面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算的工業(yè)數(shù)字底座

導(dǎo)讀：在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與邊緣計(jì)算的推動(dòng)下，工業(yè)正進(jìn)入變革期。要打破工業(yè)系統(tǒng)長(zhǎng)期以來(lái)形成的壁壘，OT、CT與IT深度融合是亟需解決的挑戰(zhàn)。工業(yè)邊緣計(jì)算從終端智能化、網(wǎng)絡(luò)透明化與軟件虛擬化等三方面著手，從而形成一套OICT高度整合的工業(yè)數(shù)字底座，配合工業(yè)云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備賦能，完成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與邊緣計(jì)算的閉環(huán)，將在工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)革命性突破，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)落地奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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(chǎng)，邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)作為端與云的連接點(diǎn)，始終無(wú)法真正發(fā)揮其巨大作用。一方面，現(xiàn)場(chǎng)端側(cè)系統(tǒng)與設(shè)備的封閉使得邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)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(jì)算節(jié)點(diǎn)給系統(tǒng)提供了大量額外的計(jì)算與儲(chǔ)存資源，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的多樣性也使得這些資源無(wú)法與現(xiàn)有設(shè)備資源通過(guò)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫整合到一起，使得工業(yè)邊緣計(jì)算處于一種“食之無(wú)味、棄之可惜”的狀態(tài)。要實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)萬(wàn)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(jì)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(jì)算架構(gòu)演進(jìn)在邊緣側(cè)，一體化的新邊緣節(jié)點(diǎn)將取代原有ISA-95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(jì)算節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。除此之外，這些節(jié)點(diǎn)還能夠承擔(dān)新的任務(wù)類(lèi)型，例如數(shù)據(jù)采集處理、機(jī)器學(xué)習(xí)等計(jì)算類(lèi)任務(wù)，并且基于數(shù)據(jù)分析結(jié)果對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化。在云端，設(shè)計(jì)、研發(fā)、測(cè)試、管理等各類(lèi)工業(yè)軟件將逐步實(shí)現(xiàn)服務(wù)化，即用戶(hù)無(wú)需安裝任何軟件，直接通過(guò)訪問(wèn)云端來(lái)完成工作。而各個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)與云平臺(tái)之間則可以通過(guò)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互與決策部署下發(fā)，從而真正實(shí)現(xiàn)全計(jì)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(shí)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(chēng)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(jì)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(shí)時(shí)性與可靠性的基礎(chǔ)上，通過(guò)融合計(jì)算、儲(chǔ)存與網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化從設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、測(cè)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(jì)算節(jié)點(diǎn)能夠提供足夠的算力與儲(chǔ)存能力來(lái)滿(mǎn)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(jì)開(kāi)發(fā)語(yǔ)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(lái)描繪工業(yè)數(shù)字底座的特性與實(shí)現(xiàn)路徑。圖2面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算的工業(yè)數(shù)字底座特征

2

“全計(jì)算”—智能化硬件終端一個(gè)符合工業(yè)數(shù)字底座要求的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)首先要有一定的算力與儲(chǔ)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(chǔ)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(jì)算機(jī)。按照算力與儲(chǔ)存能力劃分，可以將邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)分為三個(gè)等級(jí)。第一等級(jí)（L1）的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)具備一定的計(jì)算與儲(chǔ)存能力，擁有執(zhí)行例如感知、驅(qū)動(dòng)設(shè)備、監(jiān)控界面等單一任務(wù)的能力。L1等級(jí)的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)不具備同時(shí)運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用的能力，也無(wú)法與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作共同完成任務(wù)。此外，由于任務(wù)單一，此類(lèi)設(shè)備通常無(wú)需實(shí)時(shí)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(jí)的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)可以對(duì)應(yīng)ISA-95架構(gòu)中的L0層設(shè)備。在儲(chǔ)存方面應(yīng)該能夠保證小型系統(tǒng)與設(shè)備一定時(shí)間的數(shù)據(jù)緩存要求。第二等級(jí)（L2）的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)則具備較強(qiáng)的計(jì)算與儲(chǔ)存能力，能夠同時(shí)運(yùn)行多個(gè)L1節(jié)點(diǎn)任務(wù)，還能支撐大型工業(yè)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)作。在滿(mǎn)足ISA-95架構(gòu)中L1控制層的實(shí)時(shí)性要求的基礎(chǔ)上，也應(yīng)該整合L2監(jiān)控層的需求。同時(shí)，多個(gè)L2級(jí)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間可以相互協(xié)作來(lái)完成分布式任務(wù)，例如離散制造中多個(gè)機(jī)器人冗余與協(xié)同、過(guò)程控制中多個(gè)工藝動(dòng)態(tài)優(yōu)化等。為支撐多個(gè)應(yīng)用同時(shí)運(yùn)行，L2級(jí)別的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)通常搭載有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來(lái)保障任務(wù)的實(shí)時(shí)性與可靠性。多個(gè)異構(gòu)L2邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)設(shè)備，比如邊緣控制器、邊緣網(wǎng)關(guān)等組合起來(lái)能完成大型PLC或DCS系統(tǒng)的所有功能，同時(shí)也能兼顧SCADA/HMI系統(tǒng)的部分功能，緩存較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)程運(yùn)行數(shù)據(jù)，并且支持對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗與預(yù)處理工作。第三等級(jí)（L3）的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)則具備極強(qiáng)的計(jì)算與儲(chǔ)存能力，可以通過(guò)多CPU多核來(lái)滿(mǎn)足強(qiáng)實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的在線優(yōu)化。此類(lèi)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)包括服務(wù)器或本地云，通常工廠對(duì)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(guò)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(shí)際應(yīng)用需求來(lái)調(diào)配計(jì)算與儲(chǔ)存資源，也可以實(shí)現(xiàn)熱備份冗余、熱插拔、主動(dòng)防御策略等來(lái)保證不間斷的生產(chǎn)過(guò)程。同時(shí)，每個(gè)虛擬化環(huán)境能夠根據(jù)需求搭載不同的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。原則上，L3級(jí)的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)能夠滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)所有的需求。實(shí)現(xiàn)每個(gè)硬件終端都能作為計(jì)算節(jié)點(diǎn)，需要標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、易擴(kuò)展的硬件平臺(tái)來(lái)支撐各個(gè)等級(jí)的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)要求。用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)規(guī)模與功能規(guī)格選擇合適的節(jié)點(diǎn)數(shù)量、CPU內(nèi)核數(shù)量、I/O接口數(shù)量等，真正實(shí)現(xiàn)每個(gè)節(jié)點(diǎn)全都能作為計(jì)算資源支撐邊緣應(yīng)用運(yùn)行。

3

“全聯(lián)接”—透明化網(wǎng)絡(luò)傳輸有了“全計(jì)算”的硬件支撐后，下一個(gè)需要解決的是通訊問(wèn)題。現(xiàn)有工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通訊情況較為復(fù)雜，在ISA-95L0與L1層之間存在著“七國(guó)八制”的問(wèn)題，常用的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線就有二十余種，例如PROFIBUS/PROFINET、Modbus/TCP、Ethernet/IP、EtherCAT等。這些總線通?？梢苑譃閮深?lèi)：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(chǎng)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(chǎng)采用基于RS485的串行通訊方式來(lái)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(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算落地，“全聯(lián)接”成為了一個(gè)必須要面對(duì)的挑戰(zhàn)。無(wú)論是哪種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線，目的都是為了保證控制器與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備模塊間的確定性通訊，即在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成I/O數(shù)據(jù)的交互。這里的規(guī)定時(shí)間通常指的是PLC輪詢(xún)時(shí)間，即最差執(zhí)行時(shí)間（WorstCaseExecutionTime）。為保證控制器與I/O設(shè)備同步，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線必須在每一輪詢(xún)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(shí)時(shí)性要求相對(duì)較低，基本已經(jīng)實(shí)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(gè)關(guān)鍵問(wèn)題即如何打通這兩大網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)從云到設(shè)備的一網(wǎng)到底。近年來(lái)，各種新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)層出不窮，例如IEEE802工作組正在積極制定與推動(dòng)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time-SensitiveNetworking，TSN）來(lái)取代現(xiàn)有工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線。TSN在數(shù)據(jù)鏈路層針對(duì)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(kāi)始，包括時(shí)間同步、調(diào)度與整形等一系列三十余個(gè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)布或正在制定中。TSN可以保證時(shí)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(duì)于TSN更多地針對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行修改，確定性IP網(wǎng)絡(luò)（DeterministicIP）則是基于網(wǎng)絡(luò)層，通過(guò)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(bào)文傳輸?shù)臅r(shí)延上限。確定性IP網(wǎng)絡(luò)還通過(guò)資源預(yù)留與路徑規(guī)劃的方式，可以隨時(shí)創(chuàng)建確定性路徑，進(jìn)一步地保證了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的IP化。此外，5G（5.5G）、Wi-Fi6等無(wú)線技術(shù)，也通過(guò)冗余通道的方式來(lái)保證通訊時(shí)延的確定性，減小抖動(dòng)時(shí)間。但是由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的強(qiáng)干擾，容易造成丟包等錯(cuò)誤，從而嚴(yán)重影響工業(yè)實(shí)時(shí)控制的可靠性，目前工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)多數(shù)都應(yīng)用于實(shí)時(shí)性與可靠性要求相對(duì)較低的場(chǎng)景，想大規(guī)模部署還需要進(jìn)一步降低最差執(zhí)行時(shí)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)工業(yè)控制系統(tǒng)在保證通訊的實(shí)時(shí)性與可靠性的前提下，盡可能地降低成本。對(duì)大多數(shù)工業(yè)場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，只要能滿(mǎn)足這些基本訴求，終端用戶(hù)并不會(huì)指定具體使用的通訊協(xié)議網(wǎng)絡(luò)。因此，要實(shí)現(xiàn)工業(yè)云平臺(tái)與邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)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(shí)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(chǎng)的實(shí)際情況，每個(gè)工廠可以將TSN、DIP、APL/IP、工業(yè)5.5G、Wi-Fi6、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(chǎng)設(shè)備搭載的軟件基本上都是“專(zhuān)機(jī)專(zhuān)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(shí)，軟件無(wú)法被直接應(yīng)用移植。當(dāng)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)具備了可支配計(jì)算與儲(chǔ)存能力，以及基于IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)確定性通訊之后，軟件形態(tài)也需要改變來(lái)適應(yīng)這些新的特性。要實(shí)現(xiàn)軟件可復(fù)用、可移植、可重構(gòu)等特性，需要實(shí)現(xiàn)軟硬件的徹底解耦，現(xiàn)有的工業(yè)邊緣計(jì)算應(yīng)用開(kāi)發(fā)方式首先需要變革。在設(shè)計(jì)時(shí)，工程師可以使用一套設(shè)計(jì)語(yǔ)言與開(kāi)發(fā)環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的工業(yè)邊緣計(jì)算應(yīng)用開(kāi)發(fā)；在部署時(shí)，工程師可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)一鍵下發(fā)并且能自由調(diào)整部署方案；在運(yùn)行時(shí)，工業(yè)邊緣計(jì)算應(yīng)用則可以根據(jù)實(shí)時(shí)需求變化來(lái)動(dòng)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(jì)算應(yīng)用開(kāi)發(fā)與運(yùn)行環(huán)境。開(kāi)放自動(dòng)化系統(tǒng)及其標(biāo)準(zhǔn)IEC61499正逢其時(shí)。IEC61499標(biāo)準(zhǔn)提出的分布式工業(yè)控制軟件系統(tǒng)級(jí)建模語(yǔ)言，以圖形化的功能塊網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，通過(guò)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(shí)現(xiàn)了軟硬件解耦設(shè)計(jì)、一體化系統(tǒng)部署以及分布式運(yùn)行協(xié)作等一系列OT與IT融合關(guān)鍵問(wèn)題。以此為基礎(chǔ)，通過(guò)將IEC61499運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)與虛擬化技術(shù)結(jié)合，將C/C++、Python、IEC61131-3等不同編程語(yǔ)言編寫(xiě)的代碼通過(guò)統(tǒng)一接口的功能塊封裝，將功能塊網(wǎng)絡(luò)作為輕量級(jí)容器打包下發(fā)到設(shè)備，在確保實(shí)時(shí)性與可靠性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自發(fā)現(xiàn)、自診斷、自?xún)?yōu)化等智能化管理功能，形成“全解耦”的工業(yè)邊緣計(jì)算應(yīng)用軟件。

5

工業(yè)數(shù)字底座應(yīng)用前景由開(kāi)放硬件計(jì)算平臺(tái)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(jì)算”使得一臺(tái)算力強(qiáng)大的邊緣節(jié)點(diǎn)設(shè)備可以替代多臺(tái)專(zhuān)用設(shè)備，軟件可以根據(jù)實(shí)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(shí)時(shí)要求的工業(yè)生產(chǎn)任務(wù)，還能實(shí)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(jì)算節(jié)點(diǎn)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控邊緣應(yīng)用軟件的運(yùn)行狀態(tài)，針對(duì)突發(fā)狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)配負(fù)載，從而保證了工業(yè)邊緣計(jì)算系統(tǒng)的可靠性。具備“全計(jì)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(lái)革命性的進(jìn)步，在保證實(shí)時(shí)性與可靠性的同時(shí)，大幅度提升了系統(tǒng)的靈活性，降低了從設(shè)計(jì)到運(yùn)維的全生命周期成本?；诠I(yè)數(shù)字底座，2021年5月由華為、紫金山實(shí)驗(yàn)室、上海交通大學(xué)與寶信軟件共同完成了全球首個(gè)廣域云化PLC實(shí)驗(yàn)，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IEC61499運(yùn)行環(huán)境，在鋼鐵行業(yè)中，實(shí)現(xiàn)了在相距600公里間的兩個(gè)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)