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摘要：實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)價(jià)值離不開邊緣計(jì)算的支撐，而工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備種類繁多， 領(lǐng)域特性又大相徑庭，目前工業(yè)邊緣計(jì)算應(yīng)用雖然已有一定數(shù)量，但通用性較差。工業(yè)邊緣計(jì)算是OT與IT融合的典型應(yīng)用場景，工業(yè)邊緣APP需要同時(shí)支撐邏輯運(yùn)動(dòng)控制、監(jiān)控人機(jī)界面等OT應(yīng)用與視覺檢測、數(shù)據(jù)采集分析、預(yù)測性維護(hù)、生產(chǎn)管理等IT應(yīng)用。通過IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)與微服務(wù)、容器化技術(shù)融合，工業(yè)邊緣應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)多種編程語言混合設(shè)計(jì)，通過軟硬件解耦靈活部署到任意邊緣節(jié)點(diǎn)， 從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)從數(shù)據(jù)到模型再到控制的完整閉環(huán)，真正為制造業(yè)賦能。  

關(guān)鍵詞：邊緣計(jì)算；工業(yè)邊緣APP；微服務(wù)；容器化；IEC 61499

1 引言

在過去幾年中，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)如雨后春筍般涌現(xiàn)，無論是通用性平臺(tái)還是面向垂直領(lǐng)域的專業(yè)功能性平臺(tái)目前都有千余家在運(yùn)營，已初具規(guī)模。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)需要大量邊緣設(shè)備接入，采集海量過程數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理分析來實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的優(yōu)化。更重要的是優(yōu)化模型也需要以工業(yè)邊緣App的形式重新部署到邊緣設(shè)備上，使得工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)真正實(shí)現(xiàn)賦能企業(yè)。

工業(yè)邊緣計(jì)算應(yīng)用（工業(yè)邊緣App）種類繁多， 除了包含傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制、運(yùn)動(dòng)控制、現(xiàn)場總線通訊、人機(jī)界面等功能外，還融合了數(shù)據(jù)采集與處理、機(jī)器視覺、生產(chǎn)管理、運(yùn)營維護(hù)等創(chuàng)新性應(yīng)用。無論是側(cè)重于OT或是IT的工業(yè)邊緣App，面向異構(gòu)平臺(tái)都需要多種OT與IT語言混合設(shè)計(jì)。顯然傳統(tǒng)基于桌面應(yīng)用的工業(yè)軟件開發(fā)方式無法滿足工業(yè)邊緣計(jì)算應(yīng)用輕量、靈活與協(xié)作的特性。

歐盟早在2017年就對此問題展開研究，例如圖1中列舉的Horizon 2020的DAEDALUS項(xiàng)目的架構(gòu)[1]，為支撐信息物理系統(tǒng)設(shè)備間協(xié)作，圍繞IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)[2]，使用面向?qū)ο蟮哪K化設(shè)計(jì)方法對現(xiàn)場中各種設(shè)備進(jìn)行封裝，通過基于IEC 61499的集成開發(fā)環(huán)境與自動(dòng)化App 應(yīng)用商店提升應(yīng)用與算法的復(fù)用性，建立以自動(dòng)化開發(fā)者、設(shè)備與零件供應(yīng)商以及系統(tǒng)集成商為核心的生態(tài)圈。此外，由幾十家廠商所組成的開放過程自動(dòng)化聯(lián)盟（OPAF）[3]同樣以開放標(biāo)準(zhǔn)來整合MES、DCS、HMI、 PLC以及I/O功能，基于模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程控制系統(tǒng)的開放性以及互操作性。

圖1 歐盟Horizon 2020 DAEDALUS項(xiàng)目架構(gòu)[1]

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)要發(fā)揮賦能作用，除了數(shù)據(jù)上云之外，更重要的是提供通用的編程語言與設(shè)計(jì)工具，協(xié)助現(xiàn)場工程師高效地將Know-How轉(zhuǎn)變成工業(yè)邊緣App，  無需具備專業(yè)知識的全棧工程師也能快速地開發(fā)、部署與調(diào)試工業(yè)邊緣App，從而真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)價(jià)值落地，填補(bǔ)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵核心技術(shù)空心化的問題。

2 基于微服務(wù)的工業(yè)邊緣應(yīng)用設(shè)計(jì)

近年來， IT系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)范式已經(jīng)逐漸從面向?qū)ο缶幊蹋∣OP）向面向服務(wù)架構(gòu)（SOA）進(jìn)化。面 向服務(wù)架構(gòu)的軟件設(shè)計(jì)方法對模塊接口的統(tǒng)一定義來實(shí)現(xiàn)軟件模塊的松散耦合，使得由不同編程語言、操作系統(tǒng)與硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用模塊通過統(tǒng)一編排來完成特定功能，從而提升軟件復(fù)用性。SOA解決了不同系統(tǒng)之間應(yīng)用數(shù)據(jù)交互的難題。與SOA類似，微服務(wù)（Microservice）同樣由松散耦合的可復(fù)用軟件模塊組成。不同的是，SOA更加適合開發(fā)大型企業(yè)級應(yīng)用， 而微服務(wù)更多滿足針對某個(gè)特定領(lǐng)域的定制化需求，并具有更新簡單、擴(kuò)展容易等特點(diǎn)。工業(yè)邊緣計(jì)算系統(tǒng)涉及領(lǐng)域眾多、通常由異構(gòu)設(shè)備組成等特性完全符合微服務(wù)的適用范圍，因此，微服務(wù)是工業(yè)邊緣App設(shè)計(jì)范式的完美選擇。

隨著工業(yè)邊緣設(shè)備計(jì)算與儲(chǔ)存能力的不斷提升，工業(yè)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)除了能涵蓋原ISA-95架構(gòu)中的感知層、控制層以及監(jiān)控層的應(yīng)用，還能支撐視覺檢測、機(jī)器人與AGV控制、數(shù)據(jù)采集處理、生產(chǎn)管理等新型工業(yè)邊緣應(yīng)用。如圖2所示，一個(gè)工業(yè)邊緣App可以分為三個(gè)類型：獨(dú)立工業(yè)邊緣App、分布式工業(yè)邊緣App以及邊- 云協(xié)同工業(yè)App。獨(dú)立工業(yè)邊緣App通常適用于單一功能應(yīng)用（例如數(shù)據(jù)采集）或者包含實(shí)時(shí)控制、人機(jī)界面以及數(shù)據(jù)采集的小型系統(tǒng)，此類工業(yè)邊緣App通常只需一個(gè)節(jié)點(diǎn)即可完成所有任務(wù)；分布式工業(yè)邊緣App通常需要多個(gè)節(jié)點(diǎn)協(xié)同來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)，例如大型物流系統(tǒng)或者復(fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng)；邊-云協(xié)同工業(yè)App則是針對類似于大數(shù)據(jù)處理或者深度學(xué)習(xí)等無法完全依靠邊緣計(jì)算解決的新型混合系統(tǒng)，需要利用云平臺(tái)的計(jì)算與儲(chǔ)存能力來協(xié)助實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的優(yōu)化。

圖2 工業(yè)邊緣App分類

工業(yè)邊緣App通常是由多個(gè)功能組合而成，如一個(gè)PCB質(zhì)量檢測的產(chǎn)線牽涉到實(shí)時(shí)控制、運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器視覺、數(shù)據(jù)采集、模型訓(xùn)練、人機(jī)界面等多項(xiàng)功能， 而每項(xiàng)功能則可能由不同的編程語言所開發(fā)。例如，實(shí)時(shí)控制通常采用基于IEC 61131-3[4]的邏輯控制，運(yùn)動(dòng)控制多基于G代碼，而機(jī)器視覺則采用Python或者C++ 等高級語言。如果將每個(gè)功能看作是獨(dú)立的微服務(wù)，用戶則需要使用統(tǒng)一的建模語言編排這些微服務(wù)。而IEC 61499功能塊系列標(biāo)準(zhǔn)則是目前適合的建模語言。IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)提供了基于事件觸發(fā)功能塊的標(biāo)準(zhǔn)封裝方式，對包含IEC 61131-3、C++等高級語言的統(tǒng)一封裝，能有效地獨(dú)立于微服務(wù)開發(fā)。除此之外，標(biāo)準(zhǔn)中提供了功能塊網(wǎng)絡(luò)模型、資源模型、設(shè)備資源等完整的軟件模型來支持微服務(wù)的復(fù)用性與可移植性。如圖3 所示，將每個(gè)功能塊看作是獨(dú)立的微服務(wù)，而功能塊接口則是調(diào)用API。功能塊網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)模塊通過控制流與數(shù)據(jù)流整合，形成一個(gè)或者多個(gè)應(yīng)用程序，通過IEC 61499部署模型將應(yīng)用程序映射到不同的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)級工業(yè)邊緣計(jì)算應(yīng)用的統(tǒng)一建模設(shè)計(jì)。與UML等建模語言不同的是，IEC  61499提供了完整的功能塊執(zhí)行機(jī)制，因此功能塊網(wǎng)絡(luò)能夠被直接部署與執(zhí)行，從而減少了從建模語言到可執(zhí)行代碼的轉(zhuǎn)換， 避免了由于模型轉(zhuǎn)換造成的代碼質(zhì)量問題，從而提升設(shè)計(jì)效率。目前施耐德電氣EcoStruxure Automation Expert[5]以及國產(chǎn)海王星模塊工匠Function Block Builder[6]等IEC 61499工具已經(jīng)初步具備了應(yīng)對工業(yè)邊緣計(jì)算混合設(shè)計(jì)的能力。

圖3 基于IEC 61499的OT與IT混合設(shè)計(jì)

3 輕量級容器化工業(yè)邊緣應(yīng)用運(yùn)行環(huán)境

在IT應(yīng)用開發(fā)中，微服務(wù)往往與容器密不可分。將微服務(wù)通過容器化封裝可以實(shí)現(xiàn)微服務(wù)的獨(dú)立運(yùn)行， 同時(shí)將依賴庫文件與操作系統(tǒng)一同移植可以有效減少由于開發(fā)環(huán)境與部署環(huán)境的差異而造成的問題?，F(xiàn)有的Linux容器主要有Docker、LXC/LXD等選擇，然而目前所有Linux容器都是為IT應(yīng)用設(shè)計(jì)，針對計(jì)算與儲(chǔ)存能力有限的工業(yè)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)而言，這些容器都過于臃腫。特別是面向工業(yè)實(shí)時(shí)控制等高實(shí)時(shí)性、高可靠性要求的傳統(tǒng)OT應(yīng)用，目前容器在更新時(shí)間、文件大小以及操作性等關(guān)鍵上與工業(yè)現(xiàn)場實(shí)際需求還存在一定的差距，針對工業(yè)邊緣計(jì)算的輕量級容器化運(yùn)行環(huán)境仍然是待解決的重要問題。

圖4 基于IEC 61499的工業(yè)邊緣計(jì)算容器化運(yùn)行環(huán)境

基于IEC 61499的微服務(wù)化工業(yè)邊緣App同樣需要輕量級容器化的運(yùn)行環(huán)境支撐。如圖4所示，以Linux 容器為基礎(chǔ)，將每個(gè)微服務(wù)作為單獨(dú)容器封裝，容器依次將IEC 61499微服務(wù)運(yùn)行環(huán)境、所需要的編程語言支撐環(huán)境以及基于IEC 61499的應(yīng)用程序加載，最后通過IEC 61499功能塊網(wǎng)絡(luò)將不同微服務(wù)之間串聯(lián)起來。當(dāng)需要對應(yīng)用程序重新編排時(shí)，僅需對微服務(wù)調(diào)用順序進(jìn)行重新編排，無需對容器進(jìn)行修改；當(dāng)需要對微服務(wù)進(jìn)行更新時(shí)，則只需要對容器內(nèi)的頂層應(yīng)用程序進(jìn)行更新即可完成，而無需影響其他微服務(wù)以及系統(tǒng)的運(yùn)作。通過容器化封裝功能塊，微服務(wù)可以實(shí)現(xiàn)軟件與硬件的完全解耦，從而顯著提升邊緣計(jì)算系統(tǒng)的靈活性。

當(dāng)工業(yè)邊緣App開發(fā)完成后，最后一步需要將工業(yè)邊緣App從云端或者網(wǎng)關(guān)部署到邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)上。容器化工業(yè)邊緣App能保證從開發(fā)環(huán)境部署到生產(chǎn)環(huán)境的一致性，開發(fā)者將封裝完成的容器上傳到云端的工業(yè)邊緣App市場，系統(tǒng)集成商或者設(shè)備制造商可以根據(jù)需求從云端購買相應(yīng)的工業(yè)邊緣App，并且通過簡易配置部署到邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)。在這方面國內(nèi)已經(jīng)有了非常不錯(cuò)的基礎(chǔ)，華為云IEF以及容器市場已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了容器的交易、配置以及從云端向邊緣端的部署，當(dāng)與基于IEC 61499 實(shí)現(xiàn)對微服務(wù)的統(tǒng)一編排與管理融合后，快捷地遠(yuǎn)程部署調(diào)試將不再是夢想。

4 結(jié)語

如何高效設(shè)計(jì)OT與IT融合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算應(yīng)用一直是制約工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)價(jià)值落地的關(guān)鍵技術(shù)之一。將IEC 61499功能塊標(biāo)準(zhǔn)與微服務(wù)、容器化融合能夠賦予工業(yè)邊緣App軟硬件解耦的能力，使其適用于擁有不用計(jì)算、儲(chǔ)存與通訊能力的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，提升系統(tǒng)的靈活性、互操作性與可移植性。當(dāng)基于微服務(wù)、輕量級容器以及IEC 61499的工業(yè)邊緣App與確定性IP網(wǎng)絡(luò)、TSN等網(wǎng)絡(luò)緊密結(jié)合時(shí)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算將發(fā)揮其真正的價(jià)值。 

作者簡介：

戴文斌，上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程自動(dòng)化系副教授，博士生導(dǎo)師，隸屬“系統(tǒng)控制與信息處理”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市自動(dòng)化學(xué)會(huì)秘書長。近年來主要從事下一代分布式工業(yè)控制軟件、工業(yè)信息化、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算等方向的研究工作。是IEC TC65B/WG15（IEC  61499）標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)國內(nèi)唯一專家，IEEE P2805邊緣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)工作組組長。目前擔(dān)任IEEE-TII編委、IEEE-IES工業(yè)信息學(xué)技術(shù)專委會(huì)主席以及多個(gè)IEEE-IES旗艦會(huì)議的程序委員會(huì)主席等職務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] EU. Horizon 2020 DAEDALUS Project[EB/OL]. http://daedalus.iec61499.eu/.

[2] IEC 61499, Function Blocks, International Standard, Second Edition[S]. 2012.

[3] The Open Group. The Open Process Automation Forum[EB/OL]. https://www.opengroup.org/forum/open-processautomation-forum. 

[4] IEC 61131-3, Programmable controllers - Part 3: Programming languages, International Standard, Third Edition[S]. 2013. 

[5] Schneider Electric. Schneider Electric EcoStruxure Automation Expert[EB/OL]. https://www.se.com/ww/en/productrange-presentation/23643079-ecostruxure%E2%84%A2-automation-expert/. 

[6] 國際電工委員會(huì). Function Block Builder[EB/OL]. http://www.iec61499.cn

摘自《自動(dòng)化博覽》2021年2月刊