离散制造业边缘计算解决方案白皮书

离散制造业边缘计算解决方案白皮书（征求意见稿）中国信息通信研究院工业互联网产业联盟2019年9月版权声明本白皮书版权属于中国信息通信研究院和工业互联网产业联盟，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本白皮书文字或者观点的，应注明“来源：中国信息通信研究院和工业互联网产业联盟”。违反上述声明者，编者将追究其相关法律责任。致谢本白皮书由中国信息通信研究院（以下简称“中国信通院”）、工业互联网产业联盟、边缘计算产业联盟、华为技术有限公司、中国科学院沈阳自动化研究所、广州中国科学院沈阳自动化研究所分所、树根互联技术有限公司、和利时科技集团有限公司、机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、阿里巴巴网络技术有限公司、北京亚控科技发展有限公司、华中科技大学、中国联合网络通信有限公司网络技术研究院、北京邮电大学等联合撰写发布，特此感谢！白皮书编制团队：时晓光、王哲、罗松、肖金超、胡晓晶、陈冰、王永辉、李天辉、刘学东、武兆宝、张硕、吕华章、刘秋妍、卢铁林、程晓磊、郎平、刘金娣、薛俊礼。前言数字化浪潮正席卷传统离散制造业，逐步优化了生产车间的工艺条件和生产流程，在这个过程中，边缘计算快速兴起并体现出特有优势。边缘计算是在靠近物或数据源头的网络边缘侧，构建融合网络、计算、存储、应用核心能力的分布式开放体系，就近提供智能化服务，满足离散制造业在敏捷联接、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，其为离散制造业的数字化、网络化、智能化转型提供了强大助力。同时，针对离散制造业的转型升级需求，其边缘计算解决方案在不断发展成熟，相关生态构建和产业布局也正在全球加速展开。在此关键时期，中国信息通信研究院联合工业互联网产业联盟共同发布《离散制造业边缘计算解决方案白皮书》（征求意见稿），把握离散制造业目前发展面临的挑战及边缘计算当前的应用现状，研判边缘计算为工业现场带来的真正价值，提出离散制造业边缘计算实施架构及技术体系，探索边缘计算解决方案实践，最后结合当前现状给出了离散制造业边缘计算技术和产业化发展建议。目录一、离散制造业发展面临的挑战及边缘计算的应用价值......1（一）离散制造业迎来新的发展机遇.................1（二）离散制造业转型发展对边缘计算能力的需求分析.21.制约离散制造业转型发展的关键因素...........22.边缘计算带来的工业现场价值.................4（三）离散制造业边缘计算应用基本情况.............81.边缘控制器层...............................82.边缘网关层................................103.边缘云层..................................10二、离散制造业边缘计算实施架构及技术体系............11（一）离散制造业边缘计算实施架构................11（二）离散制造业边缘计算关键技术................121.边缘智能.................................122.异构计算.................................133.互联互通技术.............................144.微服务...................................145.计算迁移.................................15三、离散制造业边缘计算解决方案实践..................15（一）汽车生产制造领域边缘计算解决方案实践......161.面临问题和挑战...........................162.边缘计算解决方案实践.....................183.实践效果.................................19（二）电子制造领域边缘计算解决方案实践..........201.面临问题和挑战...........................202.边缘计算解决方案实践.....................213.实践效果.................................23（三）工程机械领域边缘计算解决方案实践..........241.面临问题和挑战...........................242.边缘计算解决方案实践.....................253.实践效果.................................26（四）船舶制造领域边缘计算解决方案实践..........261.面临问题和挑战...........................262.边缘计算解决方案实践.....................293.实践效果.................................31（五）定制家具领域边缘计算解决方案实践..........311.面临问题和挑战...........................312.边缘计算解决方案实践.....................323.实践效果.................................33四、离散制造业边缘计算发展趋势及建议................34（一）离散制造业边缘计算未来展望................34（二）离散制造业边缘计算技术和产业化发展建议....351.产业化发展建议............................352.技术及标准发展建议........................36图表目录图1边缘计算通用架构.................................9图2离散制造业边缘计算实施参考架构..................12图3智能产线终端架构................................19图4电子生产数字化车间解决方案架构..................22图5智能生产系统架构................................26图6船舶舾装件制造行业个性化定制和自组织生产系统框架30图7定制家具生产系统解决方案架构....................33离散制造业边缘计算解决方案白皮书（征求意见稿）1一、离散制造业发展面临的挑战及边缘计算的应用价值（一）离散制造业迎来新的发展机遇在全球已经掀起的新一轮工业转型浪潮中，数字化是基础，网络化是支撑，智能化是目标，在此背景下，离散制造业转型面临巨大发展机遇。当前，在产品规划、设计、制造、运营等生产过程中，离散制造业产品、生产装备、工艺流程等已经逐步实现了数字化和网络化，且智能传感和人工智能等技术不断发展成熟，因此，离散制造业的全面转型已经具备了基础条件。而边缘计算作为工业互联网工厂内网的关键技术以及连接工厂内外网的有效手段，是推动离散制造业转型发展的重要使能技术。离散制造业与流程制造业相比，生产环节更加分散，生产设备更加多样，更容易通过软件改造工艺流程，而流程制造业因为其本身自动化水平已经很高，生产环节较为成熟封闭，且主要由硬件决定生产流程和产能，因此针对离散制造业的边缘计算解决方案率先在工业互联网应用中落地实施，边缘计算的功能和特点能够在实施过程中更易实现和展示，本白皮书也重点从离散制造业入手，进行边缘计算解决方案的分析。随着新的发展模式不断成熟，对高质量发展的需求不断增加，未来离散制造业生产方式将朝着智能化方向提升，个性化定制、网络化协同、智能化生产、服务化延伸成为引领制造业高端化的重要模式。而工业互联网边缘计算的兴起将推动离散制造业沿着数字化、网络化、离散制造业边缘计算解决方案白皮书（征求意见稿）2智能化阶段不断跃升。（二）离散制造业转型发展对边缘计算能力的需求分析1.制约离散制造业转型发展的关键因素随着新一代信息技术的进步和相关政策的支持，我国离散型制造业正积极的向数字化、网络化、智能化方向转型，但是制约离散制造业转型的因素仍有很多，例如多数离散制造企业没有统一的数据标准；特殊工艺规划等方面不易进行数字化积累；现有数据资源的可利用率不高，降低了数字化的实用价值；缺少统一规划和认证，工业现场存在众多“信息孤岛”，数据开放度低；工业现场网络协议多样异构，互联互通困难等，这些因素都为离散制造业转型发展造成阻碍。目前中国离散制造业自动化技术方面的发展现状及挑战如下：单机设备自动化软件的结构化和柔性化不足，缺少开放式接口，设备间缺少统一的互联互通标准。因为离散制造业涉及的行业众多，发展不均衡，整个离散制造业目前还未普遍实现基于订单的柔性自动化生产。总体上，随着数控机床、工业机器人以及可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController,PLC）的广泛应用，各个行业的单机自动化水平都有了较大提升，但离散制造业整体还处于以单机自动化为主和刚性自动化产线为主的状况，柔性自动化产线较少，真正实现基于订单的柔性自动化产线更少，OT系统和IT系统难以实现互联互通。数据采集困难，缺少完整的数据集成应用架构。目前离散制造业离散制造业边缘计算解决方案白皮书（征求意见稿）3普遍存在低端产能过剩、高端产能不足的情况。提高高端产能首先需要从装备入手提高生产品质。一方面，行业知识还需要长期积累来转化为设备工艺软件的进步；另一方面，数据驱动的应用还需进一步加强来促进工艺参数的优化、生产调度的优化、生产设备的实时监控诊断、预测性维护等。行业内大部分设备和产线传感器数量不足，一些关键的物理量尚缺乏有效的传感测量手段，一些自动化装备获取的状态数据没有通过开放式接口提供给第三方，且原有的自动化系统和架构都不能提供良好的支撑。装备和产线自动化软件系统薄弱，软件升级维护困难。在目前的发展阶段，各个离散制造行业的自动化软件水平极不均衡，在装备中还存在大量“黑盒子”，即缺少关键工艺控制能力，大量采用第三方的专用控制器，既难以实现工艺算法和软件的自主迭代升级，也影响了装备软件的统一架构设计。很多装备的人机交互软件、逻辑控制、运动控制等分布在多个PLC，专用控制器，触摸屏，甚至嵌入到底层的伺服驱动器等硬件中，相互之间连接和控制方式不尽相同，导致装备缺乏整体的软件架构设计。同时，软件与硬件耦合严重，设备的软件含量低，结构化设计不足，硬件设备和设备功能的更换升级都会造成大量的低效软件升级工作，距离“软件定义机器”的目标还比较远。生产线设备的功能安全和信息安全形势严峻。原有的大量自动化设备主要运行在刚性、封闭的自动化系统中，缺少内置的功能安全和信息安全机制，要适应柔性自动化生产，设备功能动态重构，与IT系统互联互通等要求，必须要有功能安全和信息安全的保障。离散制造业边缘计算解决方案白皮书（征求意见稿）4工厂运营人员劳动强度大，效率低。相对于流程行业，离散制造业的设备产线操作人员、品质检测人员、生产管理人员、设备维护人员工作内容更为繁琐，更容易出现疲劳状况。对于生产规划人员来说，离散制造涉及的不确定性因素较多，制定按需生产、有弹性的生产计划比较困难。一些关键零件加工环节、装配环节不能完全依赖于自动化，需要有经验的工人完成，目前尚缺乏有效的人机协作机制来减轻操作工人的劳动强度。基于机器视觉等手段的在线检测装置正获得广泛的应用，但在很多工厂，质量检测仍是一个劳动力密集环节。原有标准和解决方案不适应转型发展。原有的工厂自动化和信息化架构的参考模型主要是ISA-95的金字塔模型，该模型定义了工业现场设备及系统的接口和数据交换标准。目前，一方面在实际中该标准并没有得到很好的实现，广泛采用的是主流厂家以数据库为中心的方案；另一方面，该标准也需要进一步完善，适应离散制造业数字化转型的需求。2.边缘计算带来的工业现场价值随着离散制造业的发展，对高质量发展的需求不断增加，对业务时延、隐私和安全等指标的