邊緣計算是實現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領域應用的關鍵方法與路徑，通過實現(xiàn)基礎的連接、數(shù)據(jù)的存儲、分析與優(yōu)化來對制造業(yè)現(xiàn)場的規(guī)劃與策略性問題進行全局處理，并進而用以提高生產(chǎn)制程的效率、成本與品質(zhì)的提升，而在實現(xiàn)制造業(yè)現(xiàn)場的第一步即互聯(lián)問題，然而，工業(yè)現(xiàn)場的復雜性使得對于統(tǒng)一的規(guī)范與標準有著迫切的需求，因此，包括工業(yè)4.0組織、IIC、中國智能制造體系規(guī)范等均聚焦于OPCUAoverTSN，本文將闡述OPCUAoverTSN在其中所扮演的核心角色問題。

1、邊緣計算解決基于連接的價值融合

1.1邊緣計算為制造業(yè)數(shù)字化升級帶來新方法

傳統(tǒng)的制造業(yè)運營技術(shù)與方法需要升級，基于模型驅(qū)動的控制以及服務往往需要非常專業(yè)的領域知識，而基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的則不依賴于此而由數(shù)據(jù)建模來實現(xiàn)預測、分析與優(yōu)化，各自有其優(yōu)勢，模型具有可解釋性，但往往門檻較高，而數(shù)據(jù)驅(qū)動方法則往往由于缺乏可解釋性，但隨著ICT技術(shù)的發(fā)展，它為工業(yè)帶來新的方法和思路，兩者的融合將發(fā)揮傳統(tǒng)工業(yè)優(yōu)勢和現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)的優(yōu)勢。

邊緣計算可以在工業(yè)中解決以下問題

（1）尋找最佳的機器間協(xié)同，這些協(xié)作包括在時間上的最佳匹配，避免因為等待、不同步的過程而損耗了機器的能耗、使用效率，使得資產(chǎn)無法發(fā)揮最大的價值。通過削減中間環(huán)節(jié)，消除了浪費環(huán)節(jié)，提升效率，簡單的如讓柔性輸送系統(tǒng)來降低不必要的搬運輸送時間消耗，提高生產(chǎn)的連續(xù)性，使得離散自動化系統(tǒng)邁向流程工業(yè)那種連續(xù)的生產(chǎn)，使得效率提高，如圖1所示。

圖1-工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)連接底層設備與管理系統(tǒng)進而挖掘效率提升空間

（2）通過動態(tài)的響應變化來尋找最優(yōu)的控制，傳統(tǒng)的PID往往是以“安全值”設定靜態(tài)的控制目標，這并非是最優(yōu)值，而通過設備協(xié)同來在更高級的動態(tài)協(xié)同，根據(jù)變化，讓機器來適應生產(chǎn)變化，包括負載端、其它設備的狀態(tài)、工藝變化，以挖掘設備的最大效率。通過數(shù)據(jù)驅(qū)動來實現(xiàn)優(yōu)化，尋找在生產(chǎn)中的預測性，包括工藝參數(shù)預測，適應于“變化”的需求，減少開機浪費的方法、尋找在新的協(xié)同生產(chǎn)下的質(zhì)量優(yōu)化、能源計量、維護成本下降的方法，各種方法都是因為連接帶來了優(yōu)化的可能性空間。

（3）智能化，盡管很多任務如優(yōu)化、策略在機理模型已經(jīng)可以實現(xiàn)最優(yōu)，但，當出現(xiàn)更為全局的非線性區(qū)域時，機器學習等智能算法將會進一步來為生產(chǎn)系統(tǒng)提供新的解決方法，進一步挖掘優(yōu)化的潛能。

（4）資產(chǎn)管理類，確保透明的數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)中對問題進行歸結(jié)、判定，以便提高設備的使用效率，這些應用包括了排產(chǎn)、OEE、品質(zhì)、能源等采集與呈現(xiàn)場景。

（5）預測性維護：在維護階段，來自數(shù)字化的建模與運營中的數(shù)據(jù)采集，共同為維護提供了透明的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，以及分析的基礎，如采用機器學習來對生產(chǎn)運營中原來被忽視的信息進行挖掘，分析質(zhì)量、成本、設備狀態(tài)等之間的關系，實現(xiàn)最佳的生產(chǎn)系統(tǒng)運營，包括降低故障帶來的停機風險、延長設備的使用壽命。

1.2邊緣計算的連接需求分析

在解決邊緣計算架構(gòu)搭建與實施中，首先不討論后續(xù)的數(shù)據(jù)獲取后的智能分析與處理環(huán)節(jié)，我們先探討第一步數(shù)據(jù)的采集與傳輸問題，就目前的工業(yè)連接推進中，首先會遇到這個問題。

（1）實時性需求：與離散制造中運動控制、機器人以及高速同步不同，邊緣計算的同步性在于大數(shù)據(jù)量、時間節(jié)拍下的同步，因此，需要精確的時間同步、以及大負載下的傳輸中的實時性，對于在線優(yōu)化而言，100mS級的任務也需要在通信領域10mS、1mS級的分支節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸，考慮到路徑消耗、時間匹配，工業(yè)必須考慮容量，因此，使得通信也需要達到mS甚至微秒級，同時，考慮控制與管理的兼容，因此，選擇了達到傳統(tǒng)實時以太網(wǎng)所需的100uS級。

（2）統(tǒng)一與規(guī)范的數(shù)據(jù)接口

對異構(gòu)網(wǎng)絡而言，不在于是否最優(yōu)，而在于是否統(tǒng)一，最低的標準在于統(tǒng)一，如果沒有統(tǒng)一的規(guī)范，哪個協(xié)議或標準效率更高、負載更小是沒有意義的。

（3）同一網(wǎng)絡傳輸?shù)膯栴}

表1反映了各種數(shù)據(jù)的周期性、帶寬、丟包容度、關鍵性、抖動的需求，而這些是一種復合型需求，依靠傳統(tǒng)的實時以太網(wǎng)和標準以太網(wǎng)都無法解決全部的問題，而因此，TSN技術(shù)被開發(fā)以解決這些問題。

而另一方面，如果能夠采用同一網(wǎng)絡傳輸，那么將會節(jié)省電纜、工程連接、測試等多方面的成本。

表1-更為復雜的制造現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸需求

（4）安全傳輸問題

由于互聯(lián)的產(chǎn)生，因此，必須解決安全性問題，以往的工業(yè)網(wǎng)絡，由于采用了專用網(wǎng)絡，并且控制系統(tǒng)如PLC往往采用硬邏輯來實現(xiàn)，而操作系統(tǒng)沒有或基于非通用架構(gòu)的RTOS，而且考慮到與標準網(wǎng)絡的時間搶占問題，通常是隔離的，而在邊緣計算中，這些隔離的網(wǎng)絡將會被連接，為了全局數(shù)據(jù)打通，必須將底層與上層，水平層間進行集成，這個集成過程開放了各自的壁壘，使得安全成為了最大的潛在風險。

因此，在全新的工業(yè)網(wǎng)絡中必須對上述問題予以考慮。

2、OPC UA over TSN的角色扮演

2.1為什么采用OPCUA

圖2-使用OPCUA的原因

如圖2，采用OPCUA構(gòu)建連接的原因有多個方面，當然，比較核心的在于語義互操作和它所構(gòu)建的信息模型，這個是被認為OPCUA核心的原因。

2.1.1OPCUA實現(xiàn)語義互操作規(guī)范

對于邊緣計算或其它今天我們所討論的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)而言，必須考慮在其底層所連接的設備、系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡協(xié)議中的語義規(guī)范問題，不同的控制器、系統(tǒng)往往采用了不同的數(shù)據(jù)對象、結(jié)構(gòu)、單位等，這使得工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在全局數(shù)據(jù)采集時，無論是上行、下行的數(shù)據(jù)傳輸都會出現(xiàn)需要開發(fā)、測試不同的驅(qū)動程序的問題，而工業(yè)領域復雜多樣的總線標準與規(guī)范，自定義了眾多的協(xié)議，這個局面造成了互聯(lián)的難題。

因此，產(chǎn)業(yè)界一直在尋求一個統(tǒng)一的規(guī)范，而在進行多番比較后，制造業(yè)無論是OT端還是ICT端都將目光聚焦在了OPCUA上，包括了IIC、工業(yè)4.0組織、中國制造等均將OPCUA定義為統(tǒng)一的語義互操作規(guī)范。

OPCUA作為統(tǒng)一的語義規(guī)范所扮演的角色在于“經(jīng)濟性”，即無需每個企業(yè)、項目都重新編寫自定義的驅(qū)動程序，包括語義轉(zhuǎn)換程序，這些程序不但消耗時間，而且浪費工程師資源，因此，使得IT訪問OT端缺乏經(jīng)濟性。

2.1.2OPCUA的信息模型

圖3是OPCUA的信息模型結(jié)構(gòu)，包括了基礎、行業(yè)、廠商自定義的信息模型三個層級。

圖3-OPCUA通信、信息模型與安全連接

信息模型是整個OPCUA也是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的關鍵，因為無論對于控制協(xié)同、數(shù)據(jù)擬合、機器學習，結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)額是非常必要的，否則，將會需要大量的編程與測試，這會導致整個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在連接中缺乏經(jīng)濟性，而垂直行業(yè)信息模型則反映了行業(yè)在如何進行數(shù)字化控制、與ERP/MES長期連接中建立起來的知識，像EUROMAP，如圖4，其它則包括最新開發(fā)的AutoID，用于解決資產(chǎn)的數(shù)字化輸入，對RFID、QR碼等的數(shù)據(jù)接口，確保產(chǎn)線上的設備、在制品都可以被便利的集成。機器視覺與機器人，在最新的OPCUA集，由VDMA協(xié)同各個機器人與視覺廠商共同開發(fā)了這一越來越重要的伴隨模型，因為今天的智能產(chǎn)線，機器人需要更多“眼睛”來識別在制品，對其位置、幾何尺寸等進行識別，以便進行各種撿取、加工動作。

圖4-EUROMAP連接注塑機與MES系統(tǒng)

2.2TSN及其角色

TSN是另一個關注的焦點，早期應用于音視頻同步，而2015年IEEE成立了面向工業(yè)應用的TSN工作組，在2016年成立整形器（Shaper）工作組，到2018年開始包括華為、CISCO、貝加萊、SIEMENS、Mitsubshi等各家自動化公司宣布推出TSN交換機、TSN終端設備，TSN的發(fā)展速度較之以往的總線技術(shù)更為迅速。

2.2.1TSN解決統(tǒng)一的連接標準問題

圖5-工業(yè)通信技術(shù)逐漸向統(tǒng)一架構(gòu)演變

傳統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場存在著復雜的網(wǎng)絡環(huán)境，這些總線、基于以太網(wǎng)的實時通信來自各個時期，以及始創(chuàng)企業(yè)自身的技術(shù)應用場景、行業(yè)屬性等，使得其具有較大的差異，并且在這些總線上數(shù)據(jù)對象的定義也有這較大差別，尤其是在數(shù)字化時代，IT數(shù)據(jù)的大負載與OT端的實時性、高可靠性同時傳輸?shù)男枨蟾鼮槠惹?，來自于現(xiàn)場的、管理級的數(shù)據(jù)要被納入統(tǒng)一架構(gòu)進行融合，這也使得需要一個統(tǒng)一的底層網(wǎng)絡來實現(xiàn)這一設計，因此，TSN成為了聚焦的關鍵技術(shù)，目前包括IEEE、IEC等均在制定基于TSN的工業(yè)應用網(wǎng)絡的底層互操作性標準與規(guī)范。

如圖5所示，工業(yè)通信業(yè)的確朝著更為統(tǒng)一的方向發(fā)展，這也是潮流所趨。

2.2.2TSN的構(gòu)成要素

TSN事實上是由一系列IEEE標準構(gòu)成，包括了圖6所示的幾個方面標準構(gòu)成：

（1）時鐘同步，在IEEE1588精確時鐘同步協(xié)議基礎上，考慮工業(yè)的高可靠性開發(fā)了IEEE802.1AS-Rev的廣義時鐘同步標準，其主要負責最佳時鐘選擇、發(fā)送同步時間給各個橋節(jié)點和終端節(jié)點、延時計算等工作。

圖6-構(gòu)成TSN的標準組

（2）低延時整形器（Shaper），根據(jù)應用不同，定義了IEEE802.1Qav-基于信用的整形器（Credit-BasedShaper），以及IEEE802.1Qbv-基于時間感知整形器、以及為了提升帶寬使用效率的IEEE802.1Qbu+IEEE802.3br的可搶占式MAC方式，包括IEEE802.1Qch-周期性排隊與轉(zhuǎn)發(fā)整形器，以及IEEE802.1Qcr采用ATS異步數(shù)據(jù)整形器的方法，這些整形器主要實現(xiàn)“數(shù)據(jù)調(diào)度”，以及如何在復雜的網(wǎng)絡環(huán)境中實現(xiàn)最高效的數(shù)據(jù)傳輸，而IEEE802.1QCB則針對冗余而設計，包括與5G融合的IEEE802.1QCM等正在制定中的標準。

（3）網(wǎng)絡與用戶配置雷標準：由于TSN能夠?qū)⒕W(wǎng)絡中的周期性和非周期性數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸，并且支持了橋接網(wǎng)絡（交換機網(wǎng)絡），因此，網(wǎng)絡中的設備、數(shù)據(jù)傳輸類型、帶寬需求等與傳統(tǒng)網(wǎng)絡更為復雜，需要一個統(tǒng)一的調(diào)度，而中央網(wǎng)絡與用戶配置則是收集各個節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸需求，并統(tǒng)一計算，統(tǒng)一下發(fā)，統(tǒng)一調(diào)度，當網(wǎng)絡出現(xiàn)動態(tài)變化的時候，可以自動優(yōu)化網(wǎng)絡的傳輸。

3、OPCUAoverTSN在邊緣計算中的角色

對于OPCUA常用的角色主要體現(xiàn)在信息模型，然而，必須結(jié)合邊緣計算的實際應用場景，我們才能更為清晰的了解到OPCUA將在其中扮演的角色，OPCUA大部分時間被討論在于傳輸（支持Client/Server,Pub/Sub機制的傳輸）、信息模型方面的能力，這里我們以數(shù)字孿生場景、機器學習應用場景中的OPCUA角色來闡述其重要性。

3.1OPCUA與數(shù)字孿生

在數(shù)字孿生的設計中，控制類設計軟件如ATLAB/Simulink可以為數(shù)字化模型提供OPCUA的接口，那么直接仿真的模型可以構(gòu)建一個基于OPCUA的信息傳遞規(guī)范，可以通過OPCUA接口與不同的控制器提供統(tǒng)一規(guī)范的連接，這樣就可以讓數(shù)字化的軟件與控制器進行快速的模型交互，實現(xiàn)數(shù)字孿生的上下行信息交互。

圖7顯示了一個基于OPCUA的連接，如B&R的AutomationStudio可以與MATLAB/Simulink通過OPCUA進行信息交互—當然，這同樣可以與其它第三方的控制器實現(xiàn)這樣的交互，對單個的控制器而言也許它的價值在于高效的信息建模，但對一個工廠涵蓋多家控制器而言，則意味著快速的跨平臺的連接。

圖7-基于OPCUA的數(shù)字孿生信息交互

在其它的數(shù)字化設計軟件如PTC、Solidworks均已提供了OPCUA的接口，并且可以與多種控制器連接，這樣就會實現(xiàn)機理模型、學習模型與控制器的交互，而無需為每個不同的連接建立復雜的交互接口。

通過數(shù)字孿生，可以實現(xiàn)虛擬交付、虛擬調(diào)試等任務，連接數(shù)字化設計、數(shù)字化運營以及數(shù)字化維護。

3.2機器學習的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)源

人工智能，包括機器學習被認為是制造業(yè)現(xiàn)場解決非線性、聚合、關聯(lián)性分析的有效途徑，基于各種數(shù)學算法與模型來實現(xiàn)對制造現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析，但是，對于機器學習而言，其必須實現(xiàn)以下幾個方面的條件：

（1）結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)：如果數(shù)據(jù)缺乏結(jié)構(gòu)性，會產(chǎn)生與學習算法模型的無法對接問題，或者會產(chǎn)生大量需要進行手動的映射變量的工作，而OPCUA提供了結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)，并且，在OPCUA的方法中對數(shù)據(jù)進行了一些預處理，如積分運算等，另外，基于OPCUA的SoA特征也使得各種數(shù)據(jù)應用可以便利的訪問現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)。

（2）有效數(shù)據(jù)：如果采樣大量無效數(shù)據(jù)，那么對于機器學習而言同樣是沒有意義的，OPCUA的各種行業(yè)伴隨模型充分體現(xiàn)了其在工業(yè)領域的深厚積累，例如注塑機信息模型就包括了注塑機的模腔溫度、壓力、鎖模力、螺桿進給速度等各種與注塑機質(zhì)量、運行相關的參數(shù)，這些已經(jīng)被驗證完整反映注塑機加工過程的信息模型為各種機器學習與數(shù)據(jù)分析平臺提供了快速構(gòu)建整個過程的數(shù)據(jù)。

關于高效傳輸不再累述，這是OPCUA眾所周知的基本功能，人工智能與現(xiàn)場連接同樣需要高效傳輸機制。

圖8-機器學習通過OPCUA獲得有效的結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)

圖8結(jié)合信息模型，進而分析機器學習中OPCUA所能提供的多個維度的支持。

3.3TSN為邊緣計算帶來架構(gòu)的柔性與便利

OPCUAoverTSN可以實現(xiàn)傳感器到云的傳輸，這件事情本身對整個工業(yè)應用場景是一個巨大的變革，突破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡的層層架構(gòu)，賦予了新的應用潛在的可能，使得整個運營管理更加透明、直接的數(shù)據(jù)實現(xiàn)奠定了基礎。

向邊緣計算的擴展，目前來說，IT和OT端都延伸到了邊緣計算這個領域，各自發(fā)力，OT以解決原有問題，以及新的形勢下的系統(tǒng)連接帶來的數(shù)據(jù)連接需求。

圖9-OPCUAoverTSN實現(xiàn)完全集成

邊緣計算對于數(shù)據(jù)的需求是多樣的，而這正是TSN網(wǎng)絡所要應對的，也即,TSN為這樣的場景而生。

TSN實際上不僅是一項技術(shù)，它對于IT和OT融合的格局將會產(chǎn)生深遠的影響：

（1）TSN使得新的計算架構(gòu)得以實現(xiàn)：傳統(tǒng)的控制集中式架構(gòu)，DCS分布式控制架構(gòu)，但是，未來，有了TSN,新的架構(gòu)可以實現(xiàn)任意形式的，分布或集中，可以說沒有邊界，數(shù)據(jù)可以直接通過TSN交換網(wǎng)絡被發(fā)送到云端，這構(gòu)成了應用的云端化，也會產(chǎn)生新的業(yè)務模式。

（2）TSN也將擴張到更多的領域，使得OT可以借助于更多的技術(shù)來解決問題。包括機器視覺、AR/VR，而解決問題不僅在控制，也在管理運營。

（3）TSN使得現(xiàn)場數(shù)據(jù)可以被有效的傳輸，分流，自動化在其中扮演更為靈活的角色，數(shù)據(jù)采集、信號處理本身就是自動化的優(yōu)勢，而借助于TSN會能夠讓自動化進入更為廣泛的領域，包括進入樓宇、智慧城市、交通、農(nóng)業(yè)等領域。

圖10-邊緣計算層級

圖10所示，為工業(yè)領域的邊緣計算從嵌入式到云端的整個層級過渡，這里必須依賴于OPCUAoverTSN從底層到頂層的連接。IT與OT如何發(fā)揮各自效應，則關鍵在于如何借助于OPCUAoverTSN的架構(gòu)來實現(xiàn)融合，如果各自為政，最終對于IT而言，則無法獲得經(jīng)濟性，對于OT同樣如此，如果無法取得經(jīng)濟性，高效益，用戶最終也無法讓整個架構(gòu)推進。

4、OPCUAoverTSN構(gòu)建全新OICT融合生態(tài)系統(tǒng)

技術(shù)的發(fā)展有一種自然而然的規(guī)則，非以人的意志為轉(zhuǎn)移，從IT與OT融合角度來看，的確需要一個新的生態(tài)系統(tǒng)—這是自然發(fā)展的規(guī)律，從競爭到競合，這是一個必然的過程，而對于IT與OT都屬于工程技術(shù)界，那么本身的融合自然依靠于技術(shù)來作為生態(tài)系統(tǒng)的基底，而能夠扮演這個角色的，就目前來看，想要使得雙方都能夠獲得有效數(shù)據(jù)傳輸，則TSN可以在其中扮演這個角色。

圖11-OPCUAoverTSN構(gòu)建未來制造技術(shù)生態(tài)

圖11為在OPCUA基金會中對于FLC-FieldLevelCommunication的定義，將TSN與OPCUA融合，構(gòu)成OPCUAoverTSN（注意這里的OPCUAoverTSN中over是一個標準連接寫法）。

對于IT與OT端而言，各自對如何推進制造有各自的想法和主張，但是，必須明確的是“融合”是誰也規(guī)避的，誰也不能自說自話，必須通過相互的配合，但是，各自又有“邊界”，對于OT而言，優(yōu)勢在于接近現(xiàn)場，對現(xiàn)場物理對象與模型、控制、優(yōu)化有直接的采集、連接、應用經(jīng)驗和知識積累，而對于IT則在于交換網(wǎng)絡、軟件、工具與方法等的積累，但是，相互逾越都不會專業(yè)，而邊界其實就在這個融合的標準與規(guī)范上，各自繼續(xù)發(fā)揮自身的優(yōu)勢，而又可以為用戶帶來基于轉(zhuǎn)型需求的價值提升。

至于這個生態(tài)系統(tǒng)所需的商業(yè)智慧，則需要來自IT與OT業(yè)界的同仁們共同來構(gòu)建，需要引入專業(yè)的生態(tài)系統(tǒng)研究的管理學家能夠參與其中，技術(shù)作為載體，而價值作為OT與IT各自有其發(fā)揮的領地，而如何平衡其中的關系與利益，則是來自于“人”的智慧。

關于貝加萊

貝加萊是一個總部位于奧地利并擁有遍布全球分支機構(gòu)的創(chuàng)新驅(qū)動型自動化企業(yè)，2017年7月，貝加萊成為ABB集團全球機器與工廠自動化業(yè)務單元。作為全球工業(yè)自動化領域的領導者，貝加萊融合了前沿技術(shù)與先進的工程能力，為各個產(chǎn)業(yè)客戶提供機器與工廠自動化、運動控制、HMI以及集成安全技術(shù)的完整解決方案。通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信標準如OPCUA、POWERLINK和openSAFETY以及貝加萊強大的AutomationStudio軟件開發(fā)環(huán)境，貝加萊不斷重新定義自動化工程的未來。貝加萊保持持續(xù)的創(chuàng)新精神，為客戶提供更為簡化以及超出預期的工業(yè)自動化領域前沿技術(shù)與方案。

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