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1.1 引言/導(dǎo)讀

邊緣聯(lián)接業(yè)務(wù)和生產(chǎn)現(xiàn)場，是目前行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)的主要研究方向。邊緣控制是智能制造的關(guān)鍵，也是我國工業(yè)控制彎道超車的關(guān)鍵要素。基于邊緣計算重構(gòu)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，工業(yè)系統(tǒng)從典型的五層架構(gòu)，將走向開放的、軟硬件解耦的的下一代三層工控系統(tǒng)機構(gòu)。

確定性融合邊緣一體機探索開放的確定性IOT融合網(wǎng)絡(luò)，國產(chǎn)化實時操作系統(tǒng)等技術(shù)，打造融合聯(lián)接、融合計算、融合業(yè)務(wù)的智能邊緣控制節(jié)點，實現(xiàn)OT域的國產(chǎn)化，網(wǎng)絡(luò)的開放化。

1.2 關(guān)鍵詞

DIP、歐拉操作系統(tǒng)、容器、虛擬化、IEC61499

1.3 測試床項目承接主體

1.3.1 發(fā)起公司和主要聯(lián)系人聯(lián)系方式

華為技術(shù)有限公司  

吳治國，電話：15618889477，電子郵箱：wuzhiguo@huawei.com

王金斌，電話：13916476178，電子郵箱：wangjinbin@huawei.com

1.3.2 合作公司

上海交通大學(xué)

寶信軟件

1.4 測試床項目目標

本測試床依托確定性聯(lián)接技術(shù)和下一代工業(yè)控制邊緣計算架構(gòu)，打造遠程、集中的工業(yè)控制模式，讓操作人員可以在更安全、更舒適的集中控制室完成生產(chǎn)任務(wù)，也讓大型企業(yè)得以在更大范圍內(nèi)實現(xiàn)總部、多基地之間的生產(chǎn)要素調(diào)度和優(yōu)化。對于加速云化PLC的發(fā)展，帶動下一代工業(yè)控制邊緣計算架構(gòu)的發(fā)展和升級，起到積極示范效應(yīng)。

基于AII開放的全棧國產(chǎn)化工控邊緣體系架構(gòu)，打造融合計算、存儲、確定性網(wǎng)絡(luò)等的邊緣一體機。

? 基于國產(chǎn)鯤鵬生態(tài)的實時操作系統(tǒng)；

? 確定性的IT/OT融合網(wǎng)絡(luò)；

? 支持融合計算業(yè)務(wù)；

? IEC61499軟件開發(fā)架構(gòu)的探索。

1.5 測試床方案架構(gòu)

1.5.1 測試床應(yīng)用場景

以機器人、數(shù)控機床等為主的智能化高端裝備，利用自主感知與連接獲取機床、加工、工況、環(huán)境有關(guān)的信息，通過自主學(xué)習(xí)與建模，完成自主控制與執(zhí)行，實現(xiàn)加工制造過程的優(yōu)質(zhì)、高效、安全、可靠和低耗的多目標優(yōu)化運行。需要邊緣一體機支持提供穩(wěn)定的運行環(huán)境，如高速的傳輸通道，確定性計算等。

鋼鐵等行業(yè)，工作環(huán)境惡劣，客戶期望通過遠程集中控制減少危險作業(yè)環(huán)境對人的依賴，減少人員傷亡，改善工作環(huán)境；對于集團型企業(yè)，客戶期望通過集團統(tǒng)一控制，實現(xiàn)各個公司的工藝水平拉齊，保持工藝一致性，同時對于特殊關(guān)鍵產(chǎn)品的工藝參數(shù)集中管控，不希望分散到各個子業(yè)務(wù)部門，實現(xiàn)保密性。

另外，柔性生產(chǎn)、多軸加工等對產(chǎn)線間協(xié)同生產(chǎn)提出了新的要求，單純依靠原有的節(jié)拍或者監(jiān)測控制的方式，已經(jīng)無法完全滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的需要。這都需要引入邊緣控制，增強實時性和協(xié)同性，同時提升效率降低成本。

1.5.2 測試床架構(gòu)

基于AII工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，邊緣側(cè)提供提供海量工業(yè)數(shù)據(jù)接入、轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)預(yù)處理和邊緣分析應(yīng)用等功能。確定性融合邊緣一體機探索 開放的確定性IOT融合網(wǎng)絡(luò)，國產(chǎn)化實時操作系統(tǒng)等為技術(shù)，打造融合聯(lián)接、融合計算、融合業(yè)務(wù)的智能邊緣控制節(jié)點，實現(xiàn)OT域的國產(chǎn)化，網(wǎng)絡(luò)的開放化。

確定性融合邊緣一體機在端-邊-云三層架構(gòu)中位置如下：

提供存儲、計算、AI一體化功能，支持非實時輔助業(yè)務(wù)和軟實時業(yè)務(wù)，支持DIP，兼容工業(yè)協(xié)議。整體協(xié)議架構(gòu)如下：

車間和設(shè)備的確定性聯(lián)接，支持IOT共管道高可靠、低抖動聯(lián)接，可擴展。以確定性聯(lián)接為紐帶，協(xié)同融合工業(yè)邊緣，設(shè)備網(wǎng)聯(lián)化、聯(lián)接IP化、網(wǎng)絡(luò)智能化的先進工業(yè)網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)。

測試床組網(wǎng)部署方案如下：

1.5.3 測試床方案

測試床方案主要圍繞確定性融合邊緣一體機的核心部件和實現(xiàn)的業(yè)務(wù)功能進行。業(yè)務(wù)部分主要測試邊緣控制的集中功能和協(xié)同控制功能展開，核心部件放在方案重點技術(shù)里介紹。

鋼鐵等行業(yè)，工作環(huán)境惡劣，客戶期望通過遠程集中控制減少危險作業(yè)環(huán)境對人的依賴，減少人員傷亡，改善工作環(huán)境；對于集團型企業(yè)，客戶期望通過集團統(tǒng)一控制，實現(xiàn)各個公司的工藝水平拉齊，保持工藝一致性，同時對于特殊關(guān)鍵產(chǎn)品的工藝參數(shù)集中管控，不希望分散到各個子業(yè)務(wù)部門，實現(xiàn)保密性。

在手眼協(xié)同控制系統(tǒng)中，需要引入邊緣控制，增強實時性和協(xié)同性。

1.6 方案重點技術(shù)

1.6.1 確定性IOT融合網(wǎng)絡(luò) – DIP（overlay方案）

測試床采用DIP網(wǎng)絡(luò)作為連接，現(xiàn)階段不解析原有工業(yè)連接協(xié)議，由box進行封裝，overlay的方式進行傳輸。

1.6.2 實時操作系統(tǒng) – 和DIP深度融合的華為Euler OS

? Ehternet網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動與系統(tǒng)融合：軟件協(xié)議棧中包含的以太網(wǎng)驅(qū)動程序經(jīng)過專門優(yōu)化，可確保高優(yōu)先級、定時調(diào)度數(shù)據(jù)，同時低優(yōu)先級也具備高效的（例如常規(guī)TCP/IP流量）的實時數(shù)據(jù)處理。

? DIP網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動與系統(tǒng)融合： DIP軟件協(xié)議棧包括一個特殊的DIP專用網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動，不受其他協(xié)議影響，提供網(wǎng)絡(luò)傳輸實時性數(shù)據(jù)。

? 不同協(xié)議數(shù)據(jù)交換：DIP軟件協(xié)議棧提供方便且用戶友好的API，用于通過DIP網(wǎng)絡(luò)從TCP/IP和EtherCAT等其他協(xié)議交換數(shù)據(jù)。

? 中斷直通：操作系統(tǒng)虛擬化層經(jīng)過特殊優(yōu)化，判斷DIP協(xié)議數(shù)據(jù)后，實現(xiàn)中斷直通功能，DIP數(shù)據(jù)直達協(xié)議處理部分。可確保高優(yōu)先級、確定性調(diào)度數(shù)據(jù)。

1.6.3 虛擬化和容器 – 支持實時和非實時系統(tǒng)協(xié)同部署

? 多樣性算力：開放支持多種計算架構(gòu)實現(xiàn)多樣性算力協(xié)同；支持社區(qū)版本支持x86、鯤鵬、飛騰、RISC-V、昇騰；伙伴商業(yè)發(fā)行版增量支持龍芯、申威、兆芯、海光等國產(chǎn)化芯片

? 系統(tǒng)虛擬化：硬件資源的模擬、隔離和共享。支持中斷直通、DMA等。包含CPU虛擬化、內(nèi)存虛擬化和I/O虛擬化。核心敏感指令經(jīng)過VMM翻譯保證安全，同時各虛機在共享內(nèi)存資源的同時保持相互獨立，每個虛機都相當于擁有獨立、完整的外設(shè)。

? 實時和非實時系統(tǒng)協(xié)同部署：在虛擬資源池上同時運行實時和非實時操作系統(tǒng)，保證工業(yè)控制實時性需求，非實時業(yè)務(wù)不影響實時業(yè)務(wù)運行。

? 容器方式支持業(yè)務(wù)隔離運行：實現(xiàn)更為簡單，開銷小、啟動快、隔離性增強、應(yīng)用移植到其他平臺時無需進行環(huán)境配置就可直接運行。

1.6.4 IEC61499開發(fā)運行環(huán)境

基于IEC 61499標準的PLC集成開發(fā)環(huán)境及運行環(huán)境，采用通用邊緣計算架構(gòu)、開放的IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和新一代低代碼集成開發(fā)環(huán)境，深度融合IT技術(shù)和OT技術(shù)，加速下一代工業(yè)控制架構(gòu)的升級進程。

1.6.5 方案自主研發(fā)性、創(chuàng)新性及先進性

本方案基于國產(chǎn)鯤鵬生態(tài)的實時操作系統(tǒng)，采用下一代先進DIP網(wǎng)絡(luò)，支持融合計算業(yè)務(wù)，具備自主性、創(chuàng)新性，引領(lǐng)下一代工控邊緣計算架構(gòu)的發(fā)展和升級。

1.6.6 方案安全風(fēng)險控制

廠區(qū)數(shù)據(jù)本地加載和閉環(huán)，不基于公網(wǎng)進行回傳，故本方案采用端到端的專網(wǎng)解決方案，起到了與公網(wǎng)數(shù)據(jù)的良好隔離，保證了數(shù)據(jù)的安全及私密性并有效的規(guī)避了外網(wǎng)攻擊的風(fēng)險性。

1.7 測試床實施部署

1.7.1 測試床實施規(guī)劃

1.7.2 測試床實施的技術(shù)支撐及保障措施

主要圍繞信通院-華為-上海交大-行業(yè)客戶四方合作模式開展相關(guān)工作，依托信通院和華為資源牽頭成立開放合作實驗室，聯(lián)合上海交大來為整體方案的部署實施提供技術(shù)支撐，并和行業(yè)客戶開展相關(guān)的生態(tài)建設(shè)。華為以在網(wǎng)絡(luò)側(cè)的技術(shù)能力與上海交大在工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)能力結(jié)合，在研究內(nèi)容滿足部署的情況下，通過行業(yè)客戶提供的應(yīng)用場景去進行試點應(yīng)用和落地，并最終為AII聯(lián)盟提供案例反饋，形成完整閉環(huán)機制。

1.7.3 測試床實施的自主可控性

基于鯤鵬生態(tài)的國產(chǎn)實時操作系統(tǒng)，實現(xiàn)全棧自研，完全自主可控的工業(yè)控制系統(tǒng)。

1.8 測試床預(yù)期成果

1.8.1 測試床的預(yù)期可量化實施結(jié)果

? 確定性IOT融合網(wǎng)絡(luò)時延滿足工業(yè)控制要求可行性；

? 基于國產(chǎn)鯤鵬生態(tài)的實時操作系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用可行性；

? 邊緣智能控制節(jié)點實現(xiàn)云化PLC功能；

1.8.2 測試床的商業(yè)價值、經(jīng)濟效益

通過邊緣一體機、確定性網(wǎng)絡(luò)承載，加速國產(chǎn)替代，增強國家工控安全。

改善生產(chǎn)條件、降低危險作業(yè)，節(jié)省人力成本。

1.8.3 測試床的社會價值

完全自主可控的工業(yè)控制智能邊緣節(jié)點，提升國產(chǎn)化開放化工控能力水平。

1.9 測試床成果驗證

1.9.1 測試床成果驗證計劃

測試床成果驗證計劃主要包括實時操作系統(tǒng)、確定性DIP、容器和虛擬化、邊緣控制集中下發(fā)四個部分。

硬件由多個服務(wù)器集群構(gòu)成，提供存儲、計算、AI能力，通過確定性網(wǎng)絡(luò)連接。硬件系統(tǒng)將統(tǒng)一控制工業(yè)機器人、門閥、繼電器、儀表等裝備群。融合網(wǎng)關(guān)提供設(shè)備接入、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)預(yù)處理等能力，數(shù)據(jù)和參數(shù)由融合計算進行分析并處理，VPLC應(yīng)用進行PLC控制優(yōu)化。確定性網(wǎng)絡(luò)以及普通車間網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)絡(luò)管理平臺進行管理。

1.9.2 測試床成果驗證方案

測試床成果驗證計劃主要針對邊緣控制集中能力進行測試。

1.10 測試床成果交付

1.10.1 測試床成果交付件

邊緣一體機測試軟硬件；

應(yīng)用場景測試報告；

融合工業(yè)邊緣控制白皮書； 

1.10.2 測試床可復(fù)制性

該測試床可為智能制造行業(yè)增加邊緣智能控制節(jié)點，提供一體化存儲、計算、AI能力，廣泛適用于流程制造和離散制造的車間和廠區(qū)邊緣。

1.10.3 測試床開放性

該測試床基于軟硬件解耦的開放架構(gòu)，本身已經(jīng)廣泛應(yīng)用，具備良好的開放及兼容能力，可以與企業(yè)的軟件系統(tǒng)進行平滑對接，可以拓展到相關(guān)場景開放環(huán)境中。

1.11 其他信息

1.11.1 測試床使用者

歡迎第三公司參與本測試床建設(shè)

1.11.2 測試床知識產(chǎn)權(quán)說明

由參與方各自負責(zé)模塊自行協(xié)商

1.11.3 測試床運營及訪問使用

建設(shè)初期，華為和信通院牽頭相關(guān)設(shè)備廠家負責(zé)整體系統(tǒng)集成及平臺的部署及運營。建設(shè)后期行業(yè)客戶可基于平臺進行業(yè)務(wù)訪問及簡單的操作及維護，相關(guān)技術(shù)難點及故障維護可通過維保服務(wù)由華為及信通院進行跟進支撐及解決。

1.11.4 測試床資金

1.11.5 測試床時間軸