邊緣計(jì)算在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)體系及應(yīng)用模式探究

秦修功，尹作重，黃 意，陳 彬，任建勛

（1.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司，北京 100020；2.武漢海關(guān)，武漢 430040）

0 引言

中國(guó)是一個(gè)制造業(yè)大國(guó)，智能制造作為中國(guó)制造 2025的主攻方向，對(duì)中國(guó)從制造大國(guó)到制造強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變有著重要的意義[1]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為智能制造的基礎(chǔ)設(shè)施，是鏈接物料、機(jī)器、信息系統(tǒng)和人的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)成為低延時(shí)、高可靠、廣覆蓋的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)智能制造的基本保障[2]。傳統(tǒng)的云計(jì)算是通過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集數(shù)據(jù)，發(fā)至云端，云端計(jì)算后，將決策指令傳給執(zhí)行設(shè)備。隨著制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，制造設(shè)備的數(shù)量迅速擴(kuò)張，新的制造模式對(duì)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)性要求嚴(yán)格，傳統(tǒng)集中式信息處理與管理的模式無(wú)法高效解決這些問(wèn)題。

邊緣計(jì)算是近幾年的新興概念，主要思想是在云和物之間，把計(jì)算任務(wù)在靠近數(shù)據(jù)源的計(jì)算資源運(yùn)行，一是，這樣降低海量數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)絡(luò)寬帶的壓力，二是，縮短數(shù)據(jù)處理時(shí)間，滿足制造現(xiàn)場(chǎng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性需求等。為此，以邊緣計(jì)算為核心的海量邊緣數(shù)據(jù)處理應(yīng)運(yùn)而生。

工業(yè)邊緣計(jì)算處于快速發(fā)展過(guò)程中，出現(xiàn)邊緣設(shè)備接口不統(tǒng)一、邊緣數(shù)據(jù)處理不規(guī)范等問(wèn)題，這些問(wèn)題嚴(yán)重阻礙了工業(yè)邊緣計(jì)算的發(fā)展，急需用“標(biāo)準(zhǔn)”這一抓手規(guī)范和引領(lǐng)其在制造業(yè)實(shí)施應(yīng)用。

本文重點(diǎn)闡述了在制造業(yè)領(lǐng)域內(nèi)邊緣計(jì)算的概念和架構(gòu)，探討了邊緣計(jì)算在制造業(yè)的應(yīng)用模式及其標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展，提出了工業(yè)邊緣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)體系，最后分析邊緣計(jì)算在制造業(yè)應(yīng)用模式。

1 邊緣計(jì)算概念

世界標(biāo)準(zhǔn)組織將邊緣計(jì)算定義為將數(shù)據(jù)和任務(wù)在靠近數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)進(jìn)行計(jì)算和執(zhí)行的一種新型服務(wù)模型[3]。邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟對(duì)邊緣計(jì)算給出了定義：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)，融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力的分布式開(kāi)放平臺(tái)（架構(gòu)），就近提供邊緣智能服務(wù)，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷連接，實(shí)時(shí)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[4]。美國(guó)韋恩州立大學(xué)的施巍松團(tuán)隊(duì)認(rèn)為邊緣計(jì)算是一種新型計(jì)算模型，指在網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行計(jì)算來(lái)自于云服務(wù)的下行數(shù)據(jù)和萬(wàn)物互聯(lián)服務(wù)的上行數(shù)據(jù)[5]。ISO/IEC JTC1/SC38 對(duì)邊緣計(jì)算給出的定義：邊緣計(jì)算是一種將主要處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)放在網(wǎng)絡(luò)的邊緣節(jié)點(diǎn)的分布式計(jì)算形式[6]。文[7]將邊緣計(jì)算定義為：在數(shù)據(jù)源到云端之間任意位置的計(jì)算.

幾種定義雖然表述不同，但是概念定義的基本理念是一樣的，邊緣計(jì)算是在云端和設(shè)備端網(wǎng)路徑之間，靠近云端或者設(shè)備端的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，就近提供智能數(shù)據(jù)處理、智能決策，設(shè)備鏈接等智能服務(wù)，邊緣計(jì)算的目的能夠減小底層設(shè)備數(shù)據(jù)的上行壓力，縮短設(shè)備響應(yīng)時(shí)間?？梢越Y(jié)合圖1，輔助理解邊緣計(jì)算的概念。

圖1 云計(jì)算與邊緣計(jì)算示意圖

2 邊緣計(jì)算在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)

1）國(guó)內(nèi)外邊緣計(jì)算組織活動(dòng)

邊緣計(jì)算已經(jīng)掀起國(guó)際化的熱潮，很多國(guó)家成立各類(lèi)產(chǎn)業(yè)組織、學(xué)術(shù)組織在積極發(fā)起和推進(jìn)邊緣計(jì)算的技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)業(yè)化活動(dòng)。2016年，國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）與國(guó)際計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)（ACM）合作成立了IEEE/ACM邊緣計(jì)算研討會(huì)議，研究與討論了邊緣計(jì)算的應(yīng)用價(jià)值，研究方向等[8]。2017年，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）發(fā)布了垂直領(lǐng)域邊緣智能白皮書(shū)，對(duì)邊緣計(jì)算對(duì)于制造業(yè)等垂直行業(yè)的重要價(jià)值進(jìn)行了詳細(xì)介紹，為了推進(jìn)國(guó)內(nèi)邊緣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化工作，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織/國(guó)際電工委員會(huì)第1聯(lián)合技術(shù)委員會(huì)成立了邊緣計(jì)算研究小組。

我國(guó)在邊緣計(jì)算方面的研究設(shè)計(jì)具有一定的基礎(chǔ)，其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用正處于快速發(fā)展階段。其中，2016年國(guó)內(nèi)華為技術(shù)有限公司牽頭、另外聯(lián)合國(guó)內(nèi)知名研究院所和高校、企業(yè)等聯(lián)合倡議發(fā)起邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，致力于搭建邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)合作平臺(tái)，推動(dòng)OT和ICT產(chǎn)業(yè)開(kāi)放協(xié)作；其中2019年中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)成立邊緣計(jì)算分會(huì)，旨在推動(dòng)邊緣計(jì)算在國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)發(fā)展。

2）國(guó)內(nèi)外邊緣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)

2017年ISO/IEC JTC1/SC41成立了邊緣技術(shù)研究組；2018年SC41完成物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化需求分析研究報(bào)告；2019年SC41開(kāi)展邊緣計(jì)算國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)邊緣計(jì)算在垂直行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究剛剛起步，中國(guó)信通院、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信、中國(guó)聯(lián)通、中興、華為、沈自所等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成員單位在中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)發(fā)起多項(xiàng)邊緣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，其中涉及到制造業(yè)領(lǐng)域的邊緣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)有《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算需求》、《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算邊緣節(jié)點(diǎn)模型與要求》、《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算 總體架構(gòu)與要求》、《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算邊緣節(jié)點(diǎn)管理接口要求》等標(biāo)準(zhǔn)。全國(guó)信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)負(fù)責(zé)歸口的《物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算 第1部分：通用要求》、《信息安全技術(shù)邊緣計(jì)算安全技術(shù)要求》也在制定中。

3）邊緣計(jì)算在智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系的位置

由工信部和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)共同領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)化工作組，工作組的主要工作是建設(shè)及規(guī)劃智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系。實(shí)施動(dòng)態(tài)更新完善機(jī)制，每?jī)赡隄L動(dòng)修訂《國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》，以引領(lǐng)不同階段智能制造發(fā)展[9]。邊緣計(jì)算在智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系位置如圖2所示。

圖2 邊緣計(jì)算在智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系位置

智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系中對(duì)于邊緣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的定位是，邊緣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)用于指導(dǎo)智能制造行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、數(shù)字化創(chuàng)新，解決制造業(yè)數(shù)字化關(guān)鍵需求，用于智能制造中邊緣計(jì)算技術(shù)、設(shè)備或產(chǎn)品的研發(fā)和應(yīng)用。邊緣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)包括架構(gòu)與技術(shù)要求、計(jì)算及存儲(chǔ)、安全、應(yīng)用等標(biāo)準(zhǔn)。其中邊緣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)也是智能使能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)重點(diǎn)之一。

3 邊緣計(jì)算在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)體系探究

目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)形成一定的研究基礎(chǔ)，形成了一批標(biāo)準(zhǔn)，但是目前現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)碎片化和重疊化等現(xiàn)象比較明顯，國(guó)內(nèi)沒(méi)有存在體系化的標(biāo)準(zhǔn)研究。當(dāng)前迫切整個(gè)行業(yè)努力，運(yùn)用產(chǎn)學(xué)研各方面的力量，構(gòu)建邊緣計(jì)算在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)體系，本文提出一種邊緣計(jì)算在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域邊緣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)體系，如圖3所示。

圖3 工業(yè)邊緣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)體系

1）基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)大概包括：術(shù)語(yǔ)與定義、分類(lèi)、約束性要求、擴(kuò)展性要求、通用技術(shù)條件要求等。

2）邊緣數(shù)據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備類(lèi)型復(fù)雜，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)異構(gòu)復(fù)雜，需制定統(tǒng)一的邊緣數(shù)據(jù)的規(guī)范，實(shí)現(xiàn)邊緣數(shù)據(jù)的快速處理，縮短響應(yīng)時(shí)間，提升生產(chǎn)效率與工藝質(zhì)量。

3）邊緣設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)

制造企業(yè)中存在大量的信息孤單，設(shè)備與設(shè)備之間，單元與單元之間，以及企業(yè)與企業(yè)之間無(wú)法實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，一方面是設(shè)備之間由于生產(chǎn)商不同，甚至相同的生產(chǎn)商生產(chǎn)出的設(shè)備，沒(méi)有統(tǒng)一的接口，無(wú)法實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的互聯(lián)互通。由于邊緣計(jì)算設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)設(shè)備之間的輕量連接。因此亟需對(duì)邊緣計(jì)算設(shè)備的模式、接口、協(xié)議等進(jìn)行規(guī)范，以解決兼容，通用性的問(wèn)題。

4）邊緣計(jì)算系統(tǒng)及節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)

邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)需要考慮通過(guò)軟硬件集成與優(yōu)化，以適配各種條件約束，支撐行業(yè)數(shù)字化多樣性場(chǎng)景。邊緣計(jì)算系統(tǒng)及節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)范邊緣節(jié)點(diǎn)功能、性能、協(xié)議以及邊緣計(jì)算系統(tǒng)的參考架構(gòu)等。

5）邊緣計(jì)算安全標(biāo)準(zhǔn)

邊緣計(jì)算具有采集數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)、處理、決策以及聯(lián)接其他設(shè)備等功能，如果保證數(shù)據(jù)的安全以及聯(lián)接設(shè)備的安全性、系統(tǒng)化的安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)變得尤為重要。

6）邊云協(xié)同標(biāo)準(zhǔn)

云計(jì)算適用于非實(shí)時(shí)、長(zhǎng)周期數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)決策場(chǎng)景，而邊緣計(jì)算在實(shí)時(shí)性、短周期數(shù)據(jù)、本地決策場(chǎng)景等方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。邊緣計(jì)算中間節(jié)點(diǎn)層將實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)需求數(shù)據(jù)完成處理，同時(shí)將非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)聚合后送到云端進(jìn)行處理，對(duì)底層智能設(shè)備進(jìn)行方向性的控制，從而實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算與云計(jì)算的協(xié)同。邊云協(xié)同標(biāo)準(zhǔn)包括計(jì)算資源、安全策略、應(yīng)用管理、業(yè)務(wù)管理等方面架構(gòu)和協(xié)議協(xié)同。

4 邊緣計(jì)算在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用模式探索

1）支撐定制化制造生產(chǎn)模式

智能制造新模式下，產(chǎn)品將沿著小批量多批次，定制化需求的方向發(fā)展。傳統(tǒng)制造體系嚴(yán)格的分層架構(gòu)已經(jīng)無(wú)法滿足未來(lái)的制造需求。而邊緣計(jì)算具有支撐生產(chǎn)計(jì)劃靈活，適應(yīng)生產(chǎn)資源的變化等優(yōu)勢(shì)，新舊制造設(shè)備快速替換，通過(guò)物料供給方式的自動(dòng)變化、生產(chǎn)節(jié)拍來(lái)適應(yīng)生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)整，更好地支撐大規(guī)模個(gè)性化定制的智能制造新模式。

2）支持預(yù)測(cè)性維護(hù)等智能服務(wù)

通過(guò)邊緣計(jì)算設(shè)備采集產(chǎn)品情況的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集與分析，可以對(duì)產(chǎn)品提供預(yù)測(cè)性維護(hù)，以及對(duì)維護(hù)部門(mén)提供維護(hù)所需要的數(shù)據(jù)，以便維護(hù)部門(mén)提前安排維護(hù)人員和采購(gòu)維護(hù)所需要的零部件。

3）支撐協(xié)同制造模式

邊緣計(jì)算通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)向上與云端相連，向下統(tǒng)籌、協(xié)調(diào)、處理企業(yè)里不同車(chē)間、生產(chǎn)線、設(shè)備等之間的信息，更好的進(jìn)行企業(yè)與企業(yè)間、企業(yè)與云端之間的交互。進(jìn)而，為設(shè)計(jì)、供應(yīng)鏈和服務(wù)一體化協(xié)同制造提供支撐。

5 結(jié)語(yǔ)

目前我國(guó)邊緣計(jì)算在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的研究及應(yīng)用處在世界前列，形成了一批學(xué)術(shù)成果，在產(chǎn)業(yè)內(nèi)也初步應(yīng)用，解決了目前新制造模式的一些問(wèn)題，同時(shí)也制定了一批標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但是，目前業(yè)內(nèi)尚未對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)體系達(dá)成共識(shí)，工廠內(nèi)的邊緣計(jì)算設(shè)備和底層設(shè)備及上層的云端及軟件沒(méi)有完成互聯(lián)互通等，這些都是亟需解決的問(wèn)題和研究的方向。