1  引言

在端-邊-云的結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本形成的今天，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還未能展現(xiàn)其潛力。在工業(yè)現(xiàn)場，邊緣計算節(jié)點作為端與云的連接點，始終無法真正發(fā)揮其巨大作用。一方面，現(xiàn)場端側(cè)系統(tǒng)與設(shè)備的封閉使得邊緣計算節(jié)點始終只能作為輔助存在，從而逐漸被“邊緣化”。另一方面，雖然邊緣計算節(jié)點給系統(tǒng)提供了大量額外的計算與儲存資源，工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的多樣性也使得這些資源無法與現(xiàn)有設(shè)備資源通過統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)無縫整合到一起，使得工業(yè)邊緣計算處于一種“食之無味、棄之可惜”的狀態(tài)。要實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)萬物互聯(lián)、信息互通的終極目標(biāo)，端側(cè)與邊緣側(cè)需要進(jìn)一步深度融合，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的“端-邊-云”三層架構(gòu)則將進(jìn)一步進(jìn)化為“邊-云”兩層架構(gòu)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與邊緣計算架構(gòu)演進(jìn)如圖1所示。

圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與邊緣計算架構(gòu)演進(jìn)

在邊緣側(cè)，一體化的新邊緣節(jié)點將取代原有ISA-95[1]架構(gòu)中的L0~L2層，形成集傳感/執(zhí)行、控制與監(jiān)控為一體的分布式邊緣計算節(jié)點網(wǎng)絡(luò)。除此之外，這些節(jié)點還能夠承擔(dān)新的任務(wù)類型，例如數(shù)據(jù)采集處理、機(jī)器學(xué)習(xí)等計算類任務(wù)，并且基于數(shù)據(jù)分析結(jié)果對工業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行實時優(yōu)化。在云端，設(shè)計、研發(fā)、測試、管理等各類工業(yè)軟件將逐步實現(xiàn)服務(wù)化，即用戶無需安裝任何軟件，直接通過訪問云端來完成工作。而各個邊緣節(jié)點與云平臺之間則可以通過統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)交互與決策部署下發(fā)，從而真正實現(xiàn)全計算、全聯(lián)接、全解耦的閉環(huán)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)。

要實現(xiàn)以上目標(biāo)，  在設(shè)備端需要一套完整的硬件、軟件與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系與標(biāo)準(zhǔn)，稱為“工業(yè)數(shù)字底座”。工業(yè)數(shù)字底座又應(yīng)該包含哪些內(nèi)容呢？圖2是面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算的工業(yè)數(shù)字底座特征，工業(yè)數(shù)字底座應(yīng)該在確保工業(yè)系統(tǒng)實時性與可靠性的基礎(chǔ)上，通過融合計算、儲存與網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化從設(shè)計、開發(fā)、測試、部署到維護(hù)的全流程，降低成本并提升產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在硬件層面，需要保證邊緣計算節(jié)點能夠提供足夠的算力與儲存能力來滿足部署應(yīng)用的需求；在軟件層面，需要提供一套支撐柔性邊緣應(yīng)用部署的設(shè)計開發(fā)語言與部署機(jī)制；在網(wǎng)絡(luò)層面，需要一套能夠保證確定性通訊延遲的一體化網(wǎng)絡(luò)。下文將分三方面來描繪工業(yè)數(shù)字底座的特性與實現(xiàn)路徑。

圖2 面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算的工業(yè)數(shù)字底座特征

2   “全計算”—智能化硬件終端

一個符合工業(yè)數(shù)字底座要求的邊緣計算節(jié)點首先要有一定的算力與儲存能力的保證。得益于芯片工藝技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)有的嵌入式芯片的算力與儲存能力已經(jīng)得到了巨大的提升，部分基于ARM芯片的工業(yè)網(wǎng)關(guān)性能甚至已經(jīng)超越了計算機(jī)。按照算力與儲存能力劃分，可以將邊緣計算節(jié)點分為三個等級[2]。

第一等級（L1）的邊緣計算節(jié)點具備一定的計算與儲存能力，擁有執(zhí)行例如感知、驅(qū)動設(shè)備、監(jiān)控界面等單一任務(wù)的能力。L1等級的邊緣計算節(jié)點不具備同時運行多個應(yīng)用的能力，也無法與其他節(jié)點協(xié)作共同完成任務(wù)。此外，由于任務(wù)單一，此類設(shè)備通常無需實時操作系統(tǒng)的加持，例如傳感器、變頻器、小型控制器等，通常這一等級的邊緣計算節(jié)點可以對應(yīng)ISA-95架構(gòu)中的L0層設(shè)備。在儲存方面應(yīng)該能夠保證小型系統(tǒng)與設(shè)備一定時間的數(shù)據(jù)緩存要求。

第二等級（L2）的邊緣計算節(jié)點則具備較強(qiáng)的計算與儲存能力，能夠同時運行多個L1節(jié)點任務(wù)，還能支撐大型工業(yè)控制系統(tǒng)的正常運作。在滿足ISA-95架構(gòu)中L1控制層的實時性要求的基礎(chǔ)上，也應(yīng)該整合L2監(jiān)控層的需求。同時，多個L2級邊緣計算節(jié)點之間可以相互協(xié)作來完成分布式任務(wù)，例如離散制造中多個機(jī)器人冗余與協(xié)同、過程控制中多個工藝動態(tài)優(yōu)化等。為支撐多個應(yīng)用同時運行，L2級別的邊緣計算節(jié)點通常搭載有實時操作系統(tǒng)來保障任務(wù)的實時性與可靠性。多個異構(gòu)L2邊緣計算節(jié)點設(shè)備，比如邊緣控制器、邊緣網(wǎng)關(guān)等組合起來能完成大型PLC或DCS系統(tǒng)的所有功能，同時也能兼顧SCADA/HMI系統(tǒng)的部分功能，  緩存較長時間的過程運行數(shù)據(jù)，并且支持對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗與預(yù)處理工作。

第三等級（L3）的邊緣計算節(jié)點則具備極強(qiáng)的計算與儲存能力，可以通過多CPU多核來滿足強(qiáng)實時高并發(fā)的任務(wù)需求，也能保存全部的歷史數(shù)據(jù)，并且利用機(jī)器學(xué)習(xí)實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的在線優(yōu)化。此類邊緣計算節(jié)點包括服務(wù)器或本地云，通常工廠對數(shù)據(jù)的安全性以及私密性要求極高，為保護(hù)工藝參數(shù)，本地云的部署概率更高。本地云通過容器等虛擬化技術(shù)以及自身強(qiáng)大的算力，可以根據(jù)實際應(yīng)用需求來調(diào)配計算與儲存資源，也可以實現(xiàn)熱備份冗余、熱插拔、主動防御策略等來保證不間斷的生產(chǎn)過程。同時，每個虛擬化環(huán)境能夠根據(jù)需求搭載不同的實時操作系統(tǒng)。原則上，L3級的邊緣計算節(jié)點能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場所有的需求。

實現(xiàn)每個硬件終端都能作為計算節(jié)點，需要標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、易擴(kuò)展的硬件平臺來支撐各個等級的邊緣計算節(jié)點要求。用戶可以根據(jù)實際系統(tǒng)規(guī)模與功能規(guī)格選擇合適的節(jié)點數(shù)量、CPU內(nèi)核數(shù)量、I/O接口數(shù)量等，真正實現(xiàn)每個節(jié)點全都能作為計算資源支撐邊緣應(yīng)用運行。

3   “全聯(lián)接”—透明化網(wǎng)絡(luò)傳輸

有了“全計算”的硬件支撐后，下一個需要解決的是通訊問題。現(xiàn)有工業(yè)現(xiàn)場通訊情況較為復(fù)雜，在ISA-95  L0與L1層之間存在著“七國八制”的問題，常用的工業(yè)現(xiàn)場總線就有二十余種，例如PROFIBUS/PROFINET、Modbus/TCP、Ethernet/

IP、EtherCAT等。這些總線通常可以分為兩類：基于RS485和基于以太網(wǎng)。雖然基于以太網(wǎng)的工業(yè)現(xiàn)場總線通常能提供更快的通訊速度與更大的網(wǎng)絡(luò)容量，但仍有大量的工業(yè)現(xiàn)場采用基于RS485的串行通訊方式來降低成本。即使是工業(yè)以太網(wǎng)總線，也分為基于IP和不使用IP兩種，因此要實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算落地，“全聯(lián)接”成為了一個必須要面對的挑戰(zhàn)。

無論是哪種工業(yè)現(xiàn)場總線，目的都是為了保證控制器與現(xiàn)場設(shè)備模塊間的確定性通訊，即在規(guī)定時間內(nèi)完成I/O數(shù)據(jù)的交互。這里的規(guī)定時間通常指的是PLC輪詢時間，   即最差執(zhí)行時間（Worst Case Execution Time）。為保證控制器與I/O設(shè)備同步，工業(yè)現(xiàn)場總線必須在每一輪詢周期內(nèi)確保完成一次數(shù)據(jù)交互。而控制層、監(jiān)控層與管理層之間，由于實時性要求相對較低，基本已經(jīng)實現(xiàn)了基于IP網(wǎng)絡(luò)的通訊方式。因此，OT與IT融合的一個關(guān)鍵問題即如何打通這兩大網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)從云到設(shè)備的一網(wǎng)到底。

近年來，各種新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)層出不窮[3]，  例如IEEE 802工作組正在積極制定與推動時間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time- Sensitive Networking，TSN）來取代現(xiàn)有工業(yè)現(xiàn)場 總線。TSN在數(shù)據(jù)鏈路層針對現(xiàn)有的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)特性與需求進(jìn)行了優(yōu)化，自2012年開始，包括時間同步、調(diào)度與整形等一系列三十余個標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)布或正在制定中。TSN可以保證時間敏感任務(wù)在以太網(wǎng)中的確定性傳輸。此外，由華為發(fā)布的確定性IP網(wǎng)絡(luò)同樣也獲得了高度關(guān)注，相對于TSN更多地針對數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行修改，確定性IP網(wǎng)絡(luò)（Deterministic IP）則是基于網(wǎng)絡(luò)層，通過引入周期性轉(zhuǎn)發(fā)與調(diào)度機(jī)制，將數(shù)據(jù)包放入確定性的傳輸周期內(nèi)，從而保證了網(wǎng)絡(luò)報文傳輸?shù)臅r延上限。確定性IP網(wǎng)絡(luò)還通過資源預(yù)留與路徑規(guī)劃的方式，可以隨時創(chuàng)建確定性路徑，進(jìn)一步地保證了點對點的確定性傳輸。在儀表方面，APL/IP異軍突起，以最小的改造代價來實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的IP化。此外，5G（5.5G）、Wi-Fi 6等無線技術(shù)，也通過冗余通道的方式來保證通訊時延的確定性，減小抖動時間。但是由于工業(yè)現(xiàn)場的強(qiáng)干擾，容易造成丟包等錯誤，從而嚴(yán)重影響工業(yè)實時控制的可靠性，目前工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)多數(shù)都應(yīng)用于實時性與可靠性要求相對較低的場景，想大規(guī)模部署還需要進(jìn)一步降低最差執(zhí)行時間。先進(jìn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 先進(jìn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[3]

工業(yè)控制系統(tǒng)在保證通訊的實時性與可靠性的前提下，盡可能地降低成本。對大多數(shù)工業(yè)場景來說，只要能滿足這些基本訴求，終端用戶并不會指定具體使用的通訊協(xié)議網(wǎng)絡(luò)。因此，要實現(xiàn)工業(yè)云平臺與邊緣計算節(jié)點的“全聯(lián)接”，支撐一網(wǎng)到底的透明化網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)數(shù)字底座的根基。為實現(xiàn)OT與IT的深度融合，統(tǒng)一的IP網(wǎng)絡(luò)是較為可行的方案，根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，每個工廠可以將TSN、DIP、APL/IP、工業(yè)5.5G、Wi-Fi 6、光通訊等技術(shù)自由搭配，組建最適合行業(yè)特性的一體化網(wǎng)絡(luò)解決方案。

4 “全解耦”—虛擬化應(yīng)用軟件

在邊緣端，目前工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備搭載的軟件基本上都是“專機(jī)專用”，硬件與軟件強(qiáng)耦合，當(dāng)硬件性能與網(wǎng)絡(luò)發(fā)生改變時，軟件無法被直接應(yīng)用移植。當(dāng)邊緣計算節(jié)點具備了可支配計算與儲存能力，以及基于IP網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)點對點確定性通訊之后，軟件形態(tài)也需要改變來適應(yīng)這些新的特性。

要實現(xiàn)軟件可復(fù)用、可移植、可重構(gòu)等特性，需要實現(xiàn)軟硬件的徹底解耦，現(xiàn)有的工業(yè)邊緣計算應(yīng)用開發(fā)方式首先需要變革。在設(shè)計時，工程師可以使用一套設(shè)計語言與開發(fā)環(huán)境來實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)平臺的工業(yè)邊緣計算應(yīng)用開發(fā)；在部署時，工程師可以實現(xiàn)系統(tǒng)一鍵下發(fā)并且能自由調(diào)整部署方案；在運行時，工業(yè)邊緣計算應(yīng)用則可以根據(jù)實時需求變化來動態(tài)調(diào)整自身功能參數(shù)。而支撐這些功能，則需要一套支持虛擬化的工業(yè)邊緣計算應(yīng)用開發(fā)與運行環(huán)境。

開放自動化系統(tǒng)及其標(biāo)準(zhǔn)IEC 61499正逢其時[4]。IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)提出的分布式工業(yè)控制軟件系統(tǒng)級建模語言，以圖形化的功能塊網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，通過系統(tǒng)、設(shè)備、資源、功能塊、應(yīng)用、部署、管理等七大標(biāo)準(zhǔn)模型，實現(xiàn)了軟硬件解耦設(shè)計、一體化系統(tǒng)部署以及分布式運行協(xié)作等一系列OT與IT融合關(guān)鍵問題。以此為基礎(chǔ)，通過將IEC 61499運行時系統(tǒng)與虛擬化技術(shù)結(jié)合，將C/C++、Python、IEC 61131-3等不同編程語言編寫的代碼通過統(tǒng)一接口的功能塊封裝，將功能塊網(wǎng)絡(luò)作為輕量級容器打包下發(fā)到設(shè)備，在確保實時性與可靠性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實現(xiàn)自發(fā)現(xiàn)、自診斷、自優(yōu)化等智能化管理功能，形成“全解耦”的工業(yè)邊緣計算應(yīng)用軟件。

5  工業(yè)數(shù)字底座應(yīng)用前景

由開放硬件計算平臺、點對點確定性通訊以及軟硬解耦虛擬應(yīng)用組成的工業(yè)數(shù)字底座究竟能發(fā)揮多大的威力？首先，“全計算”使得一臺算力強(qiáng)大的邊緣節(jié)點設(shè)備可以替代多臺專用設(shè)備，軟件可以根據(jù)實際硬件資源配置隨意部署，從而大幅度降低了系統(tǒng)的建設(shè)成本；其次，“全聯(lián)接”的統(tǒng)一IP工業(yè)網(wǎng)絡(luò)除了能保證高實時要求的工業(yè)生產(chǎn)任務(wù)，還能實現(xiàn)從云到端一網(wǎng)到底，徹底打通信息橋梁；最后，“全解耦”的工業(yè)邊緣計算節(jié)點可以實時監(jiān)控邊緣應(yīng)用軟件的運行狀態(tài)，針對突發(fā)狀況進(jìn)行動態(tài)調(diào)配負(fù)載，從而保證了工業(yè)邊緣計算系統(tǒng)的可靠性。具備“全計算、全聯(lián)接、全解耦”的工業(yè)數(shù)字底座將為現(xiàn)有工業(yè)帶來革命性的進(jìn)步，在保證實時性與可靠性的同時，大幅度提升了系統(tǒng)的靈活性，降低了從設(shè)計到運維的全生命周期成本。

基于工業(yè)數(shù)字底座，2021年5月由華為、紫金山實驗室、上海交通大學(xué)與寶信軟件共同完成了全球首個廣域云化PLC實驗，如圖4所示，使用鯤鵬服務(wù)器、歐拉操作系統(tǒng)、確定性IP網(wǎng)絡(luò)以及海王星IEC 61499運行環(huán)境，在鋼鐵行業(yè)中，實現(xiàn)了在相距600公里間的兩個邊緣計算節(jié)點間控制周期穩(wěn)定小于6ms。此次實驗的成功，標(biāo)志著技術(shù)上工業(yè)數(shù)字底座已經(jīng)能夠滿足工業(yè)的實際需求。未來，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案部署到工廠內(nèi)時，能對汽車制造、冶金鋼鐵、核電風(fēng)電等各行業(yè)產(chǎn)生顛覆性的影響。

圖4 廣域云化PLC試驗

6  結(jié)語

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與邊緣計算的推進(jìn)，五花八門的現(xiàn)場設(shè)備與“七國八制”的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)重阻礙了OT與IT的深度融合。將標(biāo)準(zhǔn)化硬件平臺、確定性IP網(wǎng)絡(luò)以及虛擬化應(yīng)用軟件相結(jié)合，通過工業(yè)云平臺賦能工作數(shù)字底座，從而滿足離散制造與流程工業(yè)不同特性，真正打通工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)價值鏈。

作者簡介：

戴文斌  （1984-），男，上海人，教授，現(xiàn)就職于上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程自動化系，擔(dān)任IEEEP2805邊緣計算系列標(biāo)準(zhǔn)工作組主席。主要從事下一代分布式工業(yè)控制軟件、工業(yè)信息化、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算等方向的研究工作。

參考文獻(xiàn)：

[1] C. Johnsson. ISA 95-how and where can it be applied[J]. Technical Papers of ISA, 2004, 454 : 399 - 408.

[2] W. Dai, H. Nishi, V. Vyatkin, V. Huang, Y. Shi and X. Guan. Industrial Edge Computing: Enabling Embedded Intelligence[J]. IEEE Industrial Electronics Magazine, 2019, 13 (4) .

[3] 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接IP化技術(shù)與實踐白皮書[Z]. 2021.

[4] IEC 61499-2012, Function Blocks, International Standard, Second Edition[S].

摘自《自動化博覽》2022年2月刊