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摘要：智能制造是先進制造過程、系統(tǒng)與模式的總稱，邊緣計算是橫跨通信、計算機、自動控制等多領(lǐng)域的綜合性技術(shù)，可以滿足智能制造在敏捷聯(lián)接、實時業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護等方面的關(guān)鍵需求。文章首先介紹了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造的基本狀況，其次介紹了邊緣計算的發(fā)展現(xiàn)狀，之后詳細描述了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造邊緣計算模型，最后給出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造邊緣計算模型的測試方法。

關(guān)鍵詞：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；智能制造；邊緣計算；模型測試

Abstract: Intelligent manufacturing is the general term of advanced manufacturing process, system and mode. Edge computing is a comprehensive technology across communication, computer, automatic control and other fields. It can meet the key requirements of Intelligent Manufacturing in agile connection, real-time business, data optimization, application intelligence, security and privacy
protection. This paper first introduces the basic situation of intelligent manufacturing of industrial Internet, then introduces the development status of edge computing, then describes the edge
computing model of intelligent manufacturing of industrial Internet in detail, and finally gives the test method of the edge computing model of intelligent manufacturing of industrial Internet.

Key words: Industrial internet; Intelligent manufacturing; Edge computing; Model test Edge Computing Model and Verification Method of Industrial Internet Intelligent Manufacturing

1　工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造概述

智能制造是具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、精準控制自執(zhí)行等功能的先進制造過程、系統(tǒng)與模式的總稱。智能制造可以追溯到1990年4月日本發(fā)起的“智能制造IMS”國際合作研究計劃。目前，基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等信息技術(shù)，智能制造已經(jīng)貫穿于設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動的各個環(huán)節(jié)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是指在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和遠程控制技術(shù)，優(yōu)化工業(yè)設(shè)施和機器的運行和維護，通過網(wǎng)絡(luò)化手段提升工業(yè)制造智能化水平。2012年，美國通用電氣公司（GE）首先提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念，此后工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的發(fā)展。目前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)以德國“工業(yè)4.0平臺”和美國“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟”為典型代表，其分別發(fā)布了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造參考架構(gòu)RAMI 4.0和IIRA。同時，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也迅速得到落地。美國通用電氣公司推出了Predix平臺，力圖打造成能夠智能適應(yīng)任何設(shè)備的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺；德國西門子推出了Mindsphere，幫助智能工廠建立了近千個制造單元連接的互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)無人化的智能挑選和組裝。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)指在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和遠程控制技術(shù)，優(yōu)化工業(yè)設(shè)施和機器的運行和維護，旨在通過網(wǎng)絡(luò)化手段提升工業(yè)制造智能化水平。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為我國智能制造發(fā)展的重要支撐，“十三五”規(guī)劃、《中國制造2025》、“互聯(lián)網(wǎng)+”、“深化制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展”等重大戰(zhàn)略都明確提出發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。隨著智能制造的發(fā)展，覆蓋工廠OT網(wǎng)絡(luò)的大量生產(chǎn)/運行數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)與IT網(wǎng)絡(luò)中的管理數(shù)據(jù)、設(shè)計/工藝數(shù)據(jù)交換需求逐步增加，互聯(lián)主體將從機器、控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)進一步擴展到包含在制品、智能產(chǎn)品、協(xié)作企業(yè)和用戶在內(nèi)的制造全流程網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)與數(shù)據(jù)交互。在智能制造中，將互聯(lián)網(wǎng)引入到工業(yè)領(lǐng)域是制造業(yè)普遍面臨的共性挑戰(zhàn)，重點在IT網(wǎng)絡(luò)與OT網(wǎng)絡(luò)的融合，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層面向工業(yè)智造需求實現(xiàn)覆蓋IT與OT的低開銷高實時的各類服務(wù)分發(fā)，在數(shù)據(jù)應(yīng)用層實現(xiàn)IT與OT中各類數(shù)據(jù)的動態(tài)互認，將大幅提升我國制造業(yè)智能化水平，符合急用先行的原則。

2　邊緣計算概述

邊緣計算融合了多個學(xué)科的內(nèi)容，不同領(lǐng)域的組織和學(xué)者對邊緣計算有著不同的解讀。邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（Edge Computing Consortium，ECC）對邊緣計算的定義為：邊緣計算是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲、應(yīng)用核心能力的分布式開放平臺（架構(gòu)），就近提供邊緣智能服務(wù)，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷聯(lián)接、實時業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護等方面的關(guān)鍵需求。近年來，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智能終端設(shè)備不斷普及，網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)數(shù)據(jù)的爆發(fā)式增長推動了邊緣計算的發(fā)展。2014年歐洲ETSI成立移動邊緣計算標準化工作組（MEC）；同年，AT&T、思科（Cisco）、通用電氣（GE）、IBM和英特爾（intel）成立工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（Industrial Internet Consortium，IIC）；2015年，ARM、思科、戴爾、英特爾、微軟和普林斯頓大學(xué)建立開放霧聯(lián)盟（OpenFog Consortium）；2016年，國內(nèi)工業(yè)、信息通信業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域百余家單位共同發(fā)起成立工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟；同年，由華為技術(shù)有限公司、中國科學(xué)院沈陽自動化研究所等單位聯(lián)合倡議發(fā)起的邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（Edge Computing Consortium，ECC）正式成立。在學(xué)術(shù)科
研方面，2016年，IEEE和ACM共同發(fā)起了邊緣計算研討會IEEE/ACM Symposium on Edge Computing；
2017年，中國自動化學(xué)會率先成立了邊緣計算專業(yè)委員會。在IEEE COMMUNICATIONS SURVEYS & TUTORIALS、IEEE COMMUNICATIONS MAGAZINE、IEEE Internet of Things Journal等著名學(xué)術(shù)期刊上都發(fā)表了大量邊緣計算綜述性文章。在標準制定方面，ITU-T SG20發(fā)起了“邊緣計算需求和能力要求”的國際標準立項，中國通信標準化協(xié)會CCSA也陸續(xù)開展多項邊緣計算行業(yè)標準立項。同時，北京大學(xué)、東南大學(xué)等單位承擔(dān)了一系列云端融合相關(guān)的863和國家重點研發(fā)計劃項目，有力地推動了邊緣技術(shù)的發(fā)展。例如東南大學(xué)的宋愛國等人承擔(dān)的國家重點研發(fā)計劃云計算和大數(shù)據(jù)重點專項“云端融合的自然交互設(shè)備和工具”，目前已成功研發(fā)有源/無源器件結(jié)合的小型可穿戴力觸覺反饋裝置，以及具有觸覺反饋的多通道三維書空筆式交互技術(shù)與裝置。其中多通道教學(xué)系統(tǒng)面向基礎(chǔ)教育在“班班通”工程和“數(shù)字化校園”工程中進行推廣應(yīng)用，產(chǎn)品應(yīng)用于中小學(xué)教學(xué)班11,000多個，學(xué)校用戶超過100所。

3　工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造邊緣計算模型

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造領(lǐng)域，邊緣計算整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造邊緣計算整體架構(gòu)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造邊緣計算模型主要包括了邊緣資源感知和服務(wù)感知模型、邊緣資源調(diào)度模型、邊緣任務(wù)劃分模型、多視圖模型庫等模型。基于智能任務(wù)劃分，通過對邊緣資源和服務(wù)狀態(tài)的感知進行邊緣資源調(diào)度，實現(xiàn)云-邊緣的協(xié)同計算，將計算任務(wù)根據(jù)最小化能耗、最小化系統(tǒng)延遲以及負載均衡等目標，在云和邊緣處進行計算卸載，提升系統(tǒng)的整體性能。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造邊緣計算模型的具體內(nèi)容如圖2所示。

圖2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造邊緣計算模型

（1）邊緣資源與服務(wù)狀態(tài)感知模型

邊緣資源與服務(wù)狀態(tài)感知模型主要用來感知每個邊緣計算節(jié)點的ICT資源狀態(tài)（如網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接的質(zhì)量、CPU占有率等）、性能規(guī)格（如實時性）、位置等物理信息等，為計算負載在邊緣側(cè)的分配和調(diào)度提供了關(guān)鍵輸入。

邊緣資源與服務(wù)狀態(tài)感知模型主要包括邊緣計算節(jié)點可靠性評估模型、邊緣計算節(jié)點資源感知模型、邊緣網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)評估模型、邊緣節(jié)點安全性評估模型。

邊緣計算節(jié)點資源與服務(wù)狀態(tài)評估如圖3所示。

圖3 邊緣計算節(jié)點資源與服務(wù)狀態(tài)評估

邊緣計算節(jié)點可靠性模型：邊緣計算節(jié)點可靠性指在規(guī)定條件下和給定時間內(nèi)邊緣計算節(jié)點正確運行（計算）的概率，包括可靠性、可用性和可維性。

邊緣計算節(jié)點資源感知模型：對邊緣計算節(jié)點的計算資源和存儲資源進行實時感知。計算資源感知標準包括響應(yīng)時間和CPU時間等。響應(yīng)時間是指邊緣計算節(jié)點接收到計算任務(wù)直至給出計算結(jié)果所需的時間。其中包括了訪問外存儲器、訪問主存器時間、CPU運算時間、I/O動作時間以及操作系統(tǒng)工作的時間開銷等。

網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)評估模型：網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)評估模型主要評估指標包括：速率、帶寬、吞吐量、時延、往返時間RTT、利用率。

安全性模型：安全性模型主要的內(nèi)容包括：設(shè)備安全、網(wǎng)絡(luò)安全、控制安全、應(yīng)用安全和數(shù)據(jù)安全。

（2）邊緣任務(wù)調(diào)度模型

邊緣任務(wù)調(diào)度模型支持主動的任務(wù)調(diào)度，能夠根據(jù)資源狀態(tài)、服務(wù)感知、邊緣計算節(jié)點間的聯(lián)接帶寬、計算任務(wù)的時延要求等，自動地在將任務(wù)拆分成多個子任務(wù)并分配到多個邊緣計算節(jié)點上協(xié)同計算。也支持把計算資源、服務(wù)資源等通過開放接口對業(yè)務(wù)開放，業(yè)務(wù)能夠主動地控制計算任務(wù)的調(diào)度過程，如圖4所示。

圖4 邊緣計算邊緣任務(wù)調(diào)度模型

邊緣任務(wù)調(diào)度模型主要包括任務(wù)智能分割模型、計算卸載決策模型、任務(wù)-邊緣節(jié)點匹配模型、邊緣深度計算模型。

任務(wù)分割模型：任務(wù)分割的粒度有方法級別、模塊級別和線程級別。在任務(wù)分割時，移動應(yīng)用將會被分為本地執(zhí)行代碼和云端執(zhí)行代碼兩個部分。其中涉及本地I/O、涉及用戶交互的代碼必須在本地執(zhí)行。而與本地設(shè)備交互少、代碼量少、計算量大的代碼則可以上傳到云端執(zhí)行。

卸載決策模型：卸載決策是邊緣計算任務(wù)調(diào)度的核心問題。卸載決策主要關(guān)注是否進行計算卸載。卸載決策分為靜態(tài)決策和動態(tài)決策兩種。對于靜態(tài)決策，應(yīng)用在運行前就已經(jīng)決定某個模塊是否應(yīng)該上傳到服務(wù)器執(zhí)行。動態(tài)決策的運行時負載比較高，需要實時監(jiān)控移動設(shè)備的運行狀況和網(wǎng)絡(luò)狀況。

任務(wù)-節(jié)點匹配模型：任務(wù)-節(jié)點匹配模型主要如何解決根據(jù)計算任務(wù)和節(jié)點當(dāng)前的狀態(tài)，來決定計算任務(wù)放置在哪個節(jié)點上運行的問題。針對于不同的卸載任務(wù)，任務(wù)-節(jié)點匹配模型主要基于能量消耗模型，時間延遲模型和負載均衡模型。

邊緣輕量級學(xué)習(xí)模型：針對深度學(xué)習(xí)模型等計算密集同時難以分布式優(yōu)化的智能算法對邊緣側(cè)有限的計算資源帶來的調(diào)整，建立邊緣設(shè)備計算資源評估方法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計基于邊緣設(shè)備計算資源的智能算法優(yōu)化方法，解決邊緣智能系統(tǒng)的實時性和可靠性，降低能耗、網(wǎng)絡(luò)帶寬需求，以及信息泄露的可能性。

（3）邊緣數(shù)據(jù)協(xié)同模型

邊緣數(shù)據(jù)協(xié)同模型研究邊緣計算節(jié)點對南向的協(xié)議適配，邊緣計算節(jié)點之間的東西聯(lián)接使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)聯(lián)接協(xié)議。通過數(shù)據(jù)協(xié)同，節(jié)點間可以相互交互數(shù)據(jù)、知識模型等。邊緣計算節(jié)點需要知道特定的數(shù)據(jù)需要在哪些節(jié)點間共享，共享的方式包括簡單的廣播、Pub-Sub模式等。邊緣數(shù)據(jù)協(xié)同模型主要包括統(tǒng)一語義模型和語義網(wǎng)絡(luò)模型。

數(shù)據(jù)統(tǒng)一語義模型：數(shù)據(jù)統(tǒng)一語義模型具有平臺無關(guān)、可兼容既有工業(yè)信息模型的通用數(shù)據(jù)語義描述框架并進行建模，包括面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)控制數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、設(shè)計/工藝數(shù)據(jù)的關(guān)鍵屬性分類與提取；針對智能制造底層跨域、上層綜合應(yīng)用的需求，通過對制造流程多層次數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系的分析，按照人機物法環(huán)模型分別制定內(nèi)部及相互間關(guān)聯(lián)關(guān)系數(shù)據(jù)字典標準化研究，實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)、時空關(guān)聯(lián)的涵蓋工廠采購、設(shè)計、生產(chǎn)、制造以及物流等領(lǐng)域環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)關(guān)系字典。

4　工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造邊緣計算模型驗證方法

為了對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造邊緣計算模型進行驗證，在國內(nèi)某鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的智能車間內(nèi)，搭建了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實驗驗證平臺，其總體架構(gòu)如圖5所示。

圖 5 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)驗證平臺總體架構(gòu)

在該平臺中，各功能模塊以生產(chǎn)任務(wù)、計劃、物料為管理對象，實現(xiàn)高效精細化管理，功能模塊之間高度整合，形成從訂單錄入到成品出廠合同結(jié)案的高實時信息閉環(huán)處理。通過各類型設(shè)備接入管理模塊完成傳感器與智能終端設(shè)備注冊、設(shè)備鑒權(quán)、設(shè)備接入、網(wǎng)絡(luò)拓撲、網(wǎng)絡(luò)調(diào)度與故障管理等功能。數(shù)據(jù)邊緣處理過程，各種傳感器儀表的數(shù)據(jù)，處理方式主要是通過傳感器、智能終端、攝像頭、網(wǎng)關(guān)主要是以消息方式實時上報給試驗驗證平臺。驗證平臺通過內(nèi)部的邊緣處理模塊與實時流引擎實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理。利用實時數(shù)據(jù)處理的UDF能力可方便擴展支持私有數(shù)據(jù)的處理、或者復(fù)雜處理邏輯；現(xiàn)有生產(chǎn)環(huán)境中的各類數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)是以文件或者數(shù)據(jù)庫形式體現(xiàn)，以定期同步方式同步給試驗驗證平臺。利用DI實現(xiàn)批數(shù)據(jù)（離線數(shù)據(jù)）的集成和預(yù)處理，從而進行數(shù)據(jù)監(jiān)控與展示。

基于該實驗平臺，表1給出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造邊緣計算模型的測試方法和測試結(jié)果。從實驗結(jié)果可以看到，本系統(tǒng)提供了較為全面的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造邊緣計算模型測試環(huán)境和方法。

表1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造邊緣計算模型的測試方法和部分測試結(jié)果

5　結(jié)論

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造對系統(tǒng)的確定性、實時性和安全性有著很高的要求，邊緣計算可以滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造的相關(guān)需求。本文介紹了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造、邊緣計算的基本狀況，設(shè)計了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造邊緣計算模型，搭建了測試平臺，設(shè)計了測試方案，并進行了模型測試，希望為邊緣計算模型和方法的測試提供參考。

基金項目：本文受“智能制造綜合標準化與新模式應(yīng)用項目 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用協(xié)議及數(shù)據(jù)互認標準研究與試驗驗證”資助。

作者簡介：

宋純賀（1981-），男，遼寧鞍山人，研究員，博士生導(dǎo)師，博士，現(xiàn)就職于中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，研究方向為邊緣計算。

武婷婷（1995-），女，河南濮陽人，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所博士研究生，研究方向為邊緣計算。

徐文想（1996-），女，河南周口人，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所碩士研究生，研究方向為邊緣計算。

于詩矛（1991），男，遼寧沈陽人，助理研究員，碩士，現(xiàn)就職于中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，研究方向為邊緣計算。

曾　鵬（1976-），男，遼寧沈陽人，研究員，博士，現(xiàn)任中國科學(xué)院沈陽自動化研究所所長助理，研究方向為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算。

摘自《自動化博覽》2020年1月刊