確定性融合邊緣一體機測試床
1.1 引言/導讀
邊緣聯接業務和生產現場，是目前行業內領先企業的主要研究方向。邊緣控制是智能制造的關鍵，也是我國工業控制彎道超車的關鍵要素。基于邊緣計算重構傳統控制系統，工業系統從典型的五層架構，將走向開放的、軟硬件解耦的的下一代三層工控系統機構。
確定性融合邊緣一體機探索開放的確定性IOT融合網絡，國產化實時操作系統等技術，打造融合聯接、融合計算、融合業務的智能邊緣控制節點，實現OT域的國產化，網絡的開放化。
1.2 關鍵詞
DIP、歐拉操作系統、容器、虛擬化、IEC61499
1.3 測試床項目承接主體
1.3.1 發起公司和主要聯系人聯系方式
華為技術有限公司
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
寶信軟件
1.4 測試床項目目標
本測試床依托確定性聯接技術和下一代工業控制邊緣計算架構，打造遠程、集中的工業控制模式，讓操作人員可以在更安全、更舒適的集中控制室完成生產任務，也讓大型企業得以在更大范圍內實現總部、多基地之間的生產要素調度和優化。對于加速云化PLC的發展，帶動下一代工業控制邊緣計算架構的發展和升級，起到積極示范效應。
基于AII開放的全棧國產化工控邊緣體系架構，打造融合計算、存儲、確定性網絡等的邊緣一體機。
? 基于國產鯤鵬生態的實時操作系統；
? 確定性的IT/OT融合網絡；
? 支持融合計算業務；
? IEC61499軟件開發架構的探索。
1.5 測試床方案架構
1.5.1 測試床應用場景
以機器人、數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、環境有關的信息，通過自主學習與建模，完成自主控制與執行，實現加工制造過程的優質、高效、安全、可靠和低耗的多目標優化運行。需要邊緣一體機支持提供穩定的運行環境，如高速的傳輸通道，確定性計算等。
鋼鐵等行業，工作環境惡劣，客戶期望通過遠程集中控制減少危險作業環境對人的依賴，減少人員傷亡，改善工作環境；對于集團型企業，客戶期望通過集團統一控制，實現各個公司的工藝水平拉齊，保持工藝一致性，同時對于特殊關鍵產品的工藝參數集中管控，不希望分散到各個子業務部門，實現保密性。
另外，柔性生產、多軸加工等對產線間協同生產提出了新的要求，單純依靠原有的節拍或者監測控制的方式，已經無法完全滿足現代工業生產的需要。這都需要引入邊緣控制，增強實時性和協同性，同時提升效率降低成本。
1.5.2 測試床架構
基于AII工業互聯網體系架構，邊緣側提供提供海量工業數據接入、轉換、數據預處理和邊緣分析應用等功能。確定性融合邊緣一體機探索 開放的確定性IOT融合網絡，國產化實時操作系統等為技術，打造融合聯接、融合計算、融合業務的智能邊緣控制節點，實現OT域的國產化，網絡的開放化。
確定性融合邊緣一體機在端-邊-云三層架構中位置如下：
提供存儲、計算、AI一體化功能，支持非實時輔助業務和軟實時業務，支持DIP，兼容工業協議。整體協議架構如下：
車間和設備的確定性聯接，支持IOT共管道高可靠、低抖動聯接，可擴展。以確定性聯接為紐帶，協同融合工業邊緣，設備網聯化、聯接IP化、網絡智能化的先進工業網絡是工業互聯網發展的基礎。
測試床組網部署方案如下：
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的業務功能進行。業務部分主要測試邊緣控制的集中功能和協同控制功能展開，核心部件放在方案重點技術里介紹。
鋼鐵等行業，工作環境惡劣，客戶期望通過遠程集中控制減少危險作業環境對人的依賴，減少人員傷亡，改善工作環境；對于集團型企業，客戶期望通過集團統一控制，實現各個公司的工藝水平拉齊，保持工藝一致性，同時對于特殊關鍵產品的工藝參數集中管控，不希望分散到各個子業務部門，實現保密性。
在手眼協同控制系統中，需要引入邊緣控制，增強實時性和協同性。
1.6 方案重點技術
1.6.1 確定性IOT融合網絡 – DIP（overlay方案）
測試床采用DIP網絡作為連接，現階段不解析原有工業連接協議，由box進行封裝，overlay的方式進行傳輸。
1.6.2 實時操作系統 – 和DIP深度融合的華為Euler OS
? Ehternet網絡驅動與系統融合：軟件協議棧中包含的以太網驅動程序經過專門優化，可確保高優先級、定時調度數據，同時低優先級也具備高效的（例如常規TCP/IP流量）的實時數據處理。
? DIP網絡驅動與系統融合： DIP軟件協議棧包括一個特殊的DIP專用網絡驅動，不受其他協議影響，提供網絡傳輸實時性數據。
? 不同協議數據交換：DIP軟件協議棧提供方便且用戶友好的API，用于通過DIP網絡從TCP/IP和EtherCAT等其他協議交換數據。
? 中斷直通：操作系統虛擬化層經過特殊優化，判斷DIP協議數據后，實現中斷直通功能，DIP數據直達協議處理部分。可確保高優先級、確定性調度數據。
1.6.3 虛擬化和容器 – 支持實時和非實時系統協同部署
? 多樣性算力：開放支持多種計算架構實現多樣性算力協同；支持社區版本支持x86、鯤鵬、飛騰、RISC-V、昇騰；伙伴商業發行版增量支持龍芯、申威、兆芯、海光等國產化芯片
? 系統虛擬化：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、內存虛擬化和I/O虛擬化。核心敏感指令經過VMM翻譯保證安全，同時各虛機在共享內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。
? 實時和非實時系統協同部署：在虛擬資源池上同時運行實時和非實時操作系統，保證工業控制實時性需求，非實時業務不影響實時業務運行。
? 容器方式支持業務隔離運行：實現更為簡單，開銷小、啟動快、隔離性增強、應用移植到其他平臺時無需進行環境配置就可直接運行。
1.6.4 IEC61499開發運行環境
基于IEC 61499標準的PLC集成開發環境及運行環境，采用通用邊緣計算架構、開放的IP網絡協議和新一代低代碼集成開發環境，深度融合IT技術和OT技術，加速下一代工業控制架構的升級進程。
1.6.5 方案自主研發性、創新性及先進性
本方案基于國產鯤鵬生態的實時操作系統，采用下一代先進DIP網絡，支持融合計算業務，具備自主性、創新性，引領下一代工控邊緣計算架構的發展和升級。
1.6.6 方案安全風險控制
廠區數據本地加載和閉環，不基于公網進行回傳，故本方案采用端到端的專網解決方案，起到了與公網數據的良好隔離，保證了數據的安全及私密性并有效的規避了外網攻擊的風險性。
1.7 測試床實施部署
1.7.1 測試床實施規劃
序號 | 階段名稱 | 時間 | 主要工作內容 |
1 | 可行性研究階段 | 2021.11-2022.6 | （1）溝通交流，行業調研； （2）深度對接，達成初步意向； （3）與行業客戶明確戰略合作框架，確定價值場景范圍(可簽署戰略合作框架協議)。 |
2 | 設計階段 | 2022.6-2022.12 | （1）需求對接，聯合創新，積極探索示范試點項目； （2）聯合供應商，完善平臺設計及設備選型；在主語實驗室完成設備內場測試聯調及對接。 |
3 | 施工部署階段 | 2022.12-2023.6 | 設備入場施工部署調測 |
4 | 運行驗收階段 | 2023.6-2023.10 | 根據客戶需求，實現平臺相關功能及運行穩定性 |
5 | 宣傳推廣階段 | 2023.10-2023.12 | （1）嘗試輸出白皮書，引導行業水平參考架構設計； （2）建設標準體系，擴大產業可復制空間； （3）營造生態體系，構筑商業粘性； （4）打造產業樣板間，進一步構筑商業粘性。 |
1.7.2 測試床實施的技術支撐及保障措施
主要圍繞信通院-華為-上海交大-行業客戶四方合作模式開展相關工作，依托信通院和華為資源牽頭成立開放合作實驗室，聯合上海交大來為整體方案的部署實施提供技術支撐，并和行業客戶開展相關的生態建設。華為以在網絡側的技術能力與上海交大在工業領域的技術能力結合，在研究內容滿足部署的情況下，通過行業客戶提供的應用場景去進行試點應用和落地，并最終為AII聯盟提供案例反饋，形成完整閉環機制。
1.7.3 測試床實施的自主可控性
基于鯤鵬生態的國產實時操作系統，實現全棧自研，完全自主可控的工業控制系統。
1.8 測試床預期成果
1.8.1 測試床的預期可量化實施結果
? 確定性IOT融合網絡時延滿足工業控制要求可行性；
? 基于國產鯤鵬生態的實時操作系統在工業控制領域應用可行性；
? 邊緣智能控制節點實現云化PLC功能；
1.8.2 測試床的商業價值、經濟效益
通過邊緣一體機、確定性網絡承載，加速國產替代，增強國家工控安全。
改善生產條件、降低危險作業，節省人力成本。
1.8.3 測試床的社會價值
完全自主可控的工業控制智能邊緣節點，提升國產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、確定性DIP、容器和虛擬化、邊緣控制集中下發四個部分。
硬件由多個服務器集群構成，提供存儲、計算、AI能力，通過確定性網絡連接。硬件系統將統一控制工業機器人、門閥、繼電器、儀表等裝備群。融合網關提供設備接入、協議轉換、數據預處理等能力，數據和參數由融合計算進行分析并處理，VPLC應用進行PLC控制優化。確定性網絡以及普通車間網絡通過網絡管理平臺進行管理。
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。
測試項目：邊緣控制集中能力測試 |
測試目的：驗證邊緣一體機基于確定性網絡進行控制集中的協同控制業務可行性 |
預置條件： PLC群對裝備群的控制編排完成。 確定性網絡完成網絡流量編排及部署。 裝備群存在明確控制時延要求 |
測試步驟： a) 工業平臺下發PLC群控制命令。 b) 裝備群按照PLC群下發的控制命令進行相應的生產業務執行 |
預期結果： 工業平臺PLC群控制命令下發順暢，無阻塞及下發失敗情況。 裝備群按照PLC群的控制意圖進行生產業務執行，無執行失敗或告警。 |
測試結果：
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結論：
|
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；
應用場景測試報告；
融合工業邊緣控制白皮書；
1.10.2 測試床可復制性
該測試床可為智能制造行業增加邊緣智能控制節點，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，本身已經廣泛應用，具備良好的開放及兼容能力，可以與企業的軟件系統進行平滑對接，可以拓展到相關場景開放環境中。
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
1.11.2 測試床知識產權說明
由參與方各自負責模塊自行協商
1.11.3 測試床運營及訪問使用
建設初期，華為和信通院牽頭相關設備廠家負責整體系統集成及平臺的部署及運營。建設后期行業客戶可基于平臺進行業務訪問及簡單的操作及維護，相關技術難點及故障維護可通過維保服務由華為及信通院進行跟進支撐及解決。
1.11.4 測試床資金
序號 | 預算科目名稱 | 合計（萬元） | 備注 |
（1） | （2） | （3） | |
1 | 一、成本費用支出 | 145.8 | |
2 | 1、差旅費 | 5.8 | |
3 | 2、辦公費 | 0 | |
4 | （1）耗材配件 | 0 | |
5 | （2）技術資料費 | 0 | |
6 | （3）文印費 | 0 | |
7 | 3、低值易耗品 | 0 | |
8 | 4、通信費 | 0 | |
9 | 5、車輛租賃費 | 0 | |
10 | 6、技術服務費 | 150 | |
11 | 7、設備租賃費 | 20 | |
12 | 二、資本化支出 | 90 | |
合計235 | 265.8 |
1.11.5 測試床時間軸
序號 | 措施 | 1月 | 3月 | 5月 | 7月 | 9月 | 11月 | 次年1月 | 次年3月 | 次年5月 | 次年7月 | 次年9月 | 次年11月 |
1 | 溝通交流，行業調研 | ||||||||||||
2 | 深度對接，達成初步意向 | ||||||||||||
3 | 確定價值場景范圍 | ||||||||||||
4 | 需求對接，聯合創新，積極探索示范試點項目 | ||||||||||||
5 | 輸出白皮書，引導行業水平參考架構設計 | ||||||||||||
6 | 建設標準體系，擴大產業可復制空間 | ||||||||||||
7 | 營造生態體系，構筑商業粘性 | ||||||||||||
8 | 打造產業樣板間，進一步構筑商業粘性 |
聲明
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