5.4　边缘计算技术在智能制造中的应用

5.4.1　概念与内涵

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。它可以作为连接物理和数字世界的桥梁，使能智能资产、智能网关、智能系统和智能服务。

伴随行业数字化转型进程的不断深入，在技术与商业的双重驱动下，边缘计算技术将持续走向纵深。边缘计算技术具备以下基本特点和属性。

① 连接性：连接性是边缘计算的基础。所连接物理对象及应用场景具有多样性特点，需要边缘计算具备丰富的连接功能，如各种网络接口、网络协议、网络拓扑、网络部署与配置、网络管理与维护。为了实现边缘计算的连接性需要充分借鉴吸收网络领域先进研究成果，如TSN、SDN、NFV、Network as a Service、WLAN、NB-IoT、5G等技术，同时还要考虑与现有各种工业现场总线的互联互通。

② 数据第一入口：边缘计算是数据的第一入口，面临着数据实时性、准确性、多样性等的挑战。

③ 约束性：边缘计算产品需要在工业现场相对恶劣的工作条件与运行环境下进行工作，如防电磁、防尘、防爆、抗振动、抗电流/电压波动等。此外，在工业互联场景下，对边缘计算设备的功耗、成本、空间也有较高的要求。因此，边缘计算产品在设计时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。

④ 分布性：边缘计算产品的部署具有分布式特征。这要求边缘计算产品具有支持分布式计算与存储，适配分布式资源的动态调度与统一管理，支持分布式智能、具备分布式安全等能力。

⑤ 融合性：操作技术（Operation Technology，OT）和信息与通信技术（Information and Communications Technology，ICT）的融合是行业数字化转型的重要基础。边缘计算作为“OICT”融合与协同的关键承载，需要支持在连接、数据、管理、控制、应用、安全等方面的协同。

5.4.2　技术特征

图5.7所示为边缘计算参考架构2.0。

从参考架构的横向层次来看，边缘计算具有如下特点。

① 智能服务基于模型驱动的统一服务框架，通过开发服务框架和部署运营服务框架实现开发与部署智能协同，能够实现软件开发接口一致和部署运营自动化。

② 智能业务编排通过业务Fabric定义端到端业务流，实现业务敏捷。

③ 连接计算CCF（Connectivity and Computing Fabric）实现架构极简，对业务屏蔽边缘智能分布式架构的复杂性；实现OICT基础设施部署运营自动化和可视化，支撑边缘计算资源服务与行业业务需求的智能协同。

④ 智能ECN（Edge Computing Node）兼容多种异构连接，支持实时处理与响应，提供软硬一体化安全等。

边缘计算参考架构在每层提供了模型化的开放接口，实现了架构的全层次开放；边缘计算参考架构通过纵向管理服务、数据全生命周期服务、安全服务，实现业务的全流程、全生命周期的智能服务。

5.4.3　典型应用

1. 智能油田全流程优化管控系统

在石油化工领域，针对中石油全流程优化、降低开采成本的重大需求，中国科学院沈阳自动化研究所（以下简称沈自所）为中石油提供了针对石油化工领域的智能管控系统，该系统能够实现跨地质、工程、生产、维修全流程优化。该系统能够完成3个方面的具体工作：一是能够完成油井生产状态实时感知，智能诊断；二是实现了抽油机实时优化控制；三是对地质、油藏、生产数据等方面进行的综合性优化。该系统目前已在辽河、胜利、新疆、松辽油田推广应用，其效果非常显著：能够及时准确地诊断出油井发生油杆断脱故障，有效延长检泵周期；能够实现生产管理的智能化、自动化，减少人工投入达40%；使得产液量计量准确率达90%以上，抽油机有效节能达30%以上。

2. 石化生产过程参数在线监测与优化管控系统

针对石化工厂物料、能源计量与过程参数优化需求，沈自所实现了通过设备能源安全的全面感知结合生产工艺参数，进行多维度优化的整体优化系统。该系统能够及时判断出石化现场一些设备的故障，同时可以提高计量精度，提高现场操作人员的工作效率。该系统能够提供3个方面的功能：一是设备运行状态监测与故障诊断分析；二是能源在线实时计量与优化调控分析；三是移动作业安全监测与闭环管控。

目前该系统已在抚顺石化、兰州石化、安庆石化、齐鲁石化、茂名石化、天津石化等大型石化厂进行推广应用，效果主要体现在：能够及时准确诊断出机泵轴承故障，缩短停机检修周期60%；提供更加准确的计量，减少计量误差达86%；支持移动终端作业，提升现场维护效率达30%。

3. 离散行业柔性生产管控系统

离散制造的企业对于生产线的需求主要体现在3个方面。一是减员：自动化率偏低，有较大的人力成本压力，需要减少生产线上的工人数量。二是增效：批量定制模式下工艺调整频繁，导致生产效率低下，产能不足；自动化生产线普遍柔性程度不足，难以满足快速工艺调整需求，需要支持柔性制造的生产线，实现快速转产。三是品控：检测力度不足，产品质量难以严格把控，良品率波动较大。普遍采用抽检模式，质量追溯能力有限，缺乏有效的全检技术手段，需要细粒度的品质控制手段，对产品质量进行追溯。

目前自动化生产线普遍存在柔性不足的问题。虽然通过自动化生产线能够实现减员、增效和品控的目的，但柔性程度还是相对不足，因此难以满足快速工艺调整时对生产线快速转产的需求。所以，沈自所对传统模块化生产线的制造方式进行了升级，提出了针对工艺过程解耦的动态优化过程工艺。该工艺的特点是生产工序松耦合，能够进行产线级动态重构，工序分解重排。对此，沈自所设计了面向生产流程的动态服务编程技术及支持在线命令执行的服务适配器，分别可以解决基于Web服务的生产工艺与设备资源在线重构问题和设备即插即用自动化配置与互操作命令动态执行的问题。该系统能够实现生产线的产能增加30%，人员减少65%的显著效果；实现装配过程分钟级动态切单、转产；产品质量问题检测时间达到秒级，工艺缺陷追溯时间达到分钟级。