作者：趙安琪，李昊巍

中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究院

導讀

面對邊緣計算運行環(huán)境不統(tǒng)一、適配難，工業(yè)邊緣計算微服務開發(fā)難度高，微服務生態(tài)系統(tǒng)碎片化，以及工業(yè)邊緣計算行業(yè)應用難以落地等技術和行業(yè)共性問題，本文實現(xiàn)了一種邊緣計算微服務操作系統(tǒng)，包括邊緣計算微服務運行層、邊緣計算微服務開發(fā)層，以及邊緣計算微服務工業(yè)組件庫，旨在提供微服務開發(fā)、集成、發(fā)布與共享為一體的敏捷式公共開發(fā)框架，提升工業(yè)微服務開發(fā)核心能力，強化工業(yè)物聯(lián)及智能應用開發(fā)技術支撐，推動我國新型基礎設施建設和制造行業(yè)智能化轉型升級。

01引言

工業(yè)大數(shù)據(jù)在智能制造中發(fā)揮著關鍵作用，特別是在實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)外因素交互的快速響應方面。工業(yè)設備在加工過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)對于確保設備健康、故障診斷和優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量等方面至關重要。然而，一方面工業(yè)設備產(chǎn)生的大量加工數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)的云端傳輸和存儲帶來了巨大壓力，人、機、物全要素互聯(lián)趨勢下，接入終端急劇增長，數(shù)據(jù)分散性、碎片化加劇，伴隨著生產(chǎn)業(yè)務實時性、可靠性和協(xié)作性等需求的不斷提高，現(xiàn)有云端模式處理能力捉襟見肘。邊緣計算是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的重要組成部分，具有從設備連接到邊緣智能的一系列重要功能，已廣泛應用于物聯(lián)網(wǎng)。另一方面，面對邊緣計算運行環(huán)境不統(tǒng)一、適配難，工業(yè)邊緣計算微服務開發(fā)難度高，微服務生態(tài)系統(tǒng)碎片化等技術和行業(yè)共性問題，傳統(tǒng)軟件的開發(fā)方法成本過于昂貴，開發(fā)方式過于僵化，開發(fā)周期長且定制化能力弱，難以為工業(yè)企業(yè)提供高效、便捷的軟件產(chǎn)品交付，工業(yè)領域亟需推出一種具備邊緣計算微服務統(tǒng)一、敏捷開發(fā)框架的邊緣計算計算微服務操作系統(tǒng)。

02國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)外工業(yè)企業(yè)、工業(yè)轉型升級服務商和互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算微服務建設方面均有投入。國外方面，GE Predix、西門子MindSphere、AWS IoT Greengrass 和Microsoft Azure IoT Edge 等都圍繞自身優(yōu)勢和平臺應用的可復用能力，通過云平臺支持邊緣計算微服務容器的部署、運行和管理，從而達到簡化工業(yè)組件開發(fā)部署等目的。

國內(nèi)方面，阿里巴巴、華為等國內(nèi)主要邊緣計算平臺，都圍繞我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)特點，進行了邊緣計算的微服務開發(fā)建設。建設和發(fā)展面向特定行業(yè)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算微服務操作系統(tǒng)，正在成為全球工業(yè)轉型升級的新趨勢。

03系統(tǒng)架構設計

3.1 需求分析

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新一代信息通信技術與先進制造業(yè)深度融合所形成的新興業(yè)態(tài)與應用模式。其中，邊緣計算是在位于邊緣層靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡邊緣側構建的融合網(wǎng)絡、計算、存儲及應用核心能力的分布式開放體系和關鍵技術，是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的重要組成部分。然而，由于各類型企業(yè)傳統(tǒng)優(yōu)勢不同，技術棧不同，整體架構各異，使得當前的邊緣計算軟件之間的互通性和互操作性不強，數(shù)據(jù)采集、協(xié)議轉換、工業(yè)機理及智能算法等模塊復用困難，缺乏能夠結合各家所長的、兼容性強的統(tǒng)一技術框架。本文基于工業(yè)系統(tǒng)的傳統(tǒng)應用模式，將工業(yè)制造領域具有共性技術和數(shù)據(jù)資源進行整合， 突破傳統(tǒng)工控系統(tǒng)復雜而龐大的設計與開發(fā)模式，提高工控系統(tǒng)的交付與應用效率。

3.2 架構設計

邊緣計算微服務操作系統(tǒng)架構如圖1 所示，針對系統(tǒng)環(huán)境缺失、組件語義鴻溝、生態(tài)協(xié)同障礙和應用實踐模式等問題，具備邊緣計算微服務運行層、邊緣計算微服務開發(fā)層、邊緣計算微服務基礎組件庫和工業(yè)應用場景等四個層次。

1）邊緣計算微服務運行層。采用數(shù)字孿生、國產(chǎn)AI 芯片等軟硬件技術，構建異構時序存儲，以及派生數(shù)據(jù)輕量化編排服務，實現(xiàn)邊緣側設備和信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、工業(yè)協(xié)議解析與數(shù)據(jù)格式轉換，以及數(shù)據(jù)存儲與標準化數(shù)據(jù)訪問。

2）邊緣計算微服務開發(fā)層。邊緣計算微服務協(xié)同開發(fā)和調(diào)試環(huán)境，開發(fā)邊緣計算微服務公共開發(fā)框架，集成工業(yè)低代碼機制，實現(xiàn)工業(yè)組態(tài)軟件設計與在線發(fā)布， 支持邊緣計算微服務的打包及遠程部署，以及對工業(yè)模型微服務組件化及工業(yè)算法封裝與部署。

3）邊緣計算微服務基礎組件庫。實現(xiàn)工業(yè)組件數(shù)據(jù)算法及在線發(fā)布，開發(fā)設備連接、數(shù)據(jù)采集、協(xié)議解析和數(shù)據(jù)格式轉換的工業(yè)邊緣計算微服務插件，預制行業(yè)設備組態(tài)模型和工業(yè)特征計算模型，形成針對特定行業(yè)的工業(yè)數(shù)據(jù)清洗、過濾和預處理微服務插件。

4）工業(yè)應用場景。基于邊緣計算微服務操作系統(tǒng)， 用戶可快速開發(fā)自定義的工業(yè)數(shù)字化應用，支持設備狀態(tài)監(jiān)測、OEE 分析、故障智能診斷和預測預警等工業(yè)應用場景，推動工業(yè)企業(yè)智能化生產(chǎn)的轉型升級。

02單元模塊設計

4.1 微服務運行設計

邊緣計算微服務運行層設計架構如圖2 所示。在基礎系統(tǒng)方向上，從系統(tǒng)的計算、存儲和網(wǎng)絡三個方面， 實現(xiàn)輕量計算、高效存儲和可信終端接入，支持數(shù)控裝備端操作系統(tǒng)的時序數(shù)據(jù)邊緣存儲及基于國產(chǎn)AI 芯片的邊緣計算引擎。

在業(yè)務模塊方向上，基于國家標準化NC-Link 協(xié)議， 從協(xié)議解析、數(shù)據(jù)采集和派生數(shù)據(jù)計算方向，支持系統(tǒng)運行環(huán)境構建、工業(yè)設備及信息系統(tǒng)的協(xié)議解析和數(shù)據(jù)采集，以及提供派生數(shù)據(jù)計算服務，構建面向數(shù)控裝備端上安全的多協(xié)議邊緣數(shù)據(jù)交互網(wǎng)關。

在系統(tǒng)管理方面，采用微服務的適配器方式，通過云端web 或GUI 操作界面，實現(xiàn)與工業(yè)操作系統(tǒng)設備端的信息交互，解決遠程調(diào)試與配置參數(shù)問題，滿足輕維護、輕部署的可視化維護要求。

在系統(tǒng)部署與調(diào)度方面，采用邊云相結合的微服務技術架構及部署方式，在設備端采用輕維護、輕部署的系統(tǒng)運行環(huán)境，在云端部署工業(yè)大腦，實現(xiàn)策略、數(shù)據(jù)、計算和管理的集中管控與統(tǒng)一調(diào)度。

4.2 微服務開發(fā)設計

邊緣計算微服務開發(fā)層以邊緣計算微服務運行層為基礎，通過運行層提供的多源異構網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)的采集、協(xié)議解析和數(shù)據(jù)格式轉換方法和開發(fā)工具等功能，支持系統(tǒng)運行環(huán)境構建、工業(yè)設備及信息系統(tǒng)的協(xié)議解析和數(shù)據(jù)采集，在數(shù)據(jù)接入的基礎上開展微服務操作系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試環(huán)境建設，以低代碼開發(fā)模式為設計思想，通過屏蔽底層邊緣端的系統(tǒng)差異性，提供微服務開發(fā)、集成、發(fā)布與共享為一體等核心開發(fā)和調(diào)試環(huán)境，貫穿了邊緣計算的完整開發(fā)生命周期，技術方案如圖3 所示。

1）業(yè)務子模塊開發(fā)與測試。支持邊緣計算業(yè)務功能開發(fā)者可以根據(jù)分散的業(yè)務需求，完成相互獨立或關聯(lián)的功能或服務模塊，模塊可以實現(xiàn)從數(shù)據(jù)導入、存儲、計算到可視化的多種業(yè)務或服務功能。同時提供豐富的數(shù)據(jù)仿真能力，支撐各模塊的在線小批量或壓力測試。

2）微服務開發(fā)與集成。支持邊緣計算微服務開發(fā)者按實際業(yè)務需求，將業(yè)務子模塊進行按需、按流程組合， 同時基于業(yè)務子模塊，快速進行面向邊緣側工業(yè)設備的服務集成，并提供便捷的應用前端設計工具，以低代碼開發(fā)方式實現(xiàn)設計，與業(yè)務子模塊無縫整合，快速開發(fā)符合業(yè)務需求的微服務應用。

3）微服務執(zhí)行與發(fā)布。支持對開發(fā)的微服務進行快速執(zhí)行與發(fā)布，一方面實現(xiàn)面向邊緣側工業(yè)設備的服務執(zhí)行，滿足多設備量下的微服務部署；另一方面支持將微服務發(fā)布到多個終端，促進和實現(xiàn)微服務知識與價值共享。

4）微服務業(yè)務與數(shù)據(jù)分享。支持對微服務內(nèi)的特定服務或數(shù)據(jù)的系統(tǒng)外分享，以服務接口、數(shù)據(jù)接口或者外部鏈接模式，實現(xiàn)邊緣計算微服務操作系統(tǒng)的能力外延。

4.3 微服務組件庫

在邊緣計算微服務操作系統(tǒng)的運行及開發(fā)層的基礎上，開發(fā)多源異構邊緣計算的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)計算和數(shù)據(jù)應用等工業(yè)組件，工業(yè)微服務組件架構如圖4 所示。如通過邊緣側設備與信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集組件， 可實現(xiàn)面向工業(yè)設備及業(yè)務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集；通過工業(yè)數(shù)據(jù)預處理邊緣微服務組件，可實現(xiàn)面向工業(yè)邊緣端的數(shù)據(jù)預處理；通過工業(yè)數(shù)據(jù)高效管理組件，可實現(xiàn)工業(yè)數(shù)據(jù)的集成存儲；通過實時流計算組件，可實現(xiàn)工業(yè)邊緣數(shù)據(jù)的計算和數(shù)據(jù)流監(jiān)控等。

05系統(tǒng)應用

本文依托標準化NC-Link 協(xié)議，實現(xiàn)了面向多源異構工業(yè)設備的邊緣計算網(wǎng)關、基于組態(tài)技術的低代碼邊緣計算微服務開發(fā)技術，形成了具備邊緣計算微服務統(tǒng)一、敏捷開發(fā)框架的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺邊緣計算微服務操作系統(tǒng)，交互示例如圖所示，可助力工業(yè)企業(yè)達到以下應用效果。

1）基于微服務技術開發(fā)構建邊緣計算微服務操作系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，建設統(tǒng)一框架的邊緣計算微服務組態(tài)開發(fā)平臺，提升了工業(yè)軟件的敏捷開發(fā)與快速發(fā)布能力。

2）形成豐富的開發(fā)工具箱和組件模型庫，基于標準化NC-Link 協(xié)議的設備、系統(tǒng)互聯(lián)與多源異構數(shù)據(jù)集成，提升工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)接入能力和應用場景服務能力。

3）打造面向數(shù)據(jù)應用的“端- 邊- 云”協(xié)同分析體系， 實現(xiàn)實時反饋優(yōu)化應用和強算力遠程服務的融合。

4）實現(xiàn)設備狀態(tài)分析、健康狀態(tài)評估和生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計等數(shù)字化賦能，以工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)“黑箱”透明化，為生產(chǎn)效率持續(xù)改進提供有效的數(shù)據(jù)決策。

5）通過建立設備生產(chǎn)過程畫像，分析設備及其關鍵功能部件的健康狀態(tài)及使用壽命等，實現(xiàn)生產(chǎn)設備的預測性維護，助力運維服務降本增效。

6）基于邊緣計算與人工智能技術結合，科學提取生產(chǎn)質(zhì)量的隨機波動與異常波動特征，形成高效的生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)控和質(zhì)量檢測手段，滲透全新的產(chǎn)業(yè)質(zhì)量管理模式。

7）以邊緣智能決策技術實現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)線的柔性制造， 面向生產(chǎn)制造全過程提供智能控制、優(yōu)化排產(chǎn)，助力工業(yè)企業(yè)的自動化、智能化生產(chǎn)，提升生產(chǎn)效率。

06結束語

本文提出的邊緣計算微服務操作系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)邊緣計算平臺通常具有平臺差異化大、開發(fā)標準/ 語言不統(tǒng)一等問題，構建了一套完備的應用開發(fā)、集成、部署及共享平臺，使開發(fā)者無需耗費很大精力去解決不同邊緣端的應用適配性、兼容性及穩(wěn)定性問題，提升邊緣計算微服務的開發(fā)效率。未來對邊緣計算微服務操作系統(tǒng)的研究將會從以下兩個方面展開。

1）確定性時延。由于在工業(yè)環(huán)境中多數(shù)情況下對于低時延有嚴格要求，但是一昧地追求極致的低時延并不會為整體工業(yè)過程帶來更好的效應，目前而言對于工業(yè)場景下的確定性時延相關的實質(zhì)性突破研究較少，后續(xù)可對5G 與時間敏感網(wǎng)絡（TSN）相結合展開研究。

2）工業(yè)網(wǎng)絡安全建設。面向數(shù)控機床功能安全/ 信息安全威脅隱患，開展風險分析，明確威脅源與安全風險， 開展標準化工作，重點針對數(shù)控機床風險分析缺乏規(guī)范性指導、數(shù)控機床設備/ 系統(tǒng)/ 網(wǎng)絡等缺乏安全防護要求、數(shù)控機床管理制度標準化工作不足等問題，研制關鍵核心安全要求標準，服務于工業(yè)企業(yè)開展數(shù)控系統(tǒng)安全防護工作。

來源 | 《智能制造》4期雜志

審核編輯：湯梓紅