離散制造業(yè)邊緣計(jì)算解決方案白皮書

1、離散制造業(yè)邊緣計(jì)算解決方案白皮書目錄一、離散制造業(yè)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)及邊緣計(jì)算的應(yīng)用價值 .1（一）離散制造業(yè)迎來新的發(fā)展機(jī)遇 1（二）離散制造業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展對邊緣計(jì)算能力的需求分析 .21 .制約離散制造業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵因素 22 .邊緣計(jì)算帶來的工業(yè)現(xiàn)場價值 4（三）離散制造業(yè)邊緣計(jì)算應(yīng)用基本情況 81 .邊緣控制器層 82 .邊緣網(wǎng)關(guān)層 103 .邊緣云層 10二、離散制造業(yè)邊緣計(jì)算實(shí)施架構(gòu)及技術(shù)體系 11（一）離散制造業(yè)邊緣計(jì)算實(shí)施架構(gòu) 11（二）離散制造業(yè)邊緣計(jì)算關(guān)鍵技術(shù) 121 .邊緣智能 122 .異構(gòu)計(jì)算 133 .互聯(lián)互通技術(shù) 144 .微服務(wù) 145 .計(jì)算遷移 15三、離散制造業(yè)

2、邊緣計(jì)算解決方案實(shí)踐 15（一）汽車生產(chǎn)制造領(lǐng)域邊緣計(jì)算解決方案實(shí)踐 .161.面臨問題和挑戰(zhàn) 162,邊緣計(jì)算解決方案實(shí)踐 183.實(shí)踐效果 19（二）電子制造領(lǐng)域邊緣計(jì)算解決方案實(shí)踐 201.面臨問題和挑戰(zhàn) 202,邊緣計(jì)算解決方案實(shí)踐 213.實(shí)踐效果 23（三）工程機(jī)械領(lǐng)域邊緣計(jì)算解決方案實(shí)踐 241 .面臨問題和挑戰(zhàn) 242 .邊緣計(jì)算解決方案實(shí)踐 253 .實(shí)踐效果 26（四）船舶制造領(lǐng)域邊緣計(jì)算解決方案實(shí)踐 261 .面臨問題和挑戰(zhàn) 262 .邊緣計(jì)算解決方案實(shí)踐 293 .實(shí)踐效果 31（五）定制家具領(lǐng)域邊緣計(jì)算解決方案實(shí)踐 311 .面臨問題和挑戰(zhàn) 312 .邊緣計(jì)算解決方案

3、實(shí)踐 323 .實(shí)踐效果 3334（一）離散制造業(yè)邊緣計(jì)算未來展望 34（二）離散制造業(yè)邊緣計(jì)算技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展建議.351 .產(chǎn)業(yè)化發(fā)展建議 35362 .技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展建議.圖表目錄圖1邊緣計(jì)算通用架構(gòu) 9圖2離散制造業(yè)邊緣計(jì)算實(shí)施參考架構(gòu) 12圖3智能產(chǎn)線終端架構(gòu) 19圖4電子生產(chǎn)數(shù)字化車間解決方案架構(gòu) 22圖5智能生產(chǎn)系統(tǒng)架構(gòu) 26圖6船舶曬裝件制造行業(yè)個性化定制和自組織生產(chǎn)系統(tǒng)框架 .30圖7定制家具生產(chǎn)系統(tǒng)解決方案架構(gòu) 33、離散制造業(yè)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)及邊緣計(jì)算的應(yīng)用價值（一）離散制造業(yè)迎來新的發(fā)展機(jī)遇在全球已經(jīng)掀起的新一輪工業(yè)轉(zhuǎn)型浪潮中，數(shù)字化是基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)化 是支撐，智能化是目標(biāo)，

4、在此背景下，離散制造業(yè)轉(zhuǎn)型面臨巨大發(fā)展機(jī) 遇。當(dāng)前，在產(chǎn)品規(guī)劃、設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)營等生產(chǎn)過程中，離散制造業(yè) 產(chǎn)品、生產(chǎn)裝備、工藝流程等已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，且智能 傳感和人工智能等技術(shù)不斷發(fā)展成熟，因此，離散制造業(yè)的全面轉(zhuǎn)型已 經(jīng)具備了基礎(chǔ)條件。而邊緣計(jì)算作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工廠內(nèi)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)以 及連接工廠內(nèi)外網(wǎng)的有效手段，是推動離散制造業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要使能 技術(shù)。離散制造業(yè)與流程制造業(yè)相比，生產(chǎn)環(huán)節(jié)更加分散，生產(chǎn)設(shè)備更 加多樣，更容易通過軟件改造工藝流程，而流程制造業(yè)因?yàn)槠浔旧碜?動化水平已經(jīng)很高，生產(chǎn)環(huán)節(jié)較為成熟封閉，且主要由硬件決定生產(chǎn) 流程和產(chǎn)能，因此針對離散制造業(yè)的邊緣計(jì)算解決方案率

5、先在工業(yè)互聯(lián) 網(wǎng)應(yīng)用中落地實(shí)施，邊緣計(jì)算的功能和特點(diǎn)能夠在實(shí)施過程中更易實(shí)現(xiàn) 和展示，本白皮書也重點(diǎn)從離散制造業(yè)入手，進(jìn)行邊緣計(jì)算解決方案 的分析。隨著新的發(fā)展模式不斷成熟，對高質(zhì)量發(fā)展的需求不斷增加，未 來 離散制造業(yè)生產(chǎn)方式將朝著智能化方向提升，個性化定制、網(wǎng)絡(luò)化 協(xié)同、 智能化生產(chǎn)、服務(wù)化延伸成為引領(lǐng)制造業(yè)高端化的重要模式。而工業(yè)互 聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算的興起將推動離散制造業(yè)沿著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化階段不斷躍升(二)離散制造業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展對邊緣計(jì)算能力的需求分析1 .制約離散制造業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵因素隨著新一代信息技術(shù)的進(jìn)步和相關(guān)政策的支持，我國離散型制造業(yè)正積極的向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向轉(zhuǎn)型，

6、但是制約離散制造 業(yè)轉(zhuǎn) 型的因素仍有很多，例如多數(shù)離散制造企業(yè)沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)； 特殊 工藝規(guī)劃等方面不易進(jìn)行數(shù)字化積累；現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源的可利用率不高，降低了數(shù)字化的實(shí)用價值；缺少統(tǒng)一規(guī)劃和認(rèn)證，工業(yè)現(xiàn)場存在眾多“信息孤島”，數(shù)據(jù)開放度低；工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)協(xié)議多樣異構(gòu)， 互聯(lián)互通 困難等，這些因素都為離散制造業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展造成阻礙。目前 中國離散制 造業(yè)自動化技術(shù)方面的發(fā)展現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)如下：單機(jī)設(shè)備自動化軟件的結(jié)構(gòu)化和柔性化不足，缺少開放式接口， 設(shè)備間缺少統(tǒng)一的互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)殡x散制造業(yè)涉及的行業(yè)眾多， 發(fā)展不均衡，整個離散制造業(yè)目前還未普遍實(shí)現(xiàn)基于訂單的柔性自動化 生產(chǎn)?？傮w上，隨著數(shù)控機(jī)床、工業(yè)

7、機(jī)器人以及可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC )的廣泛應(yīng)用，各個行業(yè)的 單機(jī)自動化水平都有了較大提升，但離散制造業(yè)整體還處于以單機(jī)自 動化為主和剛性自動化產(chǎn)線為主的狀況，柔性自動化產(chǎn)線較少，真正實(shí) 現(xiàn)基于訂單的柔性自動化產(chǎn)線更少，OT系統(tǒng)和IT系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)互聯(lián) 互通。數(shù)據(jù)采集困難，缺少完整的數(shù)據(jù)集成應(yīng)用架構(gòu)。目前離散制造業(yè)普遍存在低端產(chǎn)能過剩、高端產(chǎn)能不足的情況。提高高端產(chǎn)能首先需 要從裝備入手提高生產(chǎn)品質(zhì)。一方面，行業(yè)知識還需要長期積累來轉(zhuǎn) 化為設(shè)備工藝軟件的進(jìn)步；另一方面，數(shù)據(jù)驅(qū)動的應(yīng)用還需進(jìn)一步加強(qiáng) 來促進(jìn)工藝參數(shù)的優(yōu)化、生產(chǎn)調(diào)度的優(yōu)化

8、、生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)時監(jiān)控診斷、 預(yù)測性維護(hù)等。行業(yè)內(nèi)大部分設(shè)備和產(chǎn)線傳感器數(shù)量不足，一些關(guān)鍵 的物理量尚缺乏有效的傳感測量手段，一些自動化裝備獲取的狀態(tài)數(shù)據(jù) 沒有通過開放式接口提供給第三方，且原有的自動化系統(tǒng)和架構(gòu)都不 能提供良好的支撐。裝備和產(chǎn)線自動化軟件系統(tǒng)薄弱，軟件升級維護(hù)困難。 在目前的發(fā) 展階段，各個離散制造行業(yè)的自動化軟件水平極不均衡，在裝備中還存 在大量“黑盒子”，即缺少關(guān)鍵工藝控制能力，大量采用第三方的專用 控制器，既難以實(shí)現(xiàn)工藝算法和軟件的自主迭代升級，也影響了裝備軟 件的統(tǒng)一架構(gòu)設(shè)計(jì)。很多裝備的人機(jī)交互軟件、邏輯控制、運(yùn)動控制等 分布在多個PLC,專用控制器，觸摸屏，甚至嵌入到

9、底層的伺服驅(qū)動 器等硬件中，相互之間連接和控制方式不盡相同，導(dǎo)致裝備缺乏整體的 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)。同時，軟件與硬件耦合嚴(yán)重，設(shè)備的軟件含量低，結(jié)構(gòu) 化設(shè)計(jì)不足，硬件設(shè)備和設(shè)備功能的更換升級都會造成大量的低效軟件升 級工作，距離“軟件定義機(jī)器”的目標(biāo)還比較遠(yuǎn)。生產(chǎn)線設(shè)備的功能安全和信息安全形勢嚴(yán)峻。 原有的大量自動化 設(shè)備主要運(yùn)行在剛性、封閉的自動化系統(tǒng)中，缺少內(nèi)置的功能安全和 信息安全機(jī)制，要適應(yīng)柔性自動化生產(chǎn)，設(shè)備功能動態(tài)重構(gòu)，與IT系 統(tǒng)互聯(lián)互通等要求，必須要有功能安全和信息安全的保障。工廠運(yùn)營人員勞動強(qiáng)度大，效率低。相對于流程行業(yè)，離散制造 業(yè)的設(shè)備產(chǎn)線操作人員、品質(zhì)檢測人員、生產(chǎn)管理人員、

10、設(shè)備維護(hù)人員 工作內(nèi)容更為繁瑣，更容易出現(xiàn)疲勞狀況。對于生產(chǎn)規(guī)劃人員來說，離 散制造涉及的不確定性因素較多，制定按需生產(chǎn)、有彈性的生產(chǎn)計(jì)劃比 較困難。一些關(guān)鍵零件加工環(huán)節(jié)、裝配環(huán)節(jié)不能完全依賴于自動化，需 要有經(jīng)驗(yàn)的工人完成，目前尚缺乏有效的人機(jī)協(xié)作機(jī)制來減輕操作工人 的勞動強(qiáng)度?；跈C(jī)器視覺等手段的在線檢測裝置正獲得廣泛的應(yīng)用， 但在很多工廠，質(zhì)量檢測仍是一個勞動力密集環(huán)節(jié)。原有標(biāo)準(zhǔn)和解決方案不適應(yīng)轉(zhuǎn)型發(fā)展。 原有的工廠自動化和信息 化架構(gòu)的參考模型主要是ISA-95的金字塔模型，該模型定義了工業(yè) 現(xiàn)場設(shè)備及系統(tǒng)的接口和數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。目前，一方面在實(shí)際中該標(biāo) 準(zhǔn)并沒有得到很好的實(shí)現(xiàn)，廣泛采用

11、的是主流廠家以數(shù)據(jù)庫為中心的方 案；另一方面，該標(biāo)準(zhǔn)也需要進(jìn)一步完善，適應(yīng)離散制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn) 型的需求。2 .邊緣計(jì)算帶來的工業(yè)現(xiàn)場價值隨著離散制造業(yè)的發(fā)展，對高質(zhì)量發(fā)展的需求不斷增加，對業(yè)務(wù)時 延、隱私和安全等指標(biāo)的要求也進(jìn)一步升級，整體作業(yè)呈現(xiàn)精細(xì)化，柔 性化和智能化的發(fā)展趨勢，這就不僅需要云計(jì)算的整體運(yùn)籌，也需要邊 緣計(jì)算的本地實(shí)時決策職能。邊緣計(jì)算是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，構(gòu)建融合網(wǎng)絡(luò)、 計(jì)算、存儲、應(yīng)用核心能力的分布式開放體系，形成新的生態(tài)模式,就近提供邊緣智能服務(wù)，滿足離散制造業(yè)在敏捷聯(lián)接、實(shí)時業(yè)務(wù)、數(shù) 據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的關(guān)鍵需求，從 OT與IT 跨界

12、協(xié)作、推動信息流動和集成、實(shí)現(xiàn)知識的模型化以及開展端到端 的產(chǎn)業(yè)各環(huán)節(jié)協(xié)作推動離散制造業(yè)的發(fā)展。邊緣計(jì)算提供了設(shè)備之間互聯(lián)互通機(jī)制、OT系統(tǒng)和IT系統(tǒng)互聯(lián) 互通機(jī)制，以及部署于工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)時數(shù)據(jù)采集、匯聚、存儲、分析機(jī) 制，可以快速便捷地實(shí)現(xiàn)OT與IT的整合。邊緣計(jì)算平臺及支撐技術(shù) 有利于解決離散制造業(yè)當(dāng)前和未來所面臨的如下問題：邊緣計(jì)算能有效解決離散制造系統(tǒng)的連接性問題。 離散制造領(lǐng)域 行業(yè)眾多，行業(yè)碎片化導(dǎo)致設(shè)備連接協(xié)議眾多，造成設(shè)備互聯(lián)困難。 邊緣計(jì)算平臺具有完善的連接配置和管理能力，收集系統(tǒng)間實(shí)時通信需 求和服務(wù)質(zhì)量要求，運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度算法，轉(zhuǎn)化為對時間敏感網(wǎng)絡(luò)(Time Sensiti

13、ve Networking, TSN )交換機(jī)和5G網(wǎng)絡(luò)的配置，支持 多種實(shí)時數(shù)據(jù)流傳輸。在保證信息安全的基礎(chǔ)上，不僅可以把支持傳統(tǒng) 接口和協(xié)議的設(shè)備接入邊緣計(jì)算平臺，而且通過引入數(shù)據(jù)抽象層，使得不能直接互聯(lián)互通的設(shè)備基于邊緣計(jì)算平臺實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，邊緣計(jì)算平臺的低延遲性能可以保證設(shè)備間的實(shí)時橫向通信。邊緣計(jì)算為離散制造業(yè)提供邊緣側(cè)的建模工具及智能工具。不同類型的離散制造工廠，都需要不斷提高自動化和數(shù)字化程度，提升制 造質(zhì)量和效率，不斷豐富以數(shù)據(jù)為中心的各種應(yīng)用。邊緣計(jì)算作為物聯(lián) 網(wǎng)架構(gòu)的中間層，提供了現(xiàn)場級的實(shí)時計(jì)算、存儲和通信機(jī)制。容 器化的邊緣計(jì)算核心組件和應(yīng)用程序部署機(jī)制、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備數(shù)

14、據(jù)采集機(jī)制，逐步完善的邊緣應(yīng)用程序生態(tài)、基于邊云協(xié)同的人工智能模型訓(xùn)練和部署機(jī)制，將為離散制造領(lǐng)域?qū)＜姨峁┐罅科脚_化、模塊化的 靈活易用工具，不斷提升工廠的精益制造能力。邊緣計(jì)算平臺為離散制造業(yè)提供決策和效率優(yōu)化能力。當(dāng)前大量離散制造系統(tǒng)受限于數(shù)據(jù)的不完備性，整體設(shè)備效率等指標(biāo)數(shù)據(jù)計(jì)算 比較粗放，難以用于效率優(yōu)化。邊緣計(jì)算平臺基于設(shè)備信息模型實(shí)現(xiàn)語 義級別的制造系統(tǒng)橫向通信和縱向通信，基于實(shí)時數(shù)據(jù)流處理機(jī)制匯 聚和分析大量現(xiàn)場實(shí)時數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)基于模型的生產(chǎn)線多數(shù)據(jù)源信息融合， 為離散制造系統(tǒng)的決策提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持。邊緣計(jì)算可以有效支持： 物料的標(biāo)識和可追溯性；設(shè)備和產(chǎn)線的實(shí)時狀態(tài)監(jiān)控；現(xiàn)場操作

15、指導(dǎo) 和操作優(yōu)化；自適應(yīng)的生產(chǎn)調(diào)度和工序的優(yōu)化；上下料和車間物流環(huán)節(jié) 的優(yōu)化。邊緣計(jì)算為離散制造系統(tǒng)的數(shù)字字生系統(tǒng)提供支撐。數(shù)字字生系 統(tǒng)是數(shù)字制造系統(tǒng)的核心，包括產(chǎn)品數(shù)字字生，生產(chǎn)過程數(shù)字字生，性 能數(shù)字字生。數(shù)字字生系統(tǒng)發(fā)揮作用依賴于深入的領(lǐng)域知識和豐富的實(shí) 際數(shù)據(jù)。邊緣計(jì)算平臺基于設(shè)備管理殼模型來對實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和預(yù) 處理，來保證數(shù)據(jù)的完整性和有效性，為模型和數(shù)據(jù)的融合提供基礎(chǔ)支 撐。邊緣計(jì)算具有豐富的抽象和粘合能力，針對老工廠升級和新工廠 建設(shè)的不同需求，能夠提供具有一致性的設(shè)計(jì)解決方案。目前大量老工廠都面臨數(shù)字化轉(zhuǎn)型問題，邊緣計(jì)算由于具有豐富的連接性和靈活 的部署能力，可以提供多種

16、輕量級的解決方案，在不對自動化裝備進(jìn)行大規(guī)模升級的情況下，通過增加邊緣網(wǎng)關(guān)和必要的邊緣數(shù)據(jù)采集終端等，可以有效提高制造工廠的數(shù)字化水平，加強(qiáng)數(shù)據(jù)在制造系統(tǒng)各個 環(huán)節(jié)間的流動，實(shí)現(xiàn)各種基于數(shù)據(jù)的智能應(yīng)用。邊緣計(jì)算平臺可以實(shí)現(xiàn)離散制造系統(tǒng)實(shí)時工業(yè)軟件開發(fā)的軟硬 件解耦。智能工廠的運(yùn)行依賴于智能裝備和智能流程，需要大量的實(shí) 時軟件支持。目前很多裝備實(shí)時應(yīng)用軟件過度依賴于具體的控制系統(tǒng)硬 件，難以遷移到不同的系統(tǒng)?；谶吘売?jì)算平臺的微服務(wù)架構(gòu)，可以將 大量實(shí)時規(guī)劃、優(yōu)化排版、設(shè)備監(jiān)控、故障診斷和分析、自動導(dǎo)引運(yùn)輸 車（Automated Guided Vehicle , AGV調(diào)度等功能封裝在邊緣應(yīng)用

17、 程序上，實(shí)現(xiàn)了軟件與硬件平臺的解耦，降低了開發(fā)難度，提高了軟件 質(zhì)量，通過邊緣計(jì)算平臺可進(jìn)行邊緣應(yīng)用程序的靈活部署，實(shí)現(xiàn)了領(lǐng)域知識的分享。邊緣計(jì)算平臺可以進(jìn)一步促進(jìn)離散制造系統(tǒng)的IT/OT融合。邊緣計(jì)算平臺既連接OT系統(tǒng)，又連接IT系統(tǒng)，既具有低延遲、高可靠的 現(xiàn)場實(shí)時數(shù)據(jù)采集和處理能力，又有豐富的IT工具和接口，是當(dāng)前 實(shí)現(xiàn)離散制造系統(tǒng)的IT/OT融合的有效手段。邊緣計(jì)算平臺通過提供 整體的數(shù)據(jù)發(fā)布/訂閱機(jī)制，根據(jù)離散制造柔性生產(chǎn)的需求，可以實(shí) 現(xiàn)從數(shù)據(jù)源到多個數(shù)據(jù)訂閱端的實(shí)時通信，解決傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)信息流動不 暢的問題。邊緣計(jì)算平臺提供了現(xiàn)場側(cè)豐富的計(jì)算和存儲能力，可以 利用邊緣計(jì)算數(shù)據(jù)處理組

18、件和邊緣 APP把各種工藝算法進(jìn)行靈活部 署，實(shí)現(xiàn)邊緣和云的協(xié)同。（三）離散制造業(yè)邊緣計(jì)算應(yīng)用基本情況目前，邊緣計(jì)算在離散制造業(yè)中的物理實(shí)現(xiàn)形式主要以邊緣控制器、邊緣網(wǎng)關(guān)以及邊緣云為主，如圖1所示，企業(yè)將根據(jù)自身需求部 署其中一層或者多層架構(gòu)。其中，邊緣控制器、邊緣網(wǎng)關(guān)以及邊緣云基 于云原生的邊云協(xié)同架構(gòu)，采用輕量級容器管理、虛擬化等技術(shù)構(gòu)建統(tǒng) 一的現(xiàn)場異構(gòu)數(shù)據(jù)集成平臺，負(fù)責(zé)從各現(xiàn)場設(shè)備采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)邊緣 側(cè)人員、設(shè)備、物料、環(huán)境、業(yè)務(wù)管理等數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入、本地集中存 儲、邊緣分析處理等。1 .邊緣控制器層邊緣控制器是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣側(cè)連接各種現(xiàn)場設(shè)備，進(jìn)行工業(yè)協(xié)議 的轉(zhuǎn)換和適配，統(tǒng)一接入到邊緣

19、計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中，并將設(shè)備能力以服務(wù)的形 式進(jìn)行封裝，實(shí)現(xiàn)物理上和邏輯上生產(chǎn)設(shè)備之間通信連接。邊緣控制器 硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)采用分布式異構(gòu)計(jì)算平臺，一般采用異構(gòu)計(jì)算體系結(jié)構(gòu)， 支持全分布式控制以及多種控制器的協(xié)作運(yùn)行和無縫集成， 也是目前各 種實(shí)時嵌入式硬件平臺實(shí)現(xiàn)的主流實(shí)現(xiàn)方案；在滿足硬件實(shí)時需求前提 下，利用多物理內(nèi)核結(jié)合虛擬化技術(shù)的支持，實(shí)現(xiàn)在同一硬件平臺上運(yùn) 行實(shí)時與非實(shí)時任務(wù)或操作系統(tǒng)，并滿足系統(tǒng)多樣化與可移植性的需求， 提高整體平臺體系的安全性、可靠性、靈活性以及資源的利用效率；應(yīng) 用時空隔離的多任務(wù)和多線程調(diào)度機(jī)制與改造優(yōu)化調(diào)度算法相結(jié)合的方 式，實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度機(jī)制。圖1邊緣計(jì)算通用架構(gòu)針對需

20、要采用多控制器協(xié)同控制的智能工廠復(fù)雜任務(wù)，邊緣控制 器采用協(xié)同控制策略和控制一致性協(xié)議，結(jié)合無邊界網(wǎng)絡(luò)化的動態(tài)仿真 技術(shù)，提高現(xiàn)場干擾環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)信息交換時智能控制系統(tǒng)的魯棒性和實(shí) 時性，實(shí)現(xiàn)多控制器在動態(tài)環(huán)境下的自適應(yīng)協(xié)同控制。同時，采用軟件 定義的網(wǎng)絡(luò)化智能控制系統(tǒng)技術(shù)，提高了控制系統(tǒng)的靈活性， 對邊緣側(cè) 生產(chǎn)設(shè)備和產(chǎn)線，可快速滿足小批量多品種柔性制造的控制 工藝重構(gòu)要求。2 .邊緣網(wǎng)關(guān)層邊緣網(wǎng)關(guān)是指具備邊緣計(jì)算、過程控制、運(yùn)動控制、機(jī)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(jì)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(jī)器人、智能傳感器 等工業(yè)設(shè)備的接入和數(shù)

21、據(jù)解析的需求，支持邊緣端數(shù)據(jù)運(yùn)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。邊緣網(wǎng)關(guān)可將現(xiàn)場各種工業(yè)設(shè)備、裝置采用、應(yīng)用系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)或私有通信協(xié)議轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)OPC UA等通訊協(xié)議，使得上位系統(tǒng)及工業(yè) 互聯(lián)網(wǎng)平臺可采用統(tǒng)一的協(xié)議和信息模型與不同設(shè)備和系統(tǒng)互相通 信，方便系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障診斷、配置下載、遠(yuǎn)程管理 等功能。3 .邊緣云層邊緣云是邊緣側(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(shí)現(xiàn)特定功能，提供彈性擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲能力，滿 足可靠性、實(shí)時性、安全性等需求，是實(shí)現(xiàn)IT技術(shù)與OT技術(shù)深度融 合的重要紐帶。一方面，將在云端基于機(jī)器學(xué)習(xí)離線訓(xùn)練好的模型部署到邊緣云， 并通

22、過定期更新模型算法來同步邊緣智能，可以使得緊急類故障能夠 在 本地及時報警，同時可以對一些相關(guān)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時修正。另一 方面, 根據(jù)模型中輸出與特征之間權(quán)重關(guān)系，優(yōu)化終端上傳數(shù)據(jù)的過 濾規(guī)則， 以此減少流量成本和云端存儲成本。二、離散制造業(yè)邊緣計(jì)算實(shí)施架構(gòu)及技術(shù)體系（一）離散制造業(yè)邊緣計(jì)算實(shí)施架構(gòu)如圖2所示，整個離散制造業(yè)邊緣計(jì)算實(shí)施架構(gòu)包括現(xiàn)場設(shè)備 層、邊緣計(jì)算平臺層以及支持邊云協(xié)同的云平臺層，邊緣計(jì)算平臺負(fù)責(zé) 從各現(xiàn)場設(shè)備采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)邊緣側(cè)人員、設(shè)備、物料、環(huán)境、業(yè)務(wù)管 理等數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入、本地集中存儲、邊緣分析處理等，并通過對現(xiàn)場 設(shè)備的物聯(lián)集成（如：生產(chǎn)設(shè)備、物流設(shè)備、檢測設(shè)備）采

23、集設(shè)備運(yùn)行 參數(shù)，將數(shù)據(jù)傳送至云平臺，同時實(shí)時接收云平臺下發(fā)的控制指令，最 終反饋至相應(yīng)設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)字化管理， 對離散制造 業(yè)的生產(chǎn)過程控制、工藝優(yōu)化具有重要意義。止匕外，隨著邊緣計(jì)算在離散制造業(yè)中的應(yīng)用不斷廣泛，云計(jì)算與 邊 緣計(jì)算的協(xié)同效應(yīng)也在快速增強(qiáng)，邊云協(xié)同成為離散制造業(yè)數(shù)字化改造 的主要使能器。一方面，邊緣計(jì)算在工廠內(nèi)部發(fā)揮重要作用。邊 緣側(cè)數(shù) 據(jù)分散，本地應(yīng)用系統(tǒng)多，需要大量的計(jì)算、存儲資源。邊緣 計(jì)算平臺 可以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)本地處理及生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)時控制反饋，同 時，邊緣計(jì) 算平臺通過東西向聯(lián)接進(jìn)行數(shù)據(jù)和知識的交換，支持計(jì)算、存儲資源的橫 向彈性擴(kuò)展，能夠完成本地的實(shí)

24、時決策和實(shí)時優(yōu)化操作。另一方面，邊緣 計(jì)算平臺將與工廠外的云平臺協(xié)同聯(lián)動，邊緣側(cè)聚焦 實(shí)時、小數(shù)據(jù)的處 理，而云平臺側(cè)聚焦長周期、大數(shù)據(jù)的處理。邊緣 計(jì)算平臺通過南北向 鏈接與更上層的工業(yè)云平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和應(yīng)用管理協(xié)同，實(shí)現(xiàn)邊緣側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施資源的統(tǒng)一管理、調(diào)度和運(yùn)維，支撐邊緣側(cè)應(yīng)用的靈活部署和升級。能效優(yōu)化部署運(yùn)維設(shè)計(jì)協(xié)同制造協(xié)同供應(yīng)鏈協(xié)同部署運(yùn)維平臺互操作管理業(yè)務(wù)編排資源管理數(shù)據(jù)服務(wù)模型服務(wù)應(yīng)用開發(fā)生產(chǎn)優(yōu)化 .1云平臺r - - I i邊云協(xié)同離散制造生產(chǎn)計(jì)劃管理離散制造 業(yè)邊緣計(jì) 算平臺預(yù)算管理數(shù)據(jù)預(yù)處理運(yùn)營智能決策 下發(fā)數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)預(yù)處理數(shù)據(jù)分析邊緣智能智能商務(wù)分析質(zhì)量管理設(shè)備管理異構(gòu)計(jì)

25、算數(shù)據(jù) 采集控制 輸出協(xié)議轉(zhuǎn)換PLC空制運(yùn)動控制離散制造執(zhí)行過程邊緣管控離散制造倉儲運(yùn)輸與物流管起自動化立體庫AGV管理 設(shè)備接入結(jié)構(gòu)管理數(shù)據(jù)緩存T數(shù)據(jù) 采集數(shù)據(jù) 采集最優(yōu)揀選路徑計(jì)算i倉庫進(jìn)出庫管理iI制邊備統(tǒng)散<設(shè)系離造緣及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)' 生產(chǎn)計(jì)劃運(yùn) CAX I_I 營管理系統(tǒng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)PDM 運(yùn)營數(shù)據(jù)執(zhí)行設(shè)備傳感器 機(jī)器人 機(jī)床庫存管理!系統(tǒng)I現(xiàn)場監(jiān)控倉儲數(shù)扼I及倉儲管現(xiàn)場監(jiān)控理系統(tǒng)系統(tǒng)廣諭父q1ERP SCM CRM計(jì)劃合同采購 :.數(shù)據(jù)運(yùn)輸系統(tǒng)圖2離散制造業(yè)邊緣計(jì)算實(shí)施參考架構(gòu)（二）離散制造業(yè)邊緣計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)離散制造業(yè)邊緣計(jì)算平臺需要解決海量數(shù)據(jù)管理與處理、多源數(shù) 據(jù)集成、各

26、類設(shè)備接入、數(shù)據(jù)建模分析、資源規(guī)劃分配、應(yīng)用創(chuàng)新與集 成等一系列問題，邊緣計(jì)算的核心關(guān)鍵技術(shù)能夠支撐這些需求，一些 典型關(guān)鍵技術(shù)在業(yè)界被廣泛應(yīng)用并受到高度關(guān)注，其中一方面邊緣智 能、異構(gòu)計(jì)算、互聯(lián)互通等技術(shù)進(jìn)一步提升邊緣側(cè)面向離散制造業(yè)的數(shù) 據(jù)管理和分析能力；另一方面微服務(wù)與計(jì)算遷移等技術(shù)不斷提升平臺資 源利用效率，進(jìn)一步提升邊緣計(jì)算平臺服務(wù)能力。1 .邊緣智能邊緣智能是賦能離散制造業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)，提供了邊緣側(cè)的建模能力、數(shù)據(jù)匯聚和分析能力。邊緣智能從延遲、內(nèi)存占用 量和能效等方面，進(jìn)行邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)上智能推理加速和多節(jié)點(diǎn)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(jì)算框

27、架， 邊緣設(shè) 備需要執(zhí)行越來越多的智能任務(wù)，例如在刀具監(jiān)測過程中，通過對機(jī)床 主軸負(fù)載數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與分析，實(shí)現(xiàn)邊緣側(cè)刀具在加工過程中的實(shí)時狀 態(tài)監(jiān)測和壽命預(yù)測管理以及數(shù)據(jù)信息可視化；止匕外，針對信息安全、數(shù) 據(jù)不出網(wǎng)等要求，邊緣節(jié)點(diǎn)需要完成數(shù)據(jù)安全預(yù)處理， 邊緣-云數(shù)據(jù)中 心協(xié)同才能開展完整的智能模型訓(xùn)練，以上操作配合計(jì)算機(jī)視覺、自然語言處理等智能算法模型庫和強(qiáng)化學(xué)習(xí)、離線分析、遷移學(xué)習(xí)等工具 組建，形成完整的邊緣智能功能棧。邊緣節(jié)點(diǎn)應(yīng)用對計(jì)算和流量寬帶處理存在較強(qiáng)依賴，計(jì)算方面，應(yīng)用需要智能算法框架完成人機(jī)交互、編解碼 /加解密等算法框架進(jìn) 行信息預(yù)處理、離散制造等建模算法構(gòu)建專業(yè)領(lǐng)域信息框

28、架；流量方面， 邊緣節(jié)點(diǎn)需要數(shù)據(jù)源帶寬低收斂比、低時延響應(yīng)的物理資源環(huán)境，以滿 足數(shù)據(jù)傳輸和交互需求。2 .異構(gòu)計(jì)算工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的普及帶來了信息量爆炸式增長，特別在離散制 造業(yè)，海量的傳感器數(shù)據(jù)、文本/超文本、聲音數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、視頻 序列等對邊緣計(jì)算能力都提出了更高的要求，邊緣設(shè)備既要處理結(jié)構(gòu)化 數(shù)據(jù)，同時也要處理非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。因此，離散行業(yè)業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)的多 樣性驅(qū)動計(jì)算的多樣性是必然趨勢。針對上述需求，業(yè)界提出了將不同類型指令集和不同體系架構(gòu)的計(jì)算單元協(xié)同起來的異構(gòu)計(jì)算 架構(gòu)，以充分發(fā)揮各種計(jì)算單元的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)性能、成本、功耗、可 移植性等方面的均衡。在離散行業(yè)通過異構(gòu)計(jì)算對各種類型數(shù)據(jù)

29、進(jìn)行內(nèi) 容分析和融合處理，從海量數(shù)據(jù)中挖掘隱藏信息和有效數(shù)據(jù)，提高離散 制造過程中各種裝備狀態(tài)監(jiān)測的準(zhǔn)確性。3,互聯(lián)互通技術(shù)OPC UA Over TSN為傳感器層、控制器層到自動化軟件層提供一 套統(tǒng)一且標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)與通訊體系，打破自動化金字塔的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并有 效解決用戶與集成商在系統(tǒng)集成時所遇到的困境。TSN技術(shù)和OPC UA 相結(jié)合，可以滿足離散制造業(yè)應(yīng)用的各種傳輸需求，支持邊緣側(cè)工業(yè)設(shè) 備的聯(lián)網(wǎng)接入，實(shí)現(xiàn)邊緣側(cè)的互聯(lián)互通，賦予離散制造業(yè)生產(chǎn)制造系統(tǒng) 高度靈活性，工廠車間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以快速調(diào)整優(yōu)化，有效提升網(wǎng)絡(luò)化協(xié) 同制造與管理水平。例如，在離散制造業(yè)工廠數(shù)據(jù)采集、傳輸與生產(chǎn)運(yùn)營中，都會需 要

30、對現(xiàn)場的機(jī)器狀態(tài)、生產(chǎn)能耗、生產(chǎn)質(zhì)量等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采集， TSN+OPCUA在整體上使得工廠各個環(huán)節(jié)的橫向與縱向數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了透 明交互，并且配置效率更高，程序與應(yīng)用模塊化更強(qiáng)，為工廠邊緣計(jì) 算平臺提供了有力支撐。4,微服務(wù)微服務(wù)是一種開發(fā)應(yīng)用軟件的方法，圍繞特定業(yè)務(wù)功能構(gòu)建一套小型獨(dú)立可部署的服務(wù)。傳統(tǒng)的IT行業(yè)軟件大多都是各種獨(dú)立系統(tǒng)的堆砌，存在擴(kuò)展性差，可靠性不高，維護(hù)成本高，無法直接在邊緣側(cè) 執(zhí)行等問題，而微服務(wù)有效地解決了上述問題。通過微服務(wù)，特定功能 被放入單獨(dú)的服務(wù)中，允許這些服務(wù)在服務(wù)器之間分發(fā)與復(fù)制。每種應(yīng) 用程序都在其自己的進(jìn)程中運(yùn)行，并與輕量級機(jī)制進(jìn)行通信，占用資源少，可以在

31、邊緣側(cè)靈活部署。同時，這些服務(wù)的集中化管理程度大 大降低，它們可以用不同的編程語言編寫，并使用不同的數(shù)據(jù)存儲技術(shù), 也符合邊緣計(jì)算資源靈活異構(gòu)的特點(diǎn)。5.計(jì)算遷移計(jì)算遷移是將計(jì)算密集型應(yīng)用任務(wù)遷移至資源較充足的設(shè)備中 執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)資源合理規(guī)劃利用，提升計(jì)算效率。由于網(wǎng)絡(luò)帶寬等資 源限制，離散制造業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場面臨海量邊緣設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸、處理及計(jì) 算分析需求無法滿足的挑戰(zhàn)。針對上述問題，邊緣側(cè)計(jì)算遷移首先將海 量邊緣設(shè)備采集或產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行部分或全部計(jì)算的預(yù)處理操作，對 無用的數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，降低傳輸?shù)膸?；其次，?jì)算遷移根據(jù)需求及設(shè) 備當(dāng)前算力等基本情況，進(jìn)行動態(tài)的任務(wù)劃分，合理分配邊緣設(shè)備及云 中心計(jì)算資源，防止計(jì)算任務(wù)遷移到處于系統(tǒng)任務(wù)過載狀態(tài)的設(shè)備，影 響計(jì)算效率。計(jì)算遷移通過在能耗、邊緣設(shè)備計(jì)算延時和傳輸數(shù)據(jù)量等 指標(biāo)之間尋找最優(yōu)的平衡，不斷優(yōu)化資源利用率， 提升離散制造業(yè)生 產(chǎn)效率。三、離散制造業(yè)邊緣計(jì)算解決方案實(shí)踐離散制造的產(chǎn)品往往由多個零件經(jīng)過一系列并不連續(xù)的工序的 加工最終裝配而成，例如飛機(jī)制造、船舶制造等。其中，由于離散制造 過程中每道工序中涉及的工藝參數(shù)不一，而統(tǒng)合這些參數(shù)需要花費(fèi)大量 的人力和時間。同時，離散制造對于流程管控要求較高，在企業(yè)內(nèi)部一 般將同一工序的設(shè)備按照空間和行政管理劃分建成一些生產(chǎn)組織（例如部門、工段或小組）