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摘要：邊緣計算是智能制造的基石，靈活的軟件體系是支撐邊緣智能計算的核心。邊緣計算同時也是傳統(tǒng)工業(yè)由自動化向信息化與智能化發(fā)展的重要手段。在邊緣計算的推動下，傳統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的軟件系統(tǒng)勢必發(fā)生翻天覆地的變化。本文通過對現(xiàn)有邊緣端工業(yè)軟件體系的剖析，分析邊緣計算給工業(yè)軟件設(shè)備層帶來的需求變革以及未來發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：服務(wù)化邊緣計算；建模語言；設(shè)計方法；動態(tài)重構(gòu)；工業(yè)軟件智能體；邊緣機器學習；數(shù)據(jù)采集監(jiān)控

1 引言

上世紀70年代，可編程邏輯控制器的誕生促使工業(yè)進入3.0時代，制造過程自動化程度得到大幅度的提升。過去十年中，隨著計算機與信息技術(shù)的高速發(fā)展，工業(yè)數(shù)字化得以迅速普及。工業(yè)軟件是企業(yè)生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動化與信息化的關(guān)鍵，涉及到設(shè)計、編程、工藝、控制、監(jiān)控、通訊、管理等所有環(huán)節(jié)。工業(yè)軟件往往需要根據(jù)過程控制、運動控制、離散制造等不同行業(yè)的工藝需求進行定制，以提升企業(yè)生產(chǎn)效率、優(yōu)化配置資源以及提升產(chǎn)品的質(zhì)量。

現(xiàn)有的工業(yè)軟件大體上可以分為嵌入式軟件與非嵌入式軟件兩類。嵌入式工業(yè)軟件主要是應(yīng)用在可編程邏輯控制器、傳感器、工業(yè)網(wǎng)關(guān)、機器人、AGV等工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備中，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的狀態(tài)采集、實時控制與通信，通常對實時性、安全性、可靠性有著極高的要求。而非嵌入式軟件則為包括產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計與業(yè)務(wù)的運行管理提供信息化手段，這類的工業(yè)軟件主要包括計算機輔助設(shè)計軟件CAD、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)PDM、產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)PLM、企業(yè)資源計劃系統(tǒng)ERP、客戶管理系統(tǒng)CRM、生產(chǎn)執(zhí)行管理系統(tǒng)MES、數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)SCADA、系統(tǒng)仿真軟件SIM等等。

現(xiàn)有的工業(yè)系統(tǒng)多數(shù)遵循ISA-95國際標準，如圖1所示，ISA-95為工業(yè)系統(tǒng)定義了類似于金字塔結(jié)構(gòu)的五層框架。金字塔五層框架的最底層是現(xiàn)場層，現(xiàn)場層通常包含各類傳感器、執(zhí)行器、變頻器、電機等現(xiàn)場設(shè)備。在設(shè)備層之上是現(xiàn)場控制層，工業(yè)自動化系統(tǒng)通常采用可編程邏輯控制器（PLC）或者分布式控制系統(tǒng)（DCS）作為控制大腦。PLC以及DCS通過工業(yè)現(xiàn)場總線與現(xiàn)場層的傳感器與執(zhí)行器連接形成傳感器數(shù)據(jù)->控制邏輯->執(zhí)行器指令的閉環(huán)結(jié)構(gòu)。PLC主要應(yīng)用于機器設(shè)備的實時控制、運動控制、過程控制等領(lǐng)域，而DCS則主要應(yīng)用在復雜過程控制中。IEC 61131-3國際標準定義了五種PLC 的編程語言，分別包括圖形化編程語言Ladder Diagram（LD），Sequential Function Chart（SFC）以及Function Block Diagram（FBD），以及文本型編程語言Structure Text（ST）和Instruction List（IL）。連接PLC與DCS的是監(jiān)控層，通常監(jiān)控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）會部署在每個工廠，允許用戶從PLC與DCS采集過程數(shù)據(jù)，提供歷史數(shù)據(jù)趨勢、實時與歷史警報、圖表報告、人機交互界面等功能，并且支持下載參數(shù)到PLC與DCS上。在監(jiān)控層之上的是管理層，生產(chǎn)執(zhí)行管理系統(tǒng)（MES）負責工廠制造數(shù)據(jù)管理、生產(chǎn)計劃排程、生產(chǎn)調(diào)度管理、倉庫管理、質(zhì)量管理等功能。金字塔的頂層是企業(yè)資源管理系統(tǒng)（ERP）系統(tǒng)，通過對企業(yè)全方位信息的匯總與優(yōu)化，提升企業(yè)管理效率，降低成本，有著較大的經(jīng)濟價值。

圖1 工業(yè)系統(tǒng)框架

根據(jù)ISA-95標準制定的金字塔結(jié)構(gòu)同樣存在許多弊端。首當其中的是不同層級間的信息傳遞十分困難。例如，當ERP系統(tǒng)需要讀取一個工廠內(nèi)傳感器的數(shù)據(jù)時，需要經(jīng)過一個復雜的數(shù)據(jù)交互過程，首先ERP系統(tǒng)向MES系統(tǒng)發(fā)送請求，MES轉(zhuǎn)而向現(xiàn)場SCADA系統(tǒng)請求數(shù)據(jù)，SCADA系統(tǒng)則需要從相應(yīng)的PLC或者DCS系統(tǒng)查詢變量，而PLC或者DCS系統(tǒng)則負責從傳感器獲取最新數(shù)據(jù)返回給SCADA系統(tǒng)，進而傳遞給MES系統(tǒng)，最后才能抵達ERP系統(tǒng)。試想一下在大型系統(tǒng)中當數(shù)千個參數(shù)以這種方式傳遞時，整個信息的傳遞過程不但耗時且效率非常低下，造成大量計算與通訊資源的浪費。

其次，固化的軟件結(jié)構(gòu)無法適應(yīng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代下大規(guī)模定制生產(chǎn)的需求。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的支撐下，客戶可以根據(jù)原料、工藝、功能等多方面的因素自定義產(chǎn)品需求。邊緣端需要根據(jù)不同的訂單要求動態(tài)地配置組合本地資源以完成生產(chǎn)任務(wù)，而現(xiàn)有的構(gòu)架需要對軟件進行長時間停機調(diào)試，造成停工時間大幅度增加。

除此之外，邊緣端設(shè)備與設(shè)備間缺乏有效協(xié)作手段，無法應(yīng)對不斷變化的生產(chǎn)狀態(tài)。ISA-95框架僅僅提供了縱向集成手段，而對橫向集成，尤其是設(shè)備間與系統(tǒng)間的協(xié)作并未涉及?，F(xiàn)實情況是每家廠商擁有自己的標準與技術(shù)手段，使得不同邊緣端平臺間協(xié)作十分困難， 缺乏統(tǒng)一的有效手段來解決兼容性問題。因此，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對邊緣計算軟件提出了全新的需求。

因此，邊緣端的軟件智能化就變得尤其重要。如果說邊緣計算是智能制造的基石，那靈活的軟件體系就是支撐邊緣智能計算的核心。邊緣計算同時也是傳統(tǒng)工業(yè)由自動化向信息化與智能化發(fā)展的重要手段。在邊緣計算的推動下，傳統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的軟件系統(tǒng)勢必發(fā)生翻天覆地的變化。

2 邊緣計算下的軟件構(gòu)架需求

軟件定義一切（Software-Defined Everything,SDX）的概念已經(jīng)深入企業(yè)，正如許多人所認同的，將來所有的工業(yè)企業(yè)都是軟件企業(yè)，也都是數(shù)據(jù)企業(yè)。軟件定義的核心特征是靈活性（Flexibility），靈活性可以體現(xiàn)為軟件的功能行為能夠根據(jù)需求進行動態(tài)調(diào)整而無需重新編程。軟件定義的邊緣計算賦予工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對未來無限可能性（Future-Proof）的拓展可能，為現(xiàn)有的工業(yè)轉(zhuǎn)型帶來活力。

圖2 邊緣計算下的軟件構(gòu)架需求

靈活的體系也對邊緣計算軟件提出了許多新的需求。首先，邊緣計算下的工業(yè)軟件必須具備動態(tài)重構(gòu)（Dynamic Reconfigurability）的特征。動態(tài)重構(gòu)能幫助系統(tǒng)針對需求變更做出實時自我調(diào)整生產(chǎn)過程。動態(tài)重構(gòu)的成熟度可以分為多個等級：低級的動態(tài)重構(gòu)可以根據(jù)需求變更調(diào)整工藝參數(shù)，受限于固化的生產(chǎn)過程，低級的動態(tài)重構(gòu)僅能滿足一部分簡單的定制要求，例如調(diào)整過程控制中各種參數(shù)；中級的動態(tài)重構(gòu)在調(diào)整工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)具備從預先設(shè)定的功能集合中動態(tài)組合更新生產(chǎn)過程從而滿足定制需求，比如在離散制造過程中選擇所需的工位，雖然通過選擇功能可以一定程度上實現(xiàn)產(chǎn)品定制，仍然缺乏學習新的生產(chǎn)工藝流程的能力，無法做到真正的“隨心所欲”；高級的動態(tài)重構(gòu)則不但能完全按照客戶需求對軟件動態(tài)組態(tài)，而且能創(chuàng)造新的功能與定義新的工藝流程。在無需人工干預的情況下，產(chǎn)線上的每個產(chǎn)品都能做到定制而不用人工干預調(diào)整軟件，才是真正的智能制造。

邊緣計算下的工業(yè)軟件必須實現(xiàn)可移植（Portability），具備從一個平臺向另一個平臺遷移的能力。工業(yè)軟件兼容性是多年來一直困擾著業(yè)界的難題，以工控軟件為例，雖然絕大數(shù)廠商聲稱支持IEC61131-3標準，但是這些廠商的軟件產(chǎn)品相互之間并不兼容，假設(shè)如果一家企業(yè)基于西門子Step7開發(fā)了大量的應(yīng)用庫，這些代碼很難被移植到羅克韋爾或者施耐德的平臺上。各家廠商一方面為了保護自己的知識產(chǎn)權(quán)與客戶資源設(shè)置壁壘，另一方面是對標準的理解并不相同使語言的解析各不相同，造成看起來完全一樣的代碼在不同的平臺上運行也可能產(chǎn)生多種結(jié)果，從而造成軟件執(zhí)行結(jié)果的不確定。

邊緣計算下的工業(yè)軟件必須能夠互聯(lián)互通相互操作（Interoperability）?，F(xiàn)有的工業(yè)系統(tǒng)通常使用工業(yè)現(xiàn)場總線來進行通訊，而每家廠商都有研發(fā)了專屬的總線協(xié)議與標準。目前，常用的工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議就有四十余種，如此多的總線協(xié)議造成設(shè)備間無法正常進行信息交互。即使設(shè)備與設(shè)備間使用相同的現(xiàn)場總線，也存在信息模型交互困難。OPC UA的出現(xiàn)為實現(xiàn)設(shè)備間的互操作提供了通用信息模型，且定義了訪問方式。在此基礎(chǔ)上，邊緣端仍需要進一步結(jié)合知識經(jīng)驗進行實時決策，從而實現(xiàn)真正的智能制造。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與邊緣計算的共同推動下，軟件定義的工業(yè)軟件須向新的體系構(gòu)架進化來滿足大規(guī)模定制的需求。

3 面向服務(wù)的邊緣計算軟件框架

服務(wù)化的軟件系統(tǒng)在計算機領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。相對面向?qū)ο螅∣bject-OrientedProgramming）等其他編程范式，面向服務(wù)的構(gòu)架（Service-Oriented Architecture，SOA）有著松散耦合的特性，極大提升了系統(tǒng)的靈活性。SOA主要分為三個部分：分別是服務(wù)提供方、服務(wù)需求方以及服務(wù)源（Service Repository）。服務(wù)提供方將自己所提供的服務(wù)內(nèi)容、訪問方式等內(nèi)容寫入服務(wù)合約（ServiceContract）中，并將服務(wù)合約發(fā)布到服務(wù)源。服務(wù)需求方當需要某項服務(wù)時，會先向服務(wù)源發(fā)送查詢請求，當服務(wù)源匹配到合適的服務(wù)提供方時，會將此服務(wù)合約發(fā)送給服務(wù)需求方。需求方根據(jù)服務(wù)合約內(nèi)的所約定的訪問方式動態(tài)創(chuàng)建與服務(wù)提供方的連接。SOA最大的特點就是遲綁定（Late Binding），即當需要請求軟件服務(wù)時，供需雙方才建立實時連接，當執(zhí)行完成時，綁定會立即解除。

面向服務(wù)構(gòu)架的松散耦合特性能滿足邊緣計算下軟件實時變更的需求，然而有些最基本的問題必須要解決，例如：

·服務(wù)提供方如何讓需求方了解所提供的服務(wù)；

·服務(wù)需求方如何發(fā)現(xiàn)他們所需要的服務(wù)；

·服務(wù)提供方如何授權(quán)給需求方服務(wù)的執(zhí)行權(quán)限；

·服務(wù)需求方如何通過服務(wù)編排來組合調(diào)用多個服務(wù)。

邊緣計算的軟件服務(wù)必須包含兩個部分：核心服務(wù)以及擴展服務(wù)。核心服務(wù)回答了以上問題：

·發(fā)現(xiàn)其他服務(wù)的能力；

·實現(xiàn)服務(wù)提供方與需求方之間松散耦合的數(shù)據(jù)交換；

·授權(quán)服務(wù)使用；

·自動編排服務(wù)功能。

而擴展服務(wù)完全取決于服務(wù)提供方，只需符合服務(wù)標準接口協(xié)議即可。在邊緣計算中，每個節(jié)點都可以作為服務(wù)的提供方，同時也是服務(wù)的需求方。每個節(jié)點根據(jù)自身硬件條件限制將不同服務(wù)分門別類，例如傳感器可以提供各種溫濕度、振動、到位等信息，控制器則可以根據(jù)各種傳感信息提供反饋控制信號，而執(zhí)行器（變頻器、電機等）則根據(jù)指令驅(qū)動硬件?？刂品?wù)則同時需要傳感服務(wù)提供的數(shù)據(jù)以及調(diào)用執(zhí)行服務(wù)來實現(xiàn)實時控制。在邊緣計算系統(tǒng)中，存在著多個基礎(chǔ)型服務(wù)提供節(jié)點間基本信息交互，同時也有組合型服務(wù)，即通過對基礎(chǔ)型服務(wù)的編排實現(xiàn)復雜功能，例如嵌入式機器學習服務(wù)可以根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)來對產(chǎn)品質(zhì)量進行實時分類。復雜的服務(wù)編排在非功能性需求中有著廣泛的應(yīng)用前景，例如系統(tǒng)安全、實時性或者可靠性需求等。邊緣計算軟件服務(wù)化的實現(xiàn)路徑有很多，例如COAP、XMPP或者OPC-UA協(xié)議都可以滿足服務(wù)化的需求。

圖3 面向服務(wù)的邊緣計算軟件框架

在復合型服務(wù)之上，更多的軟件服務(wù)通過編排共同完成工藝流程，我們稱為應(yīng)用（Application）。這幾年工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)App的概念隨處可見，工業(yè)App的本質(zhì)是工業(yè)軟件的服務(wù)化，與傳統(tǒng)手機App終端與云端互動的構(gòu)架所不同的是，工業(yè)App的形式不僅僅是簡單的一對一連接，也可以由多個不同設(shè)備與云端協(xié)作完成。而邊緣計算則是工業(yè)App的落腳點，僅靠云端的工業(yè)App是瘸了腿的兔子，無法對生產(chǎn)系統(tǒng)做出實時優(yōu)化，同樣也無法產(chǎn)生更大的經(jīng)濟價值。因此邊緣計算應(yīng)用可以小到一個工位的控制與人機界面操作，也可以大到整條產(chǎn)線的控制系統(tǒng)。邊緣計算應(yīng)用之間通過協(xié)作也可以形成更大的子系統(tǒng)（System of Systems），使用統(tǒng)一構(gòu)架的邊緣計算子系統(tǒng)相對現(xiàn)有的ISA-95構(gòu)架擁有更強的延展性、靈活性與較強的兼容性。

4 邊緣計算通用建模語言

實現(xiàn)服務(wù)化邊緣計算系統(tǒng)的一大障礙是多種編程語言的共存。現(xiàn)有工業(yè)系統(tǒng)內(nèi)各種嵌入式軟件五花八門，例如C/C++語言、IEC 61131-3所包含的五種PLC編程語言，各種.Net/HTML5/JavaScript等人機界面編程語言，甚至于使用python作為嵌入式機器學習等等。除此之外，設(shè)備與設(shè)備之間的信息通訊也不暢，單控制器與傳感器之間所使用的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)總線就有二十余種。最后，可視化的模型同樣也是必不可少的?？梢暬ＵZ言能夠提供給用戶直觀的系統(tǒng)設(shè)計，特別是對高復雜性的系統(tǒng)，抽象化模型可以提升系統(tǒng)設(shè)計的效率。因此，目前邊緣計算缺乏能夠涵蓋感知、控制、通訊、監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理等多種用途的通用可視化建模語言。

如上一章節(jié)所敘述的，邊緣計算服務(wù)框架能夠賦予邊緣計算系統(tǒng)可移植、可重構(gòu)與互操作等特性。結(jié)合邊緣計算編程語言的實際情況，模塊化的設(shè)計（Component-Based Design）是實現(xiàn)服務(wù)化框架的最佳選擇。模塊化設(shè)計的基本元素是功能塊（Function Block）本體與通用軟件接口（Interface）。使用基于IEC 61499功能塊標準封裝IEC 61131-3 ST、LD、C/C++、HTML5/JS等編程語言，并且將功能塊的輸入與輸出接口分別映射成為軟件服務(wù)的輸入?yún)?shù)與返回參數(shù)，是實現(xiàn)邊緣計算軟件服務(wù)化的有效手段。

圖4 邊緣計算通用建模語言

IEC 61499作為可執(zhí)行的建模語言提供了標準的功能塊接口定義、分等級的功能塊網(wǎng)絡(luò)、部署模型以及管理協(xié)議為模塊化抽象系統(tǒng)設(shè)計提供了強有力的支持?；A(chǔ)型服務(wù)可以使用IEC 61499基礎(chǔ)功能塊表述，每個基礎(chǔ)功能塊可以定義多個邏輯（Algorithm），IEC 61499標準并未指定編程語言，因此每個邏輯可以使用不同的編程語言編寫。在此基礎(chǔ)上，每個邏輯可以單獨作為一個服務(wù)入口羅列到服務(wù)合約中，當此軟件服務(wù)被調(diào)用時，服務(wù)需求方將更新輸入變量，而服務(wù)提供方則將執(zhí)行相應(yīng)的邏輯代碼并且返回結(jié)果（輸出變量）。IEC 61499標準同時也提供了復合功能塊類型，每個復合功能塊則內(nèi)含功能塊網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)化分層級的服務(wù)編排有了用武之地。IEC 61499標準的部署模型允許在同一個系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置多個并行的應(yīng)用，并且多個應(yīng)用可以分別運行在不同的設(shè)備上，而每個應(yīng)用中的功能塊網(wǎng)絡(luò)也可以分別部署到不同的設(shè)備上。此部署模型將復雜的設(shè)備間數(shù)據(jù)交互與部署工作抽象化，并且可以通過管理協(xié)議動態(tài)部署且直接執(zhí)行，減少了人工配置造成的錯誤，大幅度提升了系統(tǒng)開發(fā)的效率。

5 邊緣計算數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能管控

得益于芯片技術(shù)的發(fā)展，邊緣節(jié)點的計算與儲存能力得到大大增強，在滿足實時控制的同時，剩余的算力與儲存能力還沒得到充分挖掘。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的推廣，數(shù)據(jù)采集與分析的需求成爆炸式增長。毫秒級的傳感器數(shù)據(jù)采集頻率能夠產(chǎn)生大量的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，若將數(shù)據(jù)完全搬到云端會造成極大的計算與儲存壓力，造成企業(yè)云計算成本直線上升。在邊緣計算對數(shù)據(jù)進行驗證、清洗、過濾、緩存能夠大幅度緩解云端的壓力。此外，高實時性的警報、機器學習模型判斷、甚至于機器學習模型訓練等任務(wù)可以通過云端分發(fā)到邊緣端，在數(shù)據(jù)源頭直接進行判斷，基于工業(yè)多軟件智能體、知識推理等以往需要大量計算與儲存資源的技術(shù)滿足高實時性系統(tǒng)決策的需求，在邊緣計算系統(tǒng)中也有大量發(fā)揮的余地。邊緣-云協(xié)作模式下，能突破以往系統(tǒng)的邊界，激發(fā)更多新的業(yè)務(wù)模式創(chuàng)新與工藝水平提升。

6 結(jié)語

相對于云計算的低實時性與高性能計算的特點，邊緣計算善于處理高實時性小數(shù)據(jù)。結(jié)合邊緣計算與云計算的特點，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)采取云計算與邊緣計算相輔相成的閉環(huán)策略。相對于云計算的成熟體系，邊緣計算建立完整的語言、工具與標準體系刻不容緩也勢在必行。

作者簡介：

戴文斌，上海交通大學電子信息與電氣工程學院自動化系副教授，教育部系統(tǒng)控制與信息處理重點實驗室成員。分別于2007年與2012年在新西蘭奧克蘭大學獲得榮譽學士與博士學位。近年來主要從事基于分布式工業(yè)自動化系統(tǒng)軟件架構(gòu)體系設(shè)計與應(yīng)用、工業(yè)信息物理系統(tǒng)信息化與知識自動化、醫(yī)療物理信息融合系統(tǒng)與知識推理等方向的研究工作。以第一作者身份在IEEE Transactions和國際重要學術(shù)會議上發(fā)表SCI/EI論文40余篇，合作出版英文專著1部。作為子課題負責人，參與完成了歐盟最大物聯(lián)網(wǎng)與自動化項目Arrowhead；參與個性化硬組織精準醫(yī)療器械的智能設(shè)計及增材制造體系構(gòu)建、智能電網(wǎng)運行及交易理論、工業(yè)控制系統(tǒng)自動軟件構(gòu)造等科技部國家重點研發(fā)計劃；獲得2013和2014 IEEE IES年會最佳報告獎。目前，為IEEE高級會員， IEC SC65B WG15標準以及IEEEP2660.1標準制定工作小組成員， 擔任IEEE IES工業(yè)智能體、工業(yè)信息學技術(shù)委員會成員，IEEE-IES上海分會秘書，IEEE SMC智能工業(yè)系統(tǒng)技術(shù)委員會成員。

摘自《自動化博覽》2018年增刊《邊緣計算2018專輯》