面向工业互联网边缘计算的工业数字底座.docx

导读：

在工业互联网与边缘计算的推动下，工业正进入变革期。要打破工业系统长期以来形成的壁垒，OT、CT与IT深度融合是亟需解决的挑战。工业边缘计算从终端智能化、网络透明化与软件虚拟化等三方面着手，从而形成一套OICT高度整合的工业数字底座，配合工业云平台，实现对工业现场设备赋能，完成工业互联网与边缘计算的闭环，将在工业各个领域实现革命性突破，为工业互联网落地奠定坚实的基础。

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?引言?

在端-边-云的结构已经基本形成的今天，工业互联网还未能展现其潜力。在工业现场，边缘计算节点作为端与云的连接点，始终无法真正发挥其巨大作用。一方面，现场端侧系统与设备的封闭使得边缘计算节点始终只能作为辅助存在，从而逐渐被“边缘化”。另一方面，虽然边缘计算节点给系统提供了大量额外的计算与储存资源，工业现场网络的多样性也使得这些资源无法与现有设备资源通过统一的网络无缝整合到一起，使得工业边缘计算处于一种“食之无味、弃之可惜”的状态。要实现工业互联网万物互联、信息互通的终极目标，端侧与边缘侧需要进一步深度融合，工业互联网的“端-边-云”三层架构则将进一步进化为“边-云”两层架构。工业互联网与边缘计算架构演进如图1所示。

图1工业互联网与边缘计算架构演进

在边缘侧，一体化的新边缘节点将取代原有ISA-95架构中的L0~L2层，形成集传感/执行、控制与监控为一体的分布式边缘计算节点网络。除此之外，这些节点还能够承担新的任务类型，例如数据采集处理、机器学习等计算类任务，并且基于数据分析结果对工业生产过程进行实时优化。在云端，设计、研发、测试、管理等各类工业软件将逐步实现服务化，即用户无需安装任何软件，直接通过访问云端来完成工作。而各个边缘节点与云平台之间则可以通过统一的网络进行实时数据交互与决策部署下发，从而真正实现全计算、全联接、全解耦的闭环工业互联网体系架构。

要实现以上目标，在设备端需要一套完整的硬件、软件与网络技术体系与标准，称为“工业数字底座”。工业数字底座又应该包含哪些内容呢？图2是面向工业互联网边缘计算的工业数字底座特征，工业数字底座应该在确保工业系统实时性与可靠性的基础上，通过融合计算、储存与网络资源优化从设计、开发、测试、部署到维护的全流程，降低成本并提升产品质量。因此，在硬件层面，需要保证边缘计算节点能够提供足够的算力与储存能力来满足部署应用的需求；在软件层面，需要提供一套支撑柔性边缘应用部署的设计开发语言与部署机制；在网络层面，需要一套能够保证确定性通讯延迟的一体化网络。下文将分三方面来描绘工业数字底座的特性与实现路径。

图2面向工业互联网边缘计算的工业数字底座特征

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“全计算”—智能化硬件终端

一个符合工业数字底座要求的边缘计算节点首先要有一定的算力与储存能力的保证。得益于芯片工艺技术的进步，现有的嵌入式芯片的算力与储存能力已经得到了巨大的提升，部分基于ARM芯片的工业网关性能甚至已经超越了计算机。按照算力与储存能力划分，可以将边缘计算节点分为三个等级。

第一等级（L1）的边缘计算节点具备一定的计算与储存能力，拥有执行例如感知、驱动设备、监控界面等单一任务的能力。L1等级的边缘计算节点不具备同时运行多个应用的能力，也无法与其他节点协作共同完成任务。此外，由于任务单一，此类设备通常无需实时操作系统的加持，例如传感器、变频器、小型控制器等，通常这一等级的边缘计算节点可以对应ISA-95架构中的L0层设备。在储存方面应该能够保证小型系统与设备一定时间的数据缓存要求。

第二等级（L2）的边缘计算节点则具备较强的计算与储存能力，能够同时运行多个L1节点任务，还能支撑大型工业控制系统的正常运作。在满足ISA-95架构中L1控制层的实时性要求的基础上，也应该整合L2监控层的需求。同时，多个L2级边缘计算节点之间可以相互协作来完成分布式任务，例如离散制造中多个机器人冗余与协同、过程控制中多个工艺动态优化等。为支撑多个应用同时运行，L2级别的边缘计算节点通常搭载有实时操作系统来保障任务的实时性与可靠性。多个异构L2边缘计算节点设备，比如边缘控制器、边缘网关等组合起来能完成大型PLC或DCS系统的所有功能，同时也能兼顾SCADA/HMI系统的部分功能，缓存较长时间的过程运行数据，并且支持对数据进行清洗与预处理工作。

第三等级（L3）的边缘计算节点则具备极强的计算与储存能力，可以通过多CPU多核来满足强实时高并发的任务需求，也能保存全部的历史数据，并且利用机器学习实现数据驱动的在线优化。此类边缘计算节点包括服务器或本地云，通常工厂对数据的安全性以及私密性要求极高，为保护工艺参数，本地云的部署概率更高。本地云通过容器等虚拟化技术以及自身强大的算力，可以根据实际应用需求来调配计算与储存资源，也可以实现热备份冗余、热插拔、主动防御策略等来保证不间