邊緣計算在智能制造趨勢下的應用場景探索

作者：佚名 2022-01-11 11:24:32

云計算

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邊緣計算 隨著工業(yè)4.0的提出，全球越來越多的制造企業(yè)在云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能和5G等技術的共同作用下開展工業(yè)4.0的實踐。以新一代信息技術與先進制造技術深度融合為基本特征的智能制造，已成為這次新工業(yè)革命的核心驅動力。

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概述

隨著工業(yè)4.0的提出，全球越來越多的制造企業(yè)在云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能和5G等技術的共同作用下開展工業(yè)4.0的實踐。以新一代信息技術與先進制造技術深度融合為基本特征的智能制造，已成為這次新工業(yè)革命的核心驅動力。

智能制造利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術，貫穿于設計、生產(chǎn)、營銷、服務、管理等制造活動各個環(huán)節(jié)，具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、精準控制自執(zhí)行等功能的先進制造過程、系統(tǒng)和模式的總稱。在傳統(tǒng)制造業(yè)進行數(shù)字化、自動化、智能化轉型升級的過程中，人工智能技術廣泛應用于制造業(yè)的研發(fā)設計、制造過程及運維等階段，以實現(xiàn)制造業(yè)產(chǎn)品全生命周期的自動化分析、推理、判斷和決策。

應用以往的云計算解決方案，將所有的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)中心進行計算已經(jīng)很難滿足工廠現(xiàn)場執(zhí)行層面對處理性能、效率的嚴苛要求。為了滿足工廠側的需求，邊緣計算的出現(xiàn)完美的彌補了邊緣側對數(shù)據(jù)快速處理、決策快速執(zhí)行的要求。

什么是邊緣計算?

智能制造的核心目標其實就是“降本增效”，通過各種先進的信息化技術推動制造業(yè)向數(shù)字化、智能化、個性化、定制化等新方向升級，實現(xiàn)數(shù)字化轉型，從而提升效率、降低成本，給終端用戶帶來更好的體驗。

邊緣計算只是制造業(yè)實現(xiàn)智能制造進程中所使用的一種技術，通過它可以更好、更快的實現(xiàn)數(shù)字化轉型。百度百科中解釋道“邊緣計算，是指在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的一側，采用網(wǎng)絡、計算、存儲、應用核心能力為一體的開放平臺，就近提供最近端服務。其應用程序在邊緣側發(fā)起，產(chǎn)生更快的網(wǎng)絡服務響應，滿足行業(yè)在實時業(yè)務、應用智能、安全與隱私保護等方面的基本需求。邊緣計算處于物理實體和工業(yè)連接之間，或處于物理實體的頂端。而云端計算，仍然可以訪問邊緣計算的歷史數(shù)據(jù)?！?/p>

說的通俗一點，邊緣計算本身也屬于一種分布式計算，將原本集中處理的能力，分散到各個邊緣節(jié)點去處理。由于邊緣節(jié)點更接近生產(chǎn)側，可以加速數(shù)據(jù)的收集、存儲、分析及決策，而不需要將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳送到遠端的計算平臺。同時加速數(shù)據(jù)的傳送，減少網(wǎng)絡延遲，提升效率，提高安全隱私保護。

邊緣計算在智能制造中的主要功能

• 數(shù)據(jù)存儲：邊緣計算網(wǎng)關自身具備一定的數(shù)據(jù)存儲能力，用于對采集到的多種多樣的工業(yè)設備數(shù)據(jù)進行存儲，數(shù)據(jù)包括且不限于實時運行數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)及故障數(shù)據(jù)。由于邊緣網(wǎng)關的硬件存儲容量有限，不可能將所求數(shù)據(jù)全部存儲，所以會根據(jù)需求定期將過期數(shù)據(jù)上傳到云平臺進行歷史查詢與分析，從而釋放多余空間，存儲更多數(shù)據(jù)。
• 多接入?yún)f(xié)議互轉：工廠線邊的設備種類很多，采用的協(xié)議也是多種多樣。為實現(xiàn)I T與OT的融合，完成機器或者說是設備與設備間的信息傳遞，需要通過協(xié)議進行轉換。邊緣計算就具備協(xié)議翻譯的能力，可以將設備的所在的OT協(xié)議翻譯成信息系統(tǒng)能夠解析的IT協(xié)議，完成設備層多OT協(xié)議與IT協(xié)議的轉換。
• 及時分析：邊緣計算本身就是分布式技術的延伸，解決邊緣層數(shù)據(jù)的快速處理與分析問題，減少網(wǎng)絡傳輸延遲帶來的業(yè)務影響?？梢葬槍缶?guī)則的設置、數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的過濾等基本操作，帶來更優(yōu)的體驗。
• 邊緣控制：邊緣計算網(wǎng)關在采集到生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)后，能夠根據(jù)業(yè)務人員預置的規(guī)則對設備的運行狀態(tài)進行自動反饋控制，無需上傳到云端進行計算，可在邊緣層形成一個閉環(huán)，保證時效性。

邊緣計算的優(yōu)勢

邊緣計算的發(fā)展前景非常廣闊，它是對云計算的補充和延伸，也號稱“人工智能的最后一公里”，雖然目前邊緣計算還處于發(fā)展的初期，但是隨著AI、5G、IPV6等技術的成熟及普及，阻礙前進的部分問題將被逐一解決。

利用邊緣計算可以助力傳統(tǒng)的制造企業(yè)快速實現(xiàn)智能制造，提速數(shù)字化轉型步伐，可以有效的推進企業(yè)信息化變革：

數(shù)據(jù)傳輸速度快：

• 正所謂，天下武功，唯快不破，網(wǎng)絡傳輸速度更是如此，高效、快速的傳輸速度是
• 確保業(yè)務正常提供服務的基礎條件之一。對于制造型企業(yè)而言，如車企，速度是非常最重要的。如車輛碰撞測試、研發(fā)數(shù)模等，在很大程度上依賴于快速計算，速度的延遲很可能造成數(shù)據(jù)無法及時提供，致使制造和研發(fā)工作受到影響。醫(yī)療保健行業(yè)也高度依賴網(wǎng)絡速度，幾毫秒就足以決定一個人的命運。類似提供數(shù)據(jù)驅動服務的企業(yè)，速度緩慢可能會使客戶丟失嚴重，損害企業(yè)的聲譽。
• 邊緣計算的優(yōu)勢之一就是它非常的快，無論是網(wǎng)絡傳輸速度還是計算處理速度。在使用邊緣計算架構中，所有設備將在邊緣數(shù)據(jù)中心或本地處理數(shù)據(jù)，無需將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫嘶蛘咧醒敕掌鬟M行處理。

基礎架構易擴展：

• 傳統(tǒng)架構中，因業(yè)務系統(tǒng)的需求擴展現(xiàn)有IT基礎設施架構，成本是非常高昂的，如采購相關的計算、網(wǎng)絡和存儲硬件，同時也要考慮各種軟件間的兼容等等，增加了擴展數(shù)據(jù)中心的難度。
• 利用邊緣計算架構可以輕松的進行基礎架構的擴展，其本身就是分布式架構?？梢园葱柙陔x數(shù)據(jù)側最近的地方增加計算網(wǎng)關用于擴展邊緣網(wǎng)絡，無需為其數(shù)據(jù)需求建立私有或集中式的數(shù)據(jù)中心。同時也可以將邊緣計算與托管服務結合使用來擴展邊緣網(wǎng)絡，無需花錢購買任何新設備。

數(shù)據(jù)安全有保障：

• 邊緣計算架構縮短了數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂?，更多的?shù)據(jù)將在本地進行處理，無法進行網(wǎng)絡傳輸，自然減少了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中傳輸所帶來的各種安全風險。同時若所有數(shù)據(jù)都傳輸回主服務器，則操作過程和數(shù)據(jù)受到攻擊的概率將加大，如拒絕服務攻擊(DDoS)足以擾亂公司內的整個業(yè)務。利用邊緣計算將數(shù)據(jù)分配在不同的數(shù)據(jù)中心和設備之間進行數(shù)據(jù)處理。因此，針對受到DDoS攻擊的概率會下降，也將增加攻擊的成本和難度，因為黑客無法通過攻擊一臺設備來影響整個網(wǎng)絡。針對本地存儲的數(shù)據(jù)和分析處理過程，安全人員可以輕松地對其進行監(jiān)測，增加數(shù)據(jù)的安全性。

計算架構高可靠：

• 架構的高可用直接關系解決方案的可落地性，與云計算架構相比，邊緣計算在云計算機的基礎上又提供了一種更好的可靠性。邊緣計算節(jié)點均位于離數(shù)據(jù)最近的區(qū)域，分布式部署，單點的網(wǎng)絡中斷不會影響整體業(yè)務，物聯(lián)網(wǎng)設備可以自動的將請求發(fā)給最近的數(shù)據(jù)中心處理。

分散的數(shù)據(jù)處理架構，也可以將風險進行分散，防止類似云計算中心那種集中式的架構管理模式。同時，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心在可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量上也有一些限制，如帶寬、設備接入量等。

數(shù)據(jù)類型廣接入：

• 個人認為邊緣計算是為物聯(lián)網(wǎng)而生的一種技術，更好的實現(xiàn)萬物互聯(lián)。隨著物聯(lián)網(wǎng)趨勢的蓬勃發(fā)展，越來越多的設備實現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)。從之前的人與人已經(jīng)延伸到人-物、物與物的時代。邊緣計算具備各種設備和類型的廣接入能力，在單設備接入的前提下提升了一個數(shù)量級，至此服務器可以接入更多個設備。尤其針對制造企業(yè)，產(chǎn)線上的作業(yè)設備繁多而接口類型復雜，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量更是數(shù)以萬計。使用邊緣計算可以更好的支持以上業(yè)務的數(shù)據(jù)處理需求，同時保障生產(chǎn)業(yè)務的不間斷運行。

邊緣計算在智能制造方面的應用場景探索

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，工業(yè)4.0和中國制造2025加速了制造企業(yè)的智能制造步伐，利用邊緣計算特性可以更好的輔助和推動智能制造在傳統(tǒng)制造行業(yè)內的實踐。邊緣計算雖然是一種分布式的技術，但確是在低延時、高帶寬、廣接入的背景下發(fā)展起來的技術，更貼合制造業(yè)對邊線快速處理場景的需求。

工廠側可以利用邊緣計算網(wǎng)關直接對本地數(shù)據(jù)進行采集、清洗、存儲、分析等實時處理操作。同時，邊緣計算還可以提供多協(xié)議轉換的能力，實現(xiàn)多種工業(yè)設備的統(tǒng)一接入。產(chǎn)線設備對數(shù)據(jù)的交換延時非常敏感，例如西門子的Profinet的RT模式要求延時小于1 0ms，若要更好的利用邊緣計算的能力，還需要不斷的研究探索，根據(jù)不同的場景提出更專業(yè)、更貼合實際的部署方案。

場景1-邊緣計算與5G雙劍合璧實現(xiàn)廠內AGV聯(lián)網(wǎng)

以汽車行業(yè)為例，在傳統(tǒng)的汽車制造車間內，AGV小車被廣泛應用于物流傳送、倉儲管理及線邊上下料過程中。通過AGV小車，可以有效的、方便的將各種零部件發(fā)送到線邊，供車間工人進行組裝。設計上，AGV利用基于電磁等自動導航系統(tǒng)的定位技術，能夠沿預定的牽引路徑行駛，是具有基于自主移動導航能力處理簡單重復性工作的運輸機器人。

以前在車廠的建設期主要通過Wi-Fi實現(xiàn)AGV小車與管理平臺的通信，進行指令下發(fā)、回傳等信號傳輸工作。但當AGV的服務面積擴大，本身的弱點也就暴露了出來。現(xiàn)在的車間面積都很大，尤其是商用車的總裝車間。在面積較大的區(qū)域內工作時，現(xiàn)有Wi-Fi技術存在干擾、數(shù)據(jù)丟失、切換差等問題，無法保證穩(wěn)定的網(wǎng)絡連接環(huán)境，易造成指令傳輸問題，導致生產(chǎn)事故。同時在長時間的連續(xù)作業(yè)時，AGV對自身存儲空間和計算處理能力都有較高的要求，為此，從降低網(wǎng)絡部署復雜度、進一步提升鏈路穩(wěn)定性及數(shù)據(jù)最近處理的角度出發(fā)，AGV應用場景對于高可靠邊緣計算網(wǎng)絡的需求日益迫切。

借助5G通信技術與邊緣計算網(wǎng)絡架構的結合，可以有效解決車間現(xiàn)有AGV應用場景所面臨的網(wǎng)絡穩(wěn)定性和存儲、計算能力不足等問題。

5G作為新一代的通信技術，具備低延時、高帶寬、廣接入的特性，可以解決不同場所針對網(wǎng)絡速度、穩(wěn)定性的需求。利用低延時特性提供更加可靠的寬帶低時延的網(wǎng)絡環(huán)境，時延控制在10ms左右、抖動僅2ms，有效保障了AGV在運行中的精準連續(xù)控制，解決非授權頻段無線技術在AGV應用中存在的信號易干擾、不穩(wěn)定、丟包等問題。實現(xiàn)AGV管理平臺實時下發(fā)控制指令，確保產(chǎn)線上AGV機器人按照指令進行貨物收貨、分揀、入庫、搬運、出庫等操作。

邊緣計算網(wǎng)關部署在離AGV設備最近的線邊或者零部件物流區(qū)域，利用分布式計算和存儲能力，實現(xiàn)AGV數(shù)據(jù)的本地存儲和實時分析。在云端與AGV之間建立一道快速處理通道，與云平臺協(xié)同算力，降低數(shù)據(jù)處理成本的同時，提升車間及物流區(qū)AGV的工作效率與穩(wěn)定性。

場景2-利用邊緣計算圖形處理能力實現(xiàn)邊線質檢

以汽車制造為例，每天工廠要下線的車輛數(shù)超過千萬臺，各種零部件在流水線上川流不息，按照設計工藝組裝成不同的車機型號交付給最終客戶。在這個過程中，質量把控是關鍵的一個流程。質檢人員每天要完成上千萬多個零件的檢驗，差不多平均每分鐘要檢測數(shù)十種配件，在車機下線前還要進行整車檢查。在銷售旺季，質檢人員連續(xù)工作超過10個小時的情況很常見。

在這種檢查的模式下，質檢人員工作負荷大，人員精力跟不上，易出現(xiàn)漏檢、錯檢成的情況。為此汽車制造企業(yè)考慮如何減輕質檢人員的工作壓力，提高產(chǎn)品質量，已成為一個亟待解決的難題。

邊緣計算屬于分布式架構，可以很好的在數(shù)據(jù)最近的線邊收集、分析和處理數(shù)據(jù)，結合深度學習、圖形算法及AI技術，形成一套行之有效的工業(yè)線邊側的智能化圖形質檢解決方案。利用如英偉達的EGX邊緣服務器，通過實時讀取質檢圖片、分析圖片內容、定位缺陷，判斷缺陷類型，進行智能告警，而無需將所有的數(shù)據(jù)上傳到云端進行計算，造成延時過大的問題。這樣及滿足了就近分析的業(yè)務需求，也滿足了生產(chǎn)對于網(wǎng)絡延時的要求。與此同時，也可以與云平臺相結合，將這些歷史數(shù)據(jù)反饋到云端，做進一步的分析，為后期的邊緣計算中的圖形算法進行優(yōu)化。

利用邊緣計算網(wǎng)絡及圖形化的AI質檢方案，可以快速、精準的捕捉質檢中常見的缺陷，不會造成大量漏檢、錯檢，提升員工效率的同時提高產(chǎn)品出廠質量。

場景3-邊緣計算框架實現(xiàn)海量IoT數(shù)據(jù)本地處理

從國家層面提出的“中國制造2025”，勵志從現(xiàn)在的制造大國變成制造強國，其中物聯(lián)網(wǎng)是很關鍵的一個應用。

在汽車制造類型的企業(yè)中，聯(lián)網(wǎng)是IoT的基本原則，也是提升企業(yè)效率最直接的方式。從各種范例來看，聯(lián)網(wǎng)的整車工廠遠比沒有聯(lián)網(wǎng)的整車工廠工作效率更高、更智能和更有成本優(yōu)勢。同時，在其他行業(yè)內已經(jīng)出現(xiàn)了很多智能化終端，通過網(wǎng)聯(lián)化，實現(xiàn)終端用戶需求第一時間獲取，遠程訪問歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)。從而對數(shù)據(jù)進行分析，更快的將用戶實際需求反饋給工廠，制造出滿足用戶實際需求的產(chǎn)品。

智能化工廠首先要實現(xiàn)的就是一切資源數(shù)字化，利用邊緣計算架構，實現(xiàn)IoT網(wǎng)絡構建，獲悉終端設備的各種運行數(shù)據(jù)，從而存儲和分析，智能的做出方案，提供決策依據(jù)。如工廠的智能水表、智能園區(qū)、智能消防等等，數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶罱倪吘売嬎愎?jié)點進行實時分析處理。

在工廠車間，物聯(lián)網(wǎng)可以從生產(chǎn)設備到生產(chǎn)零件，從傳感器嵌入式自動化控制到能量計，從車到倉庫的智能貨架，連接各種制造資產(chǎn)，提升制造效率的同時，使工廠更加的智慧。同時，傳統(tǒng)的汽車企業(yè)也在向數(shù)字化轉型，逐步將車作為智能終端，提供更加智能、貼合用戶需求的服務，車聯(lián)網(wǎng)就是車企最重要的終端服務方式。邊緣計算也是車聯(lián)網(wǎng)眾多核心技術之一，以車為終端，進行車內、外的數(shù)據(jù)采集、分析和快速處理，滿足未來自動駕駛的需求。

結束語

從智能制造及數(shù)字化轉型的發(fā)展趨勢來看，邊緣計算在智能制造領域的落地是必然的，也是大勢所趨，尤其是在車聯(lián)網(wǎng)風頭正熱的汽車制造業(yè)。邊緣計算作為云計算的有效補充，已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心在未來的標準配置，加上物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、AI圖形處理、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術的加持，現(xiàn)在已經(jīng)成為汽車制造企業(yè)轉型為智能制造企業(yè)的最佳窗口。

在智能制造中，邊緣計算的應用場景不僅僅局限在類似EGX的圖形處理上、物聯(lián)網(wǎng)的分析上以及網(wǎng)絡優(yōu)化上，更重要的是邊緣計算涉及到的上下游領域很多，如政府機構、運營商、廠商、其他生態(tài)伙伴，甚至全球/與之相關的協(xié)會等合作伙伴。

在未來，構建開放的邊緣計算平臺，凝聚各行各業(yè)的邊緣計算優(yōu)勢，已成為邊緣計算發(fā)展趨勢，更加有利于加快企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化轉型的步伐。

當前標題：邊緣計算在智能制造趨勢下的應用場景探索
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