鋼鐵工業(yè)互聯(lián)網實踐的邊緣計算技術

1

工業(yè)互聯(lián)網成為國家戰(zhàn)略

中國門類齊全、規(guī)模巨大的工業(yè)體系不間斷地產生海量的工業(yè)大數(shù)據，通過破解這些工業(yè)大數(shù)據，工業(yè)互聯(lián)網成為中國制造業(yè)在新一輪制造革命中贏得競爭力的鑰匙。自2018年，工業(yè)互聯(lián)網連續(xù)三年被寫入了《政府工作報告》，從“打造工業(yè)互聯(lián)網平臺”到“發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網，推進智能制造”，國家持續(xù)推動工業(yè)互聯(lián)網建設的力度不斷加大。2020年2月，中央政治局會議明確指出：要發(fā)揮好有效投資關鍵作用，推動生物醫(yī)藥、醫(yī)療設備、5G網絡、工業(yè)互聯(lián)網等發(fā)展。2020年，國家全面部署“新基建”，工業(yè)互聯(lián)網成為“新基建”的重要組成部分，是加速工業(yè)互聯(lián)網發(fā)展進程的重要標志，進一步證明工業(yè)互聯(lián)網已經由政策驅動、技術牽引全面轉入落地實踐的快車道。2

數(shù)據驅動的云、邊、端架構

工業(yè)互聯(lián)網是OT和IT深度融合的產物，是一個涉及模型、軟件、平臺、網絡和工業(yè)裝備等各種要素組成的復雜完整的智能系統(tǒng)，而其中數(shù)據就像智能體的“血液”，貫通肢體到中樞，是智能體產生活力的源泉?；趯︿撹F行業(yè)需求和特點的深入分析，充分考慮解決方案在業(yè)界的普適性，對“一總部、多基地”的大型鋼鐵企業(yè)，工業(yè)互聯(lián)網架構分為兩部分加以界定。一是以云端平臺為中心、以多個邊緣節(jié)點為數(shù)據通道、縱向以“云、邊、端”層次構成的層次型系統(tǒng)架構，適用于各產業(yè)板塊中具有特定業(yè)務內涵的經營單元，如：鋼鐵制造單元、工業(yè)服務子公司等。二是面向集團或行業(yè)生態(tài)圈，以橫向多節(jié)點互聯(lián)互通的網絡型架構，如圖1所示。圖1中國寶武工業(yè)互聯(lián)網實施架構圖其中，邊緣節(jié)點的平臺部署、數(shù)據處理、功能設計、云邊協(xié)同等，形成具有普適可推廣價值的技術解決方案和應用實踐，有助于各類鋼鐵制造單元工業(yè)互聯(lián)網部署和建設。3

邊緣計算

邊緣層部署實施的核心目的是實現(xiàn)對可識別數(shù)據對象的有效管理和流轉，邊緣側所有功能設計都與數(shù)據和數(shù)據應用緊密相關。3.1邊緣計算是一個技術概念在流程驅動的傳統(tǒng)企業(yè)信息化系統(tǒng)中，每一層級都承載具體的業(yè)務功能，與企業(yè)的管理結構相適應，不存在邊緣的概念。所以，邊緣是一個技術概念，并沒有特定的業(yè)務內涵。邊緣之所以在工業(yè)領域受到關注，因為其在工業(yè)互聯(lián)網數(shù)據處理方面的特殊優(yōu)勢，而非其運行特定的業(yè)務功能。在討論邊緣計算技術應用時，經常會涉及加載何種業(yè)務。事實上，將傳統(tǒng)業(yè)務功能（非數(shù)據型應用）賦予邊緣側不是必須要做的工作，在邊緣節(jié)點上部署應用功能會因行業(yè)、企業(yè)、專業(yè)、個人而異，取決于具體的場景需求和邊緣資源的配置情況，應靈活加以應對。鋼鐵產線邊緣實施示意圖如圖2所示。圖2鋼鐵產線邊緣實施示意圖3.2邊緣需要一個平臺與云端中心不同，邊緣側平臺要在有限計算資源的條件下，滿足數(shù)據采集流動過程中數(shù)據處理的基本需求，減少通信帶寬、延遲和安全顧慮。平臺以數(shù)據采集、預處理和分析展示為核心功能，包括（但不限于）：（1）融合SCADA、過程控制系統(tǒng)，形成集實時數(shù)據采集、控制、計算和展示于一體的工業(yè)基礎自動化軟件，滿足工業(yè)現(xiàn)場機組級的智能監(jiān)控和過程控制需求；（2）對區(qū)域內數(shù)據進行實時串接勾連、時空對齊、減量解析、關聯(lián)建立、特征提取、規(guī)則發(fā)現(xiàn)等預處理等；（3）按統(tǒng)一的數(shù)據字典要求，對工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據進行標準化和基本數(shù)據處理，實現(xiàn)基礎數(shù)據模型構建；（4）在數(shù)據動態(tài)處理過程中，構建有邊界范圍內的區(qū)域數(shù)據池，并進行有限的數(shù)據緩存；（5）基于統(tǒng)一服務接口，與云中心進行數(shù)據交互；（6）加載基于本地數(shù)據的應用功能具有合理性，如：工業(yè)集控能力。2020年，寶信軟件的工業(yè)互聯(lián)網平臺xIn3Plat入圍國家級雙跨平臺行列。它由兩個平臺產品組成：云端部署的ePlat和邊緣部署iPlat，其中寶武工業(yè)互聯(lián)網平臺之邊緣平臺功能架構圖如圖3所示。圖3寶武工業(yè)互聯(lián)網平臺之邊緣平臺功能架構圖3.3邊緣數(shù)據處理與服務邊緣層聚焦數(shù)據處理能力，整合并轉化為標準的數(shù)據格式，重點考慮數(shù)據流轉和處理，支撐各種數(shù)據信息資源的快速集成，為訪問集成數(shù)據的應用提供統(tǒng)一數(shù)據模型和通用接口。為應對來自現(xiàn)場（端）的數(shù)據匯聚和融合需求，邊緣需要解決各類數(shù)據的存儲需求，包括：具有時間戳的流式數(shù)據存儲、過程控制中已經整理好的關系數(shù)據、經過數(shù)據對齊后的數(shù)據以及視頻媒體數(shù)據。邊緣節(jié)點要匯聚數(shù)據，必然產生數(shù)據治理的相關需求。邊緣層聚焦數(shù)據采集過程中的數(shù)據處理，重在解決數(shù)據定義、數(shù)據標準化、數(shù)據質量管理、數(shù)據資源管理、數(shù)據基礎建模和數(shù)據安全等方面的工作，經過處理后所形成的有意義的數(shù)據均送到云端大數(shù)據中心。4

邊緣計算節(jié)點的部署要求

在靠近物或數(shù)據源頭的一端部署邊緣節(jié)點，由網絡、計算、存儲、應用等構成的系統(tǒng)環(huán)境，提供近端服務、處理數(shù)據的規(guī)模取決于節(jié)點部署的總體考慮。4.1邊緣配置技術要求邊緣節(jié)點資源配置的技術考量：（1）邊緣的功能是解決實時性問題，一個高效的實時數(shù)據處理的技術方案是邊緣的核心，且考慮到邊緣節(jié)點直面生產設備，對可靠性有高要求，操作系統(tǒng)、數(shù)據庫、中間件等基礎關鍵資源宜采用成熟軟件；（2）考慮到邊緣節(jié)點具有一定的數(shù)量規(guī)模，采用統(tǒng)一的技術架構和標準化的解決方案，有利于低成本快速部署，支撐數(shù)據共享和業(yè)務協(xié)同，降低成本；（3）在邊緣采用成熟的云計算技術是可行的，包括：虛擬化技術、虛機動態(tài)漂移等，有利于提升系統(tǒng)資源的利用率，但不意味著邊緣是一個縮小版的云環(huán)境；（4）邊緣節(jié)點計算資源的配置需要靈活、輕量、穩(wěn)定、可靠，同時應具有一定的彈性擴展能力，支持未來的平滑擴充；（5）按照產線或工序建設的邊緣計算系統(tǒng)之間應采取隔離措施，保證資源邊界的清晰；（6）在有條件的情況下，可以集約化部署，實現(xiàn)集中運維，降低運維成本，需統(tǒng)籌考慮各類安全防護措施。4.2邊緣計算節(jié)點的部署場景在鋼鐵制造過程中，邊緣節(jié)點內環(huán)境的配置要兼顧存量產線的運行，場景部署上要有恰當?shù)慕鉀Q方案。（1）對于新建系統(tǒng)（產線、工序、工廠等）基于傳統(tǒng)過程計算機功能進行重構和擴展可以形成理想的邊緣計算環(huán)境，在完成SCADA服務（與監(jiān)控系統(tǒng)扁平化）、數(shù)據采集、模型計算、工序跟蹤等功能的基礎上，擴展智能網關功能，實現(xiàn)基本的數(shù)據服務和邊緣智能。（2）對于存量系統(tǒng)對于已經投運的產線，由于不可能對運行中的存量過程計算機（L2）系統(tǒng)進行功能改造，故需要一個額外的裝置（或系統(tǒng)），解決從各產線（機組、裝備）過程計算機采集數(shù)據，實現(xiàn)基本的數(shù)據服務和邊緣智能，稱為數(shù)據采集服務器?？紤]到經濟性和合理性，數(shù)據采集服務器可以視需求做一對多配置，在一個邊界清晰的區(qū)域范圍完成所有數(shù)據的采集和服務，從而擴展為區(qū)域數(shù)據服務器，如圖4所示。圖4用于新建和改造場景的區(qū)域服務器配置4.3邊緣部署規(guī)則（1）要清晰地定義區(qū)域的邊界，如：熱軋區(qū)域，由此部署區(qū)域服務器可以形成一個完整的數(shù)據樣本，充分體現(xiàn)數(shù)據之間的關聯(lián)關系；（2）消除按照專業(yè)（職能）分工設立的垂直數(shù)據通道，區(qū)域內所有數(shù)據統(tǒng)一匯聚到邊緣節(jié)點，以便形成完整的區(qū)域數(shù)據樣本，實現(xiàn)數(shù)據融合；（3）邊緣計算資源環(huán)境，除了完成原有的L2功能外，重點強化數(shù)據處理和服務功能；（4）在邊緣不建議部署大容量的存儲資源，由云端解決大量數(shù)據的長期存儲是合理的，且更具經濟性；（5）邊緣平臺應以解決實時性數(shù)據處理和應用為核心，且應盡量降低對邊緣硬件資源的需求，提供輕量級便捷部署的可行性方案；（6）除裝備（產線）之間必須的工藝聯(lián)鎖信號外，不建議邊緣節(jié)點之間留有進行大量數(shù)據交互的通道，邊緣節(jié)點之間的數(shù)據交互應通過其共享的云中心來協(xié)調實現(xiàn)；（7）不建議部署超出數(shù)據范圍的跨域集成應用。如：在以產線為對象配置邊緣節(jié)點的場景中，跨機組產線、跨工序、跨流程，進行服務融合、數(shù)據融合的集控開發(fā)是不合理的。5

邊緣計算的技術實踐

5.1邊緣與云端功能協(xié)同在工業(yè)互聯(lián)網環(huán)境下，幾乎所有的跨域應用功能都是在云端完成的，但需要邊緣做基礎的數(shù)據支撐，邊緣計算與云計算在網絡、業(yè)務、應用和智能方面進行協(xié)同至關重要。云、邊協(xié)同包括：

（1）云、邊平臺協(xié)同中國寶武工業(yè)互聯(lián)網平臺由兩個產品組成：ePlat、iPlat。其中，ePlat以云為核心部署，實現(xiàn)平臺內各業(yè)務流程的集成，以及企業(yè)、產業(yè)之間橫向緊密集成，從而構成生態(tài)圈建設的重要技術支撐；iPlat則部署在邊緣節(jié)點，支撐在工廠內部從端到云數(shù)據的縱向“穿透式”深度貫通，保證數(shù)據的流動和控制的閉環(huán)，兩個平臺構成一個“T”型骨架，相互協(xié)同，提供縱向和橫向兩個維度的互聯(lián)互通。平臺協(xié)同要求在平臺架構設計、技術路線選擇上具有強相關性和一致性，保證數(shù)據高效地流動，從而帶來高效的應用開發(fā)效率和絕妙的使用體驗。

（2）云、邊數(shù)據協(xié)同數(shù)據協(xié)同的基礎是數(shù)據接口的規(guī)范化、數(shù)據描述的一致化、數(shù)據應用的標準化和數(shù)據展示的一體化。邊緣側更適用局部性、實時、短周期數(shù)據的處理與分析，能更好地支撐本地業(yè)務的實時智能化決策與執(zhí)行；云端大數(shù)據中心擅長全局性、非實時、長周期、綜合性的大數(shù)據處理與分析，尤其是多源融合數(shù)據的全要素分析，能夠在長周期維護、業(yè)務決策支撐等領域發(fā)揮優(yōu)勢。邊緣計算的輸出成為云計算的輸入，而無需在云端重復所有數(shù)據準備相關的處理工作，可以大大提高計算的效率。

（3）云、邊應用協(xié)同邊緣端實時采集匯聚工廠單個工序（裝備、過程）的各類工藝過程數(shù)據、產品品質數(shù)據、設備狀態(tài)數(shù)據、能源消耗數(shù)據、語音及視頻等信號數(shù)據，按照時間和空間維度對數(shù)據進行勾連轉換、對齊處理、特征值提取加工，為現(xiàn)場提供實時的過程監(jiān)控診斷和機理模型控制，為云端數(shù)據采集進行數(shù)據預處理、單工序節(jié)點數(shù)據匯聚,支撐現(xiàn)場實時監(jiān)控診斷預警和在線動態(tài)優(yōu)化，其功能將覆蓋智能制造的方方面面，從實現(xiàn)監(jiān)控產線、車間、工廠，到為提升產品質量、降低成本、優(yōu)化企業(yè)運營等做基礎數(shù)據準備，存在廣闊的創(chuàng)新空間。云端通過一定的降頻，匯聚各專業(yè)生產經營管理數(shù)據和經過邊緣采集處理的現(xiàn)場生產過程數(shù)據，實現(xiàn)跨工序數(shù)據串接、全流程數(shù)據追溯和需要大規(guī)模數(shù)據的模型訓練，既服務于經營管理決策，又服務于現(xiàn)場生產控制策略的優(yōu)化，提供數(shù)據融合分析、在線決策支持和個性化數(shù)據服務；通過基地內部供需協(xié)同和專業(yè)協(xié)同，以及基地之間的資源協(xié)同改善企業(yè)運營效率，支撐總部從采購到銷售，從產品設計、制造到服務的一體化經營。5.2區(qū)域集控系統(tǒng)鋼鐵企業(yè)組織結構的設置是由工藝流程（鐵、鋼、軋等）決定的，工序構成了鋼鐵制造流程的基礎單元，工序業(yè)務的管理精細化對于鋼鐵企業(yè)的智能化運營至關重要。因此，面向工序（多產線）部署邊緣節(jié)點，形成區(qū)域數(shù)據服務，在內涵和外延上都是一個符合邏輯的選項。同時，由于傳統(tǒng)的企業(yè)信息化系統(tǒng)功能多為面向企業(yè)職能管理（產供銷等）設計開發(fā)，支撐工序環(huán)節(jié)實現(xiàn)更精細管理的系統(tǒng)工具和手段相對有限，不夠系統(tǒng)、完整，這在一定程度上削弱了精細化管理的能力，亟待加強。目前，在寶武各基地乃至整個鋼鐵行業(yè)，各類區(qū)域集控中心的建設方興未艾，受到“追捧”，除了減少人工、提高效率的需求驅動外，還需在一定程度上解決目前大工序區(qū)域管理抓手缺位的難題，針對改善基礎管理效率做出重要探索與嘗試。鄂鋼全廠操業(yè)中心如圖5所示。圖5鄂鋼全廠操業(yè)中心從表象上，面向工序的區(qū)域集控中心是將原來分散的操作室做物理集中，通過中心大屏融合信息展示，而本質上是通過重構原有分散隔離的業(yè)務系統(tǒng)功能來提高業(yè)務運行的效率。其中，邊緣節(jié)點融合匯聚了大量實時數(shù)據形成的區(qū)域數(shù)據池，產生了多結構數(shù)據融合解析、復雜控制模型、在線實時分析等諸多高實時性、短周期、本地決策應用場景，使工廠管理精細化具有可行性和可操作的空間。因此集控中心建設的深層邏輯是智能工廠的建設。以工序級（區(qū)域）集控系統(tǒng)為例（如：煉鋼），將邊緣側的功能分為以下類型：（1）監(jiān)控類：工藝過程、設備狀態(tài)實時監(jiān)控，并依據自動、手動等控制模式以及工藝模型輸出形成的控制指令，控制響應設備按照邏輯完成規(guī)定的過程；（2）模型類：根據工藝模型和工藝參數(shù)進行計算，形成控制指令，根據實際工況進行模型演算和模型優(yōu)化計算，以保證產品質量和生產穩(wěn)定運行；（3）跟蹤類：收集工藝過程和實績數(shù)據，對工藝過程各個環(huán)節(jié)和參數(shù)進行采集，并以可視化方式展現(xiàn)，幫助操作人員監(jiān)視生產過程；（4）數(shù)據類：根據業(yè)務需求，以各種協(xié)議和通信方式獲取所需的數(shù)據，并對數(shù)據進行預處理，如：噪音處理、異點剔除、數(shù)據缺失補充、時序對位、空間對位、減量解析等，形成可用的基礎數(shù)據模型隊列，將大量高頻次、多尺度、異構數(shù)據轉化成有序、關聯(lián)的數(shù)據隊列；（5）管控類：依據所接受的作業(yè)計劃、生產指令、制造規(guī)范等，基于區(qū)域數(shù)據，面向產品質量、工序成本、能源消耗、物料管理等進行實時的關聯(lián)性分析和動態(tài)判定，持續(xù)優(yōu)化模型和參數(shù)，為全流程的成本質量決策提供基礎數(shù)據要素。在上述集控中心主要功能設計中：功能（1）（2）（3）是過程計算機的傳統(tǒng)功能；功能（4）是作為邊緣節(jié)點處理數(shù)據的核心功能，功能（5）則是基于數(shù)據加載本地應用的附加功能。6

小結

邊緣計算的核心功能是面向數(shù)據，完成數(shù)據采集過程中的數(shù)據處理工作，節(jié)點部署、資源配置、功能設計等都圍繞這一核心來開展，故稱之為“以數(shù)