边缘计算在工业互联网领域标准体系及应用模式探究

秦修功，尹作重，黄 意，陈 彬，任建勋

（1.北京机械工业自动化研究所有限公司，北京 100020；2.武汉海关，武汉 430040）

0 引言

中国是一个制造业大国，智能制造作为中国制造 2025的主攻方向，对中国从制造大国到制造强国的转变有着重要的意义[1]。工业互联网作为智能制造的基础设施，是链接物料、机器、信息系统和人的基础网络，建设成为低延时、高可靠、广覆盖的工业互联网是实现智能制造的基本保障[2]。传统的云计算是通过工业现场设备采集数据，发至云端，云端计算后，将决策指令传给执行设备。随着制造业转型升级，制造设备的数量迅速扩张，新的制造模式对网络延时性要求严格，传统集中式信息处理与管理的模式无法高效解决这些问题。

边缘计算是近几年的新兴概念，主要思想是在云和物之间，把计算任务在靠近数据源的计算资源运行，一是，这样降低海量数据传输给网络宽带的压力，二是，缩短数据处理时间，满足制造现场响应的实时性需求等。为此，以边缘计算为核心的海量边缘数据处理应运而生。

工业边缘计算处于快速发展过程中，出现边缘设备接口不统一、边缘数据处理不规范等问题，这些问题严重阻碍了工业边缘计算的发展，急需用“标准”这一抓手规范和引领其在制造业实施应用。

本文重点阐述了在制造业领域内边缘计算的概念和架构，探讨了边缘计算在制造业的应用模式及其标准化进展，提出了工业边缘计算标准体系，最后分析边缘计算在制造业应用模式。

1 边缘计算概念

世界标准组织将边缘计算定义为将数据和任务在靠近数据源头的网络边缘侧进行计算和执行的一种新型服务模型[3]。边缘计算产业联盟对边缘计算给出了定义：边缘计算是在靠近物或数据源头的网络边缘侧，融合网络、计算、存储、应用核心能力的分布式开放平台（架构），就近提供边缘智能服务，满足行业数字化在敏捷连接，实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求[4]。美国韦恩州立大学的施巍松团队认为边缘计算是一种新型计算模型，指在网络边缘执行计算来自于云服务的下行数据和万物互联服务的上行数据[5]。ISO/IEC JTC1/SC38 对边缘计算给出的定义：边缘计算是一种将主要处理和数据存储放在网络的边缘节点的分布式计算形式[6]。文[7]将边缘计算定义为：在数据源到云端之间任意位置的计算.

几种定义虽然表述不同，但是概念定义的基本理念是一样的，边缘计算是在云端和设备端网路径之间，靠近云端或者设备端的网络边缘侧，就近提供智能数据处理、智能决策，设备链接等智能服务，边缘计算的目的能够减小底层设备数据的上行压力，缩短设备响应时间。可以结合图1，辅助理解边缘计算的概念。

图1 云计算与边缘计算示意图

2 边缘计算在工业互联网领域标准化活动

1）国内外边缘计算组织活动

边缘计算已经掀起国际化的热潮，很多国家成立各类产业组织、学术组织在积极发起和推进边缘计算的技术研究、标准、产业化活动。2016年，国际电气和电子工程师协会（IEEE）与国际计算机学会（ACM）合作成立了IEEE/ACM边缘计算研讨会议，研究与讨论了边缘计算的应用价值，研究方向等[8]。2017年，国际电工委员会（IEC）发布了垂直领域边缘智能白皮书，对边缘计算对于制造业等垂直行业的重要价值进行了详细介绍，为了推进国内边缘计算标准化工作，国际标准化组织/国际电工委员会第1联合技术委员会成立了边缘计算研究小组。

我国在边缘计算方面的研究设计具有一定的基础，其产业化应用正处于快速发展阶段。其中，2016年国内华为技术有限公司牵头、另外联合国内知名研究院所和高校、企业等联合倡议发起边缘计算产业联盟，致力于搭建边缘计算产业合作平台，推动OT和ICT产业开放协作；其中2019年中国自动化学会成立边缘计算分会，旨在推动边缘计算在国内学术发展。

2）国内外边缘计算标准化活动

2017年ISO/IEC JTC1/SC41成立了边缘技术研究组；2018年SC41完成物联网边缘计算标准化需求分析研究报告；2019年SC41开展边缘计算国际标准的制定。

目前国内外对边缘计算在垂直行业标准化研究刚刚起步，中国信通院、中国移动、中国电信、中国联通、中兴、华为、沈自所等工业互联网产业联盟成员单位在中国通信标准化协会发起多项边缘计算标准，其中涉及到制造业领域的边缘计算标准有《工业互联网边缘计算需求》、《工业互联网边缘计算边缘节点模型与要求》、《工业互联网边缘计算 总体架构与要求》、《工业互联网边缘计算边缘节点管理接口要求》等标准。全国信息技术标准化技术委员会负责归口的《物联网边缘计算 第1部分：通用要求》、《信息安全技术边缘计算安全技术要求》也在制定中。

3）边缘计算在智能制造标准体系的位置

由工信部和国家标准化管理委员会共同领导的国家智能制造标准化工作组，工作组的主要工作是建设及规划智能制造标准体系。实施动态更新完善机制，每两年滚动修订《国家智能制造标准体系建设指南》，以引领不同阶段智能制造发展[9]。边缘计算在智能制造标准体系位置如图2所示。

图2 边缘计算在智能制造标准体系位置

智能制造标准体系中对于边缘计算标准的定位是，边缘计算标准用于指导智能制造行业数字化转型、数字化创新，解决制造业数字化关键需求，用于智能制造中边缘计算技术、设备或产品的研发和应用。边缘计算标准包括架构与技术要求、计算及存储、安全、应用等标准。其中边缘计算标准也是智能使能技术标准建设重点之一。

3 边缘计算在工业互联网领域标准体系探究

目前国内已经形成一定的研究基础，形成了一批标准，但是目前现有的标准碎片化和重叠化等现象比较明显，国内没有存在体系化的标准研究。当前迫切整个行业努力，运用产学研各方面的力量，构建边缘计算在工业互联网的标准体系，本文提出一种边缘计算在工业互联网领域边缘计算标准体系，如图3所示。

图3 工业边缘计算标准体系

1）基础标准

工业互联网边缘计算基础标准大概包括：术语与定义、分类、约束性要求、扩展性要求、通用技术条件要求等。

2）边缘数据相关标准

由于现场设备类型复杂，产生的数据异构复杂，需制定统一的边缘数据的规范，实现边缘数据的快速处理，缩短响应时间，提升生产效率与工艺质量。

3）边缘设备接口标准

制造企业中存在大量的信息孤单，设备与设备之间，单元与单元之间，以及企业与企业之间无法实现互联互通，一方面是设备之间由于生产商不同，甚至相同的生产商生产出的设备，没有统一的接口，无法实现生产现场的互联互通。由于边缘计算设备可以实现企业设备之间的轻量连接。因此亟需对边缘计算设备的模式、接口、协议等进行规范，以解决兼容，通用性的问题。

4）边缘计算系统及节点标准

边缘计算节点需要考虑通过软硬件集成与优化，以适配各种条件约束，支撑行业数字化多样性场景。边缘计算系统及节点标准主要规范边缘节点功能、性能、协议以及边缘计算系统的参考架构等。

5）边缘计算安全标准

边缘计算具有采集数据、存储、处理、决策以及联接其他设备等功能，如果保证数据的安全以及联接设备的安全性、系统化的安全设计标准变得尤为重要。

6）边云协同标准

云计算适用于非实时、长周期数据、业务决策场景，而边缘计算在实时性、短周期数据、本地决策场景等方面有独特的优势。边缘计算中间节点层将实时业务需求数据完成处理，同时将非实时数据聚合后送到云端进行处理，对底层智能设备进行方向性的控制，从而实现边缘计算与云计算的协同。边云协同标准包括计算资源、安全策略、应用管理、业务管理等方面架构和协议协同。

4 边缘计算在工业互联网领域的应用模式探索

1）支撑定制化制造生产模式

智能制造新模式下，产品将沿着小批量多批次，定制化需求的方向发展。传统制造体系严格的分层架构已经无法满足未来的制造需求。而边缘计算具有支撑生产计划灵活，适应生产资源的变化等优势，新旧制造设备快速替换，通过物料供给方式的自动变化、生产节拍来适应生产计划调整，更好地支撑大规模个性化定制的智能制造新模式。

2）支持预测性维护等智能服务

通过边缘计算设备采集产品情况的数据，通过对产品状态的实时数据的采集与分析，可以对产品提供预测性维护，以及对维护部门提供维护所需要的数据，以便维护部门提前安排维护人员和采购维护所需要的零部件。

3）支撑协同制造模式

边缘计算通过工业互联网向上与云端相连，向下统筹、协调、处理企业里不同车间、生产线、设备等之间的信息，更好的进行企业与企业间、企业与云端之间的交互。进而，为设计、供应链和服务一体化协同制造提供支撑。

5 结语

目前我国边缘计算在工业互联网领域的研究及应用处在世界前列，形成了一批学术成果，在产业内也初步应用，解决了目前新制造模式的一些问题，同时也制定了一批标准规范，但是，目前业内尚未对工业互联网边缘计算标准体系达成共识，工厂内的边缘计算设备和底层设备及上层的云端及软件没有完成互联互通等，这些都是亟需解决的问题和研究的方向。