邊緣計算在工業互聯網領域標準體系及應用模式探究

秦修功，尹作重，黃 意，陳 彬，任建勛

（1.北京機械工業自動化研究所有限公司，北京 100020；2.武漢海關，武漢 430040）

0 引言

中國是一個制造業大國，智能制造作為中國制造 2025的主攻方向，對中國從制造大國到制造強國的轉變有著重要的意義[1]。工業互聯網作為智能制造的基礎設施，是鏈接物料、機器、信息系統和人的基礎網絡，建設成為低延時、高可靠、廣覆蓋的工業互聯網是實現智能制造的基本保障[2]。傳統的云計算是通過工業現場設備采集數據，發至云端，云端計算后，將決策指令傳給執行設備。隨著制造業轉型升級，制造設備的數量迅速擴張，新的制造模式對網絡延時性要求嚴格，傳統集中式信息處理與管理的模式無法高效解決這些問題。

邊緣計算是近幾年的新興概念，主要思想是在云和物之間，把計算任務在靠近數據源的計算資源運行，一是，這樣降低海量數據傳輸給網絡寬帶的壓力，二是，縮短數據處理時間，滿足制造現場響應的實時性需求等。為此，以邊緣計算為核心的海量邊緣數據處理應運而生。

工業邊緣計算處于快速發展過程中，出現邊緣設備接口不統一、邊緣數據處理不規范等問題，這些問題嚴重阻礙了工業邊緣計算的發展，急需用“標準”這一抓手規范和引領其在制造業實施應用。

本文重點闡述了在制造業領域內邊緣計算的概念和架構，探討了邊緣計算在制造業的應用模式及其標準化進展，提出了工業邊緣計算標準體系，最后分析邊緣計算在制造業應用模式。

1 邊緣計算概念

世界標準組織將邊緣計算定義為將數據和任務在靠近數據源頭的網絡邊緣側進行計算和執行的一種新型服務模型[3]。邊緣計算產業聯盟對邊緣計算給出了定義：邊緣計算是在靠近物或數據源頭的網絡邊緣側，融合網絡、計算、存儲、應用核心能力的分布式開放平臺（架構），就近提供邊緣智能服務，滿足行業數字化在敏捷連接，實時業務、數據優化、應用智能、安全與隱私保護等方面的關鍵需求[4]。美國韋恩州立大學的施巍松團隊認為邊緣計算是一種新型計算模型，指在網絡邊緣執行計算來自于云服務的下行數據和萬物互聯服務的上行數據[5]。ISO/IEC JTC1/SC38 對邊緣計算給出的定義：邊緣計算是一種將主要處理和數據存儲放在網絡的邊緣節點的分布式計算形式[6]。文[7]將邊緣計算定義為：在數據源到云端之間任意位置的計算.

幾種定義雖然表述不同，但是概念定義的基本理念是一樣的，邊緣計算是在云端和設備端網路徑之間，靠近云端或者設備端的網絡邊緣側，就近提供智能數據處理、智能決策，設備鏈接等智能服務，邊緣計算的目的能夠減小底層設備數據的上行壓力，縮短設備響應時間。可以結合圖1，輔助理解邊緣計算的概念。

圖1 云計算與邊緣計算示意圖

2 邊緣計算在工業互聯網領域標準化活動

1）國內外邊緣計算組織活動

邊緣計算已經掀起國際化的熱潮，很多國家成立各類產業組織、學術組織在積極發起和推進邊緣計算的技術研究、標準、產業化活動。2016年，國際電氣和電子工程師協會（IEEE）與國際計算機學會（ACM）合作成立了IEEE/ACM邊緣計算研討會議，研究與討論了邊緣計算的應用價值，研究方向等[8]。2017年，國際電工委員會（IEC）發布了垂直領域邊緣智能白皮書，對邊緣計算對于制造業等垂直行業的重要價值進行了詳細介紹，為了推進國內邊緣計算標準化工作，國際標準化組織/國際電工委員會第1聯合技術委員會成立了邊緣計算研究小組。

我國在邊緣計算方面的研究設計具有一定的基礎，其產業化應用正處于快速發展階段。其中，2016年國內華為技術有限公司牽頭、另外聯合國內知名研究院所和高校、企業等聯合倡議發起邊緣計算產業聯盟，致力于搭建邊緣計算產業合作平臺，推動OT和ICT產業開放協作；其中2019年中國自動化學會成立邊緣計算分會，旨在推動邊緣計算在國內學術發展。

2）國內外邊緣計算標準化活動

2017年ISO/IEC JTC1/SC41成立了邊緣技術研究組；2018年SC41完成物聯網邊緣計算標準化需求分析研究報告；2019年SC41開展邊緣計算國際標準的制定。

目前國內外對邊緣計算在垂直行業標準化研究剛剛起步，中國信通院、中國移動、中國電信、中國聯通、中興、華為、沈自所等工業互聯網產業聯盟成員單位在中國通信標準化協會發起多項邊緣計算標準，其中涉及到制造業領域的邊緣計算標準有《工業互聯網邊緣計算需求》、《工業互聯網邊緣計算邊緣節點模型與要求》、《工業互聯網邊緣計算 總體架構與要求》、《工業互聯網邊緣計算邊緣節點管理接口要求》等標準。全國信息技術標準化技術委員會負責歸口的《物聯網邊緣計算 第1部分：通用要求》、《信息安全技術邊緣計算安全技術要求》也在制定中。

3）邊緣計算在智能制造標準體系的位置

由工信部和國家標準化管理委員會共同領導的國家智能制造標準化工作組，工作組的主要工作是建設及規劃智能制造標準體系。實施動態更新完善機制，每兩年滾動修訂《國家智能制造標準體系建設指南》，以引領不同階段智能制造發展[9]。邊緣計算在智能制造標準體系位置如圖2所示。

圖2 邊緣計算在智能制造標準體系位置

智能制造標準體系中對于邊緣計算標準的定位是，邊緣計算標準用于指導智能制造行業數字化轉型、數字化創新，解決制造業數字化關鍵需求，用于智能制造中邊緣計算技術、設備或產品的研發和應用。邊緣計算標準包括架構與技術要求、計算及存儲、安全、應用等標準。其中邊緣計算標準也是智能使能技術標準建設重點之一。

3 邊緣計算在工業互聯網領域標準體系探究

目前國內已經形成一定的研究基礎，形成了一批標準，但是目前現有的標準碎片化和重疊化等現象比較明顯，國內沒有存在體系化的標準研究。當前迫切整個行業努力，運用產學研各方面的力量，構建邊緣計算在工業互聯網的標準體系，本文提出一種邊緣計算在工業互聯網領域邊緣計算標準體系，如圖3所示。

圖3 工業邊緣計算標準體系

1）基礎標準

工業互聯網邊緣計算基礎標準大概包括：術語與定義、分類、約束性要求、擴展性要求、通用技術條件要求等。

2）邊緣數據相關標準

由于現場設備類型復雜，產生的數據異構復雜，需制定統一的邊緣數據的規范，實現邊緣數據的快速處理，縮短響應時間，提升生產效率與工藝質量。

3）邊緣設備接口標準

制造企業中存在大量的信息孤單，設備與設備之間，單元與單元之間，以及企業與企業之間無法實現互聯互通，一方面是設備之間由于生產商不同，甚至相同的生產商生產出的設備，沒有統一的接口，無法實現生產現場的互聯互通。由于邊緣計算設備可以實現企業設備之間的輕量連接。因此亟需對邊緣計算設備的模式、接口、協議等進行規范，以解決兼容，通用性的問題。

4）邊緣計算系統及節點標準

邊緣計算節點需要考慮通過軟硬件集成與優化，以適配各種條件約束，支撐行業數字化多樣性場景。邊緣計算系統及節點標準主要規范邊緣節點功能、性能、協議以及邊緣計算系統的參考架構等。

5）邊緣計算安全標準

邊緣計算具有采集數據、存儲、處理、決策以及聯接其他設備等功能，如果保證數據的安全以及聯接設備的安全性、系統化的安全設計標準變得尤為重要。

6）邊云協同標準

云計算適用于非實時、長周期數據、業務決策場景，而邊緣計算在實時性、短周期數據、本地決策場景等方面有獨特的優勢。邊緣計算中間節點層將實時業務需求數據完成處理，同時將非實時數據聚合后送到云端進行處理，對底層智能設備進行方向性的控制，從而實現邊緣計算與云計算的協同。邊云協同標準包括計算資源、安全策略、應用管理、業務管理等方面架構和協議協同。

4 邊緣計算在工業互聯網領域的應用模式探索

1）支撐定制化制造生產模式

智能制造新模式下，產品將沿著小批量多批次，定制化需求的方向發展。傳統制造體系嚴格的分層架構已經無法滿足未來的制造需求。而邊緣計算具有支撐生產計劃靈活，適應生產資源的變化等優勢，新舊制造設備快速替換，通過物料供給方式的自動變化、生產節拍來適應生產計劃調整，更好地支撐大規模個性化定制的智能制造新模式。

2）支持預測性維護等智能服務

通過邊緣計算設備采集產品情況的數據，通過對產品狀態的實時數據的采集與分析，可以對產品提供預測性維護，以及對維護部門提供維護所需要的數據，以便維護部門提前安排維護人員和采購維護所需要的零部件。

3）支撐協同制造模式

邊緣計算通過工業互聯網向上與云端相連，向下統籌、協調、處理企業里不同車間、生產線、設備等之間的信息，更好的進行企業與企業間、企業與云端之間的交互。進而，為設計、供應鏈和服務一體化協同制造提供支撐。

5 結語

目前我國邊緣計算在工業互聯網領域的研究及應用處在世界前列，形成了一批學術成果，在產業內也初步應用，解決了目前新制造模式的一些問題，同時也制定了一批標準規范，但是，目前業內尚未對工業互聯網邊緣計算標準體系達成共識，工廠內的邊緣計算設備和底層設備及上層的云端及軟件沒有完成互聯互通等，這些都是亟需解決的問題和研究的方向。