[读书笔记]：

工业互联网边缘计算在离散制造业应用展望¹

^{1.离散制造业数字化转型面临的挑战}

^{1.1离散制造业发展现状及需求}

^{工业现场数据类型异构混杂，缺少完整的数据集成应用架构}

^{行业内大部分设备和产线传感器数量不足，一些关键的物理量尚缺乏有效的传感测量手段，一些自动化装备获取的状态数据没有通过开放式接口提供给第三方，且原有的自动化系统和架构都不能提供良好的支撑。}
^{生产过程柔性化不足，单机设备缺少开放式接口，设备间缺少统一的互联互通标准}

^{因为离散制造业涉及的行业众多，发展不均衡，整个离散制造业目前还未普遍实现基于订单的柔性自动化生产。总体上，随着数控机床、工业机器人以及PLC的广泛应用，各个行业的单机自动化水平都有了较大提升，但离散制造业整体还处于以单机自动化为主和刚性自动化产线为主的状况，柔性自动化产线较少，真正实现基于订单的柔性自动化产线更少，OT系统和IT系统难以实现互联互通}
^{产线自动化软件系统薄弱，生产自动化程度不足，运营人员劳动强度大，效率低}

^{在目前的发展阶段，各个离散制造行业的自动化软件水平极不均衡，缺少自主关键工艺控制能力，大量采用第三方的专用控制器，既难以实现工艺算法和软件的自主迭代升级，也影响了装备软件的统一架构设计。对于生产规划人员来说，离散制造涉及的不确定性因素较多，制定按需生产、有弹性的生产计划比较困难。一些关键零件加工环节、装配环节不能完全依赖于自动化，需要有经验的工人完成，目前尚缺乏有效的人机协作机制来减轻操作工人的劳动强度。}
^{原有标准和解决方案不适应转型发展}

^{原有的工厂自动化和信息化架构的参考模型主要是ISA-95的L0到L4金字塔模型，该模型定义了ERP、MOM、SCADA、PLC／DCS之间的接口和数据交换标准。目前，一方面在实际中该标准并没有得到很好地实现，广泛采用的是主流厂家以数据库为中心的方案；另一方面，该标准也需要进一步完善，适应离散制造业数字化转型的需求。}

^{1.2工业互联网边缘计算推动离散制造业转型升级}

^{基于工业互联网体系架构的边缘计算将在离散制造业的数字化转型中发挥重要作用，有利于解决离散制造业当前和未来所面临的如下问题：}

^{边缘计算为离散制造业提供边缘侧的数据汇聚采集和智能决策分析能力:

1.边缘计算平台基于设备信息模型实现语义级别的制造系统横向通信和纵向通信

2.基于容器化的边缘计算核心组件保证设备数据采集的完整性和有效性

3.基于实时数据流处理机制汇聚和分析大量现场实时数据，实现基于模型的生产线多数据源信息融合，为离散制造系统的决策提供强大的数据支持。

4.基于边云协同的人工智能模型训练和部署机制，将为离散制造领域专家提供大量平台化、模块化的灵活易用工具，不断提升工厂的精益制造能力。}
^{边缘计算能有效解决离散制造业的设备间连接性问题：

边缘计算平台具有完善的连接配置和管理能力，收集系统间实时通信需求和服务质量要求，运行优化调度算法，转化为对TSN交换机和5G网络的配置，支持多种实时数据流传输。在保证信息安全的基础上，不仅可以把支持传统接口和协议的设备接入边缘计算平台，而且通过引入数据抽象层，使得不能直接互联互通的设备基于边缘计算平台实现互联互通，边缘计算平台的低延迟性能可以保证设备间的实时横向通信。}
^{边缘计算平台可以实现离散制造业自动化软件开发的软硬件解耦：

基于边缘计算平台的微服务架构，可以将大量实时规划、优化排版、设备监控、故障诊断和分析、AGV调度等功能封装在边缘应用程序上，实现了软件与硬件平台的解耦，降低了开发难度，提高了软件质量，通过边缘计算平台可进行边缘应用程序的灵活部署，实现了领域知识的分享。}
^{边缘计算具有丰富的抽象和粘合能力，针对老工厂升级和新工厂建设的不同需求，能够提供具有一致性的设计解决方案：

可以提供多种轻量级的解决方案，在不对自动化装备进行大规模升级的情况下，通过增加边缘网关、边缘计算平台和必要的边缘数据采集终端，可以有效提高制造工厂的数字化水平，加强数据在制造系统各个环节间的流动，实现各种基于数据的智能应用。}

^{2.离散制造业边缘计算实施架构}

^{离散制造业边缘计算实施参考架构:}

^{边云协同的云平台层：

(1) 边缘计算平台可以实现业务数据本地处理及生产现场的实时控制反馈，同时，边缘计算平台通过东西向联接进行数据和知识的交换，支持计算、存储资源的横向弹性扩展，能够完成本地的实时决策和实时优化操作。

(2) 边缘计算平台将与工厂外的云平台协同联动，边缘侧聚焦实时、小数据的处理，而云平台侧聚焦长周期、大数据的处理。边缘计算平台通过南北向链接与更上层的工业云平台实现数据交换和应用管理协同。}
^{边缘计算平台：

边缘计算平台负责从各现场设备采集数据，实现边缘侧各类数据的统一接入、存储、边缘分析处理等，并通过对现场设备的物联集成（如：生产设备、物流设备、检测设备）采集设备运行参数，将数据传送至云平台，同时实时接收云平台下发的控制指令，最终反馈至相应设备，从而实现对现场设备的数字化管理。}
^{现场设备层：}

^{边缘计算平台架构：}

^{边缘控制器

工业网络边缘侧连接各种现场设备，进行工业协议的转换和适配，统一接入到边缘计算网络中，并将设备能力以服务的形式进行封装，实现物理上和逻辑上生产设备之间通信连接。}
^{边缘网关

指具备边缘计算、过程控制、运动控制、机器视觉、现场数据采集、工业协议解析能力的边缘计算装置。可将现场各种工业设备、装置采用、应用系统的标准或私有通信协议转化成标准OPC UA及MQTT通讯协议，使得上位系统及工业互联网平台可采用统一的协议和信息模型与不同设备和系统互相通信。}
^{边缘云

边缘侧单个或者多个分布式协同的服务器，通过本地部署的应用实现特定功能，提供弹性扩展的网络、计算、存储能力，满足可靠性、实时性、安全性等需求，是实现IT技术与OT技术深度融合的重要纽带。}

^{王哲,时晓光,罗松,黄颖,汤立波,于青民.工业互联网边缘计算在离散制造业应用展望[J].自动化博览,2019(11):50-54.文章链接 ↩︎}

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