新時代工業(yè)背景下智能工廠的“云—邊—端”架構(gòu)

張昊陽

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

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);智能工廠;傳統(tǒng)架構(gòu);“云—邊—端”架構(gòu)

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

1前言

在工業(yè)4.0的時代大背景下，一方面制造業(yè)要求日益增高，為迎合行業(yè)趨勢推進(jìn)改造，另一方面云計(jì)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(jì)算，構(gòu)建“云—邊—端”架構(gòu)。工廠由傳統(tǒng)架構(gòu)向“云—邊—端”架構(gòu)轉(zhuǎn)型，使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與制造業(yè)聯(lián)系更加緊密。工廠通過云計(jì)算，邊緣計(jì)算，以及設(shè)備間的互相協(xié)作完成更加高效的生產(chǎn)，形成面向復(fù)雜裝置的更加智能的架構(gòu)。

2物聯(lián)網(wǎng)時代與智能工廠

2.1物聯(lián)網(wǎng)時代簡述。隨著5G網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)時代來臨，萬物互聯(lián)這一概念不斷的得以實(shí)現(xiàn)。智能設(shè)備的出現(xiàn)讓網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也迅速發(fā)展起來，物聯(lián)網(wǎng)簡單地說就是將物與物通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，依靠各種傳感器設(shè)備和無線傳感等等技術(shù)將物物鏈接組成網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)由傳感層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層構(gòu)成。傳感層作為底層，通過射頻識別設(shè)備和各種傳感器以及終端作為信息采集，提供基本的數(shù)據(jù)支撐。網(wǎng)絡(luò)層則是對傳感層獲取的數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算大數(shù)據(jù)平臺等進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和處理。應(yīng)用層則是在網(wǎng)絡(luò)層處理好的傳輸進(jìn)來的數(shù)據(jù)的支持下，利云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，從而提供海量的應(yīng)用程序進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，為智能設(shè)備在不同領(lǐng)域、不同環(huán)境下進(jìn)行可行性的實(shí)現(xiàn)。

尤其是在當(dāng)今社會，產(chǎn)業(yè)連不斷被擴(kuò)大更多產(chǎn)業(yè)不斷轉(zhuǎn)型升級，全世界都提出了高效、簡潔、準(zhǔn)確的工作要求，工廠的在智能化更是必不可少。工業(yè)4.0大背景下，工廠向機(jī)械化、智能化轉(zhuǎn)變是大勢所趨，通過數(shù)以億計(jì)的傳感器和機(jī)械智能設(shè)備工廠也“智慧”起來。

2.2物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能工廠的實(shí)現(xiàn)分析。在工廠產(chǎn)能不斷提高，要求不斷增多的情況下，工廠的智能架構(gòu)不僅可以通過新思想多靈活多變的方法來解放生產(chǎn)，創(chuàng)造出專門為工廠的創(chuàng)新模式，進(jìn)而會實(shí)現(xiàn)彎道超車。這種新型架構(gòu)不僅減低人工成本，而且可以靈活協(xié)調(diào)方便實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能的積極調(diào)配。不僅如此在我國物聯(lián)網(wǎng)的大方向下，出臺了許多相關(guān)政策，制造業(yè)也成為“十三五”時期的物聯(lián)網(wǎng)重要的領(lǐng)域之一，隨著市場國模的不斷擴(kuò)大和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的加速發(fā)展，在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、城市規(guī)劃管理和我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)方面不斷地深化應(yīng)用為我國的產(chǎn)業(yè)架構(gòu)調(diào)整帶來了新動能。也為我國制造業(yè)發(fā)展提出了向高產(chǎn)能智能化轉(zhuǎn)型的要求。智能工廠以及“云—邊—端”架構(gòu)的建設(shè)是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)，這不僅可以促進(jìn)我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)補(bǔ)短板、促應(yīng)用從而更加深入探索，而且也為我國工廠制造業(yè)轉(zhuǎn)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(gòu)

3.1智能工廠及其標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)。智能工廠這一形式是設(shè)備智能化、工廠管理現(xiàn)代化、信息計(jì)算機(jī)化的基礎(chǔ)上達(dá)到的新階段。它不僅包括智能設(shè)備與自動化集成，還涵蓋了企業(yè)管理信息系統(tǒng)（MIB）的全部內(nèi)容。智能工廠尤其在制造業(yè)上體現(xiàn)出智能工業(yè)這一發(fā)展新方向。智能工廠主要特征是：系統(tǒng)的自住能力;整體技術(shù)的實(shí)現(xiàn);協(xié)調(diào)重組和擴(kuò)充性;自我學(xué)習(xí)和維護(hù)能力;以及最為重要的人機(jī)共存的系統(tǒng)，人機(jī)在不同層次扮演不同角色，相輔相成，協(xié)調(diào)合作。

由于 CPS 信息物理融合系統(tǒng)進(jìn)入制造和物流的技術(shù)集成，以及在工業(yè)流程中使用物聯(lián)網(wǎng)及其服務(wù)，從而產(chǎn)生了創(chuàng)新的工廠系統(tǒng) ——智能工廠。完全不同 于傳統(tǒng)的工廠自動化系統(tǒng)，智能工廠采用面向服務(wù)的體系架構(gòu)，具體體系架構(gòu)如圖 5 所示

從圖 5 可以看出，對應(yīng)于傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場級，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);對應(yīng)于控制級，采用 CPPS 信息物理融合生產(chǎn)系統(tǒng);對應(yīng)的監(jiān)控管理級連接到安全可 靠和可信的云網(wǎng)絡(luò)主干網(wǎng)，采用服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)提供的服務(wù)。智能工廠的IT建設(shè)在云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上依靠安全可靠和可信的云網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)模式，“云計(jì)算”往往發(fā)揮著遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的作用。

3.2智能工廠的設(shè)想和目標(biāo)。作為工業(yè)4.0核心的智能工廠，其基本設(shè)想是制造的產(chǎn)品集成有動態(tài)數(shù)字儲存器、感知和通信能力，承載著整個供應(yīng)鏈和生命周期中所需的各種信息;整個生產(chǎn)價值鏈中所集成的生產(chǎn)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)自組織，以及能夠根據(jù)當(dāng)前的狀況靈活的決定生產(chǎn)過程。

智能工廠建設(shè)的目標(biāo)是：建立起一個高度靈活的個性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式。

在這種模式中，傳統(tǒng)行業(yè)的界限將消失，并會產(chǎn)生各種新的活動領(lǐng)域和合作形式。

3.3標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)分析。智能工廠標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)具有一定標(biāo)準(zhǔn)原則：（1）引領(lǐng)性原則;（2）通用性原則;（3）系統(tǒng)性原則;（4）先進(jìn)性原則;（5）適用性原則;按照以上原則構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)體系是與傳統(tǒng)架構(gòu)全然不同的。傳統(tǒng)架構(gòu)在智能工廠的現(xiàn)代架構(gòu)下已經(jīng)是天壤之別，標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)依賴于全新的形式充分發(fā)揮著它的重要作用。智能工廠依托于一種基于互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)模式的云計(jì)算使得其時效性大大的提高。更是加快了智能工廠互聯(lián)互通的模式，對于市場需求的感知，對于工業(yè)制造的數(shù)字化大有益處。更多的制造工廠依賴于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用積極向智能工廠轉(zhuǎn)型，從傳統(tǒng)制造向智能制造轉(zhuǎn)型。

相比較于傳統(tǒng)構(gòu)架而言，智能工廠標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)具有以下明顯的一定和特點(diǎn)

（1）設(shè)備之間具有生產(chǎn)自組織能力、協(xié)同制造能力，應(yīng)變能力強(qiáng)、反應(yīng)速度快，能更好地支持多品種、小批量、定制型產(chǎn)品的快速生產(chǎn)加工;

（2）數(shù)據(jù)采集和實(shí)時監(jiān)控技術(shù)能在問題產(chǎn)生前進(jìn)行預(yù)處理，從而降低故障率，保障安全性

（3）智能調(diào)度生產(chǎn)過程，使設(shè)備和工裝的利用率大大提高;

（4）對產(chǎn)品加工過程進(jìn)行自我監(jiān)控和自我糾正，從而提升產(chǎn)品質(zhì)量;

（5）利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)的支持，提供專業(yè)智 能知識，提高復(fù)雜結(jié)構(gòu)、復(fù)雜面型的設(shè)計(jì)和加工 能力;

（6）實(shí)時網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、分析和決策，保障生產(chǎn)用 料等制造資源供應(yīng)鏈的及時性和連續(xù)性，從而提高生產(chǎn)的效率和保障能力。

這些優(yōu)點(diǎn)與特點(diǎn)是當(dāng)下的制造業(yè)以及工廠轉(zhuǎn)型后的優(yōu)勢和生命力蓬勃發(fā)展更新的源泉。順應(yīng)了時下發(fā)展的要求，積極轉(zhuǎn)型改革是企業(yè)迸發(fā)新活力，指明前進(jìn)新方向。

但是在如今太多的計(jì)算依賴于云計(jì)算來完成

云計(jì)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(jì)算，構(gòu)建“云—邊—端”架構(gòu)。

4“云—邊—端”架構(gòu)帶來的智能工廠新升級及挑戰(zhàn)

在云計(jì)算短板日益顯露的今天，又有一新型架構(gòu)模式出現(xiàn)，為當(dāng)前的局面帶來了解決的方法：構(gòu)建“云—邊—端”架構(gòu)。

隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展，百億聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的海量數(shù)據(jù)處理以及超低時延等需求都對現(xiàn)有的云計(jì)算模式提出了挑戰(zhàn)，邊緣計(jì)算應(yīng)運(yùn)而生。此前，阿里云邊緣計(jì)算技術(shù)負(fù)責(zé)人楊敬宇向媒體表示，邊緣計(jì)算作為5G時代的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，未來將成為不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施之一。他指出，5G時代萬物智聯(lián)將真正成為現(xiàn)實(shí)，云、邊、端三體協(xié)同成為最佳解決方案，擁有高效、實(shí)時、安全特性的邊緣計(jì)算將成為基礎(chǔ)設(shè)施。。邊緣計(jì)算作為一種新的技術(shù)理念，主要聚焦實(shí)時、周期數(shù)據(jù)的分析和處理。邊緣計(jì)算是實(shí)現(xiàn)分布式門治控制工業(yè)自動化架構(gòu)的重要支撐，在預(yù)測性維護(hù)、能效管理、 智能制造等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

通過引入邊緣計(jì)算將一些不重要的數(shù)據(jù)計(jì)算或者簡單的計(jì)算放在邊緣計(jì)算上完成，使得成本降低，也使得計(jì)算時效性大大改變，更大大地減小了云計(jì)算的壓力。云邊端協(xié)同一體化的體系使得更加高效率，高質(zhì)量，體現(xiàn)出高水平發(fā)展，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)為智能工廠提供強(qiáng)大的計(jì)算處理能力。“云—邊—端”架構(gòu)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(yè)和工廠發(fā)展指明道路。

有創(chuàng)新就會帶來挑戰(zhàn)，而構(gòu)建“云—邊—端”架構(gòu)面對的兩個大挑戰(zhàn)是： 邊緣操作系統(tǒng)和端云一體化管理平臺。邊緣操作系統(tǒng)不僅僅需要負(fù)責(zé)邊緣設(shè)備上的任務(wù)調(diào)度、存儲網(wǎng)絡(luò)管理等傳統(tǒng)操作系統(tǒng)職責(zé)，這一職責(zé)也給“云—邊—端”架構(gòu)的構(gòu)建提出了新的要求和挑戰(zhàn)，如今阿里已經(jīng)在向三層邊緣計(jì)算能力邁進(jìn)，智能工廠構(gòu)建“云—邊—端”架構(gòu)必將為其帶來光明的未來

5智能工廠“云-邊-端”架構(gòu)及在我國應(yīng)用的評析

基于工業(yè)4.0背景下智能工廠的核心地位，其標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)架在發(fā)展過程中體現(xiàn)出的時效性和帶寬的局限性，以及面臨的一些難點(diǎn)。本文提出的面向復(fù)雜裝置的智能工廠的“云—邊—端”構(gòu)架為智能工廠的發(fā)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(zhuǎn)型發(fā)展進(jìn)行分析，也對智能工廠提出了未來發(fā)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(gòu)架去推動制造業(yè)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)智能制造。縱觀我國制造業(yè)與世界先進(jìn)水平存在較大的差距，產(chǎn)業(yè)效率低效益低，單位產(chǎn)能居高不下，人均水平差距巨大，創(chuàng)新能力弱。不能再以高投入、高能耗的模式延續(xù)，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(xù)發(fā)展、實(shí)現(xiàn)“中國創(chuàng)造”的必由之路。而構(gòu)建“云—邊—端”智能工廠架構(gòu)更是為了加快我國裝備制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，提升綜合國力的關(guān)鍵。云邊端一體化的架構(gòu)為智能工廠進(jìn)一步高速發(fā)展指明方向。

6結(jié)束語

5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)挖掘分析、傳感器技術(shù)等都將與智能工廠的新型體系架構(gòu)進(jìn)行融合，從而加快傳統(tǒng)工業(yè)向智能工業(yè)進(jìn)行轉(zhuǎn)型，推進(jìn)智能工廠的轉(zhuǎn)型發(fā)展，對于工作效率，工作準(zhǔn)確度都會有很大的提高，還可以節(jié)約人工成本，會更加有效的去適應(yīng)產(chǎn)能發(fā)展和需要，從而更好的適應(yīng)新的發(fā)展要求。本文對新時代工業(yè)背景下智能工廠的“云—邊—端”架構(gòu)的分析，濱海結(jié)合當(dāng)前工業(yè)發(fā)展實(shí)際情況進(jìn)行分析，提出了適用于更好發(fā)展的智能工廠構(gòu)架，對傳統(tǒng)工廠和智能工廠進(jìn)行架構(gòu)分析，為工廠向智能化、數(shù)字化提供了技術(shù)分析的可選擇的一條道路。

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