基于制造業(yè)的邊緣云發(fā)展

趙京鶴 申俊波 商秋平/文

邊緣云位于中心云與設(shè)備終端之間，是更加貼近設(shè)備層的一種IoT 連接層，是云計(jì)算能力由中心向邊緣的下沉，強(qiáng)調(diào)通過(guò)云邊的一體化、協(xié)同管理并能解決在云計(jì)算模式下無(wú)法滿足企業(yè)一線生產(chǎn)作業(yè)中的業(yè)務(wù)需求。

制造業(yè)邊緣云定位

邊緣云相比中心云更靠近制造業(yè)生產(chǎn)一線，靠近設(shè)備數(shù)據(jù)產(chǎn)生和使用的位置，在設(shè)備接入、數(shù)據(jù)采集、邊緣側(cè)數(shù)據(jù)治理方面起到了關(guān)鍵性作用。同時(shí)比起全量數(shù)據(jù)中心云進(jìn)行分析再返回到生產(chǎn)一線的方式相比，邊緣云在網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和傳輸成本方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，可以緩解中心云的計(jì)算負(fù)載和帶寬壓力。

受硬件資源所限，邊緣云需要進(jìn)行分層建設(shè)，并與中心云配合，在云邊協(xié)同的過(guò)程中主要服務(wù)于輕量級(jí)的小任務(wù)，一方面是實(shí)現(xiàn)在集中式云計(jì)算模式下無(wú)法實(shí)現(xiàn)的超低延時(shí)的數(shù)據(jù)交互與自動(dòng)反饋，另一方面是承擔(dān)數(shù)據(jù)預(yù)處理工作，包括共性和常用數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和調(diào)用等。此外，特定行業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)安全、隱私保護(hù)的要求也使邊緣云成為其重要的選項(xiàng)之一。

邊緣云屬于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)的邊緣智能層，對(duì)下提供設(shè)備快速接入，只需簡(jiǎn)單配置可實(shí)現(xiàn)設(shè)備接入和數(shù)據(jù)采集；對(duì)上提供可視化面板的圖形化搭建工具，無(wú)需專業(yè)編程人員，可快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理和可視化應(yīng)用；集成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)數(shù)據(jù)接口，可將本地?cái)?shù)據(jù)上傳至平臺(tái)。提供對(duì)一體機(jī)系統(tǒng)資源的管理和Docker應(yīng)用的管理調(diào)度，實(shí)現(xiàn)容器化應(yīng)用一鍵部署；邊緣云搭建多種工業(yè)應(yīng)用，用于產(chǎn)線所有設(shè)備的全面管理，提供維修、保養(yǎng)、點(diǎn)巡檢、備件管理和統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表等功能。

制造業(yè)邊緣云范圍

制造業(yè)邊緣云主要包括一體機(jī)和邊緣云平臺(tái)，在進(jìn)行范圍確定時(shí)主要從功能角色、支撐業(yè)務(wù)、處理數(shù)據(jù)能力方面進(jìn)行定義。

功能角色邊緣云在制造業(yè)中承擔(dān)更多OT 層的角色，通過(guò)邊緣云一體機(jī)的搭建，實(shí)現(xiàn)對(duì)于生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)監(jiān)控設(shè)備及生產(chǎn)環(huán)境設(shè)備等車(chē)間內(nèi)各類設(shè)備的統(tǒng)一接入。通過(guò)邊緣云的搭建可以構(gòu)建起業(yè)務(wù)應(yīng)用與設(shè)備之間的中間件平臺(tái)，支撐生產(chǎn)應(yīng)用對(duì)于向設(shè)備發(fā)起的反向控制命令。

支撐業(yè)務(wù)邊緣云在制造業(yè)中主要支撐現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)層面，通過(guò)邊緣云的搭建，實(shí)現(xiàn)對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程管理、設(shè)備全生命周期管理、安全生產(chǎn)監(jiān)督、能耗管理、安全管理等業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)支撐，并在邊緣云SaaS層面向上述業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供應(yīng)用環(huán)境支撐。

處理數(shù)據(jù)邊緣云在制造業(yè)中主要圍繞設(shè)備運(yùn)行類數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行環(huán)境類數(shù)據(jù)為中心進(jìn)行處理。通過(guò)邊緣云一體機(jī)的搭建實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備本體和各類監(jiān)控傳感設(shè)備的數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入和基于機(jī)理模型的淺層分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。通過(guò)邊緣云平臺(tái)全量接入設(shè)備數(shù)據(jù)。通過(guò)構(gòu)建工業(yè)數(shù)據(jù)湖和數(shù)據(jù)模型庫(kù)，開(kāi)展數(shù)據(jù)的深層治理，實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)應(yīng)用中心云數(shù)據(jù)需求的支撐。

制造業(yè)邊緣云構(gòu)建路徑

制造業(yè)邊緣云主要圍繞設(shè)備和管理兩大核心領(lǐng)域進(jìn)行構(gòu)建。

設(shè)備領(lǐng)域主要圍繞設(shè)備協(xié)議接入和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)可視化呈現(xiàn)角度進(jìn)行構(gòu)建，其核心建設(shè)內(nèi)容為OT層各類制造設(shè)備與傳感設(shè)備的全量設(shè)備協(xié)議解析、數(shù)據(jù)采集、基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控場(chǎng)景下設(shè)備及傳感數(shù)據(jù)的采集與邊緣分析及運(yùn)行狀態(tài)可視化服務(wù)。

云計(jì)算領(lǐng)域主要圍繞工業(yè)數(shù)據(jù)平臺(tái)、工業(yè)應(yīng)用、工業(yè)數(shù)據(jù)湖角度進(jìn)行構(gòu)建，其核心建設(shè)內(nèi)容為IT 層數(shù)據(jù)采集中臺(tái)、工業(yè)操作系統(tǒng)、工業(yè)模型中臺(tái)、工業(yè)數(shù)據(jù)治理中臺(tái)和工業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的構(gòu)建，圍繞生產(chǎn)制造過(guò)程、設(shè)備全生命周期管理、企業(yè)供應(yīng)鏈協(xié)同等方面應(yīng)用的構(gòu)建，形成基于產(chǎn)線級(jí)的統(tǒng)一工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)DaaS和SaaS層。

制造業(yè)邊緣建設(shè)必要性

隨著智能化產(chǎn)線的不斷發(fā)展，針對(duì)制造加工型企業(yè)的設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、監(jiān)控與分析，操作簡(jiǎn)便、易用性強(qiáng)、數(shù)據(jù)并發(fā)量高和響應(yīng)速度快是對(duì)邊緣側(cè)設(shè)備管理的最新要求。具體包括如下三方面：

工廠邊緣側(cè)需要設(shè)備快速接入邊緣云能夠針對(duì)通用設(shè)備的接入映射模板，實(shí)現(xiàn)設(shè)備快速接入，通過(guò)邊緣計(jì)算、設(shè)備監(jiān)控等邊緣云智能化的服務(wù)，實(shí)時(shí)進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、診斷、預(yù)測(cè)。

工廠邊緣側(cè)數(shù)據(jù)治理工廠內(nèi)部進(jìn)行閉環(huán)管理，為了保證生產(chǎn)效率，對(duì)于設(shè)備的實(shí)時(shí)性要求比較高，邊緣云需要實(shí)現(xiàn)設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)治理，保證設(shè)備上傳數(shù)據(jù)的連續(xù)性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，對(duì)于異常值進(jìn)行處理與分析，及時(shí)發(fā)送預(yù)警信號(hào)。由于邊緣云存儲(chǔ)空間有限，定期、定時(shí)進(jìn)行邊緣數(shù)據(jù)備份，并通過(guò)云邊協(xié)同定時(shí)批量上傳到云端，提升邊緣側(cè)數(shù)據(jù)處理能力與效率。

工廠邊緣側(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用邊緣云的數(shù)據(jù)應(yīng)用集中體現(xiàn)了企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求，邊緣云利用低時(shí)延、高帶寬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中有限資源支持用戶所需的應(yīng)用與服務(wù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)測(cè)、運(yùn)行分析、狀態(tài)預(yù)測(cè)等核心邊緣側(cè)需求。

制造業(yè)邊緣云主要使用場(chǎng)景

目前來(lái)說(shuō)，邊緣云為企業(yè)提供完整的邊緣和云協(xié)同的一體化服務(wù)的邊緣計(jì)算的實(shí)現(xiàn)方式，解決企業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)收集難、處理難、數(shù)據(jù)資產(chǎn)使用率低等問(wèn)題。具有以下幾種使用場(chǎng)景：

工業(yè)設(shè)備快速接入及智能運(yùn)維場(chǎng)景邊緣云實(shí)現(xiàn)設(shè)備的快速接入，通過(guò)采集設(shè)備關(guān)鍵數(shù)據(jù)、建立數(shù)據(jù)建模、分析設(shè)備內(nèi)在的運(yùn)行特性，定期進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)分析，維護(hù)設(shè)備穩(wěn)定性，提前感知設(shè)備故障、排除隱患，如圖1所示。

圖1 基于邊緣側(cè)云的設(shè)備快速接入

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)視覺(jué)監(jiān)測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景基于邊緣云，通過(guò)接入視頻數(shù)據(jù)，對(duì)視頻進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)感知決策，如現(xiàn)場(chǎng)異常事件實(shí)時(shí)感知、生產(chǎn)過(guò)程視覺(jué)檢測(cè)等，實(shí)現(xiàn)事前預(yù)判、集中可視指揮調(diào)度、回溯取證等全程管控業(yè)務(wù)，如圖2所示。

圖2 基于邊緣云的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)視覺(jué)監(jiān)控

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)線及數(shù)字化應(yīng)用場(chǎng)景邊緣云在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)側(cè)實(shí)現(xiàn)完整應(yīng)用閉環(huán)，其搭載了物聯(lián)網(wǎng)接入工具、智能巡檢系統(tǒng)、可視化看板系統(tǒng)等工業(yè)軟件，開(kāi)箱即用，只需簡(jiǎn)單配置，即可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線信息化和自動(dòng)化的整合，幫助生產(chǎn)企業(yè)快速組織生產(chǎn)，提升設(shè)備管理效率，如圖3所示。

圖3 基于邊緣云的數(shù)字化產(chǎn)線應(yīng)用

算法模型的云邊協(xié)同場(chǎng)景

工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，邊緣云利用云邊協(xié)同獲取的云端算法模型，能夠快速進(jìn)行產(chǎn)線成品的質(zhì)量分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量缺陷提升產(chǎn)品質(zhì)量；同時(shí)將運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳至云端，便于云端算法模型的自優(yōu)化，促進(jìn)生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量的提升，如圖4所示。

圖4 結(jié)合算法模型的邊緣協(xié)同

制造業(yè)邊緣云未來(lái)展望

據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)企業(yè)中僅有不足5%使用了邊緣云。2020 年中國(guó)邊緣云市場(chǎng)規(guī)模為91 億元，其中區(qū)域、現(xiàn)場(chǎng)、IoT 三類邊緣云市場(chǎng)規(guī)模分別達(dá)到37 億元、38 億元及16 億元。由此可見(jiàn)，邊緣云作為制造業(yè)轉(zhuǎn)型的主要技術(shù)，現(xiàn)在仍處于萌芽階段，而隨著近幾年企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型浪潮的不斷推動(dòng)，未來(lái)將會(huì)出現(xiàn)一波持續(xù)性增長(zhǎng)，并不斷增大市場(chǎng)普及率。