作者：趙安琪，李昊巍

中國工業互聯網研究院

導讀

面對邊緣計算運行環境不統一、適配難，工業邊緣計算微服務開發難度高，微服務生態系統碎片化，以及工業邊緣計算行業應用難以落地等技術和行業共性問題，本文實現了一種邊緣計算微服務操作系統，包括邊緣計算微服務運行層、邊緣計算微服務開發層，以及邊緣計算微服務工業組件庫，旨在提供微服務開發、集成、發布與共享為一體的敏捷式公共開發框架，提升工業微服務開發核心能力，強化工業物聯及智能應用開發技術支撐，推動我國新型基礎設施建設和制造行業智能化轉型升級。

01引言

工業大數據在智能制造中發揮著關鍵作用，特別是在實現系統內外因素交互的快速響應方面。工業設備在加工過程中產生的大量數據對于確保設備健康、故障診斷和優化產品質量等方面至關重要。然而，一方面工業設備產生的大量加工數據給數據的云端傳輸和存儲帶來了巨大壓力，人、機、物全要素互聯趨勢下，接入終端急劇增長，數據分散性、碎片化加劇，伴隨著生產業務實時性、可靠性和協作性等需求的不斷提高，現有云端模式處理能力捉襟見肘。邊緣計算是工業互聯網平臺的重要組成部分，具有從設備連接到邊緣智能的一系列重要功能，已廣泛應用于物聯網。另一方面，面對邊緣計算運行環境不統一、適配難，工業邊緣計算微服務開發難度高，微服務生態系統碎片化等技術和行業共性問題，傳統軟件的開發方法成本過于昂貴，開發方式過于僵化，開發周期長且定制化能力弱，難以為工業企業提供高效、便捷的軟件產品交付，工業領域亟需推出一種具備邊緣計算微服務統一、敏捷開發框架的邊緣計算計算微服務操作系統。

02國內外發展現狀

國內外工業企業、工業轉型升級服務商和互聯網企業在工業互聯網邊緣計算微服務建設方面均有投入。國外方面，GE Predix、西門子MindSphere、AWS IoT Greengrass 和Microsoft Azure IoT Edge 等都圍繞自身優勢和平臺應用的可復用能力，通過云平臺支持邊緣計算微服務容器的部署、運行和管理，從而達到簡化工業組件開發部署等目的。

國內方面，阿里巴巴、華為等國內主要邊緣計算平臺，都圍繞我國工業產業特點，進行了邊緣計算的微服務開發建設。建設和發展面向特定行業的工業互聯網邊緣計算微服務操作系統，正在成為全球工業轉型升級的新趨勢。

03系統架構設計

3.1 需求分析

工業互聯網是新一代信息通信技術與先進制造業深度融合所形成的新興業態與應用模式。其中，邊緣計算是在位于邊緣層靠近物或數據源頭的網絡邊緣側構建的融合網絡、計算、存儲及應用核心能力的分布式開放體系和關鍵技術，是工業互聯網平臺的重要組成部分。然而，由于各類型企業傳統優勢不同，技術棧不同，整體架構各異，使得當前的邊緣計算軟件之間的互通性和互操作性不強，數據采集、協議轉換、工業機理及智能算法等模塊復用困難，缺乏能夠結合各家所長的、兼容性強的統一技術框架。本文基于工業系統的傳統應用模式，將工業制造領域具有共性技術和數據資源進行整合， 突破傳統工控系統復雜而龐大的設計與開發模式，提高工控系統的交付與應用效率。

3.2 架構設計

邊緣計算微服務操作系統架構如圖1 所示，針對系統環境缺失、組件語義鴻溝、生態協同障礙和應用實踐模式等問題，具備邊緣計算微服務運行層、邊緣計算微服務開發層、邊緣計算微服務基礎組件庫和工業應用場景等四個層次。

1）邊緣計算微服務運行層。采用數字孿生、國產AI 芯片等軟硬件技術，構建異構時序存儲，以及派生數據輕量化編排服務，實現邊緣側設備和信息系統數據采集、工業協議解析與數據格式轉換，以及數據存儲與標準化數據訪問。

2）邊緣計算微服務開發層。邊緣計算微服務協同開發和調試環境，開發邊緣計算微服務公共開發框架，集成工業低代碼機制，實現工業組態軟件設計與在線發布， 支持邊緣計算微服務的打包及遠程部署，以及對工業模型微服務組件化及工業算法封裝與部署。

3）邊緣計算微服務基礎組件庫。實現工業組件數據算法及在線發布，開發設備連接、數據采集、協議解析和數據格式轉換的工業邊緣計算微服務插件，預制行業設備組態模型和工業特征計算模型，形成針對特定行業的工業數據清洗、過濾和預處理微服務插件。

4）工業應用場景。基于邊緣計算微服務操作系統， 用戶可快速開發自定義的工業數字化應用，支持設備狀態監測、OEE 分析、故障智能診斷和預測預警等工業應用場景，推動工業企業智能化生產的轉型升級。

02單元模塊設計

4.1 微服務運行設計

邊緣計算微服務運行層設計架構如圖2 所示。在基礎系統方向上，從系統的計算、存儲和網絡三個方面， 實現輕量計算、高效存儲和可信終端接入，支持數控裝備端操作系統的時序數據邊緣存儲及基于國產AI 芯片的邊緣計算引擎。

在業務模塊方向上，基于國家標準化NC-Link 協議， 從協議解析、數據采集和派生數據計算方向，支持系統運行環境構建、工業設備及信息系統的協議解析和數據采集，以及提供派生數據計算服務，構建面向數控裝備端上安全的多協議邊緣數據交互網關。

在系統管理方面，采用微服務的適配器方式，通過云端web 或GUI 操作界面，實現與工業操作系統設備端的信息交互，解決遠程調試與配置參數問題，滿足輕維護、輕部署的可視化維護要求。

在系統部署與調度方面，采用邊云相結合的微服務技術架構及部署方式，在設備端采用輕維護、輕部署的系統運行環境，在云端部署工業大腦，實現策略、數據、計算和管理的集中管控與統一調度。

4.2 微服務開發設計

邊緣計算微服務開發層以邊緣計算微服務運行層為基礎，通過運行層提供的多源異構網絡與數據的采集、協議解析和數據格式轉換方法和開發工具等功能，支持系統運行環境構建、工業設備及信息系統的協議解析和數據采集，在數據接入的基礎上開展微服務操作系統開發和調試環境建設，以低代碼開發模式為設計思想，通過屏蔽底層邊緣端的系統差異性，提供微服務開發、集成、發布與共享為一體等核心開發和調試環境，貫穿了邊緣計算的完整開發生命周期，技術方案如圖3 所示。

1）業務子模塊開發與測試。支持邊緣計算業務功能開發者可以根據分散的業務需求，完成相互獨立或關聯的功能或服務模塊，模塊可以實現從數據導入、存儲、計算到可視化的多種業務或服務功能。同時提供豐富的數據仿真能力，支撐各模塊的在線小批量或壓力測試。

2）微服務開發與集成。支持邊緣計算微服務開發者按實際業務需求，將業務子模塊進行按需、按流程組合， 同時基于業務子模塊，快速進行面向邊緣側工業設備的服務集成，并提供便捷的應用前端設計工具，以低代碼開發方式實現設計，與業務子模塊無縫整合，快速開發符合業務需求的微服務應用。

3）微服務執行與發布。支持對開發的微服務進行快速執行與發布，一方面實現面向邊緣側工業設備的服務執行，滿足多設備量下的微服務部署；另一方面支持將微服務發布到多個終端，促進和實現微服務知識與價值共享。

4）微服務業務與數據分享。支持對微服務內的特定服務或數據的系統外分享，以服務接口、數據接口或者外部鏈接模式，實現邊緣計算微服務操作系統的能力外延。

4.3 微服務組件庫

在邊緣計算微服務操作系統的運行及開發層的基礎上，開發多源異構邊緣計算的數據采集、數據預處理、數據計算和數據應用等工業組件，工業微服務組件架構如圖4 所示。如通過邊緣側設備與信息系統數據采集組件， 可實現面向工業設備及業務系統的數據采集；通過工業數據預處理邊緣微服務組件，可實現面向工業邊緣端的數據預處理；通過工業數據高效管理組件，可實現工業數據的集成存儲；通過實時流計算組件，可實現工業邊緣數據的計算和數據流監控等。

05系統應用

本文依托標準化NC-Link 協議，實現了面向多源異構工業設備的邊緣計算網關、基于組態技術的低代碼邊緣計算微服務開發技術，形成了具備邊緣計算微服務統一、敏捷開發框架的工業互聯網平臺邊緣計算微服務操作系統，交互示例如圖所示，可助力工業企業達到以下應用效果。

1）基于微服務技術開發構建邊緣計算微服務操作系統開發環境，建設統一框架的邊緣計算微服務組態開發平臺，提升了工業軟件的敏捷開發與快速發布能力。

2）形成豐富的開發工具箱和組件模型庫，基于標準化NC-Link 協議的設備、系統互聯與多源異構數據集成，提升工業互聯網平臺的數據接入能力和應用場景服務能力。

3）打造面向數據應用的“端- 邊- 云”協同分析體系， 實現實時反饋優化應用和強算力遠程服務的融合。

4）實現設備狀態分析、健康狀態評估和生產數據統計等數字化賦能，以工業現場生產“黑箱”透明化，為生產效率持續改進提供有效的數據決策。

5）通過建立設備生產過程畫像，分析設備及其關鍵功能部件的健康狀態及使用壽命等，實現生產設備的預測性維護，助力運維服務降本增效。

6）基于邊緣計算與人工智能技術結合，科學提取生產質量的隨機波動與異常波動特征，形成高效的生產質量監控和質量檢測手段，滲透全新的產業質量管理模式。

7）以邊緣智能決策技術實現工業產線的柔性制造， 面向生產制造全過程提供智能控制、優化排產，助力工業企業的自動化、智能化生產，提升生產效率。

06結束語

本文提出的邊緣計算微服務操作系統解決了傳統邊緣計算平臺通常具有平臺差異化大、開發標準/ 語言不統一等問題，構建了一套完備的應用開發、集成、部署及共享平臺，使開發者無需耗費很大精力去解決不同邊緣端的應用適配性、兼容性及穩定性問題，提升邊緣計算微服務的開發效率。未來對邊緣計算微服務操作系統的研究將會從以下兩個方面展開。

1）確定性時延。由于在工業環境中多數情況下對于低時延有嚴格要求，但是一昧地追求極致的低時延并不會為整體工業過程帶來更好的效應，目前而言對于工業場景下的確定性時延相關的實質性突破研究較少，后續可對5G 與時間敏感網絡（TSN）相結合展開研究。

2）工業網絡安全建設。面向數控機床功能安全/ 信息安全威脅隱患，開展風險分析，明確威脅源與安全風險， 開展標準化工作，重點針對數控機床風險分析缺乏規范性指導、數控機床設備/ 系統/ 網絡等缺乏安全防護要求、數控機床管理制度標準化工作不足等問題，研制關鍵核心安全要求標準，服務于工業企業開展數控系統安全防護工作。

來源 | 《智能制造》4期雜志

審核編輯：湯梓紅