邊緣計(jì)算提升制造業(yè)企業(yè)的成本效率 - 全文

一、圍繞制造的本質(zhì)解決問(wèn)題

對(duì)于制造業(yè)企業(yè)而言，運(yùn)營(yíng)水平可以用盈利能力來(lái)評(píng)估，進(jìn)而分解為高成本效率的生產(chǎn)出合格產(chǎn)品，即，穩(wěn)定的產(chǎn)品品質(zhì)以及成本的不斷下降，快速的交付能力，即，質(zhì)量，成本與交付是制造業(yè)的核心話(huà)題，而對(duì)于智能制造則在于解決“全局協(xié)同”過(guò)程中的材料、時(shí)間、能耗等的優(yōu)化，進(jìn)而進(jìn)一步提升成本效率空間。

就產(chǎn)品的加工品質(zhì)、速度而言，在成本約束條件下已經(jīng)發(fā)揮到極致，因此，新的優(yōu)化空間來(lái)自于“集成”與“協(xié)同”，另一個(gè)維度則在于個(gè)性化帶來(lái)的挑戰(zhàn)，為了解決協(xié)同的成本優(yōu)化以及個(gè)性化給生產(chǎn)帶來(lái)的成本效率難題，信息流匯集并進(jìn)行全局優(yōu)化是邊緣計(jì)算的核心問(wèn)題。

圖1-回歸制造的本質(zhì)解決運(yùn)營(yíng)水平問(wèn)題（優(yōu)也信息科技）

如圖1，來(lái)自?xún)?yōu)也大數(shù)據(jù)傅源女士，數(shù)據(jù)包括了基礎(chǔ)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)改善、運(yùn)營(yíng)中的、機(jī)器設(shè)備的健康管理、然后到全局尋優(yōu)，再到最終的自主化，具有學(xué)習(xí)分析與決策能力，這個(gè)過(guò)程中會(huì)遇到基于數(shù)據(jù)的各種任務(wù)。這些任務(wù)就是邊緣計(jì)算所聚焦的，除了基礎(chǔ)的控制外，包括數(shù)據(jù)的連接、匯集、存儲(chǔ)、呈現(xiàn)、學(xué)習(xí)等各種層級(jí)的問(wèn)題，需要由邊緣計(jì)算來(lái)進(jìn)行完成，因此，邊緣計(jì)算并非是一個(gè)計(jì)算問(wèn)題，而是圍繞任務(wù)而一系列的架構(gòu)與規(guī)范接口問(wèn)題。

二、數(shù)據(jù)連接，打通IT與OT的關(guān)鍵

不得不說(shuō)，在推進(jìn)邊緣計(jì)算中遇到的第一個(gè)障礙是“連接問(wèn)題”，IT世界訪(fǎng)問(wèn)OT世界并非想象那么容易，即使在總線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的30年后，圖2是世界經(jīng)濟(jì)論壇2014年對(duì)北美、歐洲、總體關(guān)于IoT推進(jìn)的難點(diǎn)的調(diào)研評(píng)估，雖然并非是新的結(jié)果，但就實(shí)而言，卻并未過(guò)時(shí)。

圖2-世界經(jīng)濟(jì)論壇2014年就IoT發(fā)展的難點(diǎn)調(diào)研報(bào)告

缺乏互操作標(biāo)準(zhǔn)是影響數(shù)據(jù)“流暢”訪(fǎng)問(wèn)的關(guān)鍵，在單獨(dú)的機(jī)器上，各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)或基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)都可以流暢訪(fǎng)問(wèn)，但是，在機(jī)器與機(jī)器之間，需要“協(xié)同”的時(shí)候，數(shù)據(jù)卻被不同的總線(xiàn)割裂為孤島，而打破孤島似乎提了很多年，然而，在現(xiàn)實(shí)的工廠(chǎng)中仍然是無(wú)法達(dá)到的。

圖3-現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)發(fā)展的發(fā)展

對(duì)于IT廠(chǎng)商而言訪(fǎng)問(wèn)OT的設(shè)備遇到總線(xiàn)的障礙，因?yàn)槟愕脼槊總€(gè)總線(xiàn)開(kāi)發(fā)接口轉(zhuǎn)換硬件，并寫(xiě)驅(qū)動(dòng)，即使實(shí)時(shí)以太網(wǎng)在物理上保持了一致，但依然需要寫(xiě)變量地址表的映射與讀取程序，而這一切使得IT與OT之間的訪(fǎng)問(wèn)變得沒(méi)有“經(jīng)濟(jì)性”—這是非常關(guān)鍵的一點(diǎn)，技術(shù)能否被推動(dòng)的關(guān)鍵正在于此，若缺乏經(jīng)濟(jì)性，那么無(wú)論是技術(shù)提供商還是用戶(hù)，都無(wú)法從中獲益，那么就無(wú)法推進(jìn)。

OPC UA和TSN被賦予了這一歷史責(zé)任，作為IEC62451標(biāo)準(zhǔn)，OPC UA被RAMI4.0、IIRA等制定為語(yǔ)義互操作層面的規(guī)范，它解決了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)主體之間可以通過(guò)相同的語(yǔ)義對(duì)話(huà)。

TSN則解決了在網(wǎng)絡(luò)中，OT周期性控制任務(wù)所需的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，以及IT大容量非周期性數(shù)據(jù)的傳輸問(wèn)題，通過(guò)VLAN交換機(jī)，在TSN網(wǎng)絡(luò)可以傳輸兩種不同的數(shù)據(jù)，而離開(kāi)TSN網(wǎng)絡(luò)則可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的Internet方式傳輸數(shù)據(jù)，這帶來(lái)最大的好處在于IT可以對(duì)OT的透明訪(fǎng)問(wèn)。

圖3反映了這一過(guò)程的發(fā)展。

三、邊緣計(jì)算的垂直層級(jí)

圖4則是一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)采集站（基于OPC UA TSN）的邊緣節(jié)點(diǎn)（Edge Node）到一個(gè)控制（Embedded Edge Controller），它可以實(shí)現(xiàn)安全的數(shù)據(jù)安與匯總到邊緣計(jì)算服務(wù)器（Edge Computing）然后通過(guò)OPC UA/MQTT等到云端的垂直應(yīng)用過(guò)程。

圖4-邊緣計(jì)算的垂直架構(gòu)與技術(shù)應(yīng)用

除了物理可見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，數(shù)據(jù)如何被應(yīng)用也是整個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵，對(duì)于工廠(chǎng)而言，邊緣計(jì)算主要在于實(shí)現(xiàn)本地的一些應(yīng)用，這可能包括的應(yīng)用如下：

（1）.數(shù)據(jù)匯集與協(xié)同的應(yīng)用

對(duì)于最為典型的工廠(chǎng)應(yīng)用如OEE計(jì)算，需要將品質(zhì)、機(jī)器運(yùn)行時(shí)間相關(guān)參數(shù)、稼動(dòng)率等計(jì)算并實(shí)時(shí)顯示給工廠(chǎng)管理級(jí)，以便全局觀(guān)測(cè)狀態(tài)。

（2）.規(guī)劃與分析問(wèn)題

對(duì)于很多工廠(chǎng)應(yīng)用而言，需要考慮在線(xiàn)的規(guī)劃問(wèn)題，如玻璃切割，如何在線(xiàn)檢測(cè)，劃分等級(jí)，并對(duì)其進(jìn)行按照CRM中的系統(tǒng)訂單進(jìn)行規(guī)劃，以便把不同等級(jí)的玻璃按照需要進(jìn)行切割處理，并分流到不同的包裝線(xiàn)，而對(duì)于印刷工廠(chǎng)而言，如何把不同訂單實(shí)現(xiàn)重組，以獲得最小的材料浪費(fèi)，這些都是邊緣側(cè)的應(yīng)用需要解決的問(wèn)題。

（3）.數(shù)據(jù)呈現(xiàn)問(wèn)題

邊緣側(cè)同時(shí)采用了更為開(kāi)放的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工廠(chǎng)需要專(zhuān)用的SCADA、HMI等才能實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)透明訪(fǎng)問(wèn)，而基于OPC UA架構(gòu)，新的Web-Based架構(gòu)可以支持更為豐富、多元的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，任意終端均可作為節(jié)點(diǎn)訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)。

四、規(guī)范與經(jīng)濟(jì)性是邊緣計(jì)算的關(guān)鍵

事實(shí)上，很多類(lèi)似的計(jì)算任務(wù)、數(shù)據(jù)處理任務(wù)在過(guò)去都是存在的，那么邊緣計(jì)算的意義是什么呢？

（1）.更為經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行：基于開(kāi)放的技術(shù)，乃至開(kāi)源的技術(shù)所構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng)來(lái)降低整個(gè)用戶(hù)的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，對(duì)于數(shù)據(jù)的連接、匯集、存儲(chǔ)、商業(yè)智能、智能應(yīng)用等，必須選擇經(jīng)濟(jì)的方法，傳統(tǒng)的專(zhuān)用系統(tǒng)，乃至MES、ERP都是非常龐大的系統(tǒng)，且需要高昂的咨詢(xún)、安裝測(cè)試、運(yùn)營(yíng)維護(hù)的成本，缺乏經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)是難以持久的，而邊緣計(jì)算采用開(kāi)放的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)分布式的計(jì)算組件（APP），可以降低用戶(hù)在應(yīng)用端軟件的成本，而基礎(chǔ)設(shè)施則采用通用的服務(wù)。

（2）. 提高企業(yè)應(yīng)對(duì)變化的能力：大型的系統(tǒng)、專(zhuān)業(yè)的應(yīng)用軟件對(duì)于中小企業(yè)非常不經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，而且使得企業(yè)難以響應(yīng)市場(chǎng)的快速變化，當(dāng)技術(shù)發(fā)生了升級(jí)，大量的基礎(chǔ)設(shè)施投資、軟件、人員培訓(xùn)都會(huì)成為企業(yè)難以快速轉(zhuǎn)型升級(jí)的因素，而這些導(dǎo)致了企業(yè)對(duì)技術(shù)的響應(yīng)慢帶來(lái)效率的下降。

圖5-RAMI4.0管理殼

（3）.規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)：邊緣計(jì)算更多的意義在于實(shí)現(xiàn)“協(xié)同”，而這個(gè)計(jì)算架構(gòu)并非是要對(duì)原有的系統(tǒng)的拆除，因?yàn)樵谧詣?dòng)化領(lǐng)域、垂直行業(yè)的優(yōu)化、策略等模型方面過(guò)去已經(jīng)累積了大量的知識(shí)、應(yīng)用，這些必須通過(guò)“標(biāo)準(zhǔn)”與規(guī)范“協(xié)同”進(jìn)而發(fā)揮更大的效應(yīng)，因此，邊緣計(jì)算在推進(jìn)時(shí)主要是“規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)”的推進(jìn)，使得原有大量的資源被有效的連接，與新的技術(shù)（云計(jì)算、人工智能）相融合。

就如同圖5所示，邊緣計(jì)算需要數(shù)據(jù)的規(guī)范，RAMI4.0是工業(yè)4.0組織對(duì)于計(jì)算側(cè)信息的模型的構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)，基于這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)才能被結(jié)構(gòu)化，進(jìn)而有效的應(yīng)用。

五、邊緣計(jì)算應(yīng)用場(chǎng)景分析

很多時(shí)候，人們似乎覺(jué)得邊緣計(jì)算是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題，但，如果我們僅把這些問(wèn)題理解為接口與規(guī)范，IT與OT的銜接就沒(méi)有那么復(fù)雜。

圖6以自動(dòng)化廠(chǎng)商的控制器為接口點(diǎn)，支持OPC UA 即可實(shí)現(xiàn)對(duì)OT數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)性訪(fǎng)問(wèn)，OPC UA扮演的角色在于將數(shù)據(jù)按照規(guī)范的語(yǔ)義、結(jié)構(gòu)來(lái)存放，并支持TCP/UDP、Web Service、http（s）的連接與應(yīng)用服務(wù)。數(shù)據(jù)流被應(yīng)用于控制、計(jì)算、變通過(guò)邊緣側(cè)與云建立存儲(chǔ)連接、以及云端的大時(shí)間周期積累以及分析處理的運(yùn)算，而另一個(gè)方向就是信息回流至現(xiàn)場(chǎng)層的過(guò)程，OPC UA的Client/Server架構(gòu)以及Pub/Sub形式都可以支持?jǐn)?shù)據(jù)的雙向連接。

圖6-OT側(cè)與邊緣側(cè)、云端之間的連接關(guān)系

圖7-典型的預(yù)測(cè)性維護(hù)架構(gòu)

預(yù)測(cè)性維護(hù)顯然是一個(gè)典型的應(yīng)用場(chǎng)景（如圖7），自動(dòng)化廠(chǎng)商在現(xiàn)場(chǎng)有著豐富的I/O采樣能力，這包括對(duì)機(jī)械系統(tǒng)中連軸器、軸承的振動(dòng)、溫度、電流等與故障相關(guān)的信號(hào)，而這些信號(hào)需要做一些濾波、快速傅里葉變換獲得包絡(luò)線(xiàn)，對(duì)振幅烈度、頻率等參數(shù)進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理，如果沒(méi)有這些預(yù)處理，用于本地分析報(bào)警，這種嵌入式的邊緣控制器（Embedded Edge Controller）是包含了控制任務(wù)的。相對(duì)而言，這些數(shù)據(jù)并非是需要非常高的實(shí)時(shí)性需求的，那么就可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至云端，而對(duì)于需要實(shí)時(shí)處理的OEE計(jì)算等則直接到邊緣計(jì)算軟件棧。

邊緣計(jì)算軟件棧與OT的運(yùn)行架構(gòu)接近，但是，所采用的是非OT專(zhuān)用架構(gòu)，由于IT的技術(shù)往往采用開(kāi)放的商業(yè)軟件、開(kāi)源代碼構(gòu)架，因此，其開(kāi)放性連接性更強(qiáng)，邊緣運(yùn)行時(shí)類(lèi)似于PLC中的Runtime對(duì)通信、任務(wù)進(jìn)行調(diào)度處理，而協(xié)議分析器則對(duì)不同的數(shù)據(jù)通信進(jìn)行適配，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)匯總、計(jì)算、呈現(xiàn)等的處理，邊緣計(jì)算架構(gòu)也包括針對(duì)這類(lèi)能夠的編程開(kāi)放環(huán)境。

總結(jié)而言，邊緣計(jì)算的實(shí)現(xiàn)在于通過(guò)對(duì)原有技術(shù)、應(yīng)用的創(chuàng)建規(guī)范性接口，連接信心流，打破信息孤島，在企業(yè)工廠(chǎng)側(cè)實(shí)現(xiàn)“協(xié)同”，整體服務(wù)于生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的成本效率，由于采用開(kāi)放的技術(shù)，這使得用戶(hù)在基礎(chǔ)設(shè)施投資、軟件應(yīng)用配置方面更為經(jīng)濟(jì)，這是邊緣計(jì)算大勢(shì)所趨的原動(dòng)力，即，任何技術(shù)必須服務(wù)于制造業(yè)的本質(zhì)，我們解決一切問(wèn)題，構(gòu)建系統(tǒng)必須圍繞解決生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的實(shí)際問(wèn)題，并且提供經(jīng)濟(jì)性才能快速發(fā)展。