確定性融合邊緣一體機(jī)測(cè)試床
1.1 引言/導(dǎo)讀
邊緣聯(lián)接業(yè)務(wù)和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，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(guó)工業(yè)控制彎道超車的關(guān)鍵要素。基于邊緣計(jì)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(jī)構(gòu)。
確定性融合邊緣一體機(jī)探索開放的確定性IOT融合網(wǎng)絡(luò)，國(guó)產(chǎn)化實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等技術(shù)，打造融合聯(lián)接、融合計(jì)算、融合業(yè)務(wù)的智能邊緣控制節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)OT域的國(guó)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(cè)試床項(xiàng)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(guó)，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(cè)試床項(xiàng)目目標(biāo)
本測(cè)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(jì)算架構(gòu)，打造遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)總部、多基地之間的生產(chǎn)要素調(diào)度和優(yōu)化。對(duì)于加速云化PLC的發(fā)展，帶動(dòng)下一代工業(yè)控制邊緣計(jì)算架構(gòu)的發(fā)展和升級(jí)，起到積極示范效應(yīng)。
基于AII開放的全棧國(guó)產(chǎn)化工控邊緣體系架構(gòu)，打造融合計(jì)算、存儲(chǔ)、確定性網(wǎng)絡(luò)等的邊緣一體機(jī)。
? 基于國(guó)產(chǎn)鯤鵬生態(tài)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；
? 確定性的IT/OT融合網(wǎng)絡(luò)；
? 支持融合計(jì)算業(yè)務(wù)；
? IEC61499軟件開發(fā)架構(gòu)的探索。
1.5 測(cè)試床方案架構(gòu)
1.5.1 測(cè)試床應(yīng)用場(chǎng)景
以機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等為主的智能化高端裝備，利用自主感知與連接獲取機(jī)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(shí)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(biāo)優(yōu)化運(yùn)行。需要邊緣一體機(jī)支持提供穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境，如高速的傳輸通道，確定性計(jì)算等。
鋼鐵等行業(yè)，工作環(huán)境惡劣，客戶期望通過遠(yuǎn)程集中控制減少危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境對(duì)人的依賴，減少人員傷亡，改善工作環(huán)境；對(duì)于集團(tuán)型企業(yè)，客戶期望通過集團(tuán)統(tǒng)一控制，實(shí)現(xiàn)各個(gè)公司的工藝水平拉齊，保持工藝一致性，同時(shí)對(duì)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(gè)子業(yè)務(wù)部門，實(shí)現(xiàn)保密性。
另外，柔性生產(chǎn)、多軸加工等對(duì)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(cè)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(qiáng)實(shí)時(shí)性和協(xié)同性，同時(shí)提升效率降低成本。
1.5.2 測(cè)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(jī)探索 開放的確定性IOT融合網(wǎng)絡(luò)，國(guó)產(chǎn)化實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等為技術(shù)，打造融合聯(lián)接、融合計(jì)算、融合業(yè)務(wù)的智能邊緣控制節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)OT域的國(guó)產(chǎn)化，網(wǎng)絡(luò)的開放化。
確定性融合邊緣一體機(jī)在端-邊-云三層架構(gòu)中位置如下：
提供存儲(chǔ)、計(jì)算、AI一體化功能，支持非實(shí)時(shí)輔助業(yè)務(wù)和軟實(shí)時(shí)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(dòng)聯(lián)接，可擴(kuò)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(jìn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)。
測(cè)試床組網(wǎng)部署方案如下：
1.5.3 測(cè)試床方案
測(cè)試床方案主要圍繞確定性融合邊緣一體機(jī)的核心部件和實(shí)現(xiàn)的業(yè)務(wù)功能進(jìn)行。業(yè)務(wù)部分主要測(cè)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(diǎn)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(yuǎn)程集中控制減少危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境對(duì)人的依賴，減少人員傷亡，改善工作環(huán)境；對(duì)于集團(tuán)型企業(yè)，客戶期望通過集團(tuán)統(tǒng)一控制，實(shí)現(xiàn)各個(gè)公司的工藝水平拉齊，保持工藝一致性，同時(shí)對(duì)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(gè)子業(yè)務(wù)部門，實(shí)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(qiáng)實(shí)時(shí)性和協(xié)同性。
1.6 方案重點(diǎn)技術(shù)
1.6.1 確定性IOT融合網(wǎng)絡(luò) – DIP（overlay方案）
測(cè)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(jìn)行封裝，overlay的方式進(jìn)行傳輸。
1.6.2 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) – 和DIP深度融合的華為Euler OS
? Ehternet網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)與系統(tǒng)融合：軟件協(xié)議棧中包含的以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序經(jīng)過專門優(yōu)化，可確保高優(yōu)先級(jí)、定時(shí)調(diào)度數(shù)據(jù)，同時(shí)低優(yōu)先級(jí)也具備高效的（例如常規(guī)TCP/IP流量）的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。
? DIP網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)與系統(tǒng)融合： DIP軟件協(xié)議棧包括一個(gè)特殊的DIP專用網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)，不受其他協(xié)議影響，提供網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)中斷直通功能，DIP數(shù)據(jù)直達(dá)協(xié)議處理部分。可確保高優(yōu)先級(jí)、確定性調(diào)度數(shù)據(jù)。
1.6.3 虛擬化和容器 – 支持實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)系統(tǒng)協(xié)同部署
? 多樣性算力：開放支持多種計(jì)算架構(gòu)實(shí)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(guó)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(shí)各虛機(jī)在共享內(nèi)存資源的同時(shí)保持相互獨(dú)立，每個(gè)虛機(jī)都相當(dāng)于擁有獨(dú)立、完整的外設(shè)。
? 實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)系統(tǒng)協(xié)同部署：在虛擬資源池上同時(shí)運(yùn)行實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，保證工業(yè)控制實(shí)時(shí)性需求，非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)不影響實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)運(yùn)行。
? 容器方式支持業(yè)務(wù)隔離運(yùn)行：實(shí)現(xiàn)更為簡(jiǎn)單，開銷小、啟動(dòng)快、隔離性增強(qiáng)、應(yīng)用移植到其他平臺(tái)時(shí)無需進(jìn)行環(huán)境配置就可直接運(yùn)行。
1.6.4 IEC61499開發(fā)運(yùn)行環(huán)境
基于IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)的PLC集成開發(fā)環(huán)境及運(yùn)行環(huán)境，采用通用邊緣計(jì)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(jí)進(jìn)程。
1.6.5 方案自主研發(fā)性、創(chuàng)新性及先進(jìn)性
本方案基于國(guó)產(chǎn)鯤鵬生態(tài)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，采用下一代先進(jìn)DIP網(wǎng)絡(luò)，支持融合計(jì)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(jì)算架構(gòu)的發(fā)展和升級(jí)。
1.6.6 方案安全風(fēng)險(xiǎn)控制
廠區(qū)數(shù)據(jù)本地加載和閉環(huán)，不基于公網(wǎng)進(jìn)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(xiǎn)性。
1.7 測(cè)試床實(shí)施部署
1.7.1 測(cè)試床實(shí)施規(guī)劃
序號(hào) | 階段名稱 | 時(shí)間 | 主要工作內(nèi)容 |
1 | 可行性研究階段 | 2021.11-2022.6 | （1）溝通交流，行業(yè)調(diào)研； （2）深度對(duì)接，達(dá)成初步意向； （3）與行業(yè)客戶明確戰(zhàn)略合作框架，確定價(jià)值場(chǎng)景范圍(可簽署戰(zhàn)略合作框架協(xié)議)。 |
2 | 設(shè)計(jì)階段 | 2022.6-2022.12 | （1）需求對(duì)接，聯(lián)合創(chuàng)新，積極探索示范試點(diǎn)項(xiàng)目； （2）聯(lián)合供應(yīng)商，完善平臺(tái)設(shè)計(jì)及設(shè)備選型；在主語實(shí)驗(yàn)室完成設(shè)備內(nèi)場(chǎng)測(cè)試聯(lián)調(diào)及對(duì)接。 |
3 | 施工部署階段 | 2022.12-2023.6 | 設(shè)備入場(chǎng)施工部署調(diào)測(cè) |
4 | 運(yùn)行驗(yàn)收階段 | 2023.6-2023.10 | 根據(jù)客戶需求，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)相關(guān)功能及運(yùn)行穩(wěn)定性 |
5 | 宣傳推廣階段 | 2023.10-2023.12 | （1）嘗試輸出白皮書，引導(dǎo)行業(yè)水平參考架構(gòu)設(shè)計(jì)； （2）建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系，擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)可復(fù)制空間； （3）營(yíng)造生態(tài)體系，構(gòu)筑商業(yè)粘性； （4）打造產(chǎn)業(yè)樣板間，進(jìn)一步構(gòu)筑商業(yè)粘性。 |
1.7.2 測(cè)試床實(shí)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(shí)驗(yàn)室，聯(lián)合上海交大來為整體方案的部署實(shí)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?jī)?nèi)容滿足部署的情況下，通過行業(yè)客戶提供的應(yīng)用場(chǎng)景去進(jìn)行試點(diǎn)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(jī)制。
1.7.3 測(cè)試床實(shí)施的自主可控性
基于鯤鵬生態(tài)的國(guó)產(chǎn)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全棧自研，完全自主可控的工業(yè)控制系統(tǒng)。
1.8 測(cè)試床預(yù)期成果
1.8.1 測(cè)試床的預(yù)期可量化實(shí)施結(jié)果
? 確定性IOT融合網(wǎng)絡(luò)時(shí)延滿足工業(yè)控制要求可行性；
? 基于國(guó)產(chǎn)鯤鵬生態(tài)的實(shí)時(shí)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(diǎn)實(shí)現(xiàn)云化PLC功能；
1.8.2 測(cè)試床的商業(yè)價(jià)值、經(jīng)濟(jì)效益
通過邊緣一體機(jī)、確定性網(wǎng)絡(luò)承載，加速國(guó)產(chǎn)替代，增強(qiáng)國(guó)家工控安全。
改善生產(chǎn)條件、降低危險(xiǎn)作業(yè)，節(jié)省人力成本。
1.8.3 測(cè)試床的社會(huì)價(jià)值
完全自主可控的工業(yè)控制智能邊緣節(jié)點(diǎn)，提升國(guó)產(chǎn)化開放化工控能力水平。
1.9 測(cè)試床成果驗(yàn)證
1.9.1 測(cè)試床成果驗(yàn)證計(jì)劃
測(cè)試床成果驗(yàn)證計(jì)劃主要包括實(shí)時(shí)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(gè)部分。
硬件由多個(gè)服務(wù)器集群構(gòu)成，提供存儲(chǔ)、計(jì)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(jī)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(jì)算進(jìn)行分析并處理，VPLC應(yīng)用進(jìn)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(tái)進(jìn)行管理。
1.9.2 測(cè)試床成果驗(yàn)證方案
測(cè)試床成果驗(yàn)證計(jì)劃主要針對(duì)邊緣控制集中能力進(jìn)行測(cè)試。
測(cè)試項(xiàng)目：邊緣控制集中能力測(cè)試 |
測(cè)試目的：驗(yàn)證邊緣一體機(jī)基于確定性網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制集中的協(xié)同控制業(yè)務(wù)可行性 |
預(yù)置條件： PLC群對(duì)裝備群的控制編排完成。 確定性網(wǎng)絡(luò)完成網(wǎng)絡(luò)流量編排及部署。 裝備群存在明確控制時(shí)延要求 |
測(cè)試步驟： a) 工業(yè)平臺(tái)下發(fā)PLC群控制命令。 b) 裝備群按照PLC群下發(fā)的控制命令進(jìn)行相應(yīng)的生產(chǎn)業(yè)務(wù)執(zhí)行 |
預(yù)期結(jié)果： 工業(yè)平臺(tái)PLC群控制命令下發(fā)順暢，無阻塞及下發(fā)失敗情況。 裝備群按照PLC群的控制意圖進(jìn)行生產(chǎn)業(yè)務(wù)執(zhí)行，無執(zhí)行失敗或告警。 |
測(cè)試結(jié)果：
|
結(jié)論：
|
1.10 測(cè)試床成果交付
1.10.1 測(cè)試床成果交付件
邊緣一體機(jī)測(cè)試軟硬件；
應(yīng)用場(chǎng)景測(cè)試報(bào)告；
融合工業(yè)邊緣控制白皮書；
1.10.2 測(cè)試床可復(fù)制性
該測(cè)試床可為智能制造行業(yè)增加邊緣智能控制節(jié)點(diǎn)，提供一體化存儲(chǔ)、計(jì)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(cè)試床開放性
該測(cè)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(jìn)行平滑對(duì)接，可以拓展到相關(guān)場(chǎng)景開放環(huán)境中。
1.11 其他信息
1.11.1 測(cè)試床使用者
歡迎第三公司參與本測(cè)試床建設(shè)
1.11.2 測(cè)試床知識(shí)產(chǎn)權(quán)說明
由參與方各自負(fù)責(zé)模塊自行協(xié)商
1.11.3 測(cè)試床運(yùn)營(yíng)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(fù)責(zé)整體系統(tǒng)集成及平臺(tái)的部署及運(yùn)營(yíng)。建設(shè)后期行業(yè)客戶可基于平臺(tái)進(jìn)行業(yè)務(wù)訪問及簡(jiǎn)單的操作及維護(hù)，相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)及故障維護(hù)可通過維保服務(wù)由華為及信通院進(jìn)行跟進(jìn)支撐及解決。
1.11.4 測(cè)試床資金
序號(hào) | 預(yù)算科目名稱 | 合計(jì)（萬元） | 備注 |
（1） | （2） | （3） | |
1 | 一、成本費(fèi)用支出 | 145.8 | |
2 | 1、差旅費(fèi) | 5.8 | |
3 | 2、辦公費(fèi) | 0 | |
4 | （1）耗材配件 | 0 | |
5 | （2）技術(shù)資料費(fèi) | 0 | |
6 | （3）文印費(fèi) | 0 | |
7 | 3、低值易耗品 | 0 | |
8 | 4、通信費(fèi) | 0 | |
9 | 5、車輛租賃費(fèi) | 0 | |
10 | 6、技術(shù)服務(wù)費(fèi) | 150 | |
11 | 7、設(shè)備租賃費(fèi) | 20 | |
12 | 二、資本化支出 | 90 | |
合計(jì)235 | 265.8 |
1.11.5 測(cè)試床時(shí)間軸
序號(hào) | 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(yè)調(diào)研 | ||||||||||||
2 | 深度對(duì)接，達(dá)成初步意向 | ||||||||||||
3 | 確定價(jià)值場(chǎng)景范圍 | ||||||||||||
4 | 需求對(duì)接，聯(lián)合創(chuàng)新，積極探索示范試點(diǎn)項(xiàng)目 | ||||||||||||
5 | 輸出白皮書，引導(dǎo)行業(yè)水平參考架構(gòu)設(shè)計(jì) | ||||||||||||
6 | 建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系，擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)可復(fù)制空間 | ||||||||||||
7 | 營(yíng)造生態(tài)體系，構(gòu)筑商業(yè)粘性 | ||||||||||||
8 | 打造產(chǎn)業(yè)樣板間，進(jìn)一步構(gòu)筑商業(yè)粘性 |
聲明
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