流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書

流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書（2022年）

一、邊緣計算在流程行業(yè)的應(yīng)用價值

（一）流程行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展對邊緣計算能力的需求分析

1.流程行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型面臨的挑戰(zhàn)

隨著工業(yè)化和經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國的流程行業(yè)正向著數(shù)字化、

智能化的方向發(fā)展轉(zhuǎn)型，但是制約流程行業(yè)轉(zhuǎn)型的因素仍存在很多，

主要體現(xiàn)如下：存在信息孤島現(xiàn)象，信息傳遞不及時全面；數(shù)據(jù)價值

挖掘不深入，存在行業(yè)know-how壁壘；傳統(tǒng)設(shè)備維護資源耗費大，

預(yù)測性維護應(yīng)用不廣泛；各系統(tǒng)層次架構(gòu)不清晰，異構(gòu)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)協(xié)

同程度低；智能控制技術(shù)應(yīng)用不足，節(jié)能技術(shù)改造任重道遠等均給流

程行業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展造成阻礙。

存在信息孤島現(xiàn)象，信息傳遞不及時全面。

流程行業(yè)大量設(shè)備和傳感器處于環(huán)境極端、地理偏遠地區(qū)，不具

備良好網(wǎng)絡(luò)條件，設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)無法被及時采集。同時，設(shè)備普

遍轉(zhuǎn)數(shù)較高且數(shù)據(jù)量大，也給采集造成了困難。另外，不同供應(yīng)商不

同時期上線的控制系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)以及輔助業(yè)務(wù)系統(tǒng)

間往往相互獨立，數(shù)據(jù)不能有效地交換和共享。

數(shù)據(jù)價值挖掘不深入，存在行業(yè)know-how壁壘。

流程行業(yè)現(xiàn)場實時產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，包含著豐富信息，這些信息真

實地反映著現(xiàn)場的運行狀態(tài)，對其有效挖掘和利用對于企業(yè)的生產(chǎn)優(yōu)

化和正確決策有重要意義。一般情況下，現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析主要由具有豐

富行業(yè)經(jīng)驗的專業(yè)人員完成，存在技術(shù)壁壘，而且，靠專業(yè)人員完成

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的數(shù)據(jù)分析有時也難以全面覆蓋所有數(shù)據(jù)。另外，流程行業(yè)某些傳統(tǒng)

工藝會受環(huán)境、季節(jié)、催化劑和傳感器老化等因素影響，具有時變性

質(zhì)，固定參數(shù)的靜態(tài)模型因不能表示這樣的時變過程而產(chǎn)生大量誤報，

造成工廠或設(shè)備單元停產(chǎn)，導(dǎo)致?lián)p失。

傳統(tǒng)設(shè)備維護耗費大，預(yù)測性維護應(yīng)用不廣。

流程行業(yè)產(chǎn)線固定、設(shè)備投資大，需要通過維護延長設(shè)備使用周

期。目前，對設(shè)備的檢修維護模式為計劃性檢修，根據(jù)設(shè)備生產(chǎn)商提

供的經(jīng)驗或數(shù)據(jù)，制定周期性維護計劃，當設(shè)備達到檢修期限，無論

設(shè)備狀態(tài)如何，都統(tǒng)一進行更換、升級。預(yù)測性維護通過實時采集設(shè)

備運行數(shù)據(jù)進行分析判斷，按需檢修，能夠有效降低人員工作量、減

少現(xiàn)場停機時間和提高設(shè)備使用壽命，但目前其應(yīng)用在傳統(tǒng)流程行業(yè)

并未廣泛鋪開。

智能控制技術(shù)應(yīng)用不足，節(jié)能技術(shù)改造任重道遠。

流程行業(yè)高耗能、高排放，普遍使用能源管理系統(tǒng)進行企業(yè)能耗

的監(jiān)視和管理調(diào)度，這種事后處理方式，難以滿足現(xiàn)階段“雙碳”對

于企業(yè)節(jié)能減排的相關(guān)要求。智能的信息模型和先進的控制算法的應(yīng)

用，可以完善現(xiàn)有的能源策略和優(yōu)化工藝流程，實現(xiàn)對能源的統(tǒng)一調(diào)

度、動態(tài)平衡和高效配置，從根本上減少能耗和排放，但相關(guān)解決方

案在流程行業(yè)的應(yīng)用仍不充分。

2.邊緣計算為流程行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展帶來的現(xiàn)場價值

邊緣計算是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡(luò)、計算、

存儲、應(yīng)用核心能力的分布式開放架構(gòu)，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、實時業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與

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隱私保護等方面的關(guān)鍵需求。邊緣計算主要在如下方面給流程行業(yè)帶

來現(xiàn)場價值：

增強數(shù)據(jù)處理的實時性，減輕云端計算壓力。

邊緣計算在現(xiàn)場側(cè)對設(shè)備、傳感器和儀表等終端進行數(shù)據(jù)采集，

有效避免了以往將數(shù)據(jù)長距離傳輸至中心機房或云端而面臨的網(wǎng)絡(luò)

資源不足和信號干擾等問題的風險，可以最大限度地保證數(shù)據(jù)采集的

實時性。同時，通過邊緣側(cè)提供的算力，可以對采集的數(shù)據(jù)進行實時

的過濾、處理、分析和反饋，極大地減輕了全量數(shù)據(jù)在云端進行處理

的算力壓力。另外，通過邊緣計算提供的開放性的平臺，可以實現(xiàn)不

同供應(yīng)商不同時期上線系統(tǒng)的利舊和互通融合。

充分發(fā)揮數(shù)據(jù)價值，助力打破行業(yè)know-how。

邊緣計算結(jié)合人工智能可以助力流程行業(yè)數(shù)據(jù)價值的深入挖掘，

解決現(xiàn)有數(shù)據(jù)模型不能反應(yīng)真實場景的問題，打破行業(yè)know-how壁

壘。邊緣計算對從傳感器和執(zhí)行器采集的數(shù)據(jù)進行過濾、預(yù)處理，然

后訓(xùn)練人工智能模型，使模型不斷更新，最大程度接近真實場景，從

而提高工藝模型的精確性，減少誤報，提升數(shù)據(jù)的價值。

結(jié)合預(yù)測性維護技術(shù)，提升設(shè)備生產(chǎn)效率。

流程行業(yè)因其設(shè)備需保證長時間無故障運轉(zhuǎn)，設(shè)備維護尤其重要。

邊緣計算可以通過設(shè)備數(shù)據(jù)的獲取和特征提取分析，進行狀態(tài)識別和

設(shè)備健康度預(yù)測，最后通過判定預(yù)測可信度來確定維護策略并實施維

護。邊緣計算結(jié)合預(yù)測性維護可以優(yōu)化維護成本、最大化提升生產(chǎn)效

率、減少設(shè)備停機時間和提高設(shè)備的使用壽命。隨著傳感器和邊緣計

算技術(shù)的日趨成熟，預(yù)測性維護的準確性和成熟度會更快地發(fā)展和突

破，在流程行業(yè)的應(yīng)用也會越來越廣泛。

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優(yōu)化生產(chǎn)工藝，助力節(jié)能降碳。

流程行業(yè)傳統(tǒng)的控制方式是PID（比例-積分-微分）控制，缺點

是難以處理多變量和控制滯后。目前，有些工業(yè)控制企業(yè)集成了模型

預(yù)測控制軟件系統(tǒng)作為系統(tǒng)級邊緣計算載體，通過利用預(yù)測模型、系

統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)以及未來輸入來預(yù)測系統(tǒng)未來的輸出。這種邊緣計算控制

系統(tǒng)能夠通過降低系統(tǒng)反應(yīng)時的波動振幅來改造整體工藝的效果和

量化價值，達到降低能耗、減少碳排放的核心目的。同時，利用動態(tài)

數(shù)學模型可以快速進行工程投入，縮短模型學習時間，降低實施成本。

（二）邊緣計算在流程行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.邊緣計算在電力行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

電力產(chǎn)品在人們社會生活中的特殊地位，使其在發(fā)電、輸電、配

電、售電和用電過程中的實時性和可靠性具有極強的經(jīng)濟意義。電力

企業(yè)生產(chǎn)過程中有信息流、物質(zhì)流和連續(xù)的能源流產(chǎn)生，并伴隨著復(fù)

雜的物理化學反應(yīng)和物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化傳遞。提高電網(wǎng)企業(yè)和發(fā)電企業(yè)在

設(shè)備數(shù)據(jù)收集、設(shè)備智慧運維和用電發(fā)電安全監(jiān)控等方面的效能，成

為亟待解決的難題。邊緣計算技術(shù)的應(yīng)用可以幫助電力行業(yè)解決上述

難題。邊緣計算在構(gòu)建低時延、輕量級、高可靠和智能化的智慧電網(wǎng)

方面具有明顯優(yōu)勢，目前，邊緣計算在電力領(lǐng)域的應(yīng)用以實時數(shù)據(jù)采

集和邊緣智能為主。首先，邊緣計算解決了從控制系統(tǒng)有序高效地采

集實時數(shù)據(jù)，并按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準把數(shù)據(jù)匯集到區(qū)域數(shù)據(jù)中心的問

題。在現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)采集的過程中，標準的統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)逐步形成，廣泛

的協(xié)議解析能力也得到強化，使現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集更加標準化、自動化和

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靈活化。其次，隨著邊緣端的數(shù)據(jù)處理能力不斷強化，邊緣智能將成

為電力行業(yè)發(fā)展的重要趨勢。

當前，頭部能源行業(yè)企業(yè)均積極引入邊緣計算來提升企業(yè)的數(shù)字

化和智能化水平。華能集團自主開發(fā)了工業(yè)智能平臺，其功能組成分

別為邊緣側(cè)數(shù)據(jù)采集和匯聚，數(shù)據(jù)計算和挖掘結(jié)果展示。目前該系統(tǒng)

已在小灣電廠完成搭建，在實時數(shù)據(jù)監(jiān)視報警的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)

聚合監(jiān)視、特征值報警、故障預(yù)測等功能，提升了設(shè)備運行、維護和

檢修精細化、精益化水平；國家能源集團下屬的烏海能源，在邊緣側(cè)

應(yīng)用了電廠輸煤皮帶安全管控系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)通過智能相機對結(jié)構(gòu)

進行圖像采集、分析、計算，并利用圖像算法針對結(jié)構(gòu)光的特征變化

進行識別，判斷皮帶是否有發(fā)生撕裂的狀況，以提升企業(yè)安全管控水

平；大唐電信的邊緣物聯(lián)終端已應(yīng)用于雄安新區(qū)的開關(guān)站，該邊緣物

聯(lián)終端集電參量采集、環(huán)境監(jiān)測、全景可視化等智能化功能為一體，

遠程對設(shè)備運行狀態(tài)進行監(jiān)控，進而降低設(shè)備故障發(fā)生頻率。對頻率

較高的故障，通過邊緣計算分析其趨勢性，分析故障發(fā)生原因，科學

評估設(shè)備狀態(tài)以減少運維工作量，為用戶提供更好的運維服務(wù)。

2.邊緣計算在石化行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

石化行業(yè)包括石油石化和化工兩大部分，主要是對原油和天然氣

進行加工、銷售。石化行業(yè)涉及的原料危險性大，許多物料易燃、易

爆、劇毒和強腐蝕。另外生產(chǎn)過程需要經(jīng)歷多物理、化學過程和傳質(zhì)、

傳熱單元操作，控制條件苛刻且易發(fā)生災(zāi)難性事故。同時，生產(chǎn)裝置

大型、技術(shù)資金密集，一旦發(fā)生事故無論影響還是財產(chǎn)損失，其規(guī)模

均難以想象。邊緣計算因其實時性和智能性的優(yōu)勢，可以在智能監(jiān)控

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和網(wǎng)絡(luò)安全防護等方面助力石化行業(yè)的安全生產(chǎn)。目前邊緣計算在石

化行業(yè)主要有三方面應(yīng)用。一是邊緣計算賦能油氣生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集和協(xié)

議整合。邊緣計算將端側(cè)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行采集和處理，形成實時的示

功圖數(shù)據(jù)傳輸至SCADA、DCS等系統(tǒng)。在此過程中，生產(chǎn)單元繁雜的

通信協(xié)議被統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為OPCUA等協(xié)議。二是邊緣計算助力石化廠商

智能化建設(shè)。利用視頻攝像頭采集的源數(shù)據(jù)，邊緣計算可以智能化地

應(yīng)用，如進行井場內(nèi)的電子圍欄告警、安全作業(yè)監(jiān)管、環(huán)境保護監(jiān)管

等。三是邊緣計算支持石油石化生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的安全防護。安全防護是石

油石化生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)中的一項重要前提，目前一個很突出的矛盾是在邊緣

側(cè)部署安全設(shè)備投入較大，且會降低通信效率和運維效率，一定程度

上影響生產(chǎn)業(yè)務(wù)安全。因此可在通信設(shè)備上構(gòu)建邊緣計算能力，將一

定的安全功能集中在交換機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備當中，由邊緣計算賦能端側(cè)安

全管控。

石化行業(yè)的龍頭企業(yè)，為解決行業(yè)安全生產(chǎn)的痛點問題，目前都

在企業(yè)內(nèi)積極促進邊緣計算應(yīng)用的落地。中國石油構(gòu)建以生產(chǎn)指揮系

統(tǒng)和應(yīng)急管理系統(tǒng)為主要模塊的邊緣計算平臺，借助視頻終端、工控

采集終端PLC的邊緣計算智能監(jiān)控、智能分析功能，來實現(xiàn)油氣生產(chǎn)

建設(shè)實時監(jiān)控，異常情況實時報警，信息指令實時推送等功能，提升

了本質(zhì)化安全管理水平和生產(chǎn)管理效率，助推生產(chǎn)調(diào)度工作方式變革；

中國石化應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)切片+MEC+UPF（用戶面功能）技術(shù)，形成石油化工

企業(yè)的整體邊緣計算解決方案，在物料管理、生產(chǎn)調(diào)度、環(huán)境監(jiān)測等

多場景實現(xiàn)節(jié)電減排，節(jié)省燃料減排；恒力石化的邊緣計算數(shù)字孿生

項目建設(shè)，在設(shè)備域應(yīng)用邊緣計算對物理設(shè)備建立實時、系統(tǒng)的數(shù)字

孿生模型，實時分析海量數(shù)據(jù)，預(yù)測設(shè)備狀態(tài)，仿真設(shè)備運行，企業(yè)

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因此可以隨時掌握相關(guān)設(shè)備的健康狀態(tài)，促進了設(shè)備監(jiān)控模式的轉(zhuǎn)變，

提高設(shè)備管理效率并降低設(shè)備故障隱患。

3.邊緣計算在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

鋼鐵行業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模巨大、工序多且流程復(fù)雜。隨著近十幾年的發(fā)

展建設(shè)，形成了巨大的產(chǎn)能，同時行業(yè)的整體自動化與信息化水平也

有很大程度提高。鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)過程中，產(chǎn)線控制系統(tǒng)產(chǎn)生大量的過

程數(shù)據(jù)，包括設(shè)備數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、操控數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)、能源數(shù)據(jù)、

班組數(shù)據(jù)等等，這些數(shù)據(jù)攜帶著生產(chǎn)過程的全方位信息，直接或間接

的反映著生產(chǎn)過程細節(jié)。邊緣計算可以實時地采集整理這些數(shù)據(jù)，并

對此進行分析和挖掘，實現(xiàn)模型的優(yōu)化控制和實時的在線分析等功能，

促進鋼鐵行業(yè)的工藝、控制的優(yōu)化和生產(chǎn)過程管理水平的提升。邊緣

計算目前典型應(yīng)用是在鋼鐵行業(yè)軋鋼系統(tǒng)的智能控制。在軋鋼系統(tǒng)中，

大功率電動機工作期間的溫升會影響電動機的使用效率，一般通過通

風等方式降低（穩(wěn)定）電機工作溫度。利用基于現(xiàn)場控制器PLC框架

的邊緣人工智能計算模塊，可以找到工作主電機的溫升與風機電機頻

率的關(guān)系，當工作主電機溫度異常升高，自動停止主電機運轉(zhuǎn)或改變

通風系統(tǒng)的頻率，以此來提高電機運行效率，減少能源浪費和降低電

機損壞的可能性。

國內(nèi)先進的鋼鐵企業(yè)，近年來都在構(gòu)建實施自己的邊緣設(shè)備或邊

緣平臺。寶鋼自主研發(fā)的Pidas系統(tǒng)，以邊緣采集、處理和存儲生產(chǎn)、

工藝、設(shè)備和性能數(shù)據(jù)等為主要功能，在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、遠程設(shè)備運

維、工藝評估設(shè)計和產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測等多個工業(yè)環(huán)節(jié)已有應(yīng)用，促進了

邊緣計算在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用落地，提高企業(yè)管理決策的精度和效率；

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鞍鋼股份冷軋廠利用5GMEC和機器視覺技術(shù)，實時拍攝鋼板表面圖

像無延時上傳至MEC，告別了肉眼檢查和進口單機表檢儀時代，通過

缺陷庫分析比對，鋼板的缺陷識別率、產(chǎn)出率大幅提升；首鋼集團京

唐公司，基于5G和邊緣計算技術(shù)，應(yīng)用于天車的鋼材向酸洗車間運

輸功能。通過低時延的5G實時回傳高清畫面，遠程調(diào)用邊緣控制，

實現(xiàn)天車的無人化，提高了運輸效率且減少了人為事故的產(chǎn)生。

4.邊緣計算在水泥行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

水泥行業(yè)因其下游產(chǎn)業(yè)涉及房地產(chǎn)、水利、國防以及農(nóng)村建設(shè)等

使其在我國經(jīng)濟建設(shè)中具有重要地位。因其物料、生產(chǎn)要素以及工藝

等制約，在生產(chǎn)過程中面臨著種種安全風險，主要包括人為不安全行

為、設(shè)備管理不當和設(shè)備故障、安全防護不到位、檢修未落實等等。

邊緣計算在水泥行業(yè)的設(shè)備故障狀態(tài)的工況識別和預(yù)警等方面的應(yīng)

用，可以確保連貫生產(chǎn)并達到安全管理優(yōu)化的目的。邊緣計算在水泥

行業(yè)的主要應(yīng)用是實現(xiàn)生產(chǎn)過程的視覺分析、設(shè)備參數(shù)采集、人員安

全管理、危險區(qū)域巡檢和AR遠程維護等功能。同時，在皮帶廊道的

運輸中，5G和邊緣側(cè)機器視覺技術(shù)的結(jié)合，已實現(xiàn)了水泥工廠設(shè)備

故障狀態(tài)的工況識別和預(yù)警。另外，在安全生產(chǎn)監(jiān)測方面，邊緣計算

在水泥行業(yè)的應(yīng)用場景包括安全帽佩戴監(jiān)測、進入去安全監(jiān)測和驅(qū)動

輪打滑監(jiān)測等。

水泥行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)，在礦山、工廠等主要生產(chǎn)場景中，正在深入

邊緣計算技術(shù)的應(yīng)用。華潤水泥通過5GSA獨立組網(wǎng)方式，結(jié)合邊緣

計算方案，使主廠區(qū)、粉磨站廠區(qū)和礦山開采區(qū)的現(xiàn)場監(jiān)測檢測設(shè)備、

移動終端設(shè)備和視頻監(jiān)控等配套系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸和集成和生

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產(chǎn)工藝、質(zhì)量檢測等生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時在線分析；海螺水泥基于電信提

供的5G邊緣計算+切片技術(shù)方案，在智慧礦山和智能工廠等場景，實

現(xiàn)VR工業(yè)輔助、AI監(jiān)測分析、智能安防、設(shè)備控制等應(yīng)用的落地；

華新水泥在邊緣側(cè)建立智能安全生產(chǎn)系統(tǒng)，結(jié)合?？低暰哂羞吘売?/p>

算能力的AI攝像頭，對主機設(shè)備和窯況進行巡視，并進行異常報警

和自動調(diào)整處理或給出處理建議。

5.邊緣計算在有色金屬行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

有色金屬行業(yè)包括礦產(chǎn)勘探、礦產(chǎn)開采、選礦、冶煉、金屬加工

和終端消費品生產(chǎn)等領(lǐng)域。目前有色金屬行業(yè)存在的普遍問題是處于

同一鏈條的上下游企業(yè)的信息化建設(shè)以及企業(yè)內(nèi)各部門間的信息化

建設(shè)不平衡，無法形成業(yè)務(wù)流程的整合和協(xié)同。邊緣計算通過其強大

的連接性和協(xié)議整合能力，可以解決上述問題。目前邊緣計算在有色

金屬行業(yè)的典型應(yīng)用是實現(xiàn)在礦產(chǎn)開采生產(chǎn)中，各專業(yè)系統(tǒng)的聯(lián)通。

在井下礦產(chǎn)開采中一般建有井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、井下人員定位系統(tǒng)和

井下通風系統(tǒng)。各系統(tǒng)間相互獨立互不聯(lián)通，無法充分合理地協(xié)調(diào)各

系統(tǒng)功能，不利于通風管理及通風安全和能耗管控。邊緣計算集成通

風系統(tǒng)的動態(tài)仿真應(yīng)用，建立了與井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、井下人員定位

系統(tǒng)和井下通風系統(tǒng)的聯(lián)通，通過獲取各種傳感器采集風量、毒害氣

體的實時參數(shù)，以及井下人員的分布狀態(tài)，通過精確分析計算，實現(xiàn)

按需調(diào)整風機風量，達到安全和節(jié)能最終目的。

國內(nèi)有色金屬行業(yè)的典型性企業(yè)，為企業(yè)內(nèi)降本增效，近年來紛

紛在邊緣計算技術(shù)上有所布局。中鋁智能通過建立邊緣計算終端對生

產(chǎn)設(shè)備、人工數(shù)據(jù)、儀器儀表、監(jiān)控設(shè)備等進行數(shù)據(jù)采集，對接ERP

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流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書（2022年）

系統(tǒng)、能管系統(tǒng)等以實現(xiàn)鍛造廠擠模壓生產(chǎn)線的工藝管理、設(shè)備監(jiān)控

質(zhì)量管理等功能，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少能耗、管控效率，經(jīng)濟效

益顯著；紫金礦業(yè)自主打造了紫金方舟平臺，該平臺在IaaS層實現(xiàn)

邊緣端的數(shù)據(jù)采集和邊緣控制，其上搭載的軟件應(yīng)用覆蓋生產(chǎn)、采購、

銷售等諸多環(huán)節(jié)，支撐對從單個礦山到集團層面的管理，實現(xiàn)了企業(yè)

層面的數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通；江西銅業(yè)城門山采礦基地目前部署入駐式

MEC設(shè)備，基于5G切片網(wǎng)絡(luò)營造確定性網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)不

出園區(qū)，同時也通過邊緣計算節(jié)點的就近部署，顯著降低業(yè)務(wù)傳輸時

延，使得采礦設(shè)備在遠程操控應(yīng)用效果方面有了顯著提升。

二、流程行業(yè)邊緣計算體系功能架構(gòu)

(一)功能架構(gòu)

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流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書（2022年）

圖1流程行業(yè)邊緣計算功能架構(gòu)圖

基于流程行業(yè)特點，根據(jù)邊緣計算在流程行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀，本文

概括提出流程行業(yè)的邊緣計算功能架構(gòu)如圖1。在邊緣層主要包括邊

緣控制、邊緣網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲、運維和邊緣智能等類別的功能。

邊緣控制能力主要體現(xiàn)在邊緣端對現(xiàn)場層設(shè)備的控制能力，包括

傳統(tǒng)流程行業(yè)的邏輯控制、PID控制、批量控制、復(fù)雜控制、聯(lián)鎖控

制和運動控制等。

邊緣網(wǎng)絡(luò)能力包括了數(shù)據(jù)采集、協(xié)議轉(zhuǎn)換、5G網(wǎng)絡(luò)、TSN和專業(yè)

系統(tǒng)聯(lián)通等。數(shù)據(jù)采集和協(xié)議轉(zhuǎn)換是邊緣端的基本能力，邊緣端通過

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流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書（2022年）

有線或無線方式與現(xiàn)場層設(shè)備、傳感器、執(zhí)行器建立物理連接后，通

過邊緣端支持的多種總線協(xié)議和工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議（例如Profinet、

Ethernet/IP、ModbusTCP、ModbusRTU，OPCUA、OPCDA、Profibus-DP、

DeveiceNET、Etherncat等）進行大批量數(shù)據(jù)的實時采集。同時，

通過邊緣端的協(xié)議解析能力，將采集數(shù)據(jù)進行過濾、映射或轉(zhuǎn)換等處

理，再通過OPCUA或MQTT等協(xié)議北向傳輸處理過的數(shù)據(jù)。5GTSN

在邊緣計算網(wǎng)絡(luò)端應(yīng)用具有確定性趨勢，兼具TSN的確定性傳輸、低

抖動特點和5G的低時延、高可靠特點，是未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)無線化發(fā)

展的重要基礎(chǔ)。專業(yè)系統(tǒng)聯(lián)通是流程行業(yè)邊緣計算應(yīng)用能力的特有特

點。流程行業(yè)普遍廠區(qū)跨度大、生產(chǎn)危險性高，所以應(yīng)用很多專業(yè)系

統(tǒng)協(xié)助管理，邊緣計算通過其網(wǎng)絡(luò)能力，將各系統(tǒng)連接成網(wǎng)，實現(xiàn)了

專業(yè)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享和服務(wù)協(xié)同。

邊緣層的計算能力在流程行業(yè)的應(yīng)用主要包括數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)清

洗和異構(gòu)計算等。數(shù)據(jù)分析指的是通過規(guī)則引擎對采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)

據(jù)篩選、過濾或抽取等預(yù)處理。數(shù)據(jù)清洗是在邊緣對數(shù)據(jù)進行審查和

校驗，從而刪除重復(fù)信息和糾正錯誤以達到數(shù)據(jù)一致性的目的。因工

業(yè)現(xiàn)場協(xié)議繁多且數(shù)據(jù)量巨大，所以在邊緣端實現(xiàn)數(shù)據(jù)初步整合和清

洗是必要的。另外，邊緣層設(shè)備種類多樣，在資源、架構(gòu)、能耗等方

面存在較大差異，存在不同的計算需求，所以在邊緣層構(gòu)建集成多芯

片的異構(gòu)計算功能，提供并行計算、人工智能、視頻編解碼等適用于

不同工業(yè)場景的計算能力。

邊緣層的存儲能力主要包括數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)備份。邊緣端可提供

典型的數(shù)據(jù)存儲能力：（1）時序數(shù)據(jù)。存儲現(xiàn)場產(chǎn)生的實時數(shù)據(jù)如電

網(wǎng)發(fā)電設(shè)備的集中監(jiān)測數(shù)據(jù)和石油化工行業(yè)油井、運輸管線運輸車隊

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流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書（2022年）

的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)等。（2）業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。存儲如現(xiàn)場操作人員的登錄、登

出系統(tǒng)等非實時變化的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。（3）非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。存儲現(xiàn)場攝像

頭產(chǎn)生的視頻數(shù)據(jù)等。同時，邊緣端不僅可以將以上類型數(shù)據(jù)進行存

儲，也提供數(shù)據(jù)備份和數(shù)據(jù)恢復(fù)能力，防止系統(tǒng)崩潰后數(shù)據(jù)丟失的情

況發(fā)生。

邊緣層的運維能力是邊緣層的基礎(chǔ)能力，主要包括日志管理、監(jiān)

控中心和安全管理。日志管理是對邊緣端的系統(tǒng)或應(yīng)用的用戶操作、

環(huán)境和數(shù)據(jù)等狀況進行記錄，以文件或數(shù)據(jù)庫等方式進行存儲、刪除

和調(diào)取查閱等管理。監(jiān)控中心是對邊緣系統(tǒng)的軟硬件狀態(tài)進行的實時

監(jiān)控，并通過儀表盤等形式向管理者進行展示或交互。安全管理主要

是對邊緣系統(tǒng)的身份認證、網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)安全等進行限制和管控。

邊緣層智能能力在流程行業(yè)應(yīng)用包括邊緣智能和智能控制。邊緣

智能是邊緣計算與人工智能融合的新范式，提供了邊緣側(cè)的建模能力、

數(shù)據(jù)匯聚和分析能力、控制能力。邊緣智能從延遲、內(nèi)存占用量和能

效等方面，進行邊緣計算節(jié)點上智能推理加速和多節(jié)點智能訓(xùn)練算法

的聯(lián)動，完成輕量級、低延時、高效的人工智能計算。

邊緣層和云層的系統(tǒng)，會開放能力給各個應(yīng)用，應(yīng)用在其生命周

期內(nèi)，通過API的形式調(diào)用平臺的能力，以完成執(zhí)行邏輯。流程行業(yè)

典型的應(yīng)用包括視頻監(jiān)控、行為監(jiān)管、排放監(jiān)測、預(yù)測性維護等。

(二)部署架構(gòu)

邊緣計算已經(jīng)進入全面產(chǎn)業(yè)化初期階段，已初步形成了5GMEC、

現(xiàn)場級邊緣計算、云原生邊緣計算三種發(fā)展路徑及其對應(yīng)的部署模式。

由電信運營商主導(dǎo)的5GMEC路徑，依托運營商網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)

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流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書（2022年）

能力和計算能力的融合和調(diào)用，適用于對網(wǎng)絡(luò)能力要求較高的應(yīng)用；

由設(shè)備廠商和工業(yè)企業(yè)主導(dǎo)的現(xiàn)場級邊緣計算，依托行業(yè)專業(yè)優(yōu)勢，

適用于對時延、安全、性能和自管理要求嚴格的應(yīng)用；由IT企業(yè)主

導(dǎo)的云原生邊緣計算，依托云計算優(yōu)勢，關(guān)注邊緣協(xié)同，適用于對云

服務(wù)延申有需求和數(shù)據(jù)管控有較高要求的應(yīng)用。[2]上述三種邊緣計算

部署模式的發(fā)展各具優(yōu)勢,同時也會受到相應(yīng)的限制。在實際的部署

中，這三種并非是完全互斥、沒有交集。相反，能夠在合理的范圍內(nèi)

相互融合，促進標準的統(tǒng)一，將進一步推進邊緣計算產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模化。

1.5GMEC邊緣計算部署模式

流程行業(yè)工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)連接的主要方式是采用現(xiàn)場總線和工業(yè)以

太網(wǎng)等有線連接方式，但因其廣泛具有生產(chǎn)區(qū)域跨度大和大量使用動

設(shè)備等問題，往往很多生產(chǎn)重要環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)點采集困難，難以做到應(yīng)

采盡采，如果重新布網(wǎng)難度很大且成本較高，因此采用5GMEC的方

式是比較好的解決方案。5G實現(xiàn)了控制面和用戶面的分離，其核心

網(wǎng)控制面中心化，而用戶面功能下沉到邊緣層，數(shù)據(jù)可以在邊緣就近

處理，是保證穩(wěn)定低時延的手段，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的全面及時的采集和

處理。

MEC一般可分為邊緣計算管理平臺（MEMP）及邊緣計算平臺（MEP）。

MEMP負責資源管理及業(yè)務(wù)編排、運營管理，與邊緣的業(yè)務(wù)實現(xiàn)沒有

直接關(guān)系，可不占用邊緣稀缺服務(wù)器資源，一般集中部署于運營商省

級中心，與5GC部署位置相同。MEP可為用戶提供網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲

等基礎(chǔ)能力，并可承載業(yè)務(wù)應(yīng)用，與5GUPF的下沉和分布式部署相

互協(xié)同，可下沉到地市、區(qū)縣，甚至是邊緣接入局所及工廠機房。5G

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流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書（2022年）

MEC邊緣節(jié)點的建設(shè)，主要指UPF+MEP的建設(shè)部署。UPF和MEP采用

松耦合方式，可分別獨立部署。

根據(jù)用戶對于成本、性能、安全要求不同，主要有以下三種模式。

圖25GMEC建設(shè)部署模式

1)邊緣網(wǎng)絡(luò)和邊緣節(jié)點共享（UPF共享+MEP共享）

成本較低，適合要求提升業(yè)務(wù)實時體驗的企業(yè)。UPF網(wǎng)元及MEC

平臺均部署在運營商機房，客戶共享UPF網(wǎng)元，運營商為不同客戶配

置不同的分流策略。MEP采用多租戶模式，為不同客戶分配邏輯隔離

的基礎(chǔ)資源和業(yè)務(wù)資源。UPF網(wǎng)元及MEP部署層級越高，部署和維護

保障越方便，機房條件越好，客戶業(yè)務(wù)得到更好運維保障且資費也會

相對低廉。

2)邊緣網(wǎng)絡(luò)共享、邊緣節(jié)點專享（UPF共享+MEP專享）

成本相對較高，適合可靠性要求高，網(wǎng)絡(luò)時延20ms以內(nèi)，業(yè)務(wù)

量較大的企業(yè)。UPF網(wǎng)元部署在運營商機房，MEP部署在運營商邊緣

機房或客戶側(cè)機房。UPF與MEP之間采用專線對接?？蛻艄蚕鞺PF，

為不同客戶配置不同的分流策略。MEP資源專享，應(yīng)用部署及數(shù)據(jù)存

儲可按需均在客戶本地，滿足企業(yè)本地化獨享的安全需求。MEP部署

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流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書（2022年）

在邊緣機房或客戶側(cè)，對維護水平要求較高，需要更高的業(yè)務(wù)保障和

響應(yīng)。

3)邊緣網(wǎng)絡(luò)和邊緣節(jié)點均專享（UPF專享+MEP專享）

成本較高，適合對數(shù)據(jù)隔離要求高，業(yè)務(wù)量大的企業(yè)。針對客戶

對數(shù)據(jù)安全、本地部署、處理時延有極高要求的，可提供定制化部署

服務(wù)在網(wǎng)絡(luò)安全的前提下，UPF網(wǎng)元和MEP都部署在客戶側(cè)接入機房，

客戶專享UPF網(wǎng)元和MEP。提供專用邊緣分流服務(wù)，實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)終

結(jié)，滿足數(shù)據(jù)不出廠的要求。

整體來講，5GMEC的組網(wǎng)、部署應(yīng)視服務(wù)范圍、用戶特點，按

需采用差異化的部署方式，一般是按時延要求來選擇部署，對于時延

不敏感的超大帶寬業(yè)務(wù)也可酌情下沉一級部署。部署過程中還需考慮

安全要求，比如邊緣UPF和MEC平臺、MEC平臺與云平臺的組網(wǎng)安全

以及MEC平臺與工廠應(yīng)用間的安全防護與隔離等。MEC部署在更高層

級的機房，可以為設(shè)備帶來更高的容災(zāi)、維護和安全級別、從而為業(yè)

務(wù)帶來更高的安全性保障，且可以提高DC資源池共享率。因此，建

議除了工廠側(cè)明確要求部署在本地機房的情況，在業(yè)務(wù)指標需求可以

滿足的情況下，MEC平臺與UPF同機房部署，并盡可能的部署在更高

層級的機房。

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流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書（2022年）

圖35GMEC部署機房位置

2.現(xiàn)場級邊緣計算部署模式

圖4現(xiàn)場級邊緣計算部署架構(gòu)圖

流程行業(yè)是閉環(huán)工藝流程，每個工藝的數(shù)據(jù)節(jié)點位置不同，邊緣

計算的部署和邏輯與離散制造業(yè)有區(qū)別。流程行業(yè)對于邊緣計算的部

署需求：（1）在設(shè)備單元層級，部署邊緣計算功能，對工藝設(shè)備、風

機、水泵等單體設(shè)備（不可生產(chǎn)交付物設(shè)備）進行維護、診斷、預(yù)測

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流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書（2022年）

分析保證工藝參數(shù)穩(wěn)定。（2）在DCS系統(tǒng)之上部署邊緣計算系統(tǒng)，對

整個生產(chǎn)工藝的各個連續(xù)工序的計算優(yōu)化，給出最優(yōu)解，并且閉環(huán)執(zhí)

行指令。

參考流程行業(yè)邊緣計算的部署需求，并結(jié)合流程企業(yè)的實際情況，

本文提出如圖4中所示的流程行業(yè)現(xiàn)場級邊緣計算部署模式。在企業(yè)

內(nèi)部，自動化和信息化系統(tǒng)主要分為三個層級即過程控制層（如DCS、

SCADA、PLC等），制造執(zhí)行層（MES等）和管理決策層（ERP等）。因

流程行業(yè)生產(chǎn)特點，大部分流程企業(yè)自動化信息化程度比較高，系統(tǒng)

建設(shè)相對比較完善。邊緣計算的實施架構(gòu)不會取代原有系統(tǒng)，而是與

其進行緊密結(jié)合。邊緣計算一方面可實時地采集海量現(xiàn)場數(shù)據(jù)，然后

或是利用其本身提供的算力進行動態(tài)的數(shù)據(jù)過濾、分析和處理，或是

協(xié)同中心云并結(jié)合邊緣智能，將數(shù)據(jù)過濾后提供給模型進行訓(xùn)練；另

一方面，經(jīng)過邊緣計算處理的結(jié)果數(shù)據(jù)也可以作為源數(shù)據(jù)提供給其他

系統(tǒng)，作為參考和決策的依據(jù)。

流程行業(yè)的邊緣計算實施架構(gòu)包括邊緣控制器、邊緣網(wǎng)關(guān)、邊緣

云。

邊緣控制器在邊緣側(cè)連接各種現(xiàn)場設(shè)備，進行工業(yè)協(xié)議的轉(zhuǎn)換和

適配，統(tǒng)一接入到邊緣計算網(wǎng)絡(luò)中，并將設(shè)備能力以服務(wù)的形式進行

封裝，實現(xiàn)物理上和邏輯上生產(chǎn)設(shè)備之間通信連接。

邊緣網(wǎng)關(guān)是指具備邊緣計算、過程控制、運動控制、機器視覺、

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、工業(yè)協(xié)議解析能力的邊緣計算裝置。邊緣網(wǎng)關(guān)能適應(yīng)

工業(yè)現(xiàn)場復(fù)雜惡劣環(huán)境，滿足國內(nèi)主流控制器、工業(yè)機器人、智能傳

感器等工業(yè)設(shè)備的接入和數(shù)據(jù)解析的需求，支持邊緣端數(shù)據(jù)運算及通

過互聯(lián)網(wǎng)推送數(shù)據(jù)到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。

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流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書（2022年）

邊緣云是邊緣側(cè)單個或者多個分布式協(xié)同的服務(wù)器，通過本地部

署的應(yīng)用實現(xiàn)特定功能，提供彈性擴展的網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲能力，滿

足可靠性、實時性、安全性等需求，是實現(xiàn)IT技術(shù)與OT技術(shù)深度融

合的重要紐帶。

邊緣計算低時延、海量連接、就近計算等特性，可以有效滿足工

業(yè)應(yīng)用的需求，受到了垂直行業(yè)企業(yè)和設(shè)備廠商的關(guān)注，其希望借助

邊緣計算進一步實現(xiàn)業(yè)務(wù)升級并拓展業(yè)務(wù)范圍。設(shè)備廠商也從單純的

提供硬件產(chǎn)品向“設(shè)備+邊緣平臺”供給轉(zhuǎn)變。邊緣計算與行業(yè)融合

創(chuàng)新日益廣泛，一批工業(yè)企業(yè)已開始利用邊緣計算模式改變傳統(tǒng)的制

造方式，企業(yè)、行業(yè)、區(qū)域綜合集成應(yīng)用實踐不斷涌現(xiàn)[3]。

3.云原生邊緣計算部署模式

云原生邊緣計算部署模式相比于上述兩種部署模式，部署位置更

接近云端，更適用于有統(tǒng)籌需求和用以管控整個企業(yè)需求的流程行業(yè)

應(yīng)用。采用云原生邊緣計算部署，可屏蔽底層資源的差異，從而完成

對異構(gòu)邊緣節(jié)點的兼容。

云原生邊緣計算部署模式是基于容器技術(shù)和kubernetes編排管

理能力的一種部署模式。相比于傳統(tǒng)的物理機和虛擬機部署，云原生

邊緣計算部署模式具有輕量級、易部署、多環(huán)境、啟動快、易擴容和

易遷移等特點。

通過應(yīng)用的云邊協(xié)同，使邊緣集群和邊緣節(jié)點皆可被云端納管。

云端的一鍵部署，便能夠下發(fā)應(yīng)用至海量的邊緣節(jié)點，實現(xiàn)云-邊-

端應(yīng)用分發(fā)的一體化。同時，通過單元化部署，可以實現(xiàn)多地域的服

務(wù)部署，且應(yīng)用無需進行適配和改造。單元化部署可以便捷地在共屬

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流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書（2022年）

同一個集群的不同機房或區(qū)域中，各自部署一組服務(wù)，各服務(wù)間的請

求在本機房或本地域內(nèi)部即可完成響應(yīng)，從而避免了服務(wù)的跨地域訪

問。

云原生邊緣計算一般有兩種部署模式。

圖5云原生邊緣計算部署模式與架構(gòu)

1)邊緣獨立集群部署模式

邊緣獨立集群將kubernetes控制面下沉至邊緣側(cè)。云端主要是

分布式云中心，是面向多云多集群場景的應(yīng)用管理平臺，支持用戶將

云原生化的應(yīng)用擴展到分布式云，并以全局視角統(tǒng)一管理和運維分布

式的云資源，從而對邊緣端的多個邊緣集群進行統(tǒng)一資源納管和應(yīng)用

分發(fā)。這種部署模式對于邊緣的資源要求比較高，一般需部署IDC機

房級別的邊緣站點。在云端和邊緣端之間斷網(wǎng)情況下，本地仍可以保

持完整的kubernetes的管控和調(diào)度能力，使本部署模式適用于對本

地業(yè)務(wù)完整性和可靠性要求較高的業(yè)務(wù)場景。

2)邊緣托管集群部署模式

邊緣托管集群部署模式是kubernetes控制面部署在云端，對邊

緣多個節(jié)點進行統(tǒng)一資源納管以及應(yīng)用分發(fā)。邊緣集群托管服務(wù)構(gòu)建

了云原生邊緣計算基礎(chǔ)設(shè)施，管理位于邊緣端的計算資源。同時，可

20

流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書（2022年）

從云端管理資源的分配和調(diào)度，并進行應(yīng)用部署、升級和銷毀等操作，

以及云端完成系統(tǒng)的運維工作。邊緣集群托管服務(wù)向上作為底座支撐

邊緣計算領(lǐng)域PaaS構(gòu)建，向下支持邊緣網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器等邊緣算力資

源接入，并支持邊緣自治、邊緣安全容器、邊緣智能等。這種部署模

式對于邊緣的資源要求比較低，可以部署在服務(wù)器或者是邊緣網(wǎng)關(guān)等

形態(tài)。在云端和邊緣端斷網(wǎng)的情況下可以保持單點自治，一般適用于

邊緣為獨立節(jié)點且跨節(jié)點之間的業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)性比較小的場景。

三、流程行業(yè)邊緣計算應(yīng)用典型案例

（一）電力（火電）行業(yè)邊緣計算應(yīng)用典型案例

1.應(yīng)用場景

大型火電行業(yè)基本完成了信息化建設(shè)，傳統(tǒng)的DCS控制方案較為

成熟，但相對封閉，對火電廠進一步控制優(yōu)化需要定制化開發(fā)，不便

于現(xiàn)場工程人員將現(xiàn)有經(jīng)驗轉(zhuǎn)化和第三方算法供應(yīng)商的集成。鑒于此

種情況，邊緣計算的應(yīng)用滿足了火電廠企業(yè)以下需求：

1)最大化復(fù)用現(xiàn)有資產(chǎn)。

2)靈活擴展，可方便擴展第三方及自定義算法。

3)對工業(yè)人員界面優(yōu)化，方便算法開發(fā)及運維操作。

4)符合火電行業(yè)相關(guān)標準規(guī)范及信息安全要求。

5)具有較高的可靠性、可用性及生產(chǎn)安全性。

2.技術(shù)方案

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流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書（2022年）

圖6邊緣智能DCS方案實施架構(gòu)

本方案實施架構(gòu)上采用了工業(yè)以太網(wǎng)雙網(wǎng)冗余的方式組件網(wǎng)絡(luò)

以保證兼容現(xiàn)有設(shè)備資產(chǎn)。機組控制區(qū)與廠級管理網(wǎng)絡(luò)區(qū)間、廠級控

制功能區(qū)與管理平臺間增設(shè)網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備并通過合理配置，使整個系

統(tǒng)符合我國信息安全等級保護2.0的要求。

邊緣智能DCS解決方案有兩部分組成，即邊緣應(yīng)用控制器和邊緣

應(yīng)用服務(wù)器。

邊緣應(yīng)用控制器采用與DCS控制器相一致的軟硬架構(gòu)。硬件上采

用雙機雙網(wǎng)熱備冗余的高可靠性結(jié)構(gòu)，部署于DCS控制器系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)；

軟件上采用實時操作系統(tǒng)及RTS運行時環(huán)境，具有DCS控制器相同等

級實時響應(yīng)時間，能夠與DCS控制器實現(xiàn)無縫集成。邊緣應(yīng)用控制器

采用支持第三方算法供應(yīng)商的方式進行封裝集成，工程人員可組態(tài)調(diào)

用。

邊緣應(yīng)用服務(wù)器采用小型集群結(jié)構(gòu)，支持雙網(wǎng)冗余，保證一旦任

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意服務(wù)或服務(wù)器如出現(xiàn)問題，則可實現(xiàn)服務(wù)的遷移，從而提高整個服

務(wù)的可用性。邊緣應(yīng)用服務(wù)器采用微服務(wù)框架，提供微服務(wù)管理服務(wù)、

邊緣數(shù)據(jù)庫服務(wù)、信息模型服務(wù)、邊緣應(yīng)用管理服務(wù)，邊緣安全服務(wù)

等。微服務(wù)框架遵循標準、安全、開放的原則，方便第三方應(yīng)用程序

的部署集成，同時提供了基于Web的可視化算法編排工具，對現(xiàn)場工

程師優(yōu)化界面，以便根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗快速實現(xiàn)相關(guān)功能的開發(fā)。

3.實施效果

1)符合現(xiàn)有火電行業(yè)標準規(guī)范，最大程度兼容現(xiàn)有系統(tǒng)，包括行

業(yè)標準規(guī)范對系統(tǒng)安全性、可靠性方面的要求。

2)建立平臺機制，支持第三方算法的擴展。

3)可視化開發(fā)工具方便現(xiàn)場人員將現(xiàn)有知識經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為成果。

（二）電力（風電）行業(yè)邊緣計算應(yīng)用典型案例

1.應(yīng)用場景

風機都配有風機主控系統(tǒng)（SCADA），通過該系統(tǒng)可以遠程操控風

機，同時監(jiān)測功率、風速、電流、電壓以及溫度等信號，監(jiān)測更偏重

于電氣信號。由于風機大部件早期的機械損傷，對SCADA系統(tǒng)監(jiān)測的

眾多電氣信號基本沒有影響，因此SCADA在監(jiān)測風機大部件機械損傷

方面處于失靈狀態(tài)。同時，風機塔筒、葉片目前缺少有效的監(jiān)測手段，

導(dǎo)致齒輪箱磨損發(fā)現(xiàn)不及時、塔筒傾斜發(fā)現(xiàn)不及時，甚至倒塔等事故

時有發(fā)生，為了彌補SCADA系統(tǒng)在風機大部件、葉片、塔筒監(jiān)測方面

的不足，本解決方案加裝了風力發(fā)電機組邊緣計算遠程智能監(jiān)測系統(tǒng)。

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流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書（2022年）

2.技術(shù)方案

圖7風電行業(yè)邊緣計算實施架構(gòu)

通過安裝在機組上的各種傳感器將主軸軸承、齒輪箱、發(fā)電機以

及塔筒的信號、葉片振動信號、法蘭間隙、螺栓通道信號采集并上傳

到系統(tǒng)服務(wù)器。通過邊緣端輔助診斷功能觸發(fā)自動報警，第一時間發(fā)

現(xiàn)隱患，并及時通知現(xiàn)場和遠程診斷中心，通過分析來診斷主軸軸承、

齒輪箱、發(fā)電機缺陷、塔筒和葉片的各項指標，為設(shè)備檢維修提供科

學的技術(shù)支撐，使設(shè)備管理人員實時、準確地掌握設(shè)備運行狀態(tài)，提

高企業(yè)設(shè)備管理水平，達到事前預(yù)防、預(yù)知檢修的效果，保障生產(chǎn)的

安全、可靠和穩(wěn)定運行。同時，借助智能報警策略，可及時發(fā)現(xiàn)機組

的運行異常狀態(tài)，并實現(xiàn)異常狀態(tài)的短信自動推送和移動APP報警推

送。

1)數(shù)據(jù)采集

高頻數(shù)據(jù)清洗分析系統(tǒng)運行在工控機硬件設(shè)備上，需實現(xiàn)數(shù)據(jù)分

析應(yīng)用運行時所需的如下功能：實時高頻數(shù)據(jù)采集、清洗和處理；數(shù)

據(jù)存儲引擎（包括但不限于時序數(shù)據(jù)庫）；算法運行支撐環(huán)境；設(shè)備

元數(shù)據(jù)管理；用戶和權(quán)限管理；針對采集的高頻數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，有

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流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書（2022年）

效解決數(shù)據(jù)缺失，數(shù)據(jù)異常等問題，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。

2)智能分析

智能分析提供三種服務(wù)，包括：數(shù)據(jù)處理服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)和

數(shù)據(jù)分析服務(wù)。

數(shù)據(jù)處理服務(wù)，包括如下功能：支持多種協(xié)議的數(shù)據(jù)接入，包括

MQTT、HTTP/HTTPS、WebSocket、OPC/OPCUA；為海量設(shè)備提供毫秒

級、高并發(fā)接入能力；支持設(shè)備元數(shù)據(jù)管理，定義設(shè)備關(guān)聯(lián)及層級關(guān)

系，保存設(shè)備相關(guān)元數(shù)據(jù)信息，如數(shù)據(jù)存儲位置，數(shù)據(jù)點來源等，為

其他應(yīng)用和服務(wù)提供統(tǒng)一、完整、準確的源數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)存儲服務(wù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高實時的吞吐和批量寫入以及高性能的

讀取，還支持在查詢結(jié)果上快速構(gòu)建各種展示圖表。能夠管理至少2

年以上的當前項目所涉及的風機數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)分析服務(wù)，提供對多語言開發(fā)及運行環(huán)境的支持，包括：R、

Python和Scala等。支持生成實時的數(shù)據(jù)分析任務(wù)，以及對設(shè)備產(chǎn)

生的實時數(shù)據(jù)流，進行實時分析。

3)智能決策

智能決策實際上就是將每個功能模塊，封裝成具體的應(yīng)用。根據(jù)

不同的場景需求和用戶體驗需求，包裝成可視化和交互式的完整應(yīng)用

功能。

3.實施效果

通過實時獲取風力發(fā)電機組在運行過程中的振動、轉(zhuǎn)速、塔筒晃

動、葉片振動、油液、螺栓應(yīng)力等信號，按照既定的數(shù)據(jù)采集、報警

策略，一旦狀態(tài)異常，系統(tǒng)可實現(xiàn)自動觸發(fā)設(shè)備異常報警機制，并通

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流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書（2022年）

過即時短信、郵件等方式通知風機管理人員和遠程診斷專家，實現(xiàn)風

力發(fā)電機組運行狀態(tài)的判斷?；陲L力發(fā)電機組智能遠程監(jiān)測系統(tǒng)是

解決風機大部件故障的最佳方案。

（三）石化行業(yè)邊緣計算應(yīng)用典型案例

1.應(yīng)用場景

旋轉(zhuǎn)透平壓縮機組、大型往復(fù)壓縮機及遍及各流程中的機泵群是

石化企業(yè)的心臟，在生產(chǎn)中發(fā)揮著無可替代的作用。它們通常在復(fù)雜、

嚴酷的環(huán)境下長期服役，一旦發(fā)生故障可能導(dǎo)致系統(tǒng)停機、生產(chǎn)中斷，

甚至會出現(xiàn)惡性生產(chǎn)事故，危機人們的生命財產(chǎn)安全。因此保證這些

設(shè)備的安全、穩(wěn)定、長周期、滿負荷、連續(xù)優(yōu)質(zhì)運行，對于安全生產(chǎn)、

提高企業(yè)的經(jīng)濟效益具有十分重要的意義。對動設(shè)備實施在線監(jiān)測及

數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障診斷，實現(xiàn)動設(shè)備預(yù)知維修是達到以上目標最重要的

手段之一。在動設(shè)備本體關(guān)鍵部位安裝振動、位移、溫度等傳感器，

對設(shè)備的狀態(tài)進行實時的信號拾取，通過邊緣計算設(shè)備對采集的信號

進行調(diào)理、轉(zhuǎn)換、計算、特征提取、狀態(tài)分析，實時感知設(shè)備狀態(tài)，

然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動對設(shè)備的健康計算、分析、趨

勢預(yù)測、故障診斷，確保設(shè)備的安全運行。邊緣計算設(shè)備是感知層到

平臺層最為關(guān)鍵的節(jié)點。

2.技術(shù)方案

多臺邊緣計算設(shè)備構(gòu)成一個分布式設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)全部

設(shè)備的在線實時狀態(tài)監(jiān)測與故障自動預(yù)警和識別。狀態(tài)預(yù)警除常規(guī)的

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流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書（2022年）

振動峰峰值、烈度外，還提供特征參數(shù)的異常預(yù)警和趨勢預(yù)警，充分

利用設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)，全方位保障設(shè)備運行的安全性和可靠性。設(shè)備預(yù)

警門限在一次大修周期內(nèi)，可結(jié)合其運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學習，自適應(yīng)

設(shè)備運行環(huán)境和狀態(tài)的改變。

圖8石化行業(yè)邊緣計算設(shè)備功能架構(gòu)

對普通機泵設(shè)備，對比關(guān)鍵設(shè)備監(jiān)測實時性要求降低，采用邊緣

計算加傳感器一體的無線邊緣計算設(shè)備，實現(xiàn)信號采集、數(shù)據(jù)處理、

狀態(tài)判斷、常見故障診斷等功能，同時設(shè)備自帶電池及使用無線傳輸，

適合快捷安裝部署，提高動設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測的覆蓋率。

無線數(shù)采器用電池驅(qū)動工作，由于電池容量在現(xiàn)場有安全限制，

因此常規(guī)的無線數(shù)采器對采集的數(shù)據(jù)至少8小時發(fā)送一次到服務(wù)器，

導(dǎo)致連續(xù)運轉(zhuǎn)設(shè)備的故障不能實時監(jiān)測。無線邊緣計算設(shè)備對采集的

數(shù)據(jù)在邊緣側(cè)進行特征提取、狀態(tài)判斷，當設(shè)備狀態(tài)正常時按較長的

時間尺度發(fā)送數(shù)據(jù)；當設(shè)備有故障征兆時，實時發(fā)送數(shù)據(jù)，兼顧電池

有效利用與設(shè)備狀態(tài)連續(xù)監(jiān)測兩個維度的需要。

無線邊緣計算設(shè)備，通過內(nèi)部無線網(wǎng)與4G接入設(shè)備連接，將數(shù)

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流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書（2022年）

據(jù)傳輸?shù)狡脚_。

圖9石化行業(yè)現(xiàn)場實施的絡(luò)架構(gòu)

邊緣計算設(shè)備主要功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、特征提取、狀態(tài)判斷、數(shù)

據(jù)智能傳輸。數(shù)據(jù)智能傳輸是基于對設(shè)備狀態(tài)的智能識別，設(shè)備正常

狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸頻率低于告警狀態(tài)。設(shè)備狀態(tài)識別依賴于特征提取和告

警判斷。邊緣計算設(shè)備智能傳輸可以減少企業(yè)帶寬壓力，并能為診斷

系統(tǒng)分擔計算負荷壓力。邊緣計算在本方案應(yīng)該功能如下：

1)數(shù)據(jù)采集

邊緣計算設(shè)備與安裝于設(shè)備上的傳感器相連,按照一定的采集策

略采集傳感器的信號,并通過信號調(diào)理，AD轉(zhuǎn)換等技術(shù),將電信號轉(zhuǎn)

換為數(shù)字信號，即計算機可以處理的數(shù)據(jù)。采集得到的每個樣本數(shù)據(jù)

都是全集，包含快變量（速度、加速度、位移等）、慢變量（電壓、

電流、溫度等）。振動數(shù)據(jù)連續(xù)同步采集，間隔不高于20秒，多軸獨

立鍵相整周期采樣。加速度信號采樣長度至少16K，最大可達32K，

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流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書（2022年）

速度信號采樣長度為2560；

2)特征提取

傳感器數(shù)據(jù)是物理設(shè)備對象狀態(tài)的直觀映射，設(shè)備每一個部件都

有對應(yīng)的數(shù)據(jù)特征表達。根據(jù)設(shè)備專業(yè)通用的工程理論，邊緣計算設(shè)

備支持對部件的專有特征進行提取，以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)對部件的故障的

預(yù)警、故障診斷應(yīng)用。

3)數(shù)據(jù)存儲

網(wǎng)絡(luò)中斷時，磁盤數(shù)據(jù)起到緩存作用，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后，可以重新傳

輸?shù)街悄茉\斷系統(tǒng)。

4)狀態(tài)識別

邊緣計算設(shè)備對提取的部件特征實時進行計算分析，對部件的早

期故障征兆進行監(jiān)測、報警，實現(xiàn)物理設(shè)備與數(shù)字孿生體的狀態(tài)映射。

5)快速診斷

邊緣計算設(shè)備還能針對狀態(tài)識別進一步地進行快速的真?zhèn)伪孀R，

除了對狀態(tài)識別的優(yōu)化以外，還可以分擔智能診斷系統(tǒng)的負荷，特別

是隨著智能設(shè)備的發(fā)展，硬件處理能力的不斷提升，還可以進一步把

后端更復(fù)雜的診斷能力分化到邊緣側(cè)，大大降低后端智能診斷系統(tǒng)的

負荷，同時還能提高診斷的即時性。為方便進行能力擴展，該診斷能

力也采用機器學習模型的人工智能模型，自學習進化，提高診斷精度。

6)智能傳輸

為適應(yīng)工業(yè)4G網(wǎng)絡(luò)傳輸要求，需根據(jù)設(shè)備運行狀態(tài)自主調(diào)整數(shù)

據(jù)傳輸策略，設(shè)備正常運行時數(shù)據(jù)上傳間隔較大，設(shè)備異常時縮短傳

輸間隔被縮短。

7)供電系統(tǒng)

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流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書（2022年）

采用交流轉(zhuǎn)直流的方式給邊緣計算設(shè)備供電。

8)安全要求

邊緣計算設(shè)備采用隔爆型防爆箱，滿足防爆等級ExdIICT4。防

護等級不低于IP65。多臺邊緣計算設(shè)備構(gòu)成一個分布式設(shè)備狀態(tài)監(jiān)

測網(wǎng)絡(luò)，因此在工業(yè)互聯(lián)場景下，邊緣計算設(shè)備整機或防爆箱規(guī)格大

小適當，長度與寬度不超過550mm，厚度不超過350mm，其具有以下

特點：功耗低，連接傳感器整體功率不超過80瓦；易維護，跳電后

可自動恢復(fù)服務(wù)；系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，參數(shù)可遠程配置。

3.實施效果

本項目在設(shè)備域應(yīng)用邊緣計算技術(shù)對物理設(shè)備建立實時、系統(tǒng)的

數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)物理設(shè)備狀態(tài)與數(shù)字孿生模型的實時映射，預(yù)測

設(shè)備的狀態(tài)、仿真設(shè)備的運行，然后驅(qū)動設(shè)備優(yōu)化運行。本項目邊緣

計算應(yīng)用范圍：包括52臺離心泵、3臺往復(fù)壓縮機安裝邊緣計算設(shè)

備，構(gòu)成一個分布式設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)設(shè)備數(shù)字孿生的系統(tǒng)化

的智能應(yīng)用。

圖10石化行業(yè)邊緣計算應(yīng)用實施效果圖

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流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書（2022年）

實施效果如下：

1)實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集

機組振動頻譜監(jiān)測、分頻報警、趨勢報警及數(shù)據(jù)通信等功能可并

行執(zhí)行，滿足狀態(tài)監(jiān)測與診斷的實時性要求。

2)內(nèi)嵌特征提取和設(shè)備狀態(tài)分析與告警功能

對振動點的各個特征值（峰峰值、分頻矢量、變化趨勢等）和溫

度、流量、壓力值報警提供了四個參數(shù)：報警下限、報警上限、危險

下限、危險上限，實現(xiàn)設(shè)備常見故障初步診斷功能。

3)采用模塊化設(shè)計思想進行軟件開發(fā)

降低系統(tǒng)軟件的耦合度，使系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)具有較好的開放性、擴

展性和可維護性。

4)設(shè)備運行狀態(tài)自動識別

包括盤車、升降速、定速和正常運行等狀態(tài)。

5)具有黑匣子功能

裝置能夠保存設(shè)備最近若干天運行數(shù)據(jù)。當設(shè)備處于報警狀態(tài)時，

系統(tǒng)自動保留報警前后若干小時數(shù)據(jù)。

6)智能數(shù)據(jù)傳輸功能

裝置能根據(jù)設(shè)備運行狀態(tài)自主調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸策略，用戶可以對設(shè)

備正常運行時數(shù)據(jù)上傳間隔進行設(shè)置，設(shè)備異常運行時則數(shù)據(jù)全部上

傳。

（四）鋼鐵行業(yè)邊緣計算應(yīng)用典型案例

1.應(yīng)用場景

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流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書（2022年）

在鋼鐵行業(yè)的軋鋼系統(tǒng)中的大功率電動機，其工作期間的溫升會

影響電動機的使用效率，通常通過水冷、通風等方式降低（穩(wěn)定）電

機工作溫度，對于不同的風量，溫升可能不同，因此通過改造通風電

機為變頻控制，調(diào)節(jié)風量可以實現(xiàn)穩(wěn)定的電機工作溫度，同時在可能

的工況下也可以實現(xiàn)節(jié)能的目的。利用基于現(xiàn)場控制器PLC框架的邊

緣人工智能計算模塊，控制工程師可以找到工作主電機的溫升與風機

控制的電機頻率的關(guān)系，如果溫度異常升高，需要停止主電機或改變

通風系統(tǒng)的頻率，以此提高電機運行效率，減少能源浪費和電機損壞

的可能性。

2.技術(shù)方案

嵌入式邊緣分析模塊是PLC框架內(nèi)插件嵌入式分析的部署平臺

模塊，它基于Windows10IoT，將邊緣機器學習軟件與PLC相結(jié)合

實現(xiàn)智能化控制。區(qū)別于傳統(tǒng)自動化，嵌入式邊緣分析模塊以一個新

的、獨特的方式工作，把數(shù)據(jù)算法公式變成了一個用戶定義的PLC系

統(tǒng)標簽。

在控制器應(yīng)用程序中，應(yīng)用分析是實現(xiàn)流程改進的一種新的基本

方法。在充分了解工藝過程后，應(yīng)用分析可以減少對數(shù)據(jù)的需求來實

現(xiàn)數(shù)據(jù)清理，同時也減少因數(shù)據(jù)采集而對自動化網(wǎng)絡(luò)的負擔。通過在

PLC系統(tǒng)中維護關(guān)鍵數(shù)據(jù)降低了企業(yè)風險，并保持過程關(guān)鍵控制所需

的高速計算和低時延。

1)系統(tǒng)架構(gòu)

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流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書（2022年）

圖11基于控制器的邊緣AI計算架構(gòu)

這種基于PLC架構(gòu)的邊緣計算分析模塊，可以在設(shè)備、系統(tǒng)以描

述性、診斷性、預(yù)測性和規(guī)范性的方式在L0-L1層面提供系統(tǒng)級的預(yù)

測性分析，使用戶能夠在控制器應(yīng)用程序內(nèi)實現(xiàn)規(guī)定的功能。

基于PLC架構(gòu)的邊緣計算分析模塊的動力來自它的模型引擎。這

項獲得專利的數(shù)據(jù)科學技術(shù)，將來自控制器的數(shù)據(jù)流傳輸?shù)竭吘売嬎?/p>

模塊的預(yù)測數(shù)據(jù)流。

雖然邊緣計算分析模塊簡化了數(shù)據(jù)科學概念，但用戶仍然需要自

動化和應(yīng)用專業(yè)知識才能應(yīng)用。

2)實施架構(gòu)

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流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書（2022年）

圖12實施架構(gòu)

主電機的溫度變化受負載大?。娏鳎?，環(huán)境溫度，水冷系統(tǒng)流

量、溫度，風機流量（頻率）等多個條件影響，傳統(tǒng)的PID方式無法

實現(xiàn)穩(wěn)定的控制。

當邊緣計算AI分析模塊插入背板時，我們調(diào)用“預(yù)測生成器”用

于提供數(shù)據(jù)點和邊界。然后建模引擎確定基于物理的靜態(tài)函數(shù)或“f

（x）”方程最恰當?shù)卮砹嗽u估中的物理應(yīng)用。f（x）方程可以看作

是模型，并自動生成一個用戶自定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)UDT導(dǎo)入PLC控制器。

UDT創(chuàng)建利用PLC作為高速實時流數(shù)據(jù)分析功能平臺的能力。

一旦訓(xùn)練模型識別典型系統(tǒng)行為，將模型設(shè)置為計算模式。然后

計算預(yù)測的控制變量值和預(yù)測的可信水平。模型可以監(jiān)視系統(tǒng)性能以

預(yù)測系統(tǒng)級問題，如控制變量偏離設(shè)定點，是指吞吐量的質(zhì)量偏離設(shè)

定點。從而實現(xiàn)在復(fù)雜的外部多變量條件下，根據(jù)主電機的溫度變化

自動調(diào)節(jié)風機的頻率，達到穩(wěn)定主電機溫度和風機節(jié)能的目的。

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流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書（2022年）

3.實施效果

通過嵌入式AI大數(shù)據(jù)分析模塊，精確預(yù)測電機工作溫度變化趨

勢，控制風機的頻率。整個模型建立到自動化控制，不需要代碼級的

編程工作，在自動化工程師的范圍內(nèi)輕松實現(xiàn)AI邊緣計算。與原來

工頻電機比較，節(jié)約電能30%。主電機工作溫度波動減少10%。

（五）水泥行業(yè)邊緣計算應(yīng)用典型案例

1.應(yīng)用場景

水泥行業(yè)因其行業(yè)的特點以及物料獲取、生產(chǎn)要素、制造工藝等

因素的制約，生產(chǎn)過程中面臨種種風險，邊緣計算結(jié)合智能機器視覺

技術(shù)，可以解決水泥企業(yè)的安全管理問題。由工業(yè)相機，對企業(yè)內(nèi)安

全帽佩戴、禁入?yún)^(qū)闖入、下料口堵料等關(guān)鍵風險進行實時監(jiān)控，通過

5G提供的大帶寬、低時延的特性，進行大數(shù)據(jù)量的視頻傳輸?shù)竭吘?/p>

系統(tǒng)。邊緣系統(tǒng)對視頻數(shù)據(jù)進行圖像處理實時分析，對于非安全操作

進行預(yù)警。

2.技術(shù)方案

本項目采用supOS工業(yè)操作系統(tǒng)在集團和分廠兩層構(gòu)建大數(shù)據(jù)

中臺。單個廠區(qū)可借助5G實現(xiàn)各類終端高速接入，通過MEC承載supOS

平臺實現(xiàn)業(yè)務(wù)本地化和計算邊緣化，確保業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的低時延和高可靠。

云上supOS總部平臺還可通過高速專網(wǎng)，對各個廠區(qū)的平臺應(yīng)用進行

支撐和管理。本項目將工廠運維過程中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、

操作數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)進行有效融合，為工業(yè)大數(shù)據(jù)的分析和挖掘奠定

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流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書（2022年）

基礎(chǔ)，構(gòu)建水泥行業(yè)互聯(lián)智能工廠，實現(xiàn)面向水泥行業(yè)的工業(yè)大數(shù)據(jù)

平臺和工業(yè)智能APP生態(tài)圈。

圖135G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺網(wǎng)絡(luò)拓撲示意圖

根據(jù)工業(yè)制造對無線通信的嚴格需求，基于5GMEC的行業(yè)服務(wù)

化架構(gòu)，以及eMBB、uRLLC、mMTC和網(wǎng)絡(luò)切片等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)制造

企業(yè)內(nèi)網(wǎng)無線接入網(wǎng)絡(luò)和傳輸網(wǎng)絡(luò)。同時，解耦5G網(wǎng)絡(luò)功能為服務(wù)

化組件，調(diào)用輕量級組件開放接口，滿足工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)按需、動態(tài)、

彈縮和高可靠的網(wǎng)絡(luò)分配、運維和管理的需求，全方位構(gòu)建滿足工業(yè)

制造需求的5G通信系統(tǒng)。

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流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書（2022年）

圖14水泥行業(yè)5G+MEC總體技術(shù)架構(gòu)圖

利用5G低時延的特性去控制工業(yè)設(shè)備；利用5G網(wǎng)絡(luò)的高帶寬特

性，結(jié)合邊緣計算平臺可以采集工業(yè)的實時運行數(shù)據(jù)和視頻類數(shù)據(jù)；

利用5G的海量連接特性，結(jié)合邊緣計算平臺可以連接眾多的工業(yè)互

聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，實現(xiàn)設(shè)備“上網(wǎng)”。

3.實施效果

通過5GMEC和supOS的實施，滿足企業(yè)生產(chǎn)管控的需要，取得

了以下效果：

1)現(xiàn)場工業(yè)視頻通過5G網(wǎng)絡(luò)提供的大帶寬(上行>100Mb/s)、低

時延(<20ms)特性實現(xiàn)了快速上傳。

2)supOS基于實時回傳的高清視頻進行分析，完成對現(xiàn)場工作

人員安全帽佩戴、禁入?yún)^(qū)闖入、下料口堵料分析管理，出現(xiàn)

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流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書（2022年）

異常情況會及時預(yù)警。

3)廠區(qū)生產(chǎn)管控由原來的被動監(jiān)控轉(zhuǎn)為主動預(yù)警，提升了企業(yè)

安全監(jiān)控的效率。

圖15水泥行業(yè)邊緣計算應(yīng)用效果圖

（六）有色金屬行業(yè)邊緣計算應(yīng)用典型案例

1.應(yīng)用場景

由于季節(jié)變化、催化劑失效以及傳感器老化等原因，有色行業(yè)的

工業(yè)過程經(jīng)常具有時變的性質(zhì)。此時，那些具有固定參數(shù)的靜態(tài)模型

已經(jīng)不能表示這樣的過程，從而產(chǎn)生大量的誤報，從而導(dǎo)致工廠或者

設(shè)備單元不得不停產(chǎn)來做過程安全相關(guān)得檢查。以株冶關(guān)鍵設(shè)備鼓風

機為例，其X相軸震動和Y相軸震動具有典型的時變特征，傳統(tǒng)的監(jiān)

測方法均無法適應(yīng)，必須不斷更新現(xiàn)有模型。之前的模型大都部署于

邊緣端承擔過程監(jiān)測任務(wù)，而邊緣計算正好適用于局部性、實時性、

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流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書（2022年）

短周期數(shù)據(jù)的處理和分析，如今模型需要不斷更新，顯然需要較大的

計算資源，僅僅依靠邊緣端的計算力已然無法實現(xiàn)。因此，一個基于

邊云協(xié)同的關(guān)鍵設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)能夠助力一個企業(yè)實現(xiàn)智能制造的重

大轉(zhuǎn)型。

2.技術(shù)方案

圖16邊云協(xié)同功能架構(gòu)圖

首先，在云端訓(xùn)練模型，輸入訓(xùn)練數(shù)據(jù)，輸出模型，模型包括一

個字典(矩陣或二維數(shù)組)以及一個控制限(浮點數(shù))；云端訓(xùn)練出模型

后，將其發(fā)送至邊緣端。訓(xùn)練過程結(jié)束，訓(xùn)練數(shù)據(jù)和訓(xùn)練的使用到此

結(jié)束。

此時，云端和邊緣端有相同的模型，測試過程開始。測試數(shù)據(jù)和

訓(xùn)練數(shù)據(jù)類型相同，一條一條的發(fā)送到邊緣端(使用循環(huán)進行模擬)，

邊緣端的檢測代碼進行故障的檢測和診斷，不符合條件的直接判定該

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流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書（2022年）

數(shù)據(jù)為故障數(shù)據(jù)，進行相應(yīng)的報警；如果該數(shù)據(jù)符合條件，那么將其

發(fā)送至云端。

云端此時有模型更新的代碼接收該數(shù)據(jù)，此段代碼輸入上次更新

的模型和新接收到的符合條件的測試數(shù)據(jù)，輸出新的模型。當云端更

新固定步數(shù)后，云端會將最新版本放入模型發(fā)送到邊緣端，替換邊緣

端的模型。

本方案的核心技術(shù)點如下：

1)字典學習和過程監(jiān)測

字典學習是一種基于稀疏表示的機器學習方法，能夠有效的提取

數(shù)據(jù)的特征，表示能力很強。假設(shè)有訓(xùn)練數(shù)據(jù)，其中M表示

???

變量維度，N表示樣本數(shù)量。我們可以使用字典?和∈?稀疏矩陣共同來表

示出訓(xùn)練數(shù)據(jù)。其中表示字典，表示稀疏

??????

矩陣。由于X為訓(xùn)?練≈數(shù)?據(jù)?，其包?含∈的?N個樣本數(shù)據(jù)均?被∈視?為正常數(shù)據(jù)，

因此D能表示正常工況的數(shù)據(jù)，而不能表示訓(xùn)練數(shù)據(jù)中沒有出現(xiàn)的故

障工況的數(shù)據(jù)。

在過程檢測方面，通過大量的歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練出字典D，并設(shè)定一

個閾值，后續(xù)的鋁電解運行數(shù)據(jù)都通過字典D計算出重構(gòu)誤差，如果

較大的就認為此時處于異常，需要人工檢查設(shè)備；如果較小就代表此

時鋁電解過程運行正常。至于界定大小就通過與訓(xùn)練階段確定的閾值

進行相比。

2)在線學習和邊云協(xié)同

在基于傳統(tǒng)字典學習的過程監(jiān)測中只需要在云端訓(xùn)練之后，將模

型（包括字典和閾值）部署在邊緣端即可進行監(jiān)測，不需要進行云邊

協(xié)同。然而這僅僅是在靜態(tài)模型的情況下，在工業(yè)過程中，由于季節(jié)

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流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書（2022年）

的變動、設(shè)備的老化等因素，歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練出的靜態(tài)模型往往不能代

表現(xiàn)在的數(shù)據(jù)，因此需要借助在線學習。即在監(jiān)測過程的同時，將判

斷運行正常的數(shù)據(jù)發(fā)還給云端并更新模型，此時的模型是動態(tài)的，能

夠一直確保具有代表性。

3.實施效果

通過邊云協(xié)同的實施，建立動態(tài)變化的模型，減少了大量的誤報。

本項目所述工廠現(xiàn)狀和需求、解決方案及案例場景，均具有代表性，

在其他有色冶煉企業(yè)可以進行推廣，可以產(chǎn)生很好的典型示范作用。

四、流程行業(yè)邊緣計算發(fā)展趨勢及建議

隨著國家“雙碳”戰(zhàn)略實施不斷深入以及流程行業(yè)向數(shù)字化和智

能化轉(zhuǎn)型的需求，邊緣計算將在流程行業(yè)發(fā)揮越來越重要的作用。為

促進流程行業(yè)邊緣計算的發(fā)展，建議如下：

(一)強化政策制度保障

一是全方位地制定邊緣計算短期、中期和長期發(fā)展政策，充分調(diào)

動流程行業(yè)相關(guān)企業(yè)參與邊緣計算技術(shù)研究、應(yīng)用實踐以及產(chǎn)業(yè)生態(tài)

化轉(zhuǎn)型積極性；二是通過規(guī)劃引導(dǎo)和資源整合，推動以邊緣計算技術(shù)

創(chuàng)新的政產(chǎn)學研融合發(fā)展；三是促進邊緣計算技術(shù)示范項目的規(guī)劃與

建設(shè)，加快邊緣計算技術(shù)的應(yīng)用。

(二)加速關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)

一是建立國內(nèi)領(lǐng)先、國際一流的邊緣計算創(chuàng)新實驗室，加強邊緣

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流程行業(yè)邊緣計算解決方案白皮書（2022年）

計算政產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新，促進技術(shù)創(chuàng)新成果產(chǎn)業(yè)化；二是持續(xù)支持以

輕量級操作系統(tǒng)、邊緣智能以及邊云協(xié)同為代表的邊緣原生關(guān)鍵技術(shù)

方向的基礎(chǔ)理論研究攻關(guān)，為邊緣計算技術(shù)的應(yīng)用轉(zhuǎn)化夯實基礎(chǔ)；三

是著力開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的邊緣側(cè)專用芯片、服務(wù)器等產(chǎn)品，提

升邊緣計算設(shè)備自主供給能力和供給質(zhì)量。

(三)完善標準體系建設(shè)

國際標準組織高度關(guān)注邊緣計算標準化工作，不斷細化互通接口

核心技術(shù)標準，我國應(yīng)當把握標準制定窗口期，出臺統(tǒng)一開放的《邊

緣計算標準體系建設(shè)指南》，強化頂層設(shè)計，加強邊緣計算的核心設(shè)

備、關(guān)鍵技術(shù)、測試規(guī)范、應(yīng)用指南、安全等關(guān)鍵標準研制，進一步

促進邊緣計算系統(tǒng)的應(yīng)用程序接口、服務(wù)方式及數(shù)據(jù)格式采用統(tǒng)一的

標準和兼容接口，同時積極完善邊緣計算產(chǎn)品的認證機制，加速推動

跨廠商邊緣計算產(chǎn)品互聯(lián)互通互操作。

(四)推進規(guī)模應(yīng)用部署

一是構(gòu)建“邊緣計算+N”應(yīng)用體系，推動邊緣計算在流程行業(yè)應(yīng)

用實踐，并通過邊緣計算開發(fā)者大賽等活動激發(fā)應(yīng)用創(chuàng)新活力，繁榮

應(yīng)用生態(tài)。二是鼓勵行業(yè)龍頭企業(yè)按需靈活部署邊緣計算基礎(chǔ)設(shè)施，

形成一批可復(fù)制、可推廣的應(yīng)用路徑，推動邊緣計算應(yīng)用至企業(yè)生產(chǎn)、

供應(yīng)鏈資源有效組織的協(xié)同制造體系，帶動中小企業(yè)開展網(wǎng)絡(luò)化改造

和邊緣計算應(yīng)用，提升整體發(fā)展水平。三是結(jié)合5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等

新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃及發(fā)展需求，統(tǒng)籌規(guī)劃邊緣計算基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模

化部署。

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參考文獻：

[1]王哲.