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01背景

計算技術(shù)經(jīng)歷了大型機計算、PC計算、網(wǎng)絡(luò)計算、云計算等階段之后，進入了邊緣計算/霧計算。圖1示出了邊緣計算的5大關(guān)鍵利益。正是由于邊緣計算呈現(xiàn)了它在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代的重要地位，所以這幾年來贏得了工業(yè)界的特殊關(guān)注。

圖1 邊緣計算的5大關(guān)鍵利益

02工業(yè)環(huán)境下的邊緣計算

工業(yè)環(huán)境下的邊緣計算通常以實時或者以接近實時的方式獲取正確的設(shè)備數(shù)據(jù)，以推動更好的決策，必要時還可以進行工業(yè)過程控制。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，必須先行構(gòu)建邊緣設(shè)備及嵌入其中的軟件、邊緣服務(wù)器以及云的基礎(chǔ)架構(gòu)，并連續(xù)全天候地運行。

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)邊緣可以擴展到工業(yè)設(shè)備、機械制造、控制器和傳感器。當(dāng)下，邊緣計算和分析正在快速地向靠近機械裝置和數(shù)據(jù)源的地點部署。隨著工業(yè)系統(tǒng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型已成定勢，分析、決策和控制這些以往都是集中完成的功能，正在從物理上加速向邊緣設(shè)備、邊緣服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、云及其聯(lián)接系統(tǒng)分散。與此同時，自動化資產(chǎn)設(shè)備正在提升其執(zhí)行邊緣計算的功能。

邊緣計算支持IT/OT融合，在架構(gòu)中的這兩個領(lǐng)域之間架起了橋梁。這特別明顯地表現(xiàn)在它不僅擔(dān)任原有服務(wù)于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的角色，同時也為上一層的網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)數(shù)據(jù)服務(wù)，而且正在成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中一個組成部分。

數(shù)據(jù)在接近產(chǎn)生數(shù)據(jù)的源頭進行處理，意味著邊緣計算和分析可能不把所有的數(shù)據(jù)向云端發(fā)送，而是將一些數(shù)據(jù)就地處理，諸如數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)集成等。邊緣系統(tǒng)可自行決定哪些數(shù)據(jù)要發(fā)送，向什么地方發(fā)送和什么時候發(fā)送。讓邊緣具有智能有助于解決工業(yè)設(shè)施（如采油井、采礦點、化工廠等）通常會遇到的問題，如低帶寬、低延遲、感知以任務(wù)為關(guān)鍵的的數(shù)據(jù)等，以保證知識產(chǎn)權(quán)不致被人竊取。

當(dāng)制造廠在實施將廠內(nèi)的機械設(shè)備和裝置，以及生產(chǎn)系統(tǒng)與數(shù)字化企業(yè)相聯(lián)接的解決方案時，流程工業(yè)和離散工業(yè)的最終用戶都樂于看到在邊緣執(zhí)行實時智能。在現(xiàn)今的互聯(lián)工廠中，邊緣計算將提供下一代的智能聯(lián)接設(shè)備和數(shù)字化企業(yè)的基礎(chǔ)。這些智能邊緣設(shè)備可將傳感器的數(shù)據(jù)和流信息加以集結(jié)和分析，以支持預(yù)測性的分析平臺。

利用邊緣計算和云計算的混合方法將為每個流程工業(yè)和離散工業(yè)的用戶提供可執(zhí)行的信息，用以支持實時的業(yè)務(wù)決策、資產(chǎn)監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析過程報警、過程控制，以及深度學(xué)習(xí)等等。而邊緣計算和云計算的算力移往網(wǎng)關(guān)和IIoT的邊緣設(shè)備，這一趨勢日趨明顯。

許多終端用戶期望在邊緣實施數(shù)據(jù)分析，這并不出人意料。如果工業(yè)向智能互聯(lián)機械和生產(chǎn)系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展和遷移，第一步就是建立數(shù)字化的環(huán)境，在這數(shù)字化的環(huán)境中，實現(xiàn)了信息安全的工廠在生產(chǎn)過程中運用可以存取、采集、集結(jié)和分析數(shù)據(jù)的智能設(shè)備，并提供可執(zhí)行的信息，使運行、維護以及工廠和產(chǎn)品的設(shè)計和工程部門都能獲得優(yōu)化設(shè)計、制造和支持的能力和手段。

操作運行、資產(chǎn)管理和可靠性等的迫切需要，推動終端用戶去部署和利用邊緣計算。但是隨著機械裝置和設(shè)備以及生產(chǎn)系統(tǒng)的邊緣計算和設(shè)備持續(xù)不斷增加，首先要關(guān)注的一定是網(wǎng)絡(luò)和信息安全的問題。當(dāng)邊緣設(shè)備可以聯(lián)接工廠的生態(tài)系統(tǒng)、產(chǎn)品和現(xiàn)場的設(shè)備裝置，甚至制造供應(yīng)鏈的時候，設(shè)備和聯(lián)接必須保證網(wǎng)絡(luò)和信息的安全和可靠。

具有信息賦能運行操作的智能制造和邊緣計算，實際上為改善業(yè)務(wù)性能提供了無限的潛力。過去長期在機械裝置內(nèi)和過程中未被利用的數(shù)據(jù)將被發(fā)掘利用，為快速地辨識生產(chǎn)低效率的問題所在，針對制造條件來比較產(chǎn)品質(zhì)量，精確查明在安全、生產(chǎn)或環(huán)境等方面的潛在問題，都會變成現(xiàn)實。邊緣基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程管理將立即與操作人員以及不在現(xiàn)場的專家發(fā)生聯(lián)接，這樣故障的避免，及時處理可能導(dǎo)致停機事件的解決，或快速地進行診斷或?qū)ふ夜收宵c，都會很快實現(xiàn)。

總之，邊緣計算和云計算的基礎(chǔ)架構(gòu)將加速IT和OT的融合匯聚。于是，那些原來只關(guān)心自己責(zé)任范圍內(nèi)系統(tǒng)的IT和OT的專業(yè)人員，就可以相互學(xué)習(xí)對方的技術(shù)。IT的專業(yè)人員需要把他們的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)運行的經(jīng)驗和無處不在的運用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議進入制造應(yīng)用的技巧向OT人員傳授；OT人員需要把過去的自動化孤島向現(xiàn)在的全廠互聯(lián)互通和以信息為中心的邊緣和云架構(gòu)升級遷移。于是，邊緣計算就成為將IT與OT融合交匯的關(guān)鍵點。

03工業(yè)邊緣的兩個視角

在考慮工業(yè)邊緣環(huán)境時，我們可以從運行操作的視角和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的視角分別進行思考。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)IIoT把運行操作的邊緣和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的邊緣聯(lián)接在 一起，凝聚成為一個整體。為了實現(xiàn)業(yè)務(wù)的目標(biāo)將它們綁定在一起，形成整個IT/OT融合交匯的一個關(guān)鍵部分。圖2描繪了這一場景。在云端可以部署需求規(guī)劃、 PDM、供應(yīng)鏈、資產(chǎn)管理、ERP、MES等企業(yè)的應(yīng)用軟件和功能；其下安排網(wǎng)絡(luò)邊緣的基礎(chǔ)架構(gòu)，而操作運行的邊緣資產(chǎn)包括傳感器、變送器、控制閥、工藝閥門、 控制系統(tǒng)等自動化資產(chǎn)，以及固定資產(chǎn)、運載工具、驅(qū)動裝置等。 

圖2 工業(yè)邊緣的兩個視角

運行操作的工業(yè)邊緣。運行操作的工業(yè)邊緣是兩 個邊緣環(huán)境中最直接的，它是工業(yè)過程的邏輯運行操作的始端和末端。不過不同的組織如企業(yè)、客戶、運 行操作等，對邊緣的定義或許是有所不同的。一個采礦公司會把一個裝有某個設(shè)備的地點視為其制造過程的運行操作邊緣；而石油天然氣工業(yè)則會把鉆井平臺或鉆井與其相關(guān)的設(shè)備如油泵或天然氣泵、管線和火炬設(shè)備視為邊緣。對于制造業(yè)，工廠的操作運行邊緣由一些機械設(shè)備和裝置組成，例如上料機器人、金屬沖壓機等。對于發(fā)電工業(yè)，邊緣會是汽輪機或燃?xì)廨啓C或是風(fēng)力發(fā)電機的變速齒輪箱；對于輸配電工業(yè)，邊緣則是變電站、變壓器或移動供電站。從上述例子中可見，在一個大型的操作運行過程內(nèi)，邊緣設(shè)備被用來執(zhí)行關(guān)鍵操作，但是這些操作是有限度的，有時是與其它設(shè)備相互隔離的。 

網(wǎng)絡(luò)工業(yè)邊緣。與上述經(jīng)過提煉的過程相反，網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)邊緣對于工業(yè)操作人員來說不是那么明顯符合預(yù)期。許多含混不清源自操作人員通過存在已久、且經(jīng)過不斷深化的視角去看待技術(shù)，其中包括分散過程控制、可編程邏輯控制和其它自動化應(yīng)用。這些模糊不清的看法通常導(dǎo)致對IIoT過程的誤解，以為其建設(shè)和價值與過去幾十年來自動化成功的做法相似。 

從網(wǎng)絡(luò)的視角看，開發(fā)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的過程是為了通過數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)的分層管理和數(shù)據(jù)的系統(tǒng)使信息得以傳輸、分析、提煉，上升為知識，為決策提供依據(jù)和選擇。在傳統(tǒng)的OT領(lǐng)域，系統(tǒng)是在操作運行過程的范圍內(nèi)被加以隔離，形成為信息孤島，而IT則從超出這一視界來考慮，通常是從克服壁壘，如何實現(xiàn)更有效率的運行操作的設(shè)想來考慮的。 

事實上網(wǎng)絡(luò)邊緣的定義是由IT人員完成的，但并不止于此。IT人員描述利用云計算技術(shù)，建立開發(fā)互聯(lián)網(wǎng)賦能的數(shù)據(jù)共享的基礎(chǔ)，同時建立智能的設(shè)備。于是云變成了“集中的中心環(huán)境”，據(jù)此來識別和定義邊緣。這樣，網(wǎng)絡(luò)邊緣就成了向云端提供數(shù)據(jù)的設(shè)備和系統(tǒng) 了。不過，對于現(xiàn)今的工業(yè)希冀達到的目的，這樣的定義過于簡單化了。 

與工業(yè)的操作運行相似，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)邊緣發(fā)生在信息技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的邏輯始端和末端。它由具有數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)管理（例如信息安全、可視化、預(yù)處理和存貯）和計算能力的裝置和設(shè)備組成。網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的邊緣可以包括一系列的技術(shù)，同時這一生態(tài)系統(tǒng)的分散性往往又附加了模糊點。它通常是傳統(tǒng)的IT裝置和設(shè)備以及有目的建造的工業(yè)系統(tǒng)和技術(shù)（諸如新加的傳感器和執(zhí)行器）的混合體。這許多技術(shù)作為各別的部件被導(dǎo)入工業(yè)環(huán)境或者被導(dǎo)入一個網(wǎng)絡(luò)。它們的功能性也可被嵌入在一個操作運行的基礎(chǔ)架構(gòu)中（如嵌入在透平中、機器人中或運載工具中）。

04在工業(yè)邊緣構(gòu)建可靠的虛擬化和控制應(yīng)用

對于幾乎所有的應(yīng)用，在工業(yè)邊緣的虛擬化和控 制計算都是適用而有益的。大多數(shù)處于邊緣的系統(tǒng)、設(shè)備和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIoT的傳感器，正在向更智能、而且能夠提供大量數(shù)據(jù)的方向發(fā)展。在現(xiàn)場經(jīng)過改善提高的 SCADA和HMI，其聯(lián)接性也為存取這些大量的數(shù)據(jù)做好了準(zhǔn)備。 

在生產(chǎn)層，在現(xiàn)場或操作人員需要查看大量數(shù)據(jù)的時候，部署了更多的HMI功能一定會使工廠、成套裝置和產(chǎn)線的操作運行更有效率。這包括基本的流程或過程監(jiān)控和控制，在操作人員需要立即取得實時生產(chǎn)圖表和趨勢變化時，所提供的精確而齊全的數(shù)據(jù)，再配以可進行調(diào)整和改變的手段，再加上從現(xiàn)場設(shè)備中取得的大數(shù)據(jù)，并依據(jù)這些實時數(shù)據(jù)所進行的更細(xì)化的分析，這無異是如虎添翼，提高了操作人員即時深入了解生產(chǎn)狀況的可視化和決策指導(dǎo)的能力。數(shù)據(jù)分析還可以揭示長期的趨勢，使操作人員從中獲得為改善效率而采取行動的信息。這一般不可能從直接觀察實時數(shù)據(jù)做到。除了改善操作運行而外，在計劃或項目的生命周期的其他階段，也可從工業(yè)邊緣中獲得利益。在設(shè)計和開發(fā)期間，經(jīng)過驗證的邊緣計算架構(gòu)，為從一個項目到下一個項目的復(fù)用和提高設(shè)計效率，提供了良好的結(jié)構(gòu)化手段。邊緣計算的模塊化性質(zhì)意味著原始設(shè)備制造商OEM和系統(tǒng)集成商SI可以在內(nèi)部開發(fā)平臺上進行編程和測試，并可以在新的和現(xiàn)有的現(xiàn)場生產(chǎn)系統(tǒng)中利用這些結(jié)果?？焖俚腍MI的部署和HMI可移動的性能，還使得在新系統(tǒng)和老系統(tǒng)的調(diào)試投運更為方便。運用可靠的瘦客戶端使不間斷的維護更為簡便，如有必要可以快速進行瘦客戶端的重新部署和替代。在調(diào)試投運期間利用移動可視化和在便攜式電腦或臺式電腦的計算客戶端，可為維護團隊提供尋找故障問題的選項。 

那么誰掌握工業(yè)邊緣計算呢？這與誰掌握工業(yè)自動化計算結(jié)構(gòu)和如何來定義工業(yè)邊緣和瘦客戶端滾動顯示有關(guān)。傳統(tǒng)的工業(yè)計算解決方案在很大程度上建立在商用信息技術(shù)IT的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之上。許多用于工業(yè)的計算技術(shù)都是逐漸從商業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)移過來的，例如PC機、服務(wù)器、以太網(wǎng)線和Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)、虛擬機、瘦客戶端和若干冗余方案。不過制造業(yè)和流程工業(yè)總是緊緊圍繞著操作運行技術(shù)OT領(lǐng)域。而OT要求許多上述的IT基礎(chǔ)架構(gòu)的同時，還要加上特定使命和特定要求的硬件、軟件和通信方法，例如PLC、HMI、智能化儀表裝置，以及工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議等等。

IT和OT業(yè)務(wù)單元的融合并非終局游戲，工業(yè)邊緣的部署必須產(chǎn)生于這兩個團隊成功協(xié)調(diào)的結(jié)果。一般地講，IT人員并不曾受過工業(yè)專用設(shè)備的培訓(xùn)。事實上，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通常必須與業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)小心地用防火墻隔離。OT 依賴于虛擬機和瘦客戶端技術(shù)，但OT人員通常不會具有 管理以IT為中心的廣泛協(xié)調(diào)能力。

一個可供運用的中間平臺把以IT為中心的硬軟件部署功能打包到以O(shè)T為中心的運行平臺。這樣OT人員便 可以方便地操作和維護IT技術(shù)。

傳統(tǒng)的自動化計算架構(gòu)包括分布式和集中式的部件。純OT設(shè)備如PLC和PAC安裝在工業(yè)邊緣可以與現(xiàn)場設(shè)備如電動機、閥門和傳感器等直接互動，采集信息，并執(zhí)行細(xì)化的控制。這些OT資產(chǎn)不斷改進其性能，仍然起著重要的作用。與IT范圍橫向連接的工業(yè)自動化SCADA和HMI采集上述OT設(shè)備的數(shù)據(jù)，構(gòu)成一個局部 的“核心”，并可通過與臺式PC機聯(lián)網(wǎng)，在所有有需要 的地方作為得心應(yīng)手的工具。目前一個正在發(fā)展的趨勢是在工廠層外安裝控制和虛擬化的計算資產(chǎn)，或者甚至在傳送帶和機械裝置上安裝邊緣設(shè)備，這有可能使問題復(fù)雜化了。 

一個更合適的解決方案是保持集中的冗余服務(wù)器硬件作為核心，但將它作為與自動化有關(guān)的主虛擬機，而在所需要的地方將HMI應(yīng)用服務(wù)作為遠(yuǎn)程的瘦客戶端。冗余服務(wù)器可以采用傳統(tǒng)的IT樣式，也可以采用專為工業(yè)任務(wù)而設(shè)計開發(fā)的經(jīng)過OT優(yōu)化的版本，即新推出的具有冗余成對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的邊緣計算平臺，如Stratus的ztC邊緣系統(tǒng)。 

瘦客戶端技術(shù)是可靠部署和管理分布式HMI和虛擬機的優(yōu)先方案，尤其是這種系統(tǒng)支持移動設(shè)備的客戶端。這意味著任意工業(yè)自動化的虛擬機或應(yīng)用程序都可以任意PC機、盤裝式終端或連到公司內(nèi)網(wǎng)的移動設(shè)備，實現(xiàn)可視化和進行操作。瘦客戶端的架構(gòu)使OT人員在邊緣取得更好地體驗，同時使承擔(dān)工業(yè)自動化核心的OT人員維護管理水平大幅提高。所得到的利益體現(xiàn)在：瘦客戶端可使用硬件資源要求不高因而相對便宜的設(shè)備，快速替代和重新配置的成本較低。 

單內(nèi)核技術(shù)非常適合于開發(fā)運用于邊緣的數(shù)據(jù)采 集、處理和分析設(shè)備，這是因為它是一種實現(xiàn)單一服務(wù)部件（單元）輕量級的機制。它對硬件資源的要求較低，易于快速配置和替代。它具有APP服務(wù)的靈活性，像HMI這樣的遠(yuǎn)程設(shè)備就可以利用單內(nèi)核技術(shù)和有關(guān)的APP，快速構(gòu)成專用的有針對性的數(shù)據(jù)采集分析和顯示。它又易于開發(fā)，在工廠內(nèi)的開發(fā)和測試活動可以在 虛擬機環(huán)境中進行，而不論主機在何地，因而對實際現(xiàn)場部署的硬件設(shè)備要求不高。

上述這些特點對于OEM廠商和系統(tǒng)集成商很有意義。運用虛擬化和瘦客戶端可加速集成的進度，特別是與多臺服務(wù)器和PC機方案的組態(tài)相比，將開發(fā)組態(tài)的過程轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)系統(tǒng)的瘦客戶端，顯然方便而快速；運用虛擬化和瘦客戶端大大簡化了系統(tǒng)維護， 集中控制的虛擬機的維護遠(yuǎn)比分布式資產(chǎn)的維護來得容易，尤其是在軟件升級和為信息安全打補丁的時候更是如此；以單內(nèi)核為基礎(chǔ)形成瘦客戶端的架構(gòu)，系統(tǒng)可擴展性好，這得益于集中的標(biāo)準(zhǔn)化和良好的復(fù)用 性；另外，通過建立和部署以運用虛擬化和瘦客戶端 為基礎(chǔ)的設(shè)備，可為實現(xiàn)一致性、可靠性以及再現(xiàn)性 的最佳實踐打下堅實基礎(chǔ)。圖3是采用Stratus虛擬操 作系統(tǒng)的瘦客戶端架構(gòu)的方案，易于用任務(wù)專用的虛 擬化和移動軟件來構(gòu)成。

圖3 用虛擬機和移動軟件構(gòu)成瘦客戶端的架構(gòu)

綜上所述可以得出以下結(jié)論：采用瘦客戶端和虛擬 化的架構(gòu)有利于提高工業(yè)邊緣系統(tǒng)的易管理性、靈活性 和可靠性。

05邊緣可編程工業(yè)控制器

最近美國自動化市場上出現(xiàn)了一種所謂的“邊緣 可編程工業(yè)控制器”（EPIC）。它所集成的硬件和軟 件執(zhí)行控制、監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、操作員接口、邊緣數(shù)據(jù) 處理和一定的數(shù)據(jù)分析功能。其設(shè)計的初衷是為了滿足 在長期的運行過程中OT/IT融合所要求的扁平化結(jié)構(gòu)， 以及資產(chǎn)間的無縫通信，同時還要運用開放的標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議和編程語言。這一簡化現(xiàn)場-邊緣-云端的層次的方案，核心是提高工業(yè)邊緣計算功能的效率；或者稱之為將IIoT的智能始于邊緣。圖4的上半部分是現(xiàn)有的IIoT的復(fù)雜架構(gòu)，由眾多的傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過 PLC、OPC服務(wù)器、HMI/PC和防火墻傳送至云端；而下半部分是傳感器通過邊緣可編程工業(yè)控制器，直接送往云端。

圖4 IIoT結(jié)構(gòu)扁平化的解決方案

要求一個解決方案能實現(xiàn)OT和IT雙方相互被理解， 需要具備以下的功能：就地將OT領(lǐng)域的物理量轉(zhuǎn)換為能 被IT領(lǐng)域運用的信息安全的通信協(xié)議和語言所能處理的 數(shù)據(jù)；處理和過濾海量數(shù)據(jù)，僅向云發(fā)送必要的、供進一步分析用的數(shù)據(jù)；提供通信接口，提供閉環(huán)實時控制 要求的處理能力；將上述要求打包成一種能在嚴(yán)酷工業(yè)環(huán)境下可靠運行的設(shè)備，能經(jīng)受振動、潮濕、環(huán)境溫度 變化和各種頻率的的電磁干擾。 

滿足IIoT的可互操作性應(yīng)該在邊緣設(shè)備中具備如下的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，如MQTT/Sparkplug、TCP/IP、 HTTP/S和互聯(lián)網(wǎng)的專用語言RESTful 的API；具備互聯(lián)網(wǎng)的信息安全技術(shù)，如SSL/TLS加密和認(rèn)證。而云基系統(tǒng)必須調(diào)用RESTful API存取數(shù)據(jù)，或者使用publishsubscribe通信模型（如MQTT/Sparkplug）從遠(yuǎn)程邊緣設(shè)備中獲取數(shù)據(jù)，而無需像目前的工業(yè)應(yīng)用中那樣經(jīng)過較為復(fù)雜的層次和轉(zhuǎn)換。

EPIC雖然不是PLC或PAC，但它提供可編程控制 器的標(biāo)準(zhǔn)編程語言：功能塊圖（FBD）、結(jié)構(gòu)化文本 （ST）、順序功能圖（SFC）和梯形圖（LD）。當(dāng)然也 可以通過EPIC的開源OS，運用高級語言（如C/C++、 Java、Python或其它）存取和編寫運用程序。

來源：邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟ECC