面向工業互聯網邊緣計算的工業數字底座

導讀：

在工業互聯網與邊緣計算的推動下，工業正進入變革期。要打破工業系統長期以來形成的壁壘，OT、CT與IT深度融合是亟需解決的挑戰。工業邊緣計算從終端智能化、網絡透明化與軟件虛擬化等三方面著手，從而形成一套OICT高度整合的工業數字底座，配合工業云平臺，實現對工業現場設備賦能，完成工業互聯網與邊緣計算的閉環，將在工業各個領域實現革命性突破，為工業互聯網落地奠定堅實的基礎。

引言

在端-邊-云的結構已經基本形成的今天，工業互聯網還未能展現其潛力。在工業現場，邊緣計算節點作為端與云的連接點，始終無法真正發揮其巨大作用。一方面，現場端側系統與設備的封閉使得邊緣計算節點始終只能作為輔助存在，從而逐漸被“邊緣化”。另一方面，雖然邊緣計算節點給系統提供了大量額外的計算與儲存資源，工業現場網絡的多樣性也使得這些資源無法與現有設備資源通過統一的網絡無縫整合到一起，使得工業邊緣計算處于一種“食之無味、棄之可惜”的狀態。要實現工業互聯網萬物互聯、信息互通的終極目標，端側與邊緣側需要進一步深度融合，工業互聯網的“端-邊-云”三層架構則將進一步進化為“邊-云”兩層架構。工業互聯網與邊緣計算架構演進如圖1所示。

圖1：工業互聯網與邊緣計算架構演進

在邊緣側，一體化的新邊緣節點將取代原有ISA-95架構中的L0~L2層，形成集傳感/執行、控制與監控為一體的分布式邊緣計算節點網絡。除此之外，這些節點還能夠承擔新的任務類型，例如數據采集處理、機器學習等計算類任務，并且基于數據分析結果對工業生產過程進行實時優化。在云端，設計、研發、測試、管理等各類工業軟件將逐步實現服務化，即用戶無需安裝任何軟件，直接通過訪問云端來完成工作。而各個邊緣節點與云平臺之間則可以通過統一的網絡進行實時數據交互與決策部署下發，從而真正實現全計算、全聯接、全解耦的閉環工業互聯網體系架構。

要實現以上目標，在設備端需要一套完整的硬件、軟件與網絡技術體系與標準，稱為“工業數字底座”。工業數字底座又應該包含哪些內容呢？圖2是面向工業互聯網邊緣計算的工業數字底座特征，工業數字底座應該在確保工業系統實時性與可靠性的基礎上，通過融合計算、儲存與網絡資源優化從設計、開發、測試、部署到維護的全流程，降低成本并提升產品質量。因此，在硬件層面，需要保證邊緣計算節點能夠提供足夠的算力與儲存能力來滿足部署應用的需求；在軟件層面，需要提供一套支撐柔性邊緣應用部署的設計開發語言與部署機制；在網絡層面，需要一套能夠保證確定性通訊延遲的一體化網絡。下文將分三方面來描繪工業數字底座的特性與實現路徑。

圖2：面向工業互聯網邊緣計算的工業數字底座特征

“全計算”—智能化硬件終端

一個符合工業數字底座要求的邊緣計算節點首先要有一定的算力與儲存能力的保證。得益于芯片工藝技術的進步，現有的嵌入式芯片的算力與儲存能力已經得到了巨大的提升，部分基于ARM芯片的工業網關性能甚至已經超越了計算機。按照算力與儲存能力劃分，可以將邊緣計算節點分為三個等級。

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第一等級（L1）的邊緣計算節點具備一定的計算與儲存能力，擁有執行例如感知、驅動設備、監控界面等單一任務的能力。L1等級的邊緣計算節點不具備同時運行多個應用的能力，也無法與其他節點協作共同完成任務。此外，由于任務單一，此類設備通常無需實時操作系統的加持，例如傳感器、變頻器、小型控制器等，通常這一等級的邊緣計算節點可以對應ISA-95架構中的L0層設備。在儲存方面應該能夠保證小型系統與設備一定時間的數據緩存要求。

02

第二等級（L2）的邊緣計算節點則具備較強的計算與儲存能力，能夠同時運行多個L1節點任務，還能支撐大型工業控制系統的正常運作。在滿足ISA-95架構中L1控制層的實時性要求的基礎上，也應該整合L2監控層的需求。同時，多個L2級邊緣計算節點之間可以相互協作來完成分布式任務，例如離散制造中多個機器人冗余與協同、過程控制中多個工藝動態優化等。為支撐多個應用同時運行，L2級別的邊緣計算節點通常搭載有實時操作系統來保障任務的實時性與可靠性。多個異構L2邊緣計算節點設備，比如邊緣控制器、邊緣網關等組合起來能完成大型PLC或DCS系統的所有功能，同時也能兼顧SCADA/HMI系統的部分功能，緩存較長時間的過程運行數據，并且支持對數據進行清洗與預處理工作。

03

第三等級（L3）的邊緣計算節點則具備極強的計算與儲存能力，可以通過多CPU多核來滿足強實時高并發的任務需求，也能保存全部的歷史數據，并且利用機器學習實現數據驅動的在線優化。此類邊緣計算節點包括服務器或本地云，通常工廠對數據的安全性以及私密性要求極高，為保護工藝參數，本地云的部署概率更高。本地云通過容器等虛擬化技術以及自身強大的算力，可以根據實際應用需求來調配計算與儲存資源，也可以實現熱備份冗余、熱插拔、主動防御策略等來保證不間斷的生產過程。同時，每個虛擬化環境能夠根據需求搭載不同的實時操作系統。原則上，L3級的邊緣計算節點能夠滿足工業現場所有的需求。

實現每個硬件終端都能作為計算節點，需要標準化、模塊化、易擴展的硬件平臺來支撐各個等級的邊緣計算節點要求。用戶可以根據實際系統規模與功能規格選擇合適的節點數量、CPU內核數量、I/O接口數量等，真正實現每個節點全都能作為計算資源支撐邊緣應用運行。

“全聯接”—透明化網絡傳輸

有了“全計算”的硬件支撐后，下一個需要解決的是通訊問題?，F有工業現場通訊情況較為復雜，在ISA-95 L0與L1層之間存在著“七國八制”的問題，常用的工業現場總線就有二十余種，例如PROFIBUS/PROFINET、Modbus/TCP、Ethernet/IP、EtherCAT等。這些總線通?？梢苑譃閮深悾夯?a target="_blank">RS485和基于以太網。雖然基于以太網的工業現場總線通常能提供更快的通訊速度與更大的網絡容量，但仍有大量的工業現場采用基于RS485的串行通訊方式來降低成本。即使是工業以太網總線，也分為基于IP和不使用IP兩種，因此要實現工業互聯網邊緣計算落地，“全聯接”成為了一個必須要面對的挑戰。

無論是哪種工業現場總線，目的都是為了保證控制器與現場設備模塊間的確定性通訊，即在規定時間內完成I/O數據的交互。這里的規定時間通常指的是PLC輪詢時間，即最差執行時間（Worst Case Execution Time）。為保證控制器與I/O設備同步，工業現場總線必須在每一輪詢周期內確保完成一次數據交互。而控制層、監控層與管理層之間，由于實時性要求相對較低，基本已經實現了基于IP網絡的通訊方式。因此，OT與IT融合的一個關鍵問題即如何打通這兩大網絡，實現從云到設備的一網到底。

近年來，各種新型網絡技術層出不窮，例如IEEE 802工作組正在積極制定與推動時間敏感網絡（Time-Sensitive Networking，TSN）來取代現有工業現場總線。TSN在數據鏈路層針對現有的工業網絡特性與需求進行了優化，自2012年開始，包括時間同步、調度與整形等一系列三十余個標準已經發布或正在制定中。TSN可以保證時間敏感任務在以太網中的確定性傳輸。此外，由華為發布的確定性IP網絡同樣也獲得了高度關注，相對于TSN更多地針對數據鏈路層進行修改，確定性IP網絡（Deterministic IP）則是基于網絡層，通過引入周期性轉發與調度機制，將數據包放入確定性的傳輸周期內，從而保證了網絡報文傳輸的時延上限。確定性IP網絡還通過資源預留與路徑規劃的方式，可以隨時創建確定性路徑，進一步地保證了點對點的確定性傳輸。在儀表方面，APL/IP異軍突起，以最小的改造代價來實現傳感器網絡的IP化。此外，5G（5.5G）、Wi-Fi6等無線技術，也通過冗余通道的方式來保證通訊時延的確定性，減小抖動時間。但是由于工業現場的強干擾，容易造成丟包等錯誤，從而嚴重影響工業實時控制的可靠性，目前工業無線網絡多數都應用于實時性與可靠性要求相對較低的場景，想大規模部署還需要進一步降低最差執行時間。先進工業網絡架構如圖3所示。

圖3：先進工業網絡架構

工業控制系統在保證通訊的實時性與可靠性的前提下，盡可能地降低成本。對大多數工業場景來說，只要能滿足這些基本訴求，終端用戶并不會指定具體使用的通訊協議網絡。因此，要實現工業云平臺與邊緣計算節點的“全聯接”，支撐一網到底的透明化網絡是工業數字底座的根基。為實現OT與IT的深度融合，統一的IP網絡是較為可行的方案，根據現場的實際情況，每個工廠可以將TSN、DIP、APL/IP、工業5.5G、Wi-Fi6、光通訊等技術自由搭配，組建最適合行業特性的一體化網絡解決方案。

“全解耦”—虛擬化應用軟件

在邊緣端，目前工業現場設備搭載的軟件基本上都是“專機專用”，硬件與軟件強耦合，當硬件性能與網絡發生改變時，軟件無法被直接應用移植。當邊緣計算節點具備了可支配計算與儲存能力，以及基于IP網絡實現點對點確定性通訊之后，軟件形態也需要改變來適應這些新的特性。

要實現軟件可復用、可移植、可重構等特性，需要實現軟硬件的徹底解耦，現有的工業邊緣計算應用開發方式首先需要變革。在設計時，工程師可以使用一套設計語言與開發環境來實現異構網絡平臺的工業邊緣計算應用開發；在部署時，工程師可以實現系統一鍵下發并且能自由調整部署方案；在運行時，工業邊緣計算應用則可以根據實時需求變化來動態調整自身功能參數。而支撐這些功能，則需要一套支持虛擬化的工業邊緣計算應用開發與運行環境。

開放自動化系統及其標準IEC 61499正逢其時。IEC 61499標準提出的分布式工業控制軟件系統級建模語言，以圖形化的功能塊網絡為基礎，通過系統、設備、資源、功能塊、應用、部署、管理等七大標準模型，實現了軟硬件解耦設計、一體化系統部署以及分布式運行協作等一系列OT與IT融合關鍵問題。以此為基礎，通過將IEC 61499運行時系統與虛擬化技術結合，將C/C++、Python、IEC 61131-3等不同編程語言編寫的代碼通過統一接口的功能塊封裝，將功能塊網絡作為輕量級容器打包下發到設備，在確保實時性與可靠性的基礎上，進一步實現自發現、自診斷、自優化等智能化管理功能，形成“全解耦”的工業邊緣計算應用軟件。

工業數字底座應用前景

由開放硬件計算平臺、點對點確定性通訊以及軟硬解耦虛擬應用組成的工業數字底座究竟能發揮多大的威力？首先，“全計算”使得一臺算力強大的邊緣節點設備可以替代多臺專用設備，軟件可以根據實際硬件資源配置隨意部署，從而大幅度降低了系統的建設成本；其次，“全聯接”的統一IP工業網絡除了能保證高實時要求的工業生產任務，還能實現從云到端一網到底，徹底打通信息橋梁；最后，“全解耦”的工業邊緣計算節點可以實時監控邊緣應用軟件的運行狀態，針對突發狀況進行動態調配負載，從而保證了工業邊緣計算系統的可靠性。具備“全計算、全聯接、全解耦”的工業數字底座將為現有工業帶來革命性的進步，在保證實時性與可靠性的同時，大幅度提升了系統的靈活性，降低了從設計到運維的全生命周期成本。

基于工業數字底座，2021年5月由華為、紫金山實驗室、上海交通大學與寶信軟件共同完成了全球首個廣域云化PLC實驗，如圖4所示，使用鯤鵬服務器、歐拉操作系統、確定性IP網絡以及海王星IEC 61499運行環境，在鋼鐵行業中，實現了在相距600公里間的兩個邊緣計算節點間控制周期穩定小于4ms。此次實驗的成功，標志著技術上工業數字底座已經能夠滿足工業的實際需求。未來，當標準化的解決方案部署到工廠內時，能對汽車制造、冶金鋼鐵、核電風電等各行業產生顛覆性的影響。

圖4：廣域云化PLC試驗

隨著工業互聯網與邊緣計算的推進，五花八門的現場設備與“七國八制”的工業網絡嚴重阻礙了OT與IT的深度融合。將標準化硬件平臺、確定性IP網絡以及虛擬化應用軟件相結合，通過工業云平臺賦能工作數字底座，從而滿足離散制造與流程工業不同特性，真正打通工業互聯網價值鏈。

本文作者：戴文斌（上海交大）、唐新兵（華為）、徐前鋒（華為）。戴文斌，上海交通大學電子信息與電氣工程自動化系副教授，IEC SC65B/WG15（IEC 61499）標準委員會國內唯一專家，IEEE P2805邊緣計算系列標準工作組主席，主要從事下一代分布式工業控制軟件、工業信息化、工業互聯網邊緣計算等方向的研究工作。

審核編輯 ：李倩