離散制造業(yè)邊緣計算解決方案白皮書

1、離散制造業(yè)邊緣計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)及邊緣計算的應用價值 .1（一）離散制造業(yè)迎來新的發(fā)展機遇 1（二）離散制造業(yè)轉型發(fā)展對邊緣計算能力的需求分析 .21 .制約離散制造業(yè)轉型發(fā)展的關鍵因素 22 .邊緣計算帶來的工業(yè)現(xiàn)場價值 4（三）離散制造業(yè)邊緣計算應用基本情況 81 .邊緣控制器層 82 .邊緣網(wǎng)關層 103 .邊緣云層 10二、離散制造業(yè)邊緣計算實施架構及技術體系 11（一）離散制造業(yè)邊緣計算實施架構 11（二）離散制造業(yè)邊緣計算關鍵技術 121 .邊緣智能 122 .異構計算 133 .互聯(lián)互通技術 144 .微服務 145 .計算遷移 15三、離散制造業(yè)

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

3、實踐 323 .實踐效果 3334（一）離散制造業(yè)邊緣計算未來展望 34（二）離散制造業(yè)邊緣計算技術和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展建議.351 .產(chǎn)業(yè)化發(fā)展建議 35362 .技術及標準發(fā)展建議.圖表目錄圖1邊緣計算通用架構 9圖2離散制造業(yè)邊緣計算實施參考架構 12圖3智能產(chǎn)線終端架構 19圖4電子生產(chǎn)數(shù)字化車間解決方案架構 22圖5智能生產(chǎn)系統(tǒng)架構 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 33、離散制造業(yè)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)及邊緣計算的應用價值（一）離散制造業(yè)迎來新的發(fā)展機遇在全球已經(jīng)掀起的新一輪工業(yè)轉型浪潮中，數(shù)字化是基礎，網(wǎng)絡化 是支撐，智能化是目標，

4、在此背景下，離散制造業(yè)轉型面臨巨大發(fā)展機 遇。當前，在產(chǎn)品規(guī)劃、設計、制造、運營等生產(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)逐步實現(xiàn)了數(shù)字化和網(wǎng)絡化，且智能 傳感和人工智能等技術不斷發(fā)展成熟，因此，離散制造業(yè)的全面轉型已 經(jīng)具備了基礎條件。而邊緣計算作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工廠內網(wǎng)的關鍵技術以 及連接工廠內外網(wǎng)的有效手段，是推動離散制造業(yè)轉型發(fā)展的重要使能 技術。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)因為其本身自 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)的邊緣計算解決方案率

5、先在工業(yè)互聯(lián) 網(wǎng)應用中落地實施，邊緣計算的功能和特點能夠在實施過程中更易實現(xiàn) 和展示，本白皮書也重點從離散制造業(yè)入手，進行邊緣計算解決方案 的分析。隨著新的發(fā)展模式不斷成熟，對高質量發(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)絡化 協(xié)同、 智能化生產(chǎn)、服務化延伸成為引領制造業(yè)高端化的重要模式。而工業(yè)互 聯(lián)網(wǎng)邊緣計算的興起將推動離散制造業(yè)沿著數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化階段不斷躍升(二)離散制造業(yè)轉型發(fā)展對邊緣計算能力的需求分析1 .制約離散制造業(yè)轉型發(fā)展的關鍵因素隨著新一代信息技術的進步和相關政策的支持，我國離散型制造業(yè)正積極的向數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化方向轉型，

6、但是制約離散制造 業(yè)轉 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)標準； 特殊 工藝規(guī)劃等方面不易進行數(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)字化的實用價值；缺少統(tǒng)一規(guī)劃和認證，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)絡協(xié)議多樣異構， 互聯(lián)互通 困難等，這些因素都為離散制造業(yè)轉型發(fā)展造成阻礙。目前 中國離散制 造業(yè)自動化技術方面的發(fā)展現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)如下：單機設備自動化軟件的結構化和柔性化不足，缺少開放式接口， 設備間缺少統(tǒng)一的互聯(lián)互通標準。因為離散制造業(yè)涉及的行業(yè)眾多， 發(fā)展不均衡，整個離散制造業(yè)目前還未普遍實現(xiàn)基于訂單的柔性自動化 生產(chǎn)?？傮w上，隨著數(shù)控機床、工業(yè)

7、機器人以及可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC )的廣泛應用，各個行業(yè)的 單機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 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)集成應用架構。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。一方面，行業(yè)知識還需要長期積累來轉 化為設備工藝軟件的進步；另一方面，數(shù)據(jù)驅動的應用還需進一步加強 來促進工藝參數(shù)的優(yōu)化、生產(chǎn)調度的優(yōu)化

8、、生產(chǎn)設備的實時監(jiān)控診斷、 預測性維護等。行業(yè)內大部分設備和產(chǎn)線傳感器數(shù)量不足，一些關鍵 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”，即缺少關鍵工藝控制能力，大量采用第三方的專用 控制器，既難以實現(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)一架構設計。很多裝備的人機交互軟件、邏輯控制、運動控制等 分布在多個PLC,專用控制器，觸摸屏，甚至嵌入到

9、底層的伺服驅動 器等硬件中，相互之間連接和控制方式不盡相同，導致裝備缺乏整體的 軟件架構設計。同時，軟件與硬件耦合嚴重，設備的軟件含量低，結構 化設計不足，硬件設備和設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“軟件定義機器”的目標還比較遠。生產(chǎn)線設備的功能安全和信息安全形勢嚴峻。 原有的大量自動化 設備主要運行在剛性、封閉的自動化系統(tǒng)中，缺少內置的功能安全和 信息安全機制，要適應柔性自動化生產(chǎn)，設備功能動態(tài)重構，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。工廠運營人員勞動強度大，效率低。相對于流程行業(yè)，離散制造 業(yè)的設備產(chǎn)線操作人員、品質檢測人員、生產(chǎn)管理人員、

10、設備維護人員 工作內容更為繁瑣，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)計劃比 較困難。一些關鍵零件加工環(huán)節(jié)、裝配環(huán)節(jié)不能完全依賴于自動化，需 要有經(jīng)驗的工人完成，目前尚缺乏有效的人機協(xié)作機制來減輕操作工人 的勞動強度?；跈C器視覺等手段的在線檢測裝置正獲得廣泛的應用， 但在很多工廠，質量檢測仍是一個勞動力密集環(huán)節(jié)。原有標準和解決方案不適應轉型發(fā)展。 原有的工廠自動化和信息 化架構的參考模型主要是ISA-95的金字塔模型，該模型定義了工業(yè) 現(xiàn)場設備及系統(tǒng)的接口和數(shù)據(jù)交換標準。目前，一方面在實際中該標 準并沒有得到很好的實現(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，該標準也需要進一步完善，適應離散制造業(yè)數(shù)字化轉 型的需求。2 .邊緣計算帶來的工業(yè)現(xiàn)場價值隨著離散制造業(yè)的發(fā)展，對高質量發(fā)展的需求不斷增加，對業(yè)務時 延、隱私和安全等指標的要求也進一步升級，整體作業(yè)呈現(xiàn)精細化，柔 性化和智能化的發(fā)展趨勢，這就不僅需要云計算的整體運籌，也需要邊 緣計算的本地實時決策職能。邊緣計算是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡邊緣側，構建融合網(wǎng)絡、 計算、存儲、應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，滿足離散制造業(yè)在敏捷聯(lián)接、實時業(yè)務、數(shù) 據(jù)優(yōu)化、應用智能、安全與隱私保護等方面的關鍵需求，從 OT與IT 跨界

12、協(xié)作、推動信息流動和集成、實現(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。邊緣計算提供了設備之間互聯(lián)互通機制、OT系統(tǒng)和IT系統(tǒng)互聯(lián) 互通機制，以及部署于工業(yè)現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)采集、匯聚、存儲、分析機 制，可以快速便捷地實現(xiàn)OT與IT的整合。邊緣計算平臺及支撐技術 有利于解決離散制造業(yè)當前和未來所面臨的如下問題：邊緣計算能有效解決離散制造系統(tǒng)的連接性問題。 離散制造領域 行業(yè)眾多，行業(yè)碎片化導致設備連接協(xié)議眾多，造成設備互聯(lián)困難。 邊緣計算平臺具有完善的連接配置和管理能力，收集系統(tǒng)間實時通信需 求和服務質量要求，運行優(yōu)化調度算法，轉化為對時間敏感網(wǎng)絡(Time Sensiti

13、ve Networking, TSN )交換機和5G網(wǎng)絡的配置，支持 多種實時數(shù)據(jù)流傳輸。在保證信息安全的基礎上，不僅可以把支持傳統(tǒng) 接口和協(xié)議的設備接入邊緣計算平臺，而且通過引入數(shù)據(jù)抽象層，使得不能直接互聯(lián)互通的設備基于邊緣計算平臺實現(xiàn)互聯(lián)互通，邊緣計算平臺的低延遲性能可以保證設備間的實時橫向通信。邊緣計算為離散制造業(yè)提供邊緣側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 造質量和效率，不斷豐富以數(shù)據(jù)為中心的各種應用。邊緣計算作為物聯(lián) 網(wǎng)架構的中間層，提供了現(xiàn)場級的實時計算、存儲和通信機制。容 器化的邊緣計算核心組件和應用程序部署機制、標準化的設備數(shù)

14、據(jù)采集機制，逐步完善的邊緣應用程序生態(tài)、基于邊云協(xié)同的人工智能模型訓練和部署機制，將為離散制造領域專家提供大量平臺化、模塊化的 靈活易用工具，不斷提升工廠的精益制造能力。邊緣計算平臺為離散制造業(yè)提供決策和效率優(yōu)化能力。當前大量離散制造系統(tǒng)受限于數(shù)據(jù)的不完備性，整體設備效率等指標數(shù)據(jù)計算 比較粗放，難以用于效率優(yōu)化。邊緣計算平臺基于設備信息模型實現(xiàn)語 義級別的制造系統(tǒng)橫向通信和縱向通信，基于實時數(shù)據(jù)流處理機制匯 聚和分析大量現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)，實現(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)的決策提供強大的數(shù)據(jù)支持。邊緣計算可以有效支持： 物料的標識和可追溯性；設備和產(chǎn)線的實時狀態(tài)監(jiān)控；現(xiàn)場操作

15、指導 和操作優(yōu)化；自適應的生產(chǎn)調度和工序的優(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域知識和豐富的實 際數(shù)據(jù)。邊緣計算平臺基于設備管理殼模型來對實時數(shù)據(jù)進行清洗和預 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)的融合提供基礎支 撐。邊緣計算具有豐富的抽象和粘合能力，針對老工廠升級和新工廠 建設的不同需求，能夠提供具有一致性的設計解決方案。目前大量老工廠都面臨數(shù)字化轉型問題，邊緣計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行大規(guī)模升級的情況下，通過增加邊緣網(wǎng)關和必要的邊緣數(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，加強數(shù)據(jù)在制造系統(tǒng)各個 環(huán)節(jié)間的流動，實現(xiàn)各種基于數(shù)據(jù)的智能應用。邊緣計算平臺可以實現(xiàn)離散制造系統(tǒng)實時工業(yè)軟件開發(fā)的軟硬 件解耦。智能工廠的運行依賴于智能裝備和智能流程，需要大量的實 時軟件支持。目前很多裝備實時應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)?；谶吘売嬎闫脚_的微服務架構，可以將 大量實時規(guī)劃、優(yōu)化排版、設備監(jiān)控、故障診斷和分析、自動導引運輸 車（Automated Guided Vehicle , AGV調度等功能封裝在邊緣應用

17、 程序上，實現(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 質量，通過邊緣計算平臺可進行邊緣應用程序的靈活部署，實現(xiàn)了領域知識的分享。邊緣計算平臺可以進一步促進離散制造系統(tǒng)的IT/OT融合。邊緣計算平臺既連接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，是當前 實現(xiàn)離散制造系統(tǒng)的IT/OT融合的有效手段。邊緣計算平臺通過提供 整體的數(shù)據(jù)發(fā)布/訂閱機制，根據(jù)離散制造柔性生產(chǎn)的需求，可以實 現(xiàn)從數(shù)據(jù)源到多個數(shù)據(jù)訂閱端的實時通信，解決傳統(tǒng)結構信息流動不 暢的問題。邊緣計算平臺提供了現(xiàn)場側豐富的計算和存儲能力，可以 利用邊緣計算數(shù)據(jù)處理組

18、件和邊緣 APP把各種工藝算法進行靈活部 署，實現(xiàn)邊緣和云的協(xié)同。（三）離散制造業(yè)邊緣計算應用基本情況目前，邊緣計算在離散制造業(yè)中的物理實現(xiàn)形式主要以邊緣控制器、邊緣網(wǎng)關以及邊緣云為主，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。其中，邊緣控制器、邊緣網(wǎng)關以及邊緣云基 于云原生的邊云協(xié)同架構，采用輕量級容器管理、虛擬化等技術構建統(tǒng) 一的現(xiàn)場異構數(shù)據(jù)集成平臺，負責從各現(xiàn)場設備采集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)邊緣 側人員、設備、物料、環(huán)境、業(yè)務管理等數(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)邊緣側連接各種現(xiàn)場設備，進行工業(yè)協(xié)議 的轉換和適配，統(tǒng)一接入到邊緣

19、計算網(wǎng)絡中，并將設備能力以服務的形 式進行封裝，實現(xiàn)物理上和邏輯上生產(chǎn)設備之間通信連接。邊緣控制器 硬件架構設計采用分布式異構計算平臺，一般采用異構計算體系結構， 支持全分布式控制以及多種控制器的協(xié)作運行和無縫集成， 也是目前各 種實時嵌入式硬件平臺實現(xiàn)的主流實現(xiàn)方案；在滿足硬件實時需求前提 下，利用多物理內核結合虛擬化技術的支持，實現(xiàn)在同一硬件平臺上運 行實時與非實時任務或操作系統(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 用時空隔離的多任務和多線程調度機制與改造優(yōu)化調度算法相結合的方 式，實現(xiàn)任務調度機制。圖1邊緣計算通用架構針對需

20、要采用多控制器協(xié)同控制的智能工廠復雜任務，邊緣控制 器采用協(xié)同控制策略和控制一致性協(xié)議，結合無邊界網(wǎng)絡化的動態(tài)仿真 技術，提高現(xiàn)場干擾環(huán)境中網(wǎng)絡信息交換時智能控制系統(tǒng)的魯棒性和實 時性，實現(xiàn)多控制器在動態(tài)環(huán)境下的自適應協(xié)同控制。同時，采用軟件 定義的網(wǎng)絡化智能控制系統(tǒng)技術，提高了控制系統(tǒng)的靈活性， 對邊緣側 生產(chǎn)設備和產(chǎn)線，可快速滿足小批量多品種柔性制造的控制 工藝重構要求。2 .邊緣網(wǎng)關層邊緣網(wǎng)關是指具備邊緣計算、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)關能適應工 業(yè)現(xiàn)場復雜惡劣環(huán)境，滿足國內主流控制器、工業(yè)機器人、智能傳感器 等工業(yè)設備的接入和數(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)關可將現(xiàn)場各種工業(yè)設備、裝置采用、應用系統(tǒng)的標準或私有通信協(xié)議轉化成標準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備和系統(tǒng)互相通 信，方便系統(tǒng)集成，實現(xiàn)遠程監(jiān)控、故障診斷、配置下載、遠程管理 等功能。3 .邊緣云層邊緣云是邊緣側單個或者多個分布式協(xié)同的服務器，通過本地部 署的應用實現(xiàn)特定功能，提供彈性擴展的網(wǎng)絡、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技術與OT技術深度融 合的重要紐帶。一方面，將在云端基于機器學習離線訓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參數(shù)指標進行實時修正。另一 方面, 根據(jù)模型中輸出與特征之間權重關系，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)邊緣計算實施架構及技術體系（一）離散制造業(yè)邊緣計算實施架構如圖2所示，整個離散制造業(yè)邊緣計算實施架構包括現(xiàn)場設備 層、邊緣計算平臺層以及支持邊云協(xié)同的云平臺層，邊緣計算平臺負責 從各現(xiàn)場設備采集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)邊緣側人員、設備、物料、環(huán)境、業(yè)務管 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 設備的物聯(lián)集成（如：生產(chǎn)設備、物流設備、檢測設備）采

23、集設備運行 參數(shù)，將數(shù)據(jù)傳送至云平臺，同時實時接收云平臺下發(fā)的控制指令，最 終反饋至相應設備，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的數(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，隨著邊緣計算在離散制造業(yè)中的應用不斷廣泛，云計算與 邊 緣計算的協(xié)同效應也在快速增強，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，邊緣計算在工廠內部發(fā)揮重要作用。邊 緣側數(shù) 據(jù)分散，本地應用系統(tǒng)多，需要大量的計算、存儲資源。邊緣 計算平臺 可以實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)本地處理及生產(chǎn)現(xiàn)場的實時控制反饋，同 時，邊緣計 算平臺通過東西向聯(lián)接進行數(shù)據(jù)和知識的交換，支持計算、存儲資源的橫 向彈性擴展，能夠完成本地的實

24、時決策和實時優(yōu)化操作。另一方面，邊緣 計算平臺將與工廠外的云平臺協(xié)同聯(lián)動，邊緣側聚焦 實時、小數(shù)據(jù)的處 理，而云平臺側聚焦長周期、大數(shù)據(jù)的處理。邊緣 計算平臺通過南北向 鏈接與更上層的工業(yè)云平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和應用管理協(xié)同，實現(xiàn)邊緣側基礎設施資源的統(tǒng)一管理、調度和運維，支撐邊緣側應用的靈活部署和升級。能效優(yōu)化部署運維設計協(xié)同制造協(xié)同供應鏈協(xié)同部署運維平臺互操作管理業(yè)務編排資源管理數(shù)據(jù)服務模型服務應用開發(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)計劃管理離散制造 業(yè)邊緣計 算平臺預算管理數(shù)據(jù)預處理運營智能決策 下發(fā)數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)預處理數(shù)據(jù)分析邊緣智能智能商務分析質量管理設備管理異構計

25、算數(shù)據(jù) 采集控制 輸出協(xié)議轉換PLC空制運動控制離散制造執(zhí)行過程邊緣管控離散制造倉儲運輸與物流管起自動化立體庫AGV管理 設備接入結構管理數(shù)據(jù)緩存T數(shù)據(jù) 采集數(shù)據(jù) 采集最優(yōu)揀選路徑計算i倉庫進出庫管理iI制邊備統(tǒng)散<設系離造緣及設計數(shù)據(jù)' 生產(chǎn)計劃運 CAX I_I 營管理系統(tǒng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)PDM 運營數(shù)據(jù)執(zhí)行設備傳感器 機器人 機床庫存管理!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計劃合同采購 :.數(shù)據(jù)運輸系統(tǒng)圖2離散制造業(yè)邊緣計算實施參考架構（二）離散制造業(yè)邊緣計算關鍵技術離散制造業(yè)邊緣計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、類設備接入、數(shù)據(jù)建模分析、資源規(guī)劃分配、應用創(chuàng)新與集 成等一系列問題，邊緣計算的核心關鍵技術能夠支撐這些需求，一些 典型關鍵技術在業(yè)界被廣泛應用并受到高度關注，其中一方面邊緣智 能、異構計算、互聯(lián)互通等技術進一步提升邊緣側面向離散制造業(yè)的數(shù) 據(jù)管理和分析能力；另一方面微服務與計算遷移等技術不斷提升平臺資 源利用效率，進一步提升邊緣計算平臺服務能力。1 .邊緣智能邊緣智能是賦能離散制造業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化轉型的關鍵技術，提供了邊緣側的建模能力、數(shù)據(jù)匯聚和分析能力。邊緣智能從延遲、內存占用 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)點智能訓練 算法的聯(lián)動，完成輕量級、低延時、高效的人工智能計算框

27、架， 邊緣設 備需要執(zhí)行越來越多的智能任務，例如在刀具監(jiān)測過程中，通過對機床 主軸負載數(shù)據(jù)進行采集與分析，實現(xiàn)邊緣側刀具在加工過程中的實時狀 態(tài)監(jiān)測和壽命預測管理以及數(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)點需要完成數(shù)據(jù)安全預處理， 邊緣-云數(shù)據(jù)中 心協(xié)同才能開展完整的智能模型訓練，以上操作配合計算機視覺、自然語言處理等智能算法模型庫和強化學習、離線分析、遷移學習等工具 組建，形成完整的邊緣智能功能棧。邊緣節(jié)點應用對計算和流量寬帶處理存在較強依賴，計算方面，應用需要智能算法框架完成人機交互、編解碼 /加解密等算法框架進 行信息預處理、離散制造等建模算法構建專業(yè)領域信息框

28、架；流量方面， 邊緣節(jié)點需要數(shù)據(jù)源帶寬低收斂比、低時延響應的物理資源環(huán)境，以滿 足數(shù)據(jù)傳輸和交互需求。2 .異構計算工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應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 序列等對邊緣計算能力都提出了更高的要求，邊緣設備既要處理結構化 數(shù)據(jù)，同時也要處理非結構化的數(shù)據(jù)。因此，離散行業(yè)業(yè)務與數(shù)據(jù)的多 樣性驅動計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的計算單元協(xié)同起來的異構計算 架構，以充分發(fā)揮各種計算單元的優(yōu)勢，實現(xiàn)性能、成本、功耗、可 移植性等方面的均衡。在離散行業(yè)通過異構計算對各種類型數(shù)據(jù)

29、進行內 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)測的準確性。3,互聯(lián)互通技術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)一且標準的網(wǎng)絡與通訊體系，打破自動化金字塔的傳統(tǒng)結構，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技術和OPC UA 相結合，可以滿足離散制造業(yè)應用的各種傳輸需求，支持邊緣側工業(yè)設 備的聯(lián)網(wǎng)接入，實現(xiàn)邊緣側的互聯(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)絡架構可以快速調整優(yōu)化，有效提升網(wǎng)絡化協(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)運營中，都會需 要

30、對現(xiàn)場的機器狀態(tài)、生產(chǎn)能耗、生產(chǎn)質量等相關參數(shù)進行采集， 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)實現(xiàn)了透 明交互，并且配置效率更高，程序與應用模塊化更強，為工廠邊緣計 算平臺提供了有力支撐。4,微服務微服務是一種開發(fā)應用軟件的方法，圍繞特定業(yè)務功能構建一套小型獨立可部署的服務。傳統(tǒng)的IT行業(yè)軟件大多都是各種獨立系統(tǒng)的堆砌，存在擴展性差，可靠性不高，維護成本高，無法直接在邊緣側 執(zhí)行等問題，而微服務有效地解決了上述問題。通過微服務，特定功能 被放入單獨的服務中，允許這些服務在服務器之間分發(fā)與復制。每種應 用程序都在其自己的進程中運行，并與輕量級機制進行通信，占用資源少，可以在

31、邊緣側靈活部署。同時，這些服務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, 也符合邊緣計算資源靈活異構的特點。5.計算遷移計算遷移是將計算密集型應用任務遷移至資源較充足的設備中 執(zhí)行，從而實現(xiàn)資源合理規(guī)劃利用，提升計算效率。由于網(wǎng)絡帶寬等資 源限制，離散制造業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場面臨海量邊緣設備的數(shù)據(jù)傳輸、處理及計 算分析需求無法滿足的挑戰(zhàn)。針對上述問題，邊緣側計算遷移首先將海 量邊緣設備采集或產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行部分或全部計算的預處理操作，對 無用的數(shù)據(jù)進行過濾，降低傳輸?shù)膸挘黄浯?，計算遷移根據(jù)需求及設 備當前算力等基本情況，進行動態(tài)的任務劃分，合理分配邊緣設備及云 中心計算資源，防止計算任務遷移到處于系統(tǒng)任務過載狀態(tài)的設備，影 響計算效率。計算遷移通過在能耗、邊緣設備計算延時和傳輸數(shù)據(jù)量等 指標之間尋找最優(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)邊緣計算解決方案實踐離散制造的產(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)內部一 般將同一工序的設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）