秦修功，尹作重，黃 意，陳 彬，任建勛

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

0 引言

中國是一個制造業(yè)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(zhuǎn)變有著重要的意義[1]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為智能制造的基礎(chǔ)設(shè)施，是鏈接物料、機器、信息系統(tǒng)和人的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)成為低延時、高可靠、廣覆蓋的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是實現(xiàn)智能制造的基本保障[2]。傳統(tǒng)的云計算是通過工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備采集數(shù)據(jù)，發(fā)至云端，云端計算后，將決策指令傳給執(zhí)行設(shè)備。隨著制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，制造設(shè)備的數(shù)量迅速擴張，新的制造模式對網(wǎng)絡(luò)延時性要求嚴格，傳統(tǒng)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(wù)在靠近數(shù)據(jù)源的計算資源運行，一是，這樣降低海量數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)絡(luò)寬帶的壓力，二是，縮短數(shù)據(jù)處理時間，滿足制造現(xiàn)場響應(yīng)的實時性需求等。為此，以邊緣計算為核心的海量邊緣數(shù)據(jù)處理應(yīng)運而生。

工業(yè)邊緣計算處于快速發(fā)展過程中，出現(xiàn)邊緣設(shè)備接口不統(tǒng)一、邊緣數(shù)據(jù)處理不規(guī)范等問題，這些問題嚴重阻礙了工業(yè)邊緣計算的發(fā)展，急需用“標(biāo)準”這一抓手規(guī)范和引領(lǐng)其在制造業(yè)實施應(yīng)用。

本文重點闡述了在制造業(yè)領(lǐng)域內(nèi)邊緣計算的概念和架構(gòu)，探討了邊緣計算在制造業(yè)的應(yīng)用模式及其標(biāo)準化進展，提出了工業(yè)邊緣計算標(biāo)準體系，最后分析邊緣計算在制造業(yè)應(yīng)用模式。

1 邊緣計算概念

世界標(biāo)準組織將邊緣計算定義為將數(shù)據(jù)和任務(wù)在靠近數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)進行計算和執(zhí)行的一種新型服務(wù)模型[3]。邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟對邊緣計算給出了定義：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)字化在敏捷連接，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[4]。美國韋恩州立大學(xué)的施巍松團隊認為邊緣計算是一種新型計算模型，指在網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行計算來自于云服務(wù)的下行數(shù)據(jù)和萬物互聯(lián)服務(wù)的上行數(shù)據(jù)[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(shù)據(jù)存儲放在網(wǎng)絡(luò)的邊緣節(jié)點的分布式計算形式[6]。文[7]將邊緣計算定義為：在數(shù)據(jù)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(shè)備端網(wǎng)路徑之間，靠近云端或者設(shè)備端的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，就近提供智能數(shù)據(jù)處理、智能決策，設(shè)備鏈接等智能服務(wù)，邊緣計算的目的能夠減小底層設(shè)備數(shù)據(jù)的上行壓力，縮短設(shè)備響應(yīng)時間。可以結(jié)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(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域標(biāo)準化活動

1）國內(nèi)外邊緣計算組織活動

邊緣計算已經(jīng)掀起國際化的熱潮，很多國家成立各類產(chǎn)業(yè)組織、學(xué)術(shù)組織在積極發(fā)起和推進邊緣計算的技術(shù)研究、標(biāo)準、產(chǎn)業(yè)化活動。2016年，國際電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）與國際計算機學(xué)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(yīng)用價值，研究方向等[8]。2017年，國際電工委員會（IEC）發(fā)布了垂直領(lǐng)域邊緣智能白皮書，對邊緣計算對于制造業(yè)等垂直行業(yè)的重要價值進行了詳細介紹，為了推進國內(nèi)邊緣計算標(biāo)準化工作，國際標(biāo)準化組織/國際電工委員會第1聯(lián)合技術(shù)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(shè)計具有一定的基礎(chǔ)，其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用正處于快速發(fā)展階段。其中，2016年國內(nèi)華為技術(shù)有限公司牽頭、另外聯(lián)合國內(nèi)知名研究院所和高校、企業(yè)等聯(lián)合倡議發(fā)起邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，致力于搭建邊緣計算產(chǎn)業(yè)合作平臺，推動OT和ICT產(chǎn)業(yè)開放協(xié)作；其中2019年中國自動化學(xué)會成立邊緣計算分會，旨在推動邊緣計算在國內(nèi)學(xué)術(shù)發(fā)展。

2）國內(nèi)外邊緣計算標(biāo)準化活動

2017年ISO/IEC JTC1/SC41成立了邊緣技術(shù)研究組；2018年SC41完成物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算標(biāo)準化需求分析研究報告；2019年SC41開展邊緣計算國際標(biāo)準的制定。

目前國內(nèi)外對邊緣計算在垂直行業(yè)標(biāo)準化研究剛剛起步，中國信通院、中國移動、中國電信、中國聯(lián)通、中興、華為、沈自所等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成員單位在中國通信標(biāo)準化協(xié)會發(fā)起多項邊緣計算標(biāo)準，其中涉及到制造業(yè)領(lǐng)域的邊緣計算標(biāo)準有《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算需求》、《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算邊緣節(jié)點模型與要求》、《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算 總體架構(gòu)與要求》、《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算邊緣節(jié)點管理接口要求》等標(biāo)準。全國信息技術(shù)標(biāo)準化技術(shù)委員會負責(zé)歸口的《物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算 第1部分：通用要求》、《信息安全技術(shù)邊緣計算安全技術(shù)要求》也在制定中。

3）邊緣計算在智能制造標(biāo)準體系的位置

由工信部和國家標(biāo)準化管理委員會共同領(lǐng)導(dǎo)的國家智能制造標(biāo)準化工作組，工作組的主要工作是建設(shè)及規(guī)劃智能制造標(biāo)準體系。實施動態(tài)更新完善機制，每兩年滾動修訂《國家智能制造標(biāo)準體系建設(shè)指南》，以引領(lǐng)不同階段智能制造發(fā)展[9]。邊緣計算在智能制造標(biāo)準體系位置如圖2所示。

圖2 邊緣計算在智能制造標(biāo)準體系位置

智能制造標(biāo)準體系中對于邊緣計算標(biāo)準的定位是，邊緣計算標(biāo)準用于指導(dǎo)智能制造行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、數(shù)字化創(chuàng)新，解決制造業(yè)數(shù)字化關(guān)鍵需求，用于智能制造中邊緣計算技術(shù)、設(shè)備或產(chǎn)品的研發(fā)和應(yīng)用。邊緣計算標(biāo)準包括架構(gòu)與技術(shù)要求、計算及存儲、安全、應(yīng)用等標(biāo)準。其中邊緣計算標(biāo)準也是智能使能技術(shù)標(biāo)準建設(shè)重點之一。

3 邊緣計算在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域標(biāo)準體系探究

目前國內(nèi)已經(jīng)形成一定的研究基礎(chǔ)，形成了一批標(biāo)準，但是目前現(xiàn)有的標(biāo)準碎片化和重疊化等現(xiàn)象比較明顯，國內(nèi)沒有存在體系化的標(biāo)準研究。當(dāng)前迫切整個行業(yè)努力，運用產(chǎn)學(xué)研各方面的力量，構(gòu)建邊緣計算在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準體系，本文提出一種邊緣計算在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域邊緣計算標(biāo)準體系，如圖3所示。

圖3 工業(yè)邊緣計算標(biāo)準體系

1）基礎(chǔ)標(biāo)準

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算基礎(chǔ)標(biāo)準大概包括：術(shù)語與定義、分類、約束性要求、擴展性要求、通用技術(shù)條件要求等。

2）邊緣數(shù)據(jù)相關(guān)標(biāo)準

由于現(xiàn)場設(shè)備類型復(fù)雜，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)異構(gòu)復(fù)雜，需制定統(tǒng)一的邊緣數(shù)據(jù)的規(guī)范，實現(xiàn)邊緣數(shù)據(jù)的快速處理，縮短響應(yīng)時間，提升生產(chǎn)效率與工藝質(zhì)量。

3）邊緣設(shè)備接口標(biāo)準

制造企業(yè)中存在大量的信息孤單，設(shè)備與設(shè)備之間，單元與單元之間，以及企業(yè)與企業(yè)之間無法實現(xiàn)互聯(lián)互通，一方面是設(shè)備之間由于生產(chǎn)商不同，甚至相同的生產(chǎn)商生產(chǎn)出的設(shè)備，沒有統(tǒng)一的接口，無法實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場的互聯(lián)互通。由于邊緣計算設(shè)備可以實現(xiàn)企業(yè)設(shè)備之間的輕量連接。因此亟需對邊緣計算設(shè)備的模式、接口、協(xié)議等進行規(guī)范，以解決兼容，通用性的問題。

4）邊緣計算系統(tǒng)及節(jié)點標(biāo)準

邊緣計算節(jié)點需要考慮通過軟硬件集成與優(yōu)化，以適配各種條件約束，支撐行業(yè)數(shù)字化多樣性場景。邊緣計算系統(tǒng)及節(jié)點標(biāo)準主要規(guī)范邊緣節(jié)點功能、性能、協(xié)議以及邊緣計算系統(tǒng)的參考架構(gòu)等。

5）邊緣計算安全標(biāo)準

邊緣計算具有采集數(shù)據(jù)、存儲、處理、決策以及聯(lián)接其他設(shè)備等功能，如果保證數(shù)據(jù)的安全以及聯(lián)接設(shè)備的安全性、系統(tǒng)化的安全設(shè)計標(biāo)準變得尤為重要。

6）邊云協(xié)同標(biāo)準

云計算適用于非實時、長周期數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)決策場景，而邊緣計算在實時性、短周期數(shù)據(jù)、本地決策場景等方面有獨特的優(yōu)勢。邊緣計算中間節(jié)點層將實時業(yè)務(wù)需求數(shù)據(jù)完成處理，同時將非實時數(shù)據(jù)聚合后送到云端進行處理，對底層智能設(shè)備進行方向性的控制，從而實現(xiàn)邊緣計算與云計算的協(xié)同。邊云協(xié)同標(biāo)準包括計算資源、安全策略、應(yīng)用管理、業(yè)務(wù)管理等方面架構(gòu)和協(xié)議協(xié)同。

4 邊緣計算在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用模式探索

1）支撐定制化制造生產(chǎn)模式

智能制造新模式下，產(chǎn)品將沿著小批量多批次，定制化需求的方向發(fā)展。傳統(tǒng)制造體系嚴格的分層架構(gòu)已經(jīng)無法滿足未來的制造需求。而邊緣計算具有支撐生產(chǎn)計劃靈活，適應(yīng)生產(chǎn)資源的變化等優(yōu)勢，新舊制造設(shè)備快速替換，通過物料供給方式的自動變化、生產(chǎn)節(jié)拍來適應(yīng)生產(chǎn)計劃調(diào)整，更好地支撐大規(guī)模個性化定制的智能制造新模式。

2）支持預(yù)測性維護等智能服務(wù)

通過邊緣計算設(shè)備采集產(chǎn)品情況的數(shù)據(jù)，通過對產(chǎn)品狀態(tài)的實時數(shù)據(jù)的采集與分析，可以對產(chǎn)品提供預(yù)測性維護，以及對維護部門提供維護所需要的數(shù)據(jù)，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(xié)同制造模式

邊緣計算通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)向上與云端相連，向下統(tǒng)籌、協(xié)調(diào)、處理企業(yè)里不同車間、生產(chǎn)線、設(shè)備等之間的信息，更好的進行企業(yè)與企業(yè)間、企業(yè)與云端之間的交互。進而，為設(shè)計、供應(yīng)鏈和服務(wù)一體化協(xié)同制造提供支撐。

5 結(jié)語

目前我國邊緣計算在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的研究及應(yīng)用處在世界前列，形成了一批學(xué)術(shù)成果，在產(chǎn)業(yè)內(nèi)也初步應(yīng)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(biāo)準規(guī)范，但是，目前業(yè)內(nèi)尚未對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算標(biāo)準體系達成共識，工廠內(nèi)的邊緣計算設(shè)備和底層設(shè)備及上層的云端及軟件沒有完成互聯(lián)互通等，這些都是亟需解決的問題和研究的方向。