宋純賀 曾鵬 于海斌

摘要：介紹了邊緣計(jì)算的基本概念以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造邊緣計(jì)算的發(fā)展現(xiàn)狀。通過(guò)分析工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造、邊緣計(jì)算之間的關(guān)系，以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造邊緣計(jì)算行業(yè)典型案例，總結(jié)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造邊緣計(jì)算的核心問(wèn)題，并提出了其面對(duì)的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng);智能制造;邊緣計(jì)算;確定性;可編程性

Abstract： In this paper， the basic concept of edge computing and the development status of edge computing in industrial internet intelligent manufacturing are introduced. By analyzing the relationship among industrial internet， intelligent manufacturing and edge computing， and typical cases of industrial internet intelligent manufacturing edge computing industry， the core problems and the challenges of industrial internet intelligent manufacturing edge computing are summarized and put forward.

Key words： industrial internet; intelligent manufacturing; edge computing; certainty; programmability

1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造邊緣計(jì)算概述

1.1 邊緣計(jì)算及其發(fā)展

目前科技處于史無(wú)前例的高速發(fā)展時(shí)代，新的技術(shù)層出不窮。近年來(lái)，國(guó)際著名咨詢公司高德納（Gartner）每年都會(huì)發(fā)布本年度的新興技術(shù)周期曲線，和下一年度十大戰(zhàn)略技術(shù)趨勢(shì) [1]，對(duì)新興技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。邊緣計(jì)算以及邊緣智能，與人工智能、深度學(xué)習(xí)、區(qū)塊鏈技術(shù)這些炙手可熱的科技名稱并列，連續(xù)出現(xiàn)在Gartner公司的咨詢報(bào)告上。邊緣計(jì)算已經(jīng)受到學(xué)術(shù)界、工業(yè)界以及政府部門極大關(guān)注，目前學(xué)術(shù)界發(fā)表了很多邊緣計(jì)算綜述，工業(yè)界成立了邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟等多個(gè)邊緣計(jì)算聯(lián)盟組織，政府部門也發(fā)布了一系列邊緣計(jì)算重大研究計(jì)劃，人工智能標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)也將邊緣計(jì)算列為人工智能的重要組成部分[2]。文章中，我們主要關(guān)注的是中國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造邊緣計(jì)算的一些現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)，更大范圍的邊緣計(jì)算的相關(guān)情況請(qǐng)見(jiàn)施巍松教授的研究綜述[3-5]。

邊緣計(jì)算的發(fā)展與云計(jì)算、大數(shù)據(jù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)，其核心是如何保障網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)應(yīng)用的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。不同領(lǐng)域應(yīng)用實(shí)時(shí)性挑戰(zhàn)的來(lái)源不同，因此各個(gè)領(lǐng)域研究邊緣計(jì)算的側(cè)重點(diǎn)并不相同，例如人工智能標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)將可穿戴式計(jì)算列為邊緣計(jì)算的一個(gè)核心場(chǎng)景。

2016美國(guó)韋恩州立大學(xué)施巍松教授給出了邊緣計(jì)算的一般性的定義：“邊緣計(jì)算是指在網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行計(jì)算的一種新型計(jì)算模型，邊緣計(jì)算操作的對(duì)象包括來(lái)自于云服務(wù)的下行數(shù)據(jù)和來(lái)自于萬(wàn)物互聯(lián)服務(wù)的上行數(shù)據(jù)，而邊緣計(jì)算的邊緣是指從數(shù)據(jù)源到云計(jì)算中心路徑之間的任意計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)資源”[5]。

雖然近年來(lái)受到了廣泛的重視，但邊緣計(jì)算并非一個(gè)新的概念。如圖1所示，2003年IBM已經(jīng)開始在WebSphere上提供基于Edge的服務(wù)，2004年新加坡信息通信研究所發(fā)表關(guān)于邊緣計(jì)算的學(xué)術(shù)論文。近年來(lái)，隨著5G和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展、智能終端設(shè)備不斷普及，網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)數(shù)據(jù)的爆發(fā)式增長(zhǎng)推動(dòng)了邊緣計(jì)算的發(fā)展。2014年歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（ETSI）成立移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）標(biāo)準(zhǔn)化工作組，同年，AT&T、思科、通用電氣（后簡(jiǎn)稱為通用）、IBM和英特爾成立工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC）;2015年，ARM、思科、戴爾、英特爾、微軟和普林斯頓大學(xué)建立開放霧（OpenFog）聯(lián)盟;2016年，電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）和國(guó)際計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)（ACM）共同發(fā)起了邊緣計(jì)算研討會(huì)，中國(guó)工業(yè)、信息通信業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域百余家單位共同發(fā)起成立工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，同年，由中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所等單位聯(lián)合倡議發(fā)起的邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（ECC）。在學(xué)術(shù)科研方面，中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)于2017年率先成立了邊緣計(jì)算專業(yè)委員會(huì)，并在《IEEE COMMUNICATIONS Surveys

&Tutorials》等著名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表了很多邊緣計(jì)算綜述性文章[6-9]。在標(biāo)準(zhǔn)制定方面，國(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)分局（ITU-T） SG20發(fā)起了“邊緣計(jì)算需求和能力要求”的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)，中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（CCSA）也陸續(xù)開展多項(xiàng)邊緣計(jì)算行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)。

2018年是邊緣計(jì)算蓬勃發(fā)展的一年：在微軟2018年度開發(fā)者大會(huì)上，微軟公司發(fā)布“Azure IoT Edge”等邊緣側(cè)產(chǎn)品，將業(yè)務(wù)重心從Windows操作系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到智能邊緣計(jì)算方面;亞馬遜公司發(fā)布“AWS Greengrass”邊緣側(cè)軟件，將AWS云服務(wù)無(wú)縫擴(kuò)展至邊緣設(shè)備;阿里云宣布2018年將戰(zhàn)略投入邊緣計(jì)算技術(shù)領(lǐng)域并推出邊緣計(jì)算產(chǎn)品Link Edge。

1.2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造

智能制造是具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、精準(zhǔn)控制自執(zhí)行等功能的先進(jìn)制造過(guò)程、系統(tǒng)與模式的總稱。智能制造可以追溯到1990年4月日本發(fā)起“智能制造系統(tǒng)”國(guó)際合作研究計(jì)劃。目前，基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等信息技術(shù)，智能制造已經(jīng)貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是指在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和遠(yuǎn)程控制技術(shù)，優(yōu)化工業(yè)設(shè)施和機(jī)器的運(yùn)行和維護(hù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化手段提升工業(yè)制造智能化水平。2012年，通用公司首先提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念，此后工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的發(fā)展。目前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)以德國(guó)“工業(yè)4.0平臺(tái)”和美國(guó)“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟”為典型代表，其分別發(fā)布了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造參考架構(gòu)RAMI 4.0和IIRA。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為中國(guó)智能制造發(fā)展的重要支撐已經(jīng)得到了國(guó)家的高度認(rèn)可與充分重視，“十三五”規(guī)劃、中國(guó)制造2025、“互聯(lián)網(wǎng)+”“深化制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展”等國(guó)家的重大戰(zhàn)略都明確地提出了要大力發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。

如圖2所示，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能化生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、個(gè)性化定制和預(yù)測(cè)性維護(hù)等創(chuàng)新應(yīng)用對(duì)計(jì)算提出新需求;而工業(yè)應(yīng)用低開銷、實(shí)時(shí)性要求使云計(jì)算模式難以適用，而傳統(tǒng)的分布式計(jì)算方法缺乏高效的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)資源管理和任務(wù)調(diào)度方法，難以應(yīng)對(duì)先進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制任務(wù)。因此，需要發(fā)展云與網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)融合進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和計(jì)算的新模式。

1.3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造邊緣計(jì)算

邊緣計(jì)算是集先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、人工智能于一身，橫跨通信、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制等多領(lǐng)域的綜合性技術(shù)。不同領(lǐng)域內(nèi)的邊緣計(jì)算技術(shù)的側(cè)重點(diǎn)有所不同，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造對(duì)系統(tǒng)的確定性、實(shí)時(shí)性和安全性有著很高的要求，ECC給出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造領(lǐng)域邊緣計(jì)算的定義：邊緣計(jì)算是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)就近提供邊緣智能服務(wù)，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷聯(lián)接、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的關(guān)鍵需求[10]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造邊緣計(jì)算的體系架構(gòu)具體如圖3所示。

針對(duì)工業(yè)流數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析、邊緣側(cè)智能計(jì)算、分布式實(shí)時(shí)控制等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造典型應(yīng)用場(chǎng)景，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造邊緣計(jì)算需要解決工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算場(chǎng)景下計(jì)算資源的零散性和有限性、現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性對(duì)系統(tǒng)確定性、實(shí)時(shí)性和安全性帶來(lái)的問(wèn)題，而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造邊緣計(jì)算參考架構(gòu)的設(shè)計(jì)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造邊緣計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造測(cè)試平臺(tái)和測(cè)試方法的構(gòu)建，是解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵。

2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造邊緣計(jì)算現(xiàn)狀

以ECC的成立為分界點(diǎn)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造邊緣計(jì)算發(fā)展大體可以分為3個(gè)階段：邊緣互聯(lián)、邊緣智能，以及邊緣自治。2016年以前，中國(guó)邊緣計(jì)算的研究處于1.0階段，主要解決邊緣互聯(lián)問(wèn)題，即海量異構(gòu)終端實(shí)時(shí)互聯(lián)、網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)部署和運(yùn)維等問(wèn)題。目前，邊緣計(jì)算處于2.0階段，即邊緣智能階段，主要解決網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)智能數(shù)據(jù)分析、智能網(wǎng)絡(luò)控制、智能業(yè)務(wù)處理等問(wèn)題，從而大幅度提升效率并降低成本。未來(lái)，邊緣計(jì)算將步入3.0階段，即邊緣自治階段，邊緣側(cè)自主業(yè)務(wù)邏輯分析、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)、自我優(yōu)化將在這一階段得到實(shí)現(xiàn)。

2.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)學(xué)術(shù)組織

（1）IIC。

2014年4月，AT&T、思科、通用、IBM和英特爾宣布成立IIC。2017年1月，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟發(fā)布工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)IIRA v1.8。目前，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟擁有211個(gè)成員單位，涵蓋能源、醫(yī)療、制造、采礦、零售、智慧城市、運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)領(lǐng)域，并批準(zhǔn)了26個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)測(cè)試床項(xiàng)目。

（2）OpenFog聯(lián)盟。

2015年11月，ARM、思科、戴爾、英特爾、微軟和普林斯頓大學(xué)建立OpenFog聯(lián)盟，目前有60個(gè)成員單位。2017年2月，該聯(lián)盟發(fā)布OpenFog參考架構(gòu)，這是一個(gè)旨在支持物聯(lián)網(wǎng)、5G和人工智能應(yīng)用的數(shù)據(jù)密集型需求的通用技術(shù)框架。2018年12月18日，OpenFog聯(lián)盟宣布并入IIC。

（3）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。

2016年2月，由工業(yè)、信息通信業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域百余家單位共同發(fā)起成立工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。目前，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟擁有942個(gè)成員單位，發(fā)布了“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)體系框架”等10項(xiàng)白皮書、“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系框架”等9項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以及“基于安全可靠云平臺(tái)的智能工廠驗(yàn)證示范平臺(tái)”等34個(gè)測(cè)試床項(xiàng)目。

（4）ECC。

2016年11，由中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所等聯(lián)合倡議發(fā)起了ECC。目前ECC共擁有成員單位200余家，業(yè)務(wù)范圍包括工業(yè)制造、智慧城市、交通、電力能源等一些領(lǐng)域。2018年，ECC發(fā)布了“邊緣計(jì)算與云計(jì)算協(xié)同白皮書”和“邊緣計(jì)算參考架構(gòu)3.0”，同時(shí)發(fā)布了“面向個(gè)性化定制的自適應(yīng)模塊化制造驗(yàn)證平臺(tái)”等29個(gè)邊緣計(jì)算的測(cè)試床項(xiàng)目。

（5）中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)邊緣計(jì)算專業(yè)委員會(huì)。

在專業(yè)學(xué)術(shù)團(tuán)體方面，中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)率先成立了邊緣計(jì)算專業(yè)委員會(huì)。首屆中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)邊緣計(jì)算專業(yè)委員會(huì)會(huì)議于2017年10月舉行，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所為承辦單位。目前，中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)邊緣計(jì)算專業(yè)委員會(huì)委員以項(xiàng)目/課題負(fù)責(zé)人方式承擔(dān)了與邊緣計(jì)算相關(guān)的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、工信部智能制造、工信部工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展工程等一系列重大項(xiàng)目，一定程度上引領(lǐng)了中國(guó)邊緣計(jì)算的發(fā)展。

2.2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算計(jì)算平臺(tái)

（1）通用 Predix。

2012年通用提出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的概念，隨后推出Predix。通用Predix分為邊緣端、平臺(tái)端和應(yīng)用端。在邊緣端，Predix提供網(wǎng)關(guān)框架Predix Machine以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和連接，支持工業(yè)協(xié)議解析、數(shù)據(jù)采集、多平臺(tái)協(xié)同、本地存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)、多種安全策略，以及本地設(shè)備通信等。平臺(tái)端Predix Cloud集成了工業(yè)大數(shù)據(jù)處理和分析、Digital Twin快速建模、工業(yè)應(yīng)用快速開發(fā)等各方面的能力，以及一系列可以快速實(shí)現(xiàn)集成的貨架式微服務(wù)。在應(yīng)用端，通用Predix采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和機(jī)理結(jié)合的方式，提供設(shè)備健康和故障預(yù)測(cè)、生產(chǎn)效率優(yōu)化、能耗管理、排程優(yōu)化等解決方案。2018年10月Predix被通用出售。

（2）西門子Mindsphere。

2016年4月，西門子推出的基于云的開放式物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)MindSphere。MindSphere向下提供數(shù)據(jù)采集接入方案MindConnect，可以直接到達(dá)車間級(jí)工廠設(shè)備，支持開放式通信標(biāo)準(zhǔn)OPC UA，實(shí)現(xiàn)西門子和第三方設(shè)備的數(shù)據(jù)連接;MindSphere向上為應(yīng)用軟件的開發(fā)層提供一個(gè)開放的架構(gòu)，用戶可以針對(duì)不同場(chǎng)景來(lái)開發(fā)相應(yīng)的軟件。2018年7月，西門子與阿里云簽署備忘錄，共同推進(jìn)中國(guó)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。

（3）其他的一些重要的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）平臺(tái)。

目前各大主流IT企業(yè)都推出了自己的IoT平臺(tái)，包括Google Cloud IoT、MS Azure IoT、AWS IoT、IBM Watson IoT等。例如，Google Cloud IoT是一個(gè)邊緣/云服務(wù)平臺(tái)，該平臺(tái)分為3層：邊緣設(shè)備、云數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)應(yīng)用。Google Cloud IoT在邊緣設(shè)備層中集成了一個(gè)實(shí)時(shí)機(jī)器學(xué)習(xí)工具;云數(shù)據(jù)分析組件包括4個(gè)關(guān)鍵功能：Cloud Bigtable、BigQuery、CloudDataflow和Cloud Machine Learning;數(shù)據(jù)應(yīng)用層主要用Cloud Datalab和Cloud Studio解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和使用。

2.3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化

受5G技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)，ETSI、第3代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）、CCSA、中國(guó)聯(lián)通等通信組織和企業(yè)進(jìn)行了一系列通信領(lǐng)域邊緣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化工作;但這些標(biāo)準(zhǔn)化工作主要為了滿足5G三大應(yīng)用場(chǎng)景的需求，即增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）、高可靠低時(shí)延（uRLLC），以及海量機(jī)器類通信（mMTC）。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造領(lǐng)域，2017年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）/國(guó)際電工委員會(huì)聯(lián)合技術(shù)委員會(huì)（IEC JTC1）/標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（SC）41物聯(lián)網(wǎng)及其相關(guān)技術(shù)、分技術(shù)委員會(huì)成立了邊緣技術(shù)研究組，并在SC41范圍就邊緣計(jì)算的定義達(dá)成共識(shí)，規(guī)定邊緣計(jì)算-物聯(lián)網(wǎng)（EC-IoT）的參考架構(gòu);2018年，SC41生成現(xiàn)有EC-IoT標(biāo)準(zhǔn)的需求分析報(bào)告，推薦使用EC-IoT技術(shù)，為如何實(shí)現(xiàn)開放跨行業(yè)提供指導(dǎo)，發(fā)布了EC-IoT項(xiàng)目技術(shù)報(bào)告;2019年，SC41將參與邊緣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的制定。

2017年，三菱、SAP等聯(lián)合發(fā)布了《垂直邊緣智能白皮書》。2018年，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布了“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系框架”“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全總體要求”等9項(xiàng)技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。2018年，CCSA工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)特設(shè)組（ST8）召開會(huì)議，通過(guò)“邊緣計(jì)算總體架構(gòu)與要求”“邊緣計(jì)算邊緣節(jié)點(diǎn)模型與要求”等9項(xiàng)新立項(xiàng)建議。

2.4 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算項(xiàng)目設(shè)立

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造邊緣計(jì)算也受到了國(guó)家各部委的高度重視。工信部在2017年和2018年連續(xù)設(shè)立了一系列智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化與新模式應(yīng)用項(xiàng)目。2017年，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所承擔(dān)的工信部智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化與新模式應(yīng)用項(xiàng)目“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用協(xié)議及數(shù)據(jù)互認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)研究與試驗(yàn)驗(yàn)證”，從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算模型、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一語(yǔ)義模型、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通信息安全要求等7個(gè)方面對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造邊緣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的制定進(jìn)行了探索。2018年，工信部工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展工程系列項(xiàng)目中，針對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算，專門設(shè)立了“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算測(cè)試床”“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)驗(yàn)證”等8個(gè)項(xiàng)目。在2018年度科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造和智能工廠”重點(diǎn)專項(xiàng)中，專門針對(duì)邊緣計(jì)算設(shè)置了“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法與技術(shù)”“典型行業(yè)裝備運(yùn)行服務(wù)平臺(tái)及智能終端研制”“基于開放架構(gòu)的云制造關(guān)鍵技術(shù)與平臺(tái)研發(fā)”等多個(gè)項(xiàng)目。

3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造邊緣計(jì)算行業(yè)典型案例

3.1 中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所智能制造邊緣計(jì)算示范線

傳統(tǒng)制造系統(tǒng)一般是針對(duì)一種或幾種產(chǎn)品而設(shè)計(jì)的批量化、剛性生產(chǎn)系統(tǒng)，一旦生產(chǎn)需求發(fā)生變化，生產(chǎn)線調(diào)整周期長(zhǎng)，設(shè)備維護(hù)成本高，難以滿足目前智能制造個(gè)性化定制的需求。

為了解決上述問(wèn)題，中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所搭建了智能制造邊緣計(jì)算示范系統(tǒng)。如圖4所示，該平臺(tái)由工業(yè)云平臺(tái)、邊緣計(jì)算數(shù)據(jù)平臺(tái)、邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)、邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備等部分構(gòu)成。通過(guò)引入邊緣計(jì)算，能夠?yàn)閭€(gè)性化定制生產(chǎn)帶來(lái)3方面提升：首先，設(shè)備可以靈活替換。通過(guò)web互操作接口進(jìn)行工序重組，實(shí)現(xiàn)新設(shè)備的即插即用，實(shí)現(xiàn)損壞設(shè)備的快速替換，減少50%的人力投入。其次，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)計(jì)劃靈活調(diào)整。通過(guò)生產(chǎn)節(jié)拍、物料供給方式的自動(dòng)變化來(lái)適應(yīng)每天多次的計(jì)劃調(diào)整，消除多個(gè)型號(hào)的混線切單，物料路徑切換導(dǎo)致的輸入/輸出（I/O）配置時(shí)間損耗。再次，實(shí)現(xiàn)了新工藝/新型號(hào)的快速部署。通過(guò)Web化的工藝模型的自適應(yīng)調(diào)整，消除新工藝部署帶來(lái)的可編程邏輯控制器（PLC）（涉及數(shù)百個(gè)邏輯塊、多達(dá)十幾層層嵌套判斷邏輯）重編程、斷電啟停、數(shù)百個(gè)過(guò)程控制量修改重置的時(shí)間，這使得新工藝的部署時(shí)間大概縮短了80%以上。

3.2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展工程

邊緣計(jì)算是一個(gè)綜合性的技術(shù)體系，單一技術(shù)通常難以反映系統(tǒng)整體性能，因此邊緣計(jì)算測(cè)試床的開發(fā)一直是各大邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)/技術(shù)聯(lián)盟十分重視的內(nèi)容。2018年，在工信部工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展工程自助下，中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所承擔(dān)了中國(guó)首批大型邊緣計(jì)算測(cè)試床項(xiàng)目——“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算測(cè)試床項(xiàng)目”，項(xiàng)目整體架構(gòu)如圖5所示。

該邊緣計(jì)算測(cè)試床項(xiàng)目架構(gòu)包括3個(gè)主要部分：

（1）邊緣計(jì)算云服務(wù)平臺(tái)，即利用云服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室搭建的生產(chǎn)模擬系統(tǒng)以及汽車裝備制造、工程機(jī)械、鑄造裝備加工和光伏裝置制造等企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)之間的互聯(lián)與信息共享。

（2）邊緣計(jì)算基礎(chǔ)測(cè)試平臺(tái)，即為驗(yàn)證邊緣計(jì)算領(lǐng)域模型，支撐邊緣計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與測(cè)試，實(shí)現(xiàn)加工、裝配、物流工藝過(guò)程模擬。

（3）邊緣計(jì)算垂直行業(yè)測(cè)試平臺(tái)，即用于驗(yàn)證邊緣計(jì)算垂直行業(yè)領(lǐng)域模型，支撐邊緣計(jì)算工業(yè)應(yīng)用APP研發(fā)與測(cè)試，構(gòu)建基于企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)的行業(yè)測(cè)試平臺(tái)，包括：汽車裝備制造、工程機(jī)械、鑄造裝備加工和光伏裝置制造等企業(yè)的4套實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)。

該項(xiàng)目解決工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算中的問(wèn)題：邊緣計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的試驗(yàn)測(cè)試問(wèn)題、基于邊緣計(jì)算開發(fā)新型工業(yè)APP的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證問(wèn)題，以及基于邊緣計(jì)算的行業(yè)解決方案的多廠商產(chǎn)品互操作問(wèn)題。

4 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造邊緣計(jì)算面對(duì)的挑戰(zhàn)

4.1 資源動(dòng)態(tài)條件下高并發(fā)分布式混雜系統(tǒng)中確定性保障問(wèn)題

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造邊緣計(jì)算的關(guān)鍵需求是邊緣應(yīng)用的實(shí)時(shí)性和確定性;但是邊緣計(jì)算環(huán)境存在計(jì)算資源分布式、零散化，以及網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性和存在測(cè)量噪聲等特征，并且一般為兼有離散事件和連續(xù)變量等運(yùn)行機(jī)制的混雜系統(tǒng)。同時(shí)，邊緣計(jì)算任務(wù)常存在高并發(fā)的特點(diǎn)。這些特征導(dǎo)致邊緣計(jì)算任務(wù)時(shí)序復(fù)雜難以同步，計(jì)算結(jié)果確定性難以保證。如何針對(duì)計(jì)算資源的零散性、異構(gòu)性和動(dòng)態(tài)性、系統(tǒng)的混雜性特點(diǎn)，構(gòu)建支持分布式混雜系統(tǒng)和高并發(fā)任務(wù)的邊緣計(jì)算模型，是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造邊緣計(jì)算的挑戰(zhàn)。

4.2 面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中分布式邊緣設(shè)備的異構(gòu)行為統(tǒng)一建模與編程問(wèn)題

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中邊緣計(jì)算環(huán)境中的計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)等資源的異構(gòu)性、動(dòng)態(tài)性、分布式和零散化等特性，使得邊緣設(shè)備資源的動(dòng)態(tài)調(diào)整對(duì)軟件的動(dòng)態(tài)性和可伸縮性要求提升，多種異構(gòu)資源共存的復(fù)雜系統(tǒng)對(duì)軟件的可組合性與模塊化程度需求提高，傳統(tǒng)集中式應(yīng)用程序的開發(fā)模式難以滿足邊緣計(jì)算場(chǎng)景的需求。如何解決面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中分布式邊緣設(shè)備的異構(gòu)行為統(tǒng)一建模與編程問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的編程與開發(fā)環(huán)境，提升編程系統(tǒng)在部署、調(diào)試和運(yùn)行各類應(yīng)用時(shí)的資源利用率，降低部署和維度的難度和時(shí)間，是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造邊緣計(jì)算面對(duì)的一個(gè)挑戰(zhàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸式的增長(zhǎng)，云計(jì)算模式的缺陷日益突出，而邊緣計(jì)算為解決工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造過(guò)程中數(shù)據(jù)分析和實(shí)時(shí)控制提供了有效手段?？梢灶A(yù)見(jiàn)：在未來(lái)幾年內(nèi)，邊緣計(jì)算將廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程之中。把握邊緣計(jì)算技術(shù)發(fā)展方向，促進(jìn)邊緣計(jì)算技術(shù)落地，必將有力地促進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造的發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介

宋純賀，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研究員，中國(guó)科學(xué)院百人計(jì)劃入選者，中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)邊緣計(jì)算專業(yè)委員會(huì)秘書長(zhǎng);研究方向?yàn)楣I(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算;發(fā)表論文50余篇。

曾鵬，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所所長(zhǎng)助理、研究員，中國(guó)科學(xué)院網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)邊緣計(jì)算專業(yè)委員會(huì)主任，國(guó)家“萬(wàn)人計(jì)劃”創(chuàng)新領(lǐng)軍人才;研究方向?yàn)楣I(yè)互聯(lián)網(wǎng);獲得國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新貢獻(xiàn)一等獎(jiǎng)等省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)6項(xiàng);發(fā)表論文百余篇。

于海斌，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所所長(zhǎng)、研究員，國(guó)家杰出青年基金獲得者，國(guó)家“萬(wàn)人計(jì)劃”創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，ISA Fellow，中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)，邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事長(zhǎng);研究方向?yàn)楣I(yè)互聯(lián)網(wǎng);獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)4項(xiàng)、技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng);發(fā)表論文百余篇。