新時代工業背景下智能工廠的“云—邊—端”架構

張昊陽

摘要：針對傳統架構下的工廠的不足，提出“云—邊—端”架構在智能工廠中的重要應用，以及與傳統架構相比其具有的特點。在云計算負荷過重頂框下，引入“邊”——邊緣計算這一概念，邊緣計算通過許多控制（計算）將通過本地設備實現，無需交給云端，處理過程在本地邊緣計算層完成。建立起從云到邊緣，到設備端的計算，讓工廠的計算能力提升，提高復雜裝置的工廠的智能架構。

關鍵詞：物聯網;智能工廠;傳統架構;“云—邊—端”架構

中圖分類號：TP391.44;TN929.5;TB497文獻標識碼：A文章編號：1672-9129（2020）14-0135-02

1前言

在工業4.0的時代大背景下，一方面制造業要求日益增高，為迎合行業趨勢推進改造，另一方面云計算的時效性，帶寬局限性更加突出，為使工廠提高工作效率更加智能化引入邊緣計算，構建“云—邊—端”架構。工廠由傳統架構向“云—邊—端”架構轉型，使得物聯網技術與制造業聯系更加緊密。工廠通過云計算，邊緣計算，以及設備間的互相協作完成更加高效的生產，形成面向復雜裝置的更加智能的架構。

2物聯網時代與智能工廠

2.1物聯網時代簡述。隨著5G網絡和大數據時代來臨，萬物互聯這一概念不斷的得以實現。智能設備的出現讓網絡技術也迅速發展起來，物聯網簡單地說就是將物與物通過網絡進行連接，依靠各種傳感器設備和無線傳感等等技術將物物鏈接組成網絡。物聯網由傳感層、網絡層、應用層構成。傳感層作為底層，通過射頻識別設備和各種傳感器以及終端作為信息采集，提供基本的數據支撐。網絡層則是對傳感層獲取的數據通過計算機網絡、互聯網、云計算大數據平臺等進行數據的傳輸和處理。應用層則是在網絡層處理好的傳輸進來的數據的支持下，利云計算、大數據分析、數據挖掘等技術，從而提供海量的應用程序進一步的實現萬物互聯，為智能設備在不同領域、不同環境下進行可行性的實現。

尤其是在當今社會，產業連不斷被擴大更多產業不斷轉型升級，全世界都提出了高效、簡潔、準確的工作要求，工廠的在智能化更是必不可少。工業4.0大背景下，工廠向機械化、智能化轉變是大勢所趨，通過數以億計的傳感器和機械智能設備工廠也“智慧”起來。

2.2物聯網技術在智能工廠的實現分析。在工廠產能不斷提高，要求不斷增多的情況下，工廠的智能架構不僅可以通過新思想多靈活多變的方法來解放生產，創造出專門為工廠的創新模式，進而會實現彎道超車。這種新型架構不僅減低人工成本，而且可以靈活協調方便實現產能的積極調配。不僅如此在我國物聯網的大方向下，出臺了許多相關政策，制造業也成為“十三五”時期的物聯網重要的領域之一，隨著市場國模的不斷擴大和物聯網技術的加速發展，在傳統產業、城市規劃管理和我國產業結構方面不斷地深化應用為我國的產業架構調整帶來了新動能。也為我國制造業發展提出了向高產能智能化轉型的要求。智能工廠以及“云—邊—端”架構的建設是機遇也是挑戰，這不僅可以促進我國物聯網產業補短板、促應用從而更加深入探索，而且也為我國工廠制造業轉型升級帶來新的血脈新的方向，提供新動能。

3智能工廠及“云—邊—端”架構

3.1智能工廠及其標準體系架構。智能工廠這一形式是設備智能化、工廠管理現代化、信息計算機化的基礎上達到的新階段。它不僅包括智能設備與自動化集成，還涵蓋了企業管理信息系統（MIB）的全部內容。智能工廠尤其在制造業上體現出智能工業這一發展新方向。智能工廠主要特征是：系統的自住能力;整體技術的實現;協調重組和擴充性;自我學習和維護能力;以及最為重要的人機共存的系統，人機在不同層次扮演不同角色，相輔相成，協調合作。

由于 CPS 信息物理融合系統進入制造和物流的技術集成，以及在工業流程中使用物聯網及其服務，從而產生了創新的工廠系統 ——智能工廠。完全不同 于傳統的工廠自動化系統，智能工廠采用面向服務的體系架構，具體體系架構如圖 5 所示

從圖 5 可以看出，對應于傳統自動化系統的現場級，使用物聯網技術;對應于控制級，采用 CPPS 信息物理融合生產系統;對應的監控管理級連接到安全可 靠和可信的云網絡主干網，采用服務互聯網提供的服務。智能工廠的IT建設在云計算網絡基礎上依靠安全可靠和可信的云網絡的服務模式，“云計算”往往發揮著遠程數據中心的作用。

3.2智能工廠的設想和目標。作為工業4.0核心的智能工廠，其基本設想是制造的產品集成有動態數字儲存器、感知和通信能力，承載著整個供應鏈和生命周期中所需的各種信息;整個生產價值鏈中所集成的生產設備能夠實現自組織，以及能夠根據當前的狀況靈活的決定生產過程。

智能工廠建設的目標是：建立起一個高度靈活的個性化和數字化的產品與服務的生產模式。

在這種模式中，傳統行業的界限將消失，并會產生各種新的活動領域和合作形式。

3.3標準體系架構分析。智能工廠標準體系架構具有一定標準原則：（1）引領性原則;（2）通用性原則;（3）系統性原則;（4）先進性原則;（5）適用性原則;按照以上原則構建標準體系是與傳統架構全然不同的。傳統架構在智能工廠的現代架構下已經是天壤之別，標準架構依賴于全新的形式充分發揮著它的重要作用。智能工廠依托于一種基于互聯網的服務模式的云計算使得其時效性大大的提高。更是加快了智能工廠互聯互通的模式，對于市場需求的感知，對于工業制造的數字化大有益處。更多的制造工廠依賴于物聯網技術的廣泛應用積極向智能工廠轉型，從傳統制造向智能制造轉型。

相比較于傳統構架而言，智能工廠標準架構具有以下明顯的一定和特點

（1）設備之間具有生產自組織能力、協同制造能力，應變能力強、反應速度快，能更好地支持多品種、小批量、定制型產品的快速生產加工;

（2）數據采集和實時監控技術能在問題產生前進行預處理，從而降低故障率，保障安全性

（3）智能調度生產過程，使設備和工裝的利用率大大提高;

（4）對產品加工過程進行自我監控和自我糾正，從而提升產品質量;

（5）利用云計算、大數據的支持，提供專業智 能知識，提高復雜結構、復雜面型的設計和加工 能力;

（6）實時網絡監控、分析和決策，保障生產用 料等制造資源供應鏈的及時性和連續性，從而提高生產的效率和保障能力。

這些優點與特點是當下的制造業以及工廠轉型后的優勢和生命力蓬勃發展更新的源泉。順應了時下發展的要求，積極轉型改革是企業迸發新活力，指明前進新方向。

但是在如今太多的計算依賴于云計算來完成

云計算的時效性，帶寬局限性更加突出，為使工廠提高工作效率更加智能化引入邊緣計算，構建“云—邊—端”架構。

4“云—邊—端”架構帶來的智能工廠新升級及挑戰

在云計算短板日益顯露的今天，又有一新型架構模式出現，為當前的局面帶來了解決的方法：構建“云—邊—端”架構。

隨著5G、物聯網等技術的快速發展，百億聯網設備的海量數據處理以及超低時延等需求都對現有的云計算模式提出了挑戰，邊緣計算應運而生。此前，阿里云邊緣計算技術負責人楊敬宇向媒體表示，邊緣計算作為5G時代的一項關鍵技術，未來將成為不可或缺的基礎設施之一。他指出，5G時代萬物智聯將真正成為現實，云、邊、端三體協同成為最佳解決方案，擁有高效、實時、安全特性的邊緣計算將成為基礎設施。。邊緣計算作為一種新的技術理念，主要聚焦實時、周期數據的分析和處理。邊緣計算是實現分布式門治控制工業自動化架構的重要支撐，在預測性維護、能效管理、 智能制造等領域有著廣泛的應用前景。

通過引入邊緣計算將一些不重要的數據計算或者簡單的計算放在邊緣計算上完成，使得成本降低，也使得計算時效性大大改變，更大大地減小了云計算的壓力。云邊端協同一體化的體系使得更加高效率，高質量，體現出高水平發展，云計算、大數據為智能工廠提供強大的計算處理能力。“云—邊—端”架構為智能工廠更加智能帶來最新最好的解決方案，也為制造業和工廠發展指明道路。

有創新就會帶來挑戰，而構建“云—邊—端”架構面對的兩個大挑戰是： 邊緣操作系統和端云一體化管理平臺。邊緣操作系統不僅僅需要負責邊緣設備上的任務調度、存儲網絡管理等傳統操作系統職責，這一職責也給“云—邊—端”架構的構建提出了新的要求和挑戰，如今阿里已經在向三層邊緣計算能力邁進，智能工廠構建“云—邊—端”架構必將為其帶來光明的未來

5智能工廠“云-邊-端”架構及在我國應用的評析

基于工業4.0背景下智能工廠的核心地位，其標準構架在發展過程中體現出的時效性和帶寬的局限性，以及面臨的一些難點。本文提出的面向復雜裝置的智能工廠的“云—邊—端”構架為智能工廠的發展指明未來道路，為一些問題提供解決方案，更對智能工廠的轉型發展進行分析，也對智能工廠提出了未來發展需克服的難處。以更加完美、更加完善的“云—邊—端”智能工廠構架去推動制造業發展，實現智能制造?？v觀我國制造業與世界先進水平存在較大的差距，產業效率低效益低，單位產能居高不下，人均水平差距巨大，創新能力弱。不能再以高投入、高能耗的模式延續，因此智能工廠是歷史潮流之大勢，也是為我國提高競爭力，保持可持續發展、實現“中國創造”的必由之路。而構建“云—邊—端”智能工廠架構更是為了加快我國裝備制造業轉型升級，提升綜合國力的關鍵。云邊端一體化的架構為智能工廠進一步高速發展指明方向。

6結束語

5G、物聯網、云計算、邊緣計算、大數據挖掘分析、傳感器技術等都將與智能工廠的新型體系架構進行融合，從而加快傳統工業向智能工業進行轉型，推進智能工廠的轉型發展，對于工作效率，工作準確度都會有很大的提高，還可以節約人工成本，會更加有效的去適應產能發展和需要，從而更好的適應新的發展要求。本文對新時代工業背景下智能工廠的“云—邊—端”架構的分析，濱海結合當前工業發展實際情況進行分析，提出了適用于更好發展的智能工廠構架，對傳統工廠和智能工廠進行架構分析，為工廠向智能化、數字化提供了技術分析的可選擇的一條道路。

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