5.4　邊緣計算技術在智能制造中的應用

5.4.1　概念與內涵

邊緣計算是在靠近物或數據源頭的網絡邊緣側，融合網絡、計算、存儲、應用核心能力的分布式開放平臺就近提供邊緣智能服務，滿足行業數字化在敏捷連接、實時業務、數據優化、應用智能、安全與隱私保護等方面的關鍵需求。它可以作為連接物理和數字世界的橋梁，使能智能資產、智能網關、智能系統和智能服務。

伴隨行業數字化轉型進程的不斷深入，在技術與商業的雙重驅動下，邊緣計算技術將持續走向縱深。邊緣計算技術具備以下基本特點和屬性。

① 連接性：連接性是邊緣計算的基礎。所連接物理對象及應用場景具有多樣性特點，需要邊緣計算具備豐富的連接功能，如各種網絡接口、網絡協議、網絡拓撲、網絡部署與配置、網絡管理與維護。為了實現邊緣計算的連接性需要充分借鑒吸收網絡領域先進研究成果，如TSN、SDN、NFV、Network as a Service、WLAN、NB-IoT、5G等技術，同時還要考慮與現有各種工業現場總線的互聯互通。

② 數據第一入口：邊緣計算是數據的第一入口，面臨著數據實時性、準確性、多樣性等的挑戰。

③ 約束性：邊緣計算產品需要在工業現場相對惡劣的工作條件與運行環境下進行工作，如防電磁、防塵、防爆、抗振動、抗電流/電壓波動等。此外，在工業互聯場景下，對邊緣計算設備的功耗、成本、空間也有較高的要求。因此，邊緣計算產品在設計時需要考慮通過軟硬件集成與優化，以適配各種條件約束，支撐行業數字化多樣性場景。

④ 分布性：邊緣計算產品的部署具有分布式特征。這要求邊緣計算產品具有支持分布式計算與存儲，適配分布式資源的動態調度與統一管理，支持分布式智能、具備分布式安全等能力。

⑤ 融合性：操作技術（Operation Technology，OT）和信息與通信技術（Information and Communications Technology，ICT）的融合是行業數字化轉型的重要基礎。邊緣計算作為“OICT”融合與協同的關鍵承載，需要支持在連接、數據、管理、控制、應用、安全等方面的協同。

5.4.2　技術特征

圖5.7所示為邊緣計算參考架構2.0。

從參考架構的橫向層次來看，邊緣計算具有如下特點。

① 智能服務基于模型驅動的統一服務框架，通過開發服務框架和部署運營服務框架實現開發與部署智能協同，能夠實現軟件開發接口一致和部署運營自動化。

② 智能業務編排通過業務Fabric定義端到端業務流，實現業務敏捷。

③ 連接計算CCF（Connectivity and Computing Fabric）實現架構極簡，對業務屏蔽邊緣智能分布式架構的復雜性；實現OICT基礎設施部署運營自動化和可視化，支撐邊緣計算資源服務與行業業務需求的智能協同。

④ 智能ECN（Edge Computing Node）兼容多種異構連接，支持實時處理與響應，提供軟硬一體化安全等。

邊緣計算參考架構在每層提供了模型化的開放接口，實現了架構的全層次開放；邊緣計算參考架構通過縱向管理服務、數據全生命周期服務、安全服務，實現業務的全流程、全生命周期的智能服務。

5.4.3　典型應用

1. 智能油田全流程優化管控系統

在石油化工領域，針對中石油全流程優化、降低開采成本的重大需求，中國科學院沈陽自動化研究所（以下簡稱沈自所）為中石油提供了針對石油化工領域的智能管控系統，該系統能夠實現跨地質、工程、生產、維修全流程優化。該系統能夠完成3個方面的具體工作：一是能夠完成油井生產狀態實時感知，智能診斷；二是實現了抽油機實時優化控制；三是對地質、油藏、生產數據等方面進行的綜合性優化。該系統目前已在遼河、勝利、新疆、松遼油田推廣應用，其效果非常顯著：能夠及時準確地診斷出油井發生油桿斷脫故障，有效延長檢泵周期；能夠實現生產管理的智能化、自動化，減少人工投入達40%；使得產液量計量準確率達90%以上，抽油機有效節能達30%以上。

2. 石化生產過程參數在線監測與優化管控系統

針對石化工廠物料、能源計量與過程參數優化需求，沈自所實現了通過設備能源安全的全面感知結合生產工藝參數，進行多維度優化的整體優化系統。該系統能夠及時判斷出石化現場一些設備的故障，同時可以提高計量精度，提高現場操作人員的工作效率。該系統能夠提供3個方面的功能：一是設備運行狀態監測與故障診斷分析；二是能源在線實時計量與優化調控分析；三是移動作業安全監測與閉環管控。

目前該系統已在撫順石化、蘭州石化、安慶石化、齊魯石化、茂名石化、天津石化等大型石化廠進行推廣應用，效果主要體現在：能夠及時準確診斷出機泵軸承故障，縮短停機檢修周期60%；提供更加準確的計量，減少計量誤差達86%；支持移動終端作業，提升現場維護效率達30%。

3. 離散行業柔性生產管控系統

離散制造的企業對于生產線的需求主要體現在3個方面。一是減員：自動化率偏低，有較大的人力成本壓力，需要減少生產線上的工人數量。二是增效：批量定制模式下工藝調整頻繁，導致生產效率低下，產能不足；自動化生產線普遍柔性程度不足，難以滿足快速工藝調整需求，需要支持柔性制造的生產線，實現快速轉產。三是品控：檢測力度不足，產品質量難以嚴格把控，良品率波動較大。普遍采用抽檢模式，質量追溯能力有限，缺乏有效的全檢技術手段，需要細粒度的品質控制手段，對產品質量進行追溯。

目前自動化生產線普遍存在柔性不足的問題。雖然通過自動化生產線能夠實現減員、增效和品控的目的，但柔性程度還是相對不足，因此難以滿足快速工藝調整時對生產線快速轉產的需求。所以，沈自所對傳統模塊化生產線的制造方式進行了升級，提出了針對工藝過程解耦的動態優化過程工藝。該工藝的特點是生產工序松耦合，能夠進行產線級動態重構，工序分解重排。對此，沈自所設計了面向生產流程的動態服務編程技術及支持在線命令執行的服務適配器，分別可以解決基于Web服務的生產工藝與設備資源在線重構問題和設備即插即用自動化配置與互操作命令動態執行的問題。該系統能夠實現生產線的產能增加30%，人員減少65%的顯著效果；實現裝配過程分鐘級動態切單、轉產；產品質量問題檢測時間達到秒級，工藝缺陷追溯時間達到分鐘級。