邊緣計(jì)算使能下的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)發(fā)展趨勢(shì)及關(guān)鍵技術(shù)

導(dǎo)讀：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是新一代信息通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與工業(yè)經(jīng)濟(jì)深度融合的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，通過(guò)對(duì)人、機(jī)、物的全面聯(lián)接，構(gòu)建覆蓋全生產(chǎn)鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、價(jià)值鏈的制造和服務(wù)體系，現(xiàn)階段采取以云平臺(tái)為基礎(chǔ)，其上疊加制造能力開(kāi)放、知識(shí)經(jīng)驗(yàn)復(fù)用等功能的模式進(jìn)行部署。然而，網(wǎng)聯(lián)設(shè)備的急劇增加以及數(shù)據(jù)分散性、碎片化的特征導(dǎo)致以云為核心的平臺(tái)模式處理能力捉襟見(jiàn)肘，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)逐漸向云-邊-端一體化演進(jìn)。本文分析工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下先進(jìn)制造的共性特征和變革性需求，旨在探索如何構(gòu)建滿(mǎn)足新特征、新需求的云-邊-端一體化平臺(tái)，并圍繞該問(wèn)題總結(jié)了發(fā)展未來(lái)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)面臨的五方面關(guān)鍵技術(shù)，即高效尋址與協(xié)議轉(zhuǎn)換、多維資源算力度量、網(wǎng)算控協(xié)同優(yōu)化、實(shí)時(shí)邊緣操作系統(tǒng)以及平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，搭建了基于所提出云-邊-端一體化平臺(tái)的個(gè)性化定制裝配驗(yàn)證平臺(tái)。1

引言

伴隨制造業(yè)變革與數(shù)字經(jīng)濟(jì)浪潮交匯融合，云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算、5G等信息技術(shù)與制造技術(shù)、工業(yè)知識(shí)的集成創(chuàng)新不斷加劇，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生，其核心目標(biāo)是通過(guò)工業(yè)系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)、信息和知識(shí)層面的深度融合，實(shí)現(xiàn)感知、分析、決策、控制的一體化應(yīng)用。目前，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)主要采用以云為核心的模式發(fā)展，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚，利用云平臺(tái)豐富的計(jì)算資源，疊加大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)知識(shí)模型化、軟件復(fù)用化的制造業(yè)生態(tài)。然而，人、機(jī)、物全要素互聯(lián)趨勢(shì)下，接入終端急劇增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)分散性、碎片化加劇，伴隨著生產(chǎn)業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性、可靠性、協(xié)作性等需求的不斷提高，現(xiàn)有模式處理能力捉襟見(jiàn)肘。工業(yè)邊緣計(jì)算具有規(guī)模大、分布零散，更靠近控制器和數(shù)據(jù)端以及本地化私密數(shù)據(jù)等特點(diǎn)，如圖1所示，通過(guò)在靠近制造的加工設(shè)備端部署邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行本地化的感知、決策、控制、分析一體化，可在降低網(wǎng)絡(luò)需求的同時(shí)提高響應(yīng)實(shí)時(shí)性，有效提高現(xiàn)有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)處理能力，發(fā)展云-邊-端一體化平臺(tái)成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的新方向。圖1邊緣計(jì)算作用體現(xiàn)2云-邊-端一體化平臺(tái)分析在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)萬(wàn)物互聯(lián)結(jié)構(gòu)化、生產(chǎn)制造流程化、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)體系化的演進(jìn)趨勢(shì)下，生產(chǎn)模式逐漸由傳統(tǒng)大規(guī)模流水線(xiàn)向個(gè)性化柔性轉(zhuǎn)變。特別在先進(jìn)制造中，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展使用了一系列具有高精密、高效、高安全等特殊需求的制造模式，以圖2中的工業(yè)遙操作系統(tǒng)為例，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造分離逐漸向產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造一體化轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)人機(jī)協(xié)作逐漸由指令傳輸向操作級(jí)協(xié)同轉(zhuǎn)變等。圖2工業(yè)遙操作系統(tǒng)因此，與現(xiàn)有主流云為核心的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)相比，新模式下的云-邊-端一體化平臺(tái)應(yīng)具備以下能力：（1）確定性時(shí)延保障能力以圖2為例，系統(tǒng)不僅需要確保指令傳輸和執(zhí)行的實(shí)時(shí)性與可靠性，還應(yīng)盡可能降低作業(yè)的執(zhí)行抖動(dòng)或?qū)崿F(xiàn)零抖動(dòng)，以確保高精密的加工和系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，令遠(yuǎn)端操作者產(chǎn)生“身臨其境”加工的感覺(jué)。（2）靈活可重構(gòu)能力智能制造定制化柔性生產(chǎn)的需求需要生產(chǎn)系統(tǒng)可以根據(jù)訂單對(duì)加工工序進(jìn)行靈活、動(dòng)態(tài)的排列組合。平臺(tái)中大量加工設(shè)備根據(jù)車(chē)間調(diào)度信息以類(lèi)似“即插即用”的方式加入或退出某段產(chǎn)線(xiàn)，并根據(jù)需求進(jìn)行自適應(yīng)的參數(shù)優(yōu)化配置。（3）規(guī)?；渴鹉芰θ?、機(jī)、物全要素互聯(lián)趨勢(shì)下，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)下的設(shè)備規(guī)模急劇增加，這一現(xiàn)象不僅表現(xiàn)為機(jī)器人數(shù)量增加，也體現(xiàn)為操作距離、控制目標(biāo)以及系統(tǒng)復(fù)雜度的指數(shù)增長(zhǎng)。因此，平臺(tái)不僅要具有支持廣域、大規(guī)模設(shè)備靈活接入的能力，還應(yīng)具有信道沖突避免、機(jī)器人碰撞預(yù)測(cè)等由規(guī)模增大帶來(lái)的安全性保障功能。3云-邊-端一體化平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)建具備確定性時(shí)延保障、靈活可重構(gòu)以及規(guī)模化部署能力的云-邊-端一體化平臺(tái)需突破以下幾方面關(guān)鍵技術(shù)：高效尋址與協(xié)議轉(zhuǎn)換、多維資源算力度量、網(wǎng)算控協(xié)同優(yōu)化、實(shí)時(shí)邊緣操作系統(tǒng)以及平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)。3.1

高效尋址與協(xié)議轉(zhuǎn)換英特爾中國(guó)預(yù)測(cè)至2025年，全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量將達(dá)到1000億臺(tái)，與此同時(shí)，工業(yè)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)協(xié)議七國(guó)八制的現(xiàn)象也隨之加劇，尤其在邊與端側(cè)，大規(guī)模異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的高效尋址與協(xié)議轉(zhuǎn)換成為云-邊-端一體化平臺(tái)需要突破的第一個(gè)核心問(wèn)題。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境有別于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)基于IP的尋址方式，大量工廠(chǎng)內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備并不具備IP環(huán)境，此外，工業(yè)系統(tǒng)層次復(fù)雜且設(shè)備與協(xié)議間存在綁定關(guān)系，現(xiàn)有基于OPCUA的協(xié)議轉(zhuǎn)換方式需要應(yīng)用層解析，不適用于運(yùn)動(dòng)控制、高精密加工等高實(shí)時(shí)場(chǎng)景，迫切需要突破高效尋址與協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)IP-非IP的高效尋址與應(yīng)用層協(xié)議的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換，為云-邊-端一體化平臺(tái)提供連接基礎(chǔ)，如圖3所示。圖3OSI參考模型中OPCUA描述3.2

多維資源算力度量近年來(lái)，隨著虛擬化技術(shù)的快速成熟，邊緣計(jì)算已初步突破傳統(tǒng)嵌入式程序與邊緣設(shè)備緊耦合問(wèn)題，然而，隨之帶來(lái)了新的問(wèn)題：Gartner預(yù)測(cè)，至2025年50%~75%的物聯(lián)數(shù)據(jù)在邊緣側(cè)處理，結(jié)合千萬(wàn)級(jí)的接入設(shè)備，如何在海量邊緣計(jì)算設(shè)備中為任務(wù)負(fù)載選擇適合的計(jì)算載體成為亟需解決的技術(shù)問(wèn)題，其本質(zhì)是如何在復(fù)雜的云-邊-端一體化平臺(tái)中，根據(jù)任務(wù)需求進(jìn)行資源的按需分配。傳統(tǒng)以云計(jì)算為核心的平臺(tái)采用同構(gòu)處理器集中式的規(guī)模化運(yùn)算，計(jì)算負(fù)載時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)與處理器數(shù)量關(guān)系簡(jiǎn)單，云端的計(jì)算資源調(diào)度相對(duì)成熟。然而，云-邊-端一體化平臺(tái)中計(jì)算資源結(jié)構(gòu)復(fù)雜，邊緣計(jì)算中異構(gòu)的節(jié)點(diǎn)性能往往難以通過(guò)處理器主頻等簡(jiǎn)單手段進(jìn)行量化，相同的計(jì)算任務(wù)在不同處理器中執(zhí)行的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)難以保障，由此可導(dǎo)致控制節(jié)拍下的配置參數(shù)錯(cuò)誤等系統(tǒng)故障。此外，任務(wù)卸載或遷移時(shí)，網(wǎng)絡(luò)帶寬等多維因素對(duì)任務(wù)執(zhí)行時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)也會(huì)產(chǎn)生影響。具體來(lái)說(shuō)，云-邊-端一體化平臺(tái)下的任務(wù)執(zhí)行時(shí)間受處理器結(jié)構(gòu)，帶寬、緩存等瓶頸資源的綜合影響。云-邊-端一體化平臺(tái)在進(jìn)行卸載和遷移操作前，需要根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的實(shí)際負(fù)載和資源結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以確保任務(wù)部署后的最壞執(zhí)行時(shí)間（Worst-caseExecutionTime，WCET）滿(mǎn)足其實(shí)時(shí)性需求，并通過(guò)現(xiàn)有虛擬化和實(shí)時(shí)演算技術(shù)提供資源的按需分配、動(dòng)態(tài)配置、負(fù)載預(yù)測(cè)等技術(shù)支持。如圖4所示。圖4多維資源量化3.3

網(wǎng)算控協(xié)同優(yōu)化云-邊-端一體化的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)使跨域高效流程化及高精密人機(jī)協(xié)同成為可能。平臺(tái)將產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、制造運(yùn)行各個(gè)環(huán)節(jié)涉及的人、機(jī)、物互聯(lián)，利用部署在制造設(shè)備附近的邊緣計(jì)算資源提供實(shí)時(shí)高效的在線(xiàn)設(shè)計(jì)、有限元分析等，并根據(jù)分析結(jié)果實(shí)時(shí)優(yōu)化控制參數(shù)及多控制回路下的網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算資源配置，將傳統(tǒng)反復(fù)的人工測(cè)量分析再設(shè)計(jì)的制造模式，轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì)-制造一體化的人機(jī)操作級(jí)協(xié)同模式。以圖2為例，機(jī)械臂控制的穩(wěn)定性受延時(shí)及抖動(dòng)影響巨大，過(guò)大的時(shí)延將導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法收斂，甚至發(fā)生故障。而時(shí)延又由網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算效率及資源分配方式?jīng)Q定，因此，亟需探索網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、控制三者高度融合下的機(jī)理關(guān)系。然而，不同于計(jì)算機(jī)、通信、自動(dòng)化等單一學(xué)科，云-邊-端一體化平臺(tái)的應(yīng)用場(chǎng)景環(huán)境、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，系統(tǒng)穩(wěn)定性與操作性間的矛盾以及異構(gòu)共享資源的局限性等因素，導(dǎo)致突破網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算與控制高度融合下的機(jī)理關(guān)系迫在眉睫，將網(wǎng)絡(luò)傳輸中的速率、丟包率，計(jì)算系統(tǒng)中執(zhí)行效率相關(guān)的資源利用率、數(shù)據(jù)依賴(lài)性以及控制系統(tǒng)中的穩(wěn)定性、狀態(tài)信息等進(jìn)行全局考慮，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)算控的協(xié)同優(yōu)化。3.4

實(shí)時(shí)邊緣操作系統(tǒng)云-邊-端一體化平臺(tái)也對(duì)操作系統(tǒng)方面提出了新的技術(shù)要求。與傳統(tǒng)操作系統(tǒng)不同，平臺(tái)中邊緣計(jì)算操作系統(tǒng)起到承上啟下的作用：向上需要處理大量的異構(gòu)數(shù)據(jù)以及需求各異的任務(wù)負(fù)載，如任務(wù)負(fù)載在邊緣側(cè)的部署、調(diào)度、遷移、優(yōu)化，是否需要上傳至云端進(jìn)行高性能計(jì)算等；向下，邊緣計(jì)算操作系統(tǒng)需要管理異構(gòu)的計(jì)算資源、控制器行為等。邊緣操作系統(tǒng)作為平臺(tái)實(shí)時(shí)性能力主要體現(xiàn)的同時(shí)，還需處理50%~75%的海量工業(yè)數(shù)據(jù)，與現(xiàn)有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)相比，邊緣側(cè)的實(shí)時(shí)邊緣操作系統(tǒng)在處理能力、輕量化、管理框架等方面存在較大差異。現(xiàn)有操作系統(tǒng)可具備部分邊緣操作系統(tǒng)的功能。機(jī)器人操作系統(tǒng)（RobotOperatingSystem，ROS）具有硬件抽象和驅(qū)動(dòng)、消息通信、軟件包管理等功能，被廣泛應(yīng)用于高精密加工、車(chē)間智慧物流等工業(yè)場(chǎng)景，然而現(xiàn)有的ROS還難以同時(shí)支持大規(guī)模的邊緣節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)處理等功能；國(guó)內(nèi)首款面向邊緣計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)HopeEdge，可以實(shí)現(xiàn)各類(lèi)IoT設(shè)備與云端的連接，具備輕量安全、自主可控、高效互聯(lián)以及快速部署等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于智慧能源、智能零售、智慧園區(qū)等場(chǎng)景。盡管其實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模邊緣節(jié)點(diǎn)及設(shè)備的互聯(lián)等功能，但在時(shí)間敏感任務(wù)的調(diào)度、遷移以及實(shí)時(shí)資源按需分配等功能方面還與制造業(yè)需求存在一定差距。綜上，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足工業(yè)需求的輕量、彈性、實(shí)時(shí)、高效邊緣操作系統(tǒng)是構(gòu)建云-邊-端一體化平臺(tái)的核心技術(shù)之一。3.5

平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)云-邊-端一體化平臺(tái)以滿(mǎn)足“三鏈”安全可靠互聯(lián)和人、機(jī)、物網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同的發(fā)展為目標(biāo)，將有力支撐“可重構(gòu)生產(chǎn)”等高端制造模式。云-邊-端一體化平臺(tái)主要可劃分為邊緣層，平臺(tái)層以及應(yīng)用層三方面，如圖5所示。圖5平臺(tái)架構(gòu)邊緣層作為最靠近操作終端的設(shè)施，具有規(guī)模廣、結(jié)構(gòu)差異大的特點(diǎn)，主要功能包括設(shè)備管理、資源管理、運(yùn)維管理等，通過(guò)高性能計(jì)算芯片、輕量化計(jì)算方法以及實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)，對(duì)海量工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行先處理和預(yù)處理，在降低網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)的同時(shí)提升云-邊-端一體化平臺(tái)響應(yīng)速度。平臺(tái)層是云-邊-端一體化平臺(tái)的核心，基于通用PaaS疊加大數(shù)據(jù)處理、工業(yè)數(shù)據(jù)分析、工業(yè)微服務(wù)等創(chuàng)新功能，構(gòu)建可擴(kuò)展的開(kāi)放式云操作系統(tǒng)。它的根本是在邊緣層上構(gòu)建了一個(gè)擴(kuò)展性強(qiáng)的支持系統(tǒng)，為工業(yè)應(yīng)用或軟件的開(kāi)發(fā)提供了良好的基礎(chǔ)平臺(tái)，同時(shí)，平臺(tái)層擁有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，可以進(jìn)行高效的機(jī)理建模、模型訓(xùn)練、分析等工作。應(yīng)用層是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的關(guān)鍵部分，該層形成滿(mǎn)足不同行業(yè)、不同場(chǎng)景的工業(yè)SaaS和工業(yè)App，形成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的最終價(jià)值。應(yīng)用層不但提供了設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等一系列創(chuàng)新性業(yè)務(wù)應(yīng)用，也構(gòu)建了良好的工業(yè)App創(chuàng)新環(huán)境，使開(kāi)發(fā)者基于平臺(tái)數(shù)據(jù)及微服務(wù)功能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用創(chuàng)新。4

垂直行業(yè)案例

當(dāng)前大批量剛性生產(chǎn)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、IT管理軟件針對(duì)既定產(chǎn)品設(shè)計(jì)部署，當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)變更后，現(xiàn)有的生產(chǎn)系統(tǒng)無(wú)法快速地響應(yīng)變化，剛性生產(chǎn)線(xiàn)無(wú)法支撐日益增長(zhǎng)的大批量個(gè)性化定制需求。針對(duì)這一問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所提出了自適應(yīng)模塊化智能制造解決方案。通過(guò)將傳統(tǒng)生產(chǎn)線(xiàn)解耦為模塊化生產(chǎn)單元，利用自主研發(fā)的WIA工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)和工業(yè)軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將控制系統(tǒng)由傳統(tǒng)的有線(xiàn)部署轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)線(xiàn)化的靈活部署，助力機(jī)械結(jié)構(gòu)的解耦，并通過(guò)“物源”平臺(tái)的邊緣控制器和集成的人工智能算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人等設(shè)備的自主智能運(yùn)行以及工廠(chǎng)數(shù)字孿生中設(shè)備的虛實(shí)融合與聯(lián)動(dòng)，然后由“物源”平臺(tái)的管控一體化柔性控制軟件將工序工步自適應(yīng)重組，驅(qū)動(dòng)模塊化生產(chǎn)單元的自適應(yīng)重構(gòu)，如圖6所示。改造成本大大壓縮，調(diào)整周期顯著縮短。圖6演示方案具體方案實(shí)現(xiàn)如下：（1）機(jī)器視覺(jué)——在目標(biāo)識(shí)別區(qū)域內(nèi)，通過(guò)雙目相機(jī)進(jìn)行物體識(shí)別與測(cè)量，并在邊緣控制器中進(jìn)行圖像預(yù)處理，提取物體邊界與深度信息。（2）動(dòng)態(tài)可變工序——演示操作系統(tǒng)采用PubSub機(jī)制與邊緣云交互，通過(guò)自主分析或人為指定方式確定物品抓取順序。（3）人工智能與自動(dòng)代碼生成——在邊緣云中進(jìn)行基于深度學(xué)習(xí)的方式自主分析和決策出物體抓取點(diǎn)信息，通過(guò)自動(dòng)代碼生成技術(shù)在線(xiàn)生成機(jī)器人作業(yè)指令。（4）邊云協(xié)同——在邊緣網(wǎng)關(guān)與邊緣控制器構(gòu)建的邊緣網(wǎng)絡(luò)環(huán)境