎn)流程的動態(tài)服務(wù)編程技術(shù)以及支持在線命令執(zhí)行的服務(wù)適配器，分別可以解決基于Web服務(wù)的生產(chǎn)工藝與設(shè)備資源在線重構(gòu)問題和設(shè)備即插即用自動化配置與互操作命令動態(tài)執(zhí)行的問題。

該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)線的產(chǎn)能增加30%，人員減少65%的顯著效果；實現(xiàn)裝配過程分鐘級動態(tài)切單、轉(zhuǎn)產(chǎn)；產(chǎn)品質(zhì)量問題檢測時間達到秒級，工藝缺陷追溯時間達到分鐘級。

5　總結(jié)

在智能制造的背景下，隨著終端與連接規(guī)模的極速擴展，傳統(tǒng)集中式信息處理與管理的模式不再適用，將逐步演進為集中式管理與分布式自治相結(jié)合的模式。邊緣計算就是充分利用物端的嵌入式計算能力，以分布式信息處理的方式實現(xiàn)物端的智能和自治，并與云計算結(jié)合，通過云端的交互協(xié)作，實現(xiàn)系統(tǒng)整體的智能化。

邊緣計算在制造業(yè)的核心價值是OT與IT的融合，從技術(shù)方面主要關(guān)注以下三點：

（1）要構(gòu)建統(tǒng)一的技術(shù)架構(gòu)，推進水平解耦和平臺化，實現(xiàn)IT技術(shù)與OT技術(shù)的融合；

（2）高效地利用嵌入式計算資源實現(xiàn)智能化的決策控制；

（3）保障系統(tǒng)的安全性，包括物理安全和信息安全。

在產(chǎn)業(yè)鏈方面，邊緣計算是一個長尾產(chǎn)業(yè)：環(huán)節(jié)多，應(yīng)用體量小而分散，應(yīng)該注意構(gòu)建開放的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，形成合力，將新的蛋糕做大，在為客戶解決實際問題的過程中實現(xiàn)聯(lián)盟成員的商業(yè)價值。

（本文根據(jù)作者在邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立暨2016首屆邊緣計算產(chǎn)業(yè)峰會上所作報告整理）

摘自《自動化博覽》2017年1月刊