邊緣控制的相關(guān)概念和技術(shù)進(jìn)行粗淺分析和初步探討

導(dǎo)讀：本文從實(shí)例引出“邊緣控制”——邊緣計(jì)算在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的融合性應(yīng)用技術(shù)，簡(jiǎn)單梳理了對(duì)相關(guān)概念的一般性理解，并給出了“云、邊、端”三層參考架構(gòu)和“三步走”的目標(biāo)規(guī)劃，介紹了基于通用計(jì)算平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)邊緣控制的優(yōu)勢(shì)。舉例說(shuō)明了當(dāng)前落地的挑戰(zhàn)，并進(jìn)行商業(yè)可行性的分析，還針對(duì)國(guó)內(nèi)企業(yè)給出了一些參考建議。此外，以“英特爾工業(yè)邊緣控制平臺(tái)”為例，通過(guò)主要功能組件的介紹，嘗試提煉出開(kāi)放邊緣控制系統(tǒng)——基于通用計(jì)算硬件、功能由軟件定義——應(yīng)具備的基本特征、相較傳統(tǒng)自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)和設(shè)計(jì)執(zhí)行的相關(guān)任務(wù)。最后，從發(fā)展前景、實(shí)現(xiàn)路徑和意義等方面，對(duì)邊緣控制技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。

某頭部自動(dòng)化公司的成都數(shù)字化工廠需要大量的印刷電路板（PCB）用于生產(chǎn)。為確?！傲闳毕荨?，該廠利用自動(dòng)化光學(xué)檢測(cè)（AOI）系統(tǒng)，對(duì)PCB產(chǎn)品進(jìn)行判別。其嚴(yán)格的檢測(cè)規(guī)則和閾值設(shè)置，導(dǎo)致此AOI系統(tǒng)判定的“缺陷”產(chǎn)品，經(jīng)復(fù)核實(shí)際為“假缺陷”。因此，該工廠不得不增設(shè)人工復(fù)檢環(huán)節(jié)，由此帶來(lái)的大量重復(fù)勞動(dòng)增加了該廠生產(chǎn)PCB的成本。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，該廠決定引入人工智能的方法——即利用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的檢測(cè)手段來(lái)降低“假缺陷”的檢出率，從而減少人工復(fù)核的勞動(dòng)量。AOI檢測(cè)所需的人工智能計(jì)算模型，是基于前期數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在云端利用高階算力訓(xùn)練完成的；在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，則利用了搭載人工智能推演芯片模組的邊緣計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行推理應(yīng)用。此種架構(gòu)還可以滿足制造業(yè)對(duì)“敏感數(shù)據(jù)不出廠”的安全性需求，大大降低直接將數(shù)據(jù)上傳云端可能會(huì)發(fā)生泄露的風(fēng)險(xiǎn)。

依靠人工智能視覺(jué)檢測(cè)，在確保PCB產(chǎn)品100%“零缺陷”的前提下，該方案的實(shí)施，相較此前降低了75%以上的人工復(fù)檢勞動(dòng)成本。

以上描述了一個(gè)利用邊緣計(jì)算平臺(tái)，使人工智能得以在工業(yè)自動(dòng)化工廠的應(yīng)用，降低生產(chǎn)成本提升效率的真實(shí)案例。

隨著邊緣計(jì)算技術(shù)的不斷深入發(fā)展和廣泛普及，其應(yīng)用已從面向終端消費(fèi)者的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用——諸如：線上零售、游戲娛樂(lè)、視頻安防、交通出行和金融服務(wù)等領(lǐng)域，開(kāi)始滲透并主動(dòng)拓展到了以傳統(tǒng)工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)（OT技術(shù)）為主導(dǎo)的制造業(yè)中。在產(chǎn)業(yè)界實(shí)踐中，邊緣計(jì)算這一IT技術(shù)表現(xiàn)為越來(lái)越與OT技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)用的趨勢(shì)；在學(xué)術(shù)理論探討中，也相應(yīng)地催生出“邊緣控制”這樣一個(gè)融合了“邊緣計(jì)算”和“工業(yè)自動(dòng)化”的新興概念；理論研究與技術(shù)實(shí)現(xiàn)間相互促進(jìn)，共同發(fā)展，極大地推動(dòng)了各參與方就邊緣計(jì)算相關(guān)技術(shù)進(jìn)行持續(xù)研發(fā)投入和積極落地嘗試。

本文旨在從技術(shù)簡(jiǎn)介、期望和挑戰(zhàn)、商業(yè)考量和解決方案等幾個(gè)方面，對(duì)邊緣控制的相關(guān)概念和技術(shù)進(jìn)行粗淺分析和初步探討，以期對(duì)相關(guān)討論有一定的助益：

（1）從現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)和市場(chǎng)實(shí)際需求兩個(gè)角度綜合考慮，“邊緣控制”技術(shù)，能否在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模普及，并實(shí)現(xiàn)具有商業(yè)價(jià)值回報(bào)的落地應(yīng)用？

（2）作為工業(yè)自動(dòng)化必然的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈上相關(guān)各類廠家，特別是中小型企業(yè)，若規(guī)劃進(jìn)行邊緣控制技術(shù)的相關(guān)開(kāi)發(fā)和積累，那需要怎樣的開(kāi)發(fā)范式和工具，以助其現(xiàn)有自動(dòng)化核心產(chǎn)品的升級(jí)換代？

1技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1邊緣計(jì)算

邊緣計(jì)算技術(shù)，是在互聯(lián)網(wǎng)的云計(jì)算服務(wù)廣泛普及之后應(yīng)運(yùn)而生，其目的是要解決云模式下如延遲較高、網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、用戶端帶寬低等性能問(wèn)題，為終端用戶提供快速、穩(wěn)定、可擴(kuò)展的增強(qiáng)型云模式的服務(wù)——即業(yè)務(wù)處理不發(fā)生在本地，而在遠(yuǎn)端的集群數(shù)據(jù)中心上。

具體實(shí)現(xiàn)是在傳統(tǒng)云計(jì)算的兩層結(jié)構(gòu)間，增設(shè)一個(gè)具備很強(qiáng)處理能力和較豐富資源、并且位置上更靠近終端用戶的“邊緣層”。所以，邊緣計(jì)算從功能邏輯角度上可視作一個(gè)三層分布式計(jì)算架構(gòu)。層與層間依靠網(wǎng)絡(luò)通信來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。其中，邊緣層對(duì)下，通過(guò)將云的處理能力和計(jì)算資源等遷移至或緩存在靠近終端用戶的計(jì)算平臺(tái)上，來(lái)實(shí)現(xiàn)或增強(qiáng)原本的云服務(wù)功能；而邊緣層對(duì)上，提供了上云前用戶層數(shù)據(jù)的采集操作、過(guò)濾、預(yù)處理等操作。這樣的模式，既強(qiáng)調(diào)了云端超高算力和海量資源，又突出了邊緣層強(qiáng)算力和低時(shí)延的快速響應(yīng)特性，并且明確了端設(shè)備的主要功能是實(shí)現(xiàn)接口，完成設(shè)備間交互和人機(jī)交互。如圖1所示。

圖1 邊緣計(jì)算三層架構(gòu)示意圖

1.2邊緣控制

應(yīng)用邊緣計(jì)算是為了解決云計(jì)算的短板；“邊緣”這一專用稱謂，也是在云計(jì)算產(chǎn)生并經(jīng)歷一段時(shí)間發(fā)展之后才出現(xiàn)的。邊緣計(jì)算層，就是在傳統(tǒng)云計(jì)算雙層結(jié)構(gòu)間誕生的夾層。按出現(xiàn)順序依次是最初的單層終端模式（本地模式）、雙層云服務(wù)模式（分布式）、三層的邊緣計(jì)算模式。從發(fā)展規(guī)律上來(lái)看，其產(chǎn)生過(guò)程是由新的現(xiàn)實(shí)需求不斷催生出新的技術(shù)，而技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用也會(huì)反向促進(jìn)需求發(fā)現(xiàn)，這樣一個(gè)“自然”的迭代過(guò)程。實(shí)際產(chǎn)生的各種需求，可被不同的新技術(shù)方案來(lái)嘗試實(shí)現(xiàn)，成功的落地方案也能在市場(chǎng)得到快速普及。這種需求與技術(shù)雙向促進(jìn)發(fā)展的局面，都得益于以計(jì)算機(jī)軟、硬件為主要載體的信息技術(shù)（IT）和通信技術(shù)（CT），借助各種業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的推廣和實(shí)施，而正處于一個(gè)通用和專用方案并存且均蓬勃發(fā)展的開(kāi)放時(shí)代。

工控領(lǐng)域的大部分工廠中的傳統(tǒng)制造過(guò)程，基本都采用了封閉式的控制和管理架構(gòu)；圖3是工廠自動(dòng)化雙層簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)示意圖，此雙層架構(gòu)的基礎(chǔ)是現(xiàn)場(chǎng)控制層，由工業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（如伺服電機(jī)等各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器等）與控制器（如PLC、CNC等）構(gòu)成的；盡管不同制造過(guò)程在具體指標(biāo)要求上會(huì)有較大差異，但現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)交互和控制過(guò)程，均有實(shí)時(shí)性和響應(yīng)確定性的要求，即在現(xiàn)場(chǎng)控制層中的均是實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，僅在程度上差異；在此之上是監(jiān)控和管理層，最簡(jiǎn)單的可以僅是一些數(shù)據(jù)信息電子表格，但形勢(shì)松散且無(wú)標(biāo)準(zhǔn)化，管理專業(yè)的企業(yè)都會(huì)引入如SCADA、MES、ERP和PLM等專用信息管理系統(tǒng)中的一種或幾種，將生產(chǎn)制造過(guò)程和管理流程進(jìn)行集成化和數(shù)字化；雖然這些系統(tǒng)可按咨詢界較流行的ISA-95金字塔架構(gòu)進(jìn)行層級(jí)劃分，如圖2所示，在本文中，按上位機(jī)的觀點(diǎn)籠統(tǒng)地將其視為屬于同一層的功能模塊；這些專業(yè)信息管理系統(tǒng)，傳統(tǒng)上一般都有專用的軟件在獨(dú)立的硬件平臺(tái)上提供相關(guān)服務(wù)。

圖2 ISA-95模型中的自動(dòng)化金字塔架構(gòu)圖

圖3 工廠自動(dòng)化雙層簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)示意圖

邊緣控制，并非簡(jiǎn)單地將邊緣計(jì)算與工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)行疊加，而是需要將邊緣計(jì)算發(fā)展出來(lái)的一些開(kāi)放式的IT和CT技術(shù)、架構(gòu)和解決方案，融合進(jìn)工業(yè)制造中相對(duì)封閉的OT設(shè)備上，增強(qiáng)或替換原有的實(shí)現(xiàn)方法。具體按發(fā)展階段來(lái)講，期待是一個(gè)“三步走”的過(guò)程： （1）融合初期目的，是來(lái)輔助和改善現(xiàn)有的成熟工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)，引入諸如基于人工智能（AI）和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)（data-driven）等新興IT技術(shù)，對(duì)一些之前在OT領(lǐng)域難以解決或方案成本過(guò)高的問(wèn)題，提供一些值得嘗試的和可落地的方案，用以進(jìn)一步提升制造和管理過(guò)程的自動(dòng)化率和集成度； （2）中長(zhǎng)期遠(yuǎn)景，則是當(dāng)工業(yè)界按諸如“工業(yè)4.0”等熱門戰(zhàn)略規(guī)劃，對(duì)工業(yè)制造全流程、商業(yè)模式進(jìn)行革新時(shí)，為其提供可用的基礎(chǔ)支撐技術(shù)和作為概念落地的執(zhí)行載體的一種選擇； （3）終極期盼，是助推建立一個(gè)有如當(dāng)前IT界一樣百花齊放、百家爭(zhēng)鳴、和而不同、兼容并包的“開(kāi)放自動(dòng)化”局面。 邊緣計(jì)算參考架構(gòu)3.0及工業(yè)邊緣節(jié)點(diǎn)通用架構(gòu)模型如圖4、圖5所示。

圖4 邊緣計(jì)算參考架構(gòu)3.0

圖5 工業(yè)邊緣節(jié)點(diǎn)通用架構(gòu)模型

在圖6所示架構(gòu)的邊緣層中，可以按功能邏輯分成兩類設(shè)備；可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，也可以組合在一臺(tái)邊緣計(jì)算硬件設(shè)備上；如在基于x86的通用平臺(tái)，邊緣層所要求的控制、數(shù)據(jù)和計(jì)算任務(wù)，可進(jìn)行“負(fù)載整合”式應(yīng)用；邊緣層中的網(wǎng)關(guān)和控制器，基礎(chǔ)架構(gòu)相同且均具有與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信的能力；控制器是突出對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)控制，網(wǎng)關(guān)更強(qiáng)調(diào)從下層設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集類工作；若再利用統(tǒng)一的工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，這兩類設(shè)備的數(shù)量和與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的連接就可以做到按需而定；并且在云端管理支撐下，利用容器化技術(shù)，有望做到邊緣設(shè)備間的在線熱備、冗余切換和不停機(jī)升級(jí)等靈活和健壯部署的實(shí)現(xiàn)。

圖6 邊緣控制參考架構(gòu)示意圖

此外，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的持續(xù)進(jìn)步，特別是CPU等硬件處理能力的突飛猛進(jìn)；借助平臺(tái)虛擬化等資源復(fù)用和隔離技術(shù)，促使多任務(wù)整合能力、穩(wěn)定性和可靠性不斷增強(qiáng)?，F(xiàn)在諸如MES、ERP、PLM等傳統(tǒng)制造業(yè)信息管理系統(tǒng)，已可在一臺(tái)本地服務(wù)器或本地?cái)?shù)據(jù)中心上，亦或通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)（Internet）在云（遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)中心）上實(shí)現(xiàn)，即在工控領(lǐng)域呈現(xiàn)出了所謂“軟件定義”——在通用計(jì)算平臺(tái)（通用硬件、通用操作系統(tǒng)和中間件）上通過(guò)軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)專用功能——的發(fā)展趨勢(shì)，目的是借此方式大大提高計(jì)算平臺(tái)的利用率和功能實(shí)現(xiàn)的靈活性，利用軟件充分發(fā)揮當(dāng)前高性價(jià)比，特別是高性能的硬件的真實(shí)計(jì)算潛力。

2期望與挑戰(zhàn)

如上所述，“邊緣控制”是邊緣計(jì)算對(duì)工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的一次融合。參照業(yè)界現(xiàn)況，推斷當(dāng)前對(duì)其主要期待可能是在已非常成熟的自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)中，通過(guò)對(duì)完全打通的數(shù)據(jù)鏈路和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行充分地挖掘（多元數(shù)據(jù)采集、處理、分析和利用），來(lái)協(xié)助基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和“人工智能”的應(yīng)用落地，如預(yù)測(cè)性維護(hù)、數(shù)字孿生、基于視覺(jué)等新測(cè)量手段的質(zhì)檢品控等。

這些應(yīng)用的共同特征是在軟件中所采用的（數(shù)學(xué)）模型規(guī)模非常大，內(nèi)部關(guān)系特別復(fù)雜；目前，對(duì)模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)，尚缺少統(tǒng)一的理論上合理且對(duì)現(xiàn)實(shí)操作有指導(dǎo)意義的解釋；對(duì)模型判別的準(zhǔn)確性要求高（特別是數(shù)字孿生）、用于訓(xùn)練用的工業(yè)數(shù)據(jù)的完整性難度大、投入人力和物力成本高，而目標(biāo)達(dá)成后可產(chǎn)生可觀的收益。因此，這些對(duì)“邊緣控制”相對(duì)較強(qiáng)需求方向，大多數(shù)集中在大型制造企業(yè)的高利潤(rùn)或高端產(chǎn)品的制造過(guò)程中。

以“數(shù)字孿生”為例，其目的是從數(shù)字信息世界的孿生體模型中，獲得對(duì)物理世界的真實(shí)設(shè)備的全生命周期的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，從而給生產(chǎn)、維護(hù)和改進(jìn)提供更加精確的決策依據(jù)。在工業(yè)場(chǎng)景中，需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行全過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、高效的處理，以便提供給部署在集群上的數(shù)字孿生體模型進(jìn)行仿真推理、模型修正和分析預(yù)測(cè)之用。

面臨的主要挑戰(zhàn)，一是當(dāng)前技術(shù)是否可實(shí)現(xiàn)期待中完美匹配的仿真模型；二是單從數(shù)據(jù)采集而言，需要用到支持相同通信協(xié)議或支持轉(zhuǎn)換互通的邊緣控制設(shè)備，來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，同級(jí)和上傳交互，從而提供生產(chǎn)商對(duì)硬件配置的靈活性；換個(gè)角度看，這也避免了“邊緣控制”領(lǐng)域出現(xiàn)封閉的技術(shù)和市場(chǎng)壟斷，減小不必要高成本投入。

綜上，依托“邊緣控制”實(shí)現(xiàn)的制造業(yè)轉(zhuǎn)型和新技術(shù)革命，會(huì)呈現(xiàn)出“期望高回報(bào)、技術(shù)高難度、持續(xù)高投入”的特點(diǎn)；目前技術(shù)方案和路線很多，但確定路徑尚在探索之中，這也是另一個(gè)現(xiàn)存的挑戰(zhàn)。

3商業(yè)考量

根據(jù)目前了解到的業(yè)界現(xiàn)狀，首先從模式、定位、回報(bào)、工程資源等方面進(jìn)行考量和分析；然后為工控產(chǎn)業(yè)鏈上的廠家該如何進(jìn)行“邊緣控制”技術(shù)投入決策給出一些參考建議： （1）產(chǎn)研模式：工控產(chǎn)業(yè)集中度不高，競(jìng)爭(zhēng)者眾多，擁有較高利潤(rùn)的大企業(yè)有限，且有廣泛品牌價(jià)值的基本都是外資；然而，這些成熟自動(dòng)化大廠相較于IT界的巨頭，在利潤(rùn)率上一直都有很大的差距，也就形成了較穩(wěn)健而非快速擴(kuò)張的商業(yè)模式。傳統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)已很成熟，加之當(dāng)下有明確回報(bào)的邊緣落地場(chǎng)景有限，那在新技術(shù)上的投入和研發(fā)，均不會(huì)如IT界新技術(shù)那樣發(fā)展迅猛。 （2）角色定位：絕大多數(shù)自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)資企業(yè)在產(chǎn)業(yè)鏈中扮演的都是跟隨者的角色。特別是某些中小型企業(yè)，其生產(chǎn)模式和自動(dòng)化產(chǎn)線結(jié)構(gòu)都相對(duì)簡(jiǎn)單，而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和整體的管理，也會(huì)更加務(wù)實(shí)考量自身發(fā)展階段和定位，并不真的有必需云端服務(wù)的、大規(guī)模復(fù)雜計(jì)算的需求。對(duì)于已成規(guī)模而尚未具有國(guó)際影響力的內(nèi)資大廠，其技術(shù)和商業(yè)決策，也通常會(huì)更偏向?qū)嵱弥髁x，而非未來(lái)趨勢(shì)性的技術(shù)發(fā)展的引領(lǐng)者。 （3）投資回報(bào)：投入的成本能否在預(yù)期時(shí)間內(nèi)回收、并在未來(lái)一段較長(zhǎng)時(shí)間里得到穩(wěn)定的回報(bào)，對(duì)企業(yè)商業(yè)決策，尤其是中小型自動(dòng)廠家而言，是最為重要的影響因素。由于這類企業(yè)的產(chǎn)品利潤(rùn)較低，其對(duì)新技術(shù)的投入和試錯(cuò)成本相對(duì)高；若成本回收時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可能影響資本周轉(zhuǎn)，則會(huì)在初期就降低進(jìn)行嘗試的決策意愿。生存現(xiàn)狀讓其更重視短期回報(bào)，使其一般較傾向于采用已普及且成熟的技術(shù)，而進(jìn)行持續(xù)高投入的研發(fā)可能性較低。 （4）工程資源：可能影響企業(yè)轉(zhuǎn)型有三個(gè)技術(shù)因素。一是現(xiàn)有研發(fā)和工程人員的技術(shù)儲(chǔ)備和能力能否支撐；二是會(huì)考量以往技術(shù)經(jīng)驗(yàn)、投資和歷史資產(chǎn)的復(fù)用和繼承；三是新技術(shù)在今后是否有足夠長(zhǎng)的生命周期，本質(zhì)上也是節(jié)省工程投入、提高資源利用率和保護(hù)技術(shù)投資的權(quán)衡考量。 綜上可推斷，邊緣控制技術(shù)的發(fā)展和普及，是一個(gè)需長(zhǎng)期持續(xù)投入的過(guò)程，而相關(guān)的企業(yè)決策更應(yīng)基于長(zhǎng)效回報(bào)進(jìn)行考量。但鑒于可預(yù)計(jì)的聯(lián)通優(yōu)勢(shì)和極靈活擴(kuò)展能力，且在目前“智能制造”和“工業(yè)4.0”等概念的持續(xù)熱潮作用下，“邊緣控制”可視作為自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展必然趨勢(shì)之一，所以工控大廠在技術(shù)層面的投入和研究具有非常重要前瞻布局意義。

在現(xiàn)實(shí)的商業(yè)世界中，對(duì)于著眼于當(dāng)下生產(chǎn)需求、更考慮投入產(chǎn)出比和利潤(rùn)的內(nèi)資中小型制造企業(yè)而言，應(yīng)用已有的可靠自動(dòng)化技術(shù)“活下去”才更重要，但同時(shí)又在成本可接受的范圍內(nèi)進(jìn)行未雨綢繆的規(guī)劃和準(zhǔn)備。而對(duì)于內(nèi)資自動(dòng)化大廠，雖有較雄厚實(shí)力，可進(jìn)行“未來(lái)概念”領(lǐng)域的布局，但在技術(shù)路線和相關(guān)資源的選擇上也應(yīng)借鑒現(xiàn)有的成功案例和經(jīng)驗(yàn)，不可也應(yīng)該不會(huì)是“大干快上”的局面，建議在權(quán)衡投入產(chǎn)出比，逐步看到技術(shù)和利潤(rùn)回報(bào)的前提下，多利用和借鑒可供利用的資源（特別是現(xiàn)有質(zhì)量高的開(kāi)源資源和可靠的低成本授權(quán)的資源），進(jìn)行小步穩(wěn)走的發(fā)展模式。

4解決方案

首先介紹由英特爾工業(yè)團(tuán)隊(duì)發(fā)布的邊緣控制解決方案，依次概述其設(shè)計(jì)理念、模塊組件和功能特點(diǎn)；然后以這套方案為參照，分析“邊緣控制”的軟、硬件需求和關(guān)鍵特征；再將開(kāi)放自動(dòng)化與傳統(tǒng)自動(dòng)化，進(jìn)行比較；最后嘗試提供一些建議，以進(jìn)行技術(shù)路線決策時(shí)進(jìn)行參考。

“英特爾工業(yè)邊緣控制平臺(tái)”（IntelEdge Controls for Industrial，ECI）方案，是以面向工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的軟硬一體化參考設(shè)計(jì)為自身定位；基于“通用開(kāi)放架構(gòu)”和“軟件定義”的兩個(gè)基本設(shè)計(jì)理念進(jìn)行開(kāi)發(fā)，突出軟硬協(xié)同優(yōu)化的特征；包含“一硬一軟”兩個(gè)基礎(chǔ)構(gòu)件，用以實(shí)現(xiàn)各種邊緣控制任務(wù)整合應(yīng)用： （1）以基于x86架構(gòu)處理器的通用計(jì)算硬件平臺(tái)，用作邊緣控制軟件的執(zhí)行載體。 （2）具備實(shí)時(shí)性的通用操作系統(tǒng)和平臺(tái)虛擬化方案，用作邊緣控制應(yīng)用層的運(yùn)行基礎(chǔ)。

圖7 ECI架構(gòu)示意圖

圖7為ECI架構(gòu)，邊緣控制所需的軟件基礎(chǔ)，可分成工業(yè)自動(dòng)化、邊緣計(jì)算和公用技術(shù)等兩個(gè)方面： （1）工業(yè)自動(dòng)化的基礎(chǔ)平臺(tái)技術(shù)：包含現(xiàn)場(chǎng)控制所需的實(shí)時(shí)解決方案和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接兩方面。因?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)是物理+信息系統(tǒng)，涉及到真實(shí)世界的具體設(shè)備進(jìn)行信息交互和控制物理過(guò)程，現(xiàn)在的趨勢(shì)是工業(yè)邊緣控制器自身裝備實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，ECI集成了以通用操作系統(tǒng)Linux為基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)時(shí)性改造，包括基于雙系統(tǒng)內(nèi)核架構(gòu)的Xenomai開(kāi)源方案和統(tǒng)一系統(tǒng)內(nèi)核的Preempt RT實(shí)時(shí)補(bǔ)丁方案，均進(jìn)行了相關(guān)硬件的適配和優(yōu)化。工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)涉及到大量的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，ECI中還集成了使用某些工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線方案（如EtherCAT開(kāi)源協(xié)議棧和開(kāi)源CANopen協(xié)議棧）來(lái)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（執(zhí)行機(jī)構(gòu)和測(cè)量機(jī)構(gòu)）進(jìn)行可靠的實(shí)時(shí)通信；此外還集成了自研和第三方的軟PLC、ROS和運(yùn)動(dòng)控制庫(kù)等應(yīng)用層的模塊和示例應(yīng)用程序。 （2）邊緣計(jì)算相關(guān)的技術(shù)：參照ECI，工業(yè)邊緣控制器需要具備OPC UA和MQTT等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)上傳協(xié)議的支持，以具備上位（云端）通信能力和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、處理及分析等基本模塊，對(duì)控制器獲取到的實(shí)時(shí)域現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)存、處理和上傳以及接收從管理層相關(guān)工藝指令信息。 （3）公用平臺(tái)技術(shù)：平臺(tái)級(jí)虛擬化支持，包含操作系統(tǒng)級(jí)Hypervisor方案和Container的輕量級(jí)虛擬化方案，可在邊緣控制器和云端上，實(shí)現(xiàn)負(fù)載整合、遷移和升級(jí)等任務(wù)。 將邊緣控制與傳統(tǒng)自動(dòng)化進(jìn)行對(duì)比匯總，如表1所示。對(duì)敏感數(shù)據(jù)的安全保護(hù)，盡管封閉控制安全性在理論上最高，但實(shí)踐中因云計(jì)算有強(qiáng)安全保護(hù)機(jī)制，敏感數(shù)據(jù)安全性也會(huì)大大優(yōu)于傳統(tǒng)自動(dòng)化的簡(jiǎn)單外連外發(fā)的情況。并且，云還具有更加通用、更強(qiáng)處理能力、更高效和靈活的優(yōu)勢(shì)，可用以權(quán)衡上云的風(fēng)險(xiǎn)和收益。而對(duì)于看重技術(shù)和數(shù)據(jù)保密性的企業(yè)（或處于激烈競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中的企業(yè)），數(shù)據(jù)安全則是其重要考量，要規(guī)避上云的數(shù)據(jù)風(fēng)險(xiǎn)，可采用私有云（邊緣云）的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)邊緣控制。

表1“邊緣控制”和“傳統(tǒng)自動(dòng)化”對(duì)比

參照ECI，對(duì)邊緣控制解決方案應(yīng)具備的特征，提出如下幾點(diǎn)思考：

（1）負(fù)載整合：“一機(jī)多能”與“多機(jī)聯(lián)動(dòng)”

·多種功能集中在同一控制器上實(shí)現(xiàn)，如：運(yùn)動(dòng)和邏輯控制、人機(jī)交互（HMI）和基于機(jī)器視覺(jué)及其它傳感器的感知功能；過(guò)去需多臺(tái)設(shè)備共同協(xié)作，現(xiàn)在則僅需一臺(tái)具有強(qiáng)處理能力的邊緣控制器；

·自動(dòng)化設(shè)備間的聯(lián)合與協(xié)同控制，如：一條多機(jī)加工位的FMS（柔性）產(chǎn)線，物流和機(jī)床上下料控制，視覺(jué)檢測(cè)和功能安全等；

（2）全面互聯(lián)：“一網(wǎng)到底”與“全面通聯(lián)”

·南向通信：用各種工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線方案，連接工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器和傳感器；

·北向通信：通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)，連接車間和工廠信息管理系統(tǒng)，也包含控制器間的通信；

·同級(jí)通信：控制器間互為上下位機(jī)，從“互聯(lián)互通”向“互操與互換”演進(jìn)。

（3）智能化：從“自動(dòng)化”到“自治化”

·數(shù)據(jù)接口：邊緣側(cè)提供數(shù)據(jù)接口，采集工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下各種泛在數(shù)據(jù)；

·感知能力：主要是基于機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)、測(cè)量；聯(lián)合其它傳感器，建立和實(shí)現(xiàn)一定程度上的類人感知功能；增強(qiáng)實(shí)時(shí)獲取工業(yè)信息的能力；

·數(shù)據(jù)能力：利用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等AI工具，并結(jié)合傳統(tǒng)的工藝經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，使機(jī)器在獲取足夠感知信息基礎(chǔ)上，具備自主進(jìn)行判讀和處理的能力。

（4）云邊結(jié)合：兼顧平衡、靈活配置

·云端：處理能力強(qiáng)，計(jì)算資源豐富；任務(wù)負(fù)載遷移靈活，資源可在線升級(jí)和擴(kuò)容；

·邊緣：低延時(shí)、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、避免帶寬不足；數(shù)據(jù)不出本地，便于敏感數(shù)據(jù)的保護(hù)。

5結(jié)論

本文通過(guò)梳理對(duì)相關(guān)概念的理解，研判產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和落地挑戰(zhàn)，再綜合考量?jī)?nèi)資公司特別是中小型自動(dòng)化企業(yè)進(jìn)行決策的商業(yè)因素，并對(duì)邊緣控制方案所應(yīng)具備特征等進(jìn)行介紹后，總結(jié)出如下認(rèn)知要點(diǎn)供參考：

（1）相較于由大量、普遍的需求而推動(dòng)誕生的“邊緣計(jì)算”技術(shù)，“邊緣控制”更像是在發(fā)展趨勢(shì)（主要?jiǎng)恿Γ┖蜕倭扛叨思夹g(shù)需求共同推動(dòng)下產(chǎn)生的。換言之，“邊緣計(jì)算”更像是普遍需求推動(dòng)的技術(shù)發(fā)展，而“邊緣控制”則更像是技術(shù)發(fā)展帶動(dòng)的需求發(fā)現(xiàn)。

（2）在硬件部署、改造升級(jí)方面，工業(yè)自動(dòng)化從“封閉式控制”轉(zhuǎn)到“邊緣控制”具備硬件基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)，可以通過(guò)添加/升級(jí)/改造“管理層”或“控制器層”，更快、更優(yōu)地實(shí)現(xiàn)“端、邊、云”三層結(jié)構(gòu)。

（3）“邊緣控制”可通過(guò)僅在“邊緣端”應(yīng)用模型、處理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線能力優(yōu)化的同時(shí)保護(hù)客戶的敏感數(shù)據(jù)。

（4）雖然“邊緣控制”實(shí)現(xiàn)了技術(shù)發(fā)展，但受限于使用場(chǎng)景、現(xiàn)實(shí)需求的必要性、投入產(chǎn)出比、自動(dòng)化市場(chǎng)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)（企業(yè)利潤(rùn)率及競(jìng)爭(zhēng)激烈程度）等因素，對(duì)該技術(shù)的實(shí)際使用需求量還是較少，“邊緣控制”仍主要存在于產(chǎn)業(yè)的“未來(lái)布局”概念中，短期內(nèi)得到普及性應(yīng)用的基礎(chǔ)較為薄弱，需要推動(dòng)和持續(xù)發(fā)展。

（5）對(duì)IT、CT和OT融合的持續(xù)研究和投入具有長(zhǎng)久而深遠(yuǎn)意義。在更低成本、更高效率且能實(shí)現(xiàn)相同功能的新技術(shù)出現(xiàn)前，“邊緣控制”仍然是最有可能成為：在未來(lái)的某個(gè)時(shí)刻，爆發(fā)出普及性應(yīng)用需求的某些領(lǐng)域中，既存的技術(shù)擴(kuò)展和補(bǔ)充，或某些普及技術(shù)的基礎(chǔ)原型。

審核編輯 ：李倩