01 背景

計算技術經歷了大型機計算、PC計算、網絡計算、雲計算等階段之後，進入了邊緣計算/霧計算。圖1示出了邊緣計算的5大關鍵利益。正是由於邊緣計算呈現了它在工業互聯網時代的重要地位，所以這幾年來贏得了工業界的特殊關注。

圖1 邊緣計算的5大關鍵利益（來源：Altizon）

02 工業環境下的邊緣計算

工業環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備數據，以推動更好的決策，必要時還可以進行工業過程控制。為了實現這一目標，必須先行構建邊緣設備及嵌入其中的軟件、邊緣服務器以及雲的基礎架構，並連續全天候地運行。

工業網絡邊緣可以擴展到工業設備、機械製造、控制器和傳感器。當下，邊緣計算和分析正在快速地向靠近機械裝置和數據源的地點部署。隨著工業系統數字化轉型已成定勢，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備、邊緣服務器、網絡、雲及其聯接系統分散。與此同時，自動化資產設備正在提升其執行邊緣計算的功能。

邊緣計算支持IT/OT融合，在架構中的這兩個領域之間架起了橋樑。這特別明顯地表現在它不僅擔任原有服務於現場數據的角色，同時也為上一層的網絡承擔數據服務，而且正在成為工業互聯網架構中一個組成部分。

數據在接近產生數據的源頭進行處理，意味著邊緣計算和分析可能不把所有的數據向雲端發送，而是將一些數據就地處理，諸如數據過濾、數據集成等。邊緣系統可自行決定哪些數據要發送，向什麼地方發送和什麼時候發送。讓邊緣具有智能有助於解決工業設施（如採油井、採礦點、化工廠等）通常會遇到的問題，如低帶寬、低延遲、感知以任務為關鍵的的數據等，以保證知識產權不致被人竊取。

當製造廠在實施將廠內的機械設備和裝置，以及生產系統與數字化企業相聯接的解決方案時，流程工業和離散工業的最終用戶都樂於看到在邊緣執行實時智能。在現今的互聯工廠中，邊緣計算將提供下一代的智能聯接設備和數字化企業的基礎。這些智能邊緣設備可將傳感器的數據和流信息加以集結和分析，以支持預測性的分析平臺。

利用邊緣計算和雲計算的混合方法將為每個流程工業和離散工業的用戶提供可執行的信息，用以支持實時的業務決策、資產監測、數據分析過程報警、過程控制，以及深度學習等等。而邊緣計算和雲計算的算力移往網關和IIoT的邊緣設備，這一趨勢日趨明顯。

許多終端用戶期望在邊緣實施數據分析，這並不出人意料。如果工業向智能互聯機械和生產系統的生態系統發展和遷移，第一步就是建立數字化的環境，在這數字化的環境中，實現了信息安全的工廠在生產過程中運用可以存取、採集、集結和分析數據的智能設備，並提供可執行的信息，使運行、維護以及工廠和產品的設計和工程部門都能獲得優化設計、製造和支持的能力和手段。

操作運行、資產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備以及生產系統的邊緣計算和設備持續不斷增加，首先要關注的一定是網絡和信息安全的問題。當邊緣設備可以聯接工廠的生態系統、產品和現場的設備裝置，甚至製造供應鏈的時候，設備和聯接必須保證網絡和信息的安全和可靠。

具有信息賦能運行操作的智能製造和邊緣計算，實際上為改善業務性能提供了無限的潛力。過去長期在機械裝置內和過程中未被利用的數據將被髮掘利用，為快速地辨識生產低效率的問題所在，針對製造條件來比較產品質量，精確查明在安全、生產或環境等方面的潛在問題，都會變成現實。邊緣基礎結構的遠程管理將立即與操作人員以及不在現場的專家發生聯接，這樣故障的避免，及時處理可能導致停機事件的解決，或快速地進行診斷或尋找故障點，都會很快實現。

總之，邊緣計算和雲計算的基礎架構將加速IT和OT的融合匯聚。於是，那些原來只關心自己責任範圍內系統的IT和OT的專業人員，就可以相互學習對方的技術。IT的專業人員需要把他們的企業網絡運行的經驗和無處不在的運用互聯網協議進入製造應用的技巧向OT人員傳授；OT人員需要把過去的自動化孤島向現在的全廠互聯互通和以信息為中心的邊緣和雲架構升級遷移。於是，邊緣計算就成為將IT與OT融合交匯的關鍵點。

03 工業邊緣的兩個視角

在考慮工業邊緣環境時，我們可以從運行操作的視角和網絡基礎架構的視角分別進行思考。工業互聯網IIoT把運行操作的邊緣和網絡基礎架構的邊緣聯接在一起，凝聚成為一個整體。為了實現業務的目標將它們綁定在一起，形成整個IT/OT融合交匯的一個關鍵部分。圖2描繪了這一場景。在雲端可以部署需求規劃、 PDM、供應鏈、資產管理、ERP、MES等企業的應用軟件和功能；其下安排網絡邊緣的基礎架構，而操作運行的邊緣資產包括傳感器、變送器、控制閥、工藝閥門、控制系統等自動化資產，以及固定資產、運載工具、驅動裝置等。

圖2 工業邊緣的兩個視角（來源：ARC）

運行操作的工業邊緣。運行操作的工業邊緣是兩個邊緣環境中最直接的，它是工業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、客戶、運行操作等，對邊緣的定義或許是有所不同的。一個採礦公司會把一個裝有某個設備的地點視為其製造過程的運行操作邊緣；而石油天然氣工業則會把鑽井平臺或鑽井與其相關的設備如油泵或天然氣泵、管線和火炬設備視為邊緣。對於製造業，工廠的操作運行邊緣由一些機械設備和裝置組成，例如上料機器人、金屬衝壓機等。對於發電工業，邊緣會是汽輪機或燃氣輪機或是風力發電機的變速齒輪箱；對於輸配電工業，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，邊緣設備被用來執行關鍵操作，但是這些操作是有限度的，有時是與其它設備相互隔離的。

網絡工業邊緣。與上述經過提煉的過程相反，網絡的工業邊緣對於工業操作人員來說不是那麼明顯符合預期。許多含混不清源自操作人員通過存在已久、且經過不斷深化的視角去看待技術，其中包括分散過程控制、可編程邏輯控制和其它自動化應用。這些模糊不清的看法通常導致對IIoT過程的誤解，以為其建設和價值與過去幾十年來自動化成功的做法相似。

從網絡的視角看，開發工業互聯網的過程是為了通過數據共享、數據的分層管理和數據的系統使信息得以傳輸、分析、提煉，上升為知識，為決策提供依據和選擇。在傳統的OT領域，系統是在操作運行過程的範圍內被加以隔離，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，如何實現更有效率的運行操作的設想來考慮的。

事實上網絡邊緣的定義是由IT人員完成的，但並不止於此。IT人員描述利用雲計算技術，建立開發互聯網賦能的數據共享的基礎，同時建立智能的設備。於是雲變成了“集中的中心環境”，據此來識別和定義邊緣。這樣，網絡邊緣就成了向雲端提供數據的設備和系統了。不過，對於現今的工業希冀達到的目的，這樣的定義過於簡單化了。

與工業的操作運行相似，工業網絡邊緣發生在信息技術網絡的邏輯始端和末端。它由具有數據通信、數據管理（例如信息安全、可視化、預處理和存貯）和計算能力的裝置和設備組成。網絡基礎架構的邊緣可以包括一系列的技術，同時這一生態系統的分散性往往又附加了模糊點。它通常是傳統的IT裝置和設備以及有目的建造的工業系統和技術（諸如新加的傳感器和執行器）的混合體。這許多技術作為各別的部件被導入工業環境或者被導入一個網絡。它們的功能性也可被嵌入在一個操作運行的基礎架構中（如嵌入在透平中、機器人中或運載工具中）。

04 在工業邊緣構建可靠的虛擬化和控制應用

對於幾乎所有的應用，在工業邊緣的虛擬化和控制計算都是適用而有益的。大多數處於邊緣的系統、設備和工業物聯網IIoT的傳感器，正在向更智能、而且能夠提供大量數據的方向發展。在現場經過改善提高的 SCADA和HMI，其聯接性也為存取這些大量的數據做好了準備。

在生產層，在現場或操作人員需要查看大量數據的時候，部署了更多的HMI功能一定會使工廠、成套裝置和產線的操作運行更有效率。這包括基本的流程或過程監控和控制，在操作人員需要立即取得實時生產圖表和趨勢變化時，所提供的精確而齊全的數據，再配以可進行調整和改變的手段，再加上從現場設備中取得的大數據，並依據這些實時數據所進行的更細化的分析，這無異是如虎添翼，提高了操作人員即時深入瞭解生產狀況的可視化和決策指導的能力。數據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採取行動的信息。這一般不可能從直接觀察實時數據做到。除了改善操作運行而外，在計劃或項目的生命週期的其他階段，也可從工業邊緣中獲得利益。在設計和開發期間，經過驗證的邊緣計算架構，為從一個項目到下一個項目的複用和提高設計效率，提供了良好的結構化手段。邊緣計算的模塊化性質意味著原始設備製造商OEM和系統集成商SI可以在內部開發平臺上進行編程和測試，並可以在新的和現有的現場生產系統中利用這些結果。快速的HMI的部署和HMI可移動的性能，還使得在新系統和老系統的調試投運更為方便。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。

那麼誰掌握工業邊緣計算呢？這與誰掌握工業自動化計算結構和如何來定義工業邊緣和瘦客戶端滾動顯示有關。傳統的工業計算解決方案在很大程度上建立在商用信息技術IT的基礎結構之上。許多用於工業的計算技術都是逐漸從商業應用轉移過來的，例如PC機、服務器、以太網線和Wi-Fi聯網、虛擬機、瘦客戶端和若干冗餘方案。不過製造業和流程工業總是緊緊圍繞著操作運行技術OT領域。而OT要求許多上述的IT基礎架構的同時，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，以及工業以太網通信協議等等。

IT和OT業務單元的融合並非終局遊戲，工業邊緣的部署必須產生於這兩個團隊成功協調的結果。一般地講，IT人員並不曾受過工業專用設備的培訓。事實上，工業網絡通常必須與業務網絡小心地用防火牆隔離。OT 依賴於虛擬機和瘦客戶端技術，但OT人員通常不會具有管理以IT為中心的廣泛協調能力。

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OT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。

傳統的自動化計算架構包括分佈式和集中式的部件。純OT設備如PLC和PAC安裝在工業邊緣可以與現場設備如電動機、閥門和傳感器等直接互動，採集信息，並執行細化的控制。這些OT資產不斷改進其性能，仍然起著重要的作用。與IT範圍橫向連接的工業自動化SCADA和HMI採集上述OT設備的數據，構成一個局部的“核心”，並可通過與臺式PC機聯網，在所有有需要的地方作為得心應手的工具。目前一個正在發展的趨勢是在工廠層外安裝控制和虛擬化的計算資產，或者甚至在傳送帶和機械裝置上安裝邊緣設備，這有可能使問題複雜化了。

一個更合適的解決方案是保持集中的冗餘服務器硬件作為核心，但將它作為與自動化有關的主虛擬機，而在所需要的地方將HMI應用服務作為遠程的瘦客戶端。冗餘服務器可以採用傳統的IT樣式，也可以採用專為工業任務而設計開發的經過OT優化的版本，即新推出的具有冗餘成對網絡節點的邊緣計算平臺，如Stratus的ztC邊緣系統。

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

單內核技術非常適合於開發運用於邊緣的數據採集、處理和分析設備，這是因為它是一種實現單一服務部件（單元）輕量級的機制。它對硬件資源的要求較低，易於快速配置和替代。它具有APP服務的靈活性，像HMI這樣的遠程設備就可以利用單內核技術和有關的APP，快速構成專用的有針對性的數據採集分析和顯示。它又易於開發，在工廠內的開發和測試活動可以在虛擬機環境中進行，而不論主機在何地，因而對實際現場部署的硬件設備要求不高。

上述這些特點對於OEM廠商和系統集成商很有意義。運用虛擬化和瘦客戶端可加速集成的進度，特別是與多臺服務器和PC機方案的組態相比，將開發組態的過程轉移到生產系統的瘦客戶端，顯然方便而快速；運用虛擬化和瘦客戶端大大簡化了系統維護，集中控制的虛擬機的維護遠比分佈式資產的維護來得容易，尤其是在軟件升級和為信息安全打補丁的時候更是如此；以單內核為基礎形成瘦客戶端的架構，系統可擴展性好，這得益於集中的標準化和良好的複用性；另外，通過建立和部署以運用虛擬化和瘦客戶端為基礎的設備，可為實現一致性、可靠性以及再現性的最佳實踐打下堅實基礎。圖3是採用Stratus虛擬操作系統的瘦客戶端架構的方案，易於用任務專用的虛擬化和移動軟件來構成。

圖3 用虛擬機和移動軟件構成瘦客戶端的架構

綜上所述可以得出以下結論：採用瘦客戶端和虛擬化的架構有利於提高工業邊緣系統的易管理性、靈活性和可靠性。

05 邊緣可編程工業控制器

最近美國自動化市場上出現了一種所謂的“邊緣可編程工業控制器”（EPIC）。它所集成的硬件和軟件執行控制、監控、數據採集、操作員接口、邊緣數據處理和一定的數據分析功能。其設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構，以及資產間的無縫通信，同時還要運用開放的標準化的通信協議和編程語言。這一簡化現場-邊緣-雲端的層次的方案，核心是提高工業邊緣計算功能的效率；或者稱之為將IIoT的智能始於邊緣。圖4的上半部分是現有的IIoT的複雜架構，由眾多的傳感器採集的數據經過 PLC、OPC服務器、HMI/PC和防火牆傳送至雲端；而下半部分是傳感器通過邊緣可編程工業控制器，直接送往雲端。

圖4 IIoT結構扁平化的解決方案

要求一個解決方案能實現OT和IT雙方相互被理解，需要具備以下的功能：就地將OT領域的物理量轉換為能被IT領域運用的信息安全的通信協議和語言所能處理的數據；處理和過濾海量數據，僅向雲發送必要的、供進一步分析用的數據；提供通信接口，提供閉環實時控制要求的處理能力；將上述要求打包成一種能在嚴酷工業環境下可靠運行的設備，能經受振動、潮溼、環境溫度變化和各種頻率的的電磁干擾。

滿足IIoT的可互操作性應該在邊緣設備中具備如下的互聯網技術，如MQTT/Sparkplug、TCP/IP、 HTTP/S和互聯網的專用語言RESTful 的API；具備互聯網的信息安全技術，如SSL/TLS加密和認證。而云基系統必須調用RESTful API存取數據，或者使用publishsubscribe通信模型（如MQTT/Sparkplug）從遠程邊緣設備中獲取數據，而無需像目前的工業應用中那樣經過較為複雜的層次和轉換。

EPIC雖然不是PLC或PAC，但它提供可編程控制器的標準編程語言：功能塊圖（FBD）、結構化文本（ST）、順序功能圖（SFC）和梯形圖（LD）。當然也可以通過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。

彭瑜，教授級高工，上海工業自動化儀表研究院技術顧問，PLCopen中國組織名譽主席，工信部智能製造標準化體系建設工作組專家，國家智能製造標準化協調推進組專家諮詢組專家。

（摘自《自動化博覽》2019年增刊《邊緣計算2019專輯》）