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★中國信息通信研究院 胡鐘顥，王哲 

摘要：邊緣計算技術(shù)廣泛普及并與傳統(tǒng)工業(yè)自動化技術(shù)深度融合，形成邊緣控制 這一新興概念。邊緣控制依托其開放架構(gòu)，可與新型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、實時虛擬化 技術(shù)及跨平臺編譯技術(shù)等相結(jié)合，在保證實時可靠工業(yè)控制的基礎(chǔ)上，集成一定 的計算能力以滿足當(dāng)前工業(yè)現(xiàn)場的場景需求，以期對傳統(tǒng)工業(yè)控制形成互補或部 分替代。本文旨在從邊緣控制的概念形成、參考架構(gòu)、發(fā)展路徑與趨勢及熱點技 術(shù)等幾個方面對邊緣控制技術(shù)進行研討和分析。 

關(guān)鍵詞：邊緣計算；邊緣控制 

Abstract: Edge computing technology is widely popularized and deeply integrated with traditional industrial automation technology, forming a new concept of edge control. Relying on its open architecture, edge control can be combined with new industrial network technology, real-time virtualization technology and cross-platform compilation technology. On the basis of ensuring real-time and reliable industrial control, it can integrate certain computing capabilities to meet the needs of emerging scenes in the current industrial field, so as to form a complementary or partial replacement for traditional industrial control. This paper aims to discuss and analyze edge control technology from the aspects of concept formation, reference framework, development path and trend, and hot technologies. 

Key words: Edge computing; Edge control

 1　引言 

自20世紀70年代PLC進入工業(yè)自動化領(lǐng)域，ISA-95 （企業(yè)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)集成國際標(biāo)準(zhǔn)）的L1和L2層的 制造控制層的軟硬件結(jié)構(gòu)未有變動，自動化市場結(jié)構(gòu)一 直圍繞著軟硬件強綁定方式演進，供應(yīng)商將硬件配套的 軟件開發(fā)環(huán)境一并交付客戶[1]，同時，現(xiàn)場總線、實時 以太網(wǎng)等工業(yè)協(xié)議“七國八制”情況嚴重，現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)互 通困難，產(chǎn)生信息孤島，導(dǎo)致了工業(yè)控制在CT、OT、 IT層面壁壘高筑，阻礙了生態(tài)的發(fā)展，因而亟需工業(yè)控 制在技術(shù)上產(chǎn)生變革以解決上述問題。

 2　傳統(tǒng)工業(yè)控制的演進歷程 

回顧工業(yè)控制的演進歷程，如圖1所示，主要經(jīng)歷 了三個重要時期：首先是上世紀三、四十年代模擬時 代。這一時期因有了戰(zhàn)時的積累，工業(yè)控制理論與技術(shù) 蓬勃發(fā)展，工控形式主要是模擬監(jiān)測儀表和模擬單回路 反饋控制器，并逐漸從分散電路控制過渡到集中電路控 制；1946年計算機的出現(xiàn)，將工業(yè)控制從模擬時代帶 入到模擬和數(shù)字混合時代。隨著全球第一個數(shù)字化工業(yè) 控制系統(tǒng)—直接數(shù)字控制（Direct Digital Control， DDC）建設(shè)完成，各種新的工業(yè)控制設(shè)備逐漸嶄露 頭角，如1969年出現(xiàn)的PLC（Programble Logic Controller）和1975年出現(xiàn)的DCS（Distributed Control System），通過配置其控制邏輯可更改的靈 活性，實現(xiàn)了對傳統(tǒng)的繼電器設(shè)備的替代。同時，這一 時期工控網(wǎng)絡(luò)也逐漸從串行通信向現(xiàn)場總線過渡，傳輸 能力和實時性有了較大的提升；工業(yè)控制從模擬和數(shù)字 混合時代過渡到數(shù)字時代的標(biāo)志是1985年基于PC的工 業(yè)控制器的出現(xiàn)。工業(yè)PC具備開放性、低成本、軟硬 件資源豐富、生態(tài)成熟等優(yōu)勢，其媲美PLC的可靠性及 易部署、易操作、易維護等特性使其逐漸被設(shè)備提供 商、解決方案集成商及終端用戶所接受。在這一時期， 普通以太網(wǎng)逐步應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)，使適用于工業(yè)的 實時以太網(wǎng)得到了快速發(fā)展。

 圖1 工業(yè)控制系統(tǒng)演進歷程 

總結(jié)以往的演進規(guī)律，工業(yè)控制的升級換代主要 是由內(nèi)在因素和外在因素聯(lián)合驅(qū)動產(chǎn)生的。內(nèi)在因素表 現(xiàn)在來自工業(yè)現(xiàn)場側(cè)的需求的變化。隨著機器視覺質(zhì) 檢、設(shè)備預(yù)測性維護等場景的引入，工業(yè)現(xiàn)場側(cè)不僅僅要對實時性的控制指令進行處理，也要對大量的非實 時數(shù)據(jù)進行處理，而當(dāng)前工業(yè)控制系統(tǒng)不能滿足如此大 數(shù)據(jù)量的處理需求。另外，現(xiàn)場側(cè)產(chǎn)生大量的異構(gòu)生產(chǎn) 數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對于企業(yè)精細管理和精準(zhǔn)決策有重要意 義，但當(dāng)前工控系統(tǒng)較為封閉，無法實現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)的共 享；外在因素表現(xiàn)在隨著計算機、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的不斷迭 代升級，以及與傳統(tǒng)工業(yè)控制技術(shù)相融合，從而催生出 新型工業(yè)控制技術(shù)。當(dāng)前ICT技術(shù)如5G、TSN（Time Sensitive Networking）等確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、邊緣計算 技術(shù)等與工業(yè)控制的融合正在走實向深，將驅(qū)動新的工 控產(chǎn)品形式的產(chǎn)生。

 3　邊緣控制的概念及架構(gòu) 

3.1　邊緣控制的概念由來 

考慮工業(yè)生產(chǎn)中的一個典型應(yīng)用場景，生產(chǎn)線上 的數(shù)據(jù)通過采集匯總后，呈現(xiàn)在基于Web的用戶界面 上，工廠主管人員可通過分析生產(chǎn)目標(biāo)達成情況和訂單 情況來對生產(chǎn)進行實時調(diào)整。然而，上述場景在實現(xiàn)過 程中可能會面臨諸多問題。數(shù)據(jù)產(chǎn)生于現(xiàn)場的傳感器和 執(zhí)行器并傳輸信號到PLC進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，然后PLC將統(tǒng) 計數(shù)據(jù)再傳輸至PC中的通信程序并本地儲存，同時， 數(shù)據(jù)也傳輸至基于PC的HMI和SCADA系統(tǒng)中。最后， 為了將數(shù)據(jù)傳輸至本地或云端部署的工廠服務(wù)器，需通 過HMI或SCADA執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。整個過程中，數(shù)據(jù)在 多個中間件中流轉(zhuǎn)，提升了數(shù)據(jù)的安全性、完整性風(fēng) 險。同時，各節(jié)點間需經(jīng)過多次的協(xié)議轉(zhuǎn)換，例如PC 或服務(wù)器適用的IT協(xié)議TCP/IP、HTTP、PLC、傳感 器和執(zhí)行器等適用的OT協(xié)議Ethernet/IP、Profinet、 OPC UA等，相互轉(zhuǎn)換復(fù)雜度高，需要一定的工作量。 另外就是開發(fā)成本高，整個數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)過程涉及到OT工 程師、IT工程師相互間在領(lǐng)域邊界的配合。

 由此，邊緣控制的概念應(yīng)運而生。邊緣控制是集 設(shè)備邊緣、網(wǎng)絡(luò)邊緣和計算邊緣于一體的新型控制技 術(shù)[2]，兼具IT技術(shù)的信息搜集、處理、存儲、輔助決策 等能力和OT自動化控制技術(shù)功能，同時具有集成邊緣 計算的能力。邊緣控制器是邊緣控制技術(shù)實現(xiàn)的產(chǎn)品形 態(tài)，第一套邊緣控制器系統(tǒng)（EPIC）來自于Opto22的 groovEPIC，是為了解決工廠數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)過程中所面臨的上 述問題而設(shè)計研發(fā)的。

 邊緣控制器全稱是EPIC（Edge Programmable Industrial Controller），Edge（邊緣）—即數(shù)據(jù) 產(chǎn)生于邊緣、處理于邊緣，并和邊緣計算緊密結(jié)合； Programmable（可編程）—既支持OT語言（如梯 形圖、功能模塊圖、順序功能圖等），也支持IT語言 （如C、Java、Python等），并且提供開放編程環(huán)境； Industrial（工業(yè)）—即支持工業(yè)特性，如工業(yè)惡劣環(huán) 境、簡化部署特性、設(shè)備自診斷、適配工業(yè)協(xié)議等； Controller（控制器）—即可執(zhí)行硬實時控制任務(wù)，保 證時間確定性、可靠性，完整代替?zhèn)鹘y(tǒng)控制器功能。

3.2　邊緣控制的參考架構(gòu) 

邊緣控制的參考架構(gòu)，如圖2所示，分為端、邊、 云三個層級，分別部署不同的設(shè)備或系統(tǒng)。邊緣側(cè)的設(shè) 備形態(tài)為邊緣控制器和邊緣網(wǎng)關(guān)，其南向通過現(xiàn)場總 線、工業(yè)以太網(wǎng)連接端側(cè)的執(zhí)行器和傳感器等現(xiàn)場設(shè) 備，北向則通過以太網(wǎng)連入云側(cè)的邊緣云或公有云。邊 緣控制器和邊緣網(wǎng)關(guān)均可采用通用硬件架構(gòu)并具備與現(xiàn) 場設(shè)備通訊能力，邊緣網(wǎng)關(guān)功能側(cè)重于對下層設(shè)備的數(shù) 據(jù)采集、處理分析和向云側(cè)進行轉(zhuǎn)發(fā)，而邊緣控制器功 能偏向于對現(xiàn)場設(shè)備的實時控制，二者功能可分別獨立 實現(xiàn)靈活部署，也可組合在一臺邊緣計算硬件設(shè)備上。 

圖2 邊緣控制參考架構(gòu)示意圖[3]

 4　邊緣控制關(guān)鍵技術(shù) 

傳統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場的ISA-95五層架構(gòu)，正在向“云-邊端”三層架構(gòu)轉(zhuǎn)變。邊緣控制器一般部署于現(xiàn)場側(cè)或邊 緣機房，通過OT網(wǎng)絡(luò)連接到現(xiàn)場的傳感器和執(zhí)行器， 并通過以太網(wǎng)或者無線網(wǎng)絡(luò)，連接到中心云，實現(xiàn)云邊 協(xié)同、應(yīng)用倉庫及云對邊緣的納管。在架構(gòu)融合轉(zhuǎn)變的 過程中，邊緣控制器形成了一些關(guān)鍵技術(shù)熱點，包括云 邊協(xié)同、跨平臺編譯和實時虛擬化。 

（1）云邊協(xié)同 

云邊協(xié)同是邊緣原生的核心技術(shù)之一。云端通常具 備海量計算能力，通過云邊協(xié)同、云端開放的能力和資 源可提供給邊緣端的應(yīng)用進行調(diào)研。以機器學(xué)習(xí)為例，如圖3所示，一般流程是云端首先將訓(xùn)練好的模型下發(fā) 邊緣端，邊緣端執(zhí)行推理并根據(jù)結(jié)果下發(fā)控制指令給現(xiàn) 場執(zhí)行器，并將執(zhí)行結(jié)果反饋至云端，然后云端根據(jù)反 饋結(jié)果再次進行模型訓(xùn)練并更新模型再次下發(fā)給邊緣 端。另外一個場景是邊緣端實時采集的現(xiàn)場工況數(shù)據(jù)經(jīng) 預(yù)處理后上傳到云端進行匯總分析，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視 化，以支持工廠管理層的精準(zhǔn)決策。

 圖3 基于云邊協(xié)同的邊緣控制流程 

（2）實時虛擬化 

實時虛擬化技術(shù)是實現(xiàn)虛擬化邊緣控制的關(guān)鍵技 術(shù)，既融合了虛擬化技術(shù)，同時也保持工業(yè)控制的實時 特性。其實現(xiàn)方式一般是在一套硬件上運行兩個或者多 個操作系統(tǒng)，其中包括實時操作系統(tǒng)（用以運行邏輯 控制、運動控制等實時功能）和分時操作系統(tǒng)（如桌 面系統(tǒng)，用以運行HMI/SCADA或者數(shù)據(jù)庫等非實時應(yīng) 用），各系統(tǒng)間互不干擾，分時操作系統(tǒng)的啟停不會影 響到實時系統(tǒng)的運行。實時虛擬化的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在其 兼顧了邊緣計算和工業(yè)控制的硬實時特性，另外虛擬化 使資源利用率大幅提升，還可以節(jié)約能耗，節(jié)省空間， 更適用于邊緣端部署。目前主要的實時虛擬化實現(xiàn)方式 分為托管實時虛擬化和裸機實時虛擬化，如圖4所示。 托管實時虛擬化是基于Type-2型的虛擬機，在基礎(chǔ)操 作系統(tǒng)之上，運行實時虛擬機RTOS和分時操作系統(tǒng)， 工業(yè)控制程序在RTOS中運行；裸機實時虛擬化是基于 Type-1型的虛擬機，在Hypervisor上直接運行多操作 系統(tǒng)，包括RTOS。裸機實時虛擬化，其隔離性和實時 性均優(yōu)于托管的實時虛擬化[4]。 

圖4 托管實時虛擬化和裸機實時虛擬化 

（3）跨平臺編譯 

跨平臺編譯技術(shù)將成為邊緣控制的重要賦能工 具，可實現(xiàn)程序的通用開發(fā)和通用部署，打破了原有 編譯環(huán)境與硬件強綁定所產(chǎn)生的壁壘。跨平臺編譯技 術(shù)可提供包括IT和OT的多語言支持環(huán)境，并具有可復(fù) 用性、可配置性和便攜性[5]。典型的跨平臺編譯技術(shù) 如CodeSys，其RTE（運行環(huán)境）通過對分時系統(tǒng)內(nèi) 核進行實時性改造，保證了工控系統(tǒng)的確定性，同時 支持主流的CPU架構(gòu)（如ARM、X86），可在通用PC 上進行安裝，使CodeSys具有了明顯的跨平臺特征。 另外，基于IEC-61499的編程平臺，如4DIAC IDE及 EcoStructure Automation Expert等，實現(xiàn)了諸多先 進理念，比如軟硬件解耦、支持虛擬化、支持整體設(shè) 計、集成信息模型等，其核心點是支持多種場景的IT/ OT語言混合編程，并通過統(tǒng)一接口的功能塊進行封裝 以開放調(diào)用。 

（4）新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 

以5G和確定性網(wǎng)絡(luò)為代表的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與邊緣控 制的結(jié)合，將成為解決工業(yè)現(xiàn)場互通問題的重要支撐。 5G作為接入側(cè)技術(shù)，為工業(yè)現(xiàn)場提供了海量設(shè)備接入能 力并具備端到端傳輸?shù)蜁r延、大帶寬、高吞吐等服務(wù)特 性，可有效滿足邊緣端實時指令處理需求和大數(shù)量的非實 時數(shù)據(jù)處理需求。確定性網(wǎng)絡(luò)如時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）、 確定網(wǎng)（DetNet）和確定性IP（D-IP）網(wǎng)絡(luò)，可用于提 供實時數(shù)據(jù)傳輸，保證了確定的通信服務(wù)質(zhì)量如超低上界 的時延、抖動、丟包率、上下界可控的帶寬以及超高下界 的可靠性，能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場高質(zhì)量通信需求[6]。

 5　邊緣控制的發(fā)展路徑與趨勢 

通過調(diào)研當(dāng)前邊緣控制產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)及市場上的 邊緣控制器的功能及實現(xiàn)方式，筆者發(fā)現(xiàn)目前邊緣控制 器主要形成了兩種發(fā)展路徑，分別是通用邊緣控制器和 虛擬化邊緣控制器。 

（1）通用邊緣控制

通用邊緣控制器的關(guān)注點在傳統(tǒng)控制器基礎(chǔ)上的能 力拓展，一般集成邊緣計算能力，在邊緣側(cè)可進行必要 的數(shù)據(jù)處理、分析，并且集成物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議能力，直連云 端。這種發(fā)展路徑擴展了原有工業(yè)控制器的能力，有助 于工廠內(nèi)各層級系統(tǒng)和設(shè)備的縱向打通。 

典型的通用型邊緣控制器如：霍尼韋爾公司的 ControlEdge PLC，支持物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議與云端通信，可集 成HMI/SCADA功能；西門子公司的S7-1500+TM NPU 智能模塊，具備神經(jīng)處理單元模塊，可實現(xiàn)AI算法和 PLC邏輯的融合，可集成視覺處理單元芯片，適用于圖像處理；奧普圖公司的groovEPIC，即前文提及的第一 套邊緣控制器，可在邊緣采集、處理、查看和交換數(shù) 據(jù)，并且同時支持OT和IT語言編程；施耐德的莫迪康 M262邊緣控制器，由獨立內(nèi)核執(zhí)行通信任務(wù)，可越過 中間網(wǎng)關(guān)進行物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。 通用控制器的發(fā)展是由歐美發(fā)達國家主導(dǎo)的，其專 注于傳統(tǒng)控制器與ICT層面融合的功能升級。

通用邊緣控 制器從維護既有商業(yè)利益角度出發(fā)，自下而上建設(shè)發(fā)展， 策略是在原有技術(shù)上進行能力拓展，穩(wěn)步推進技術(shù)革新。 

（2）虛擬化邊緣控制 

虛擬化邊緣控制器一般基于通用PC架構(gòu)，并可與 5G、確定性網(wǎng)絡(luò)、人工智能等新型ICT技術(shù)相結(jié)合。技 術(shù)上，在保證實時性的基礎(chǔ)上使控制系統(tǒng)向虛擬化方向 演進，以提高資源利用率，同時降低軟硬件運維及成 本，并提供彈性算力實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)集中管理，從而提升 產(chǎn)線柔性。 

典型的虛擬化邊緣控制器應(yīng)用案例如：東土科技與 三一重工、中國聯(lián)通聯(lián)合發(fā)布了基于5G的虛擬化邊緣 控制器，實現(xiàn)了毫秒級高實時控制；寶信、華為和上海 交通大學(xué)發(fā)布了基于廣域網(wǎng)的虛擬化邊緣控制器，實現(xiàn) 了20微秒的時延抖動和4ms以內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)時延；中國聯(lián)通 和浙江中控發(fā)布了基于5G MEC的虛擬化邊緣控制系統(tǒng) DeepControl。

 虛擬化邊緣控制器主要由國內(nèi)各廠商聯(lián)合推動，意 在突破傳統(tǒng)控制器架構(gòu)束縛，集中邊緣資源以提高資源利 用率，進而減少軟硬件成本。虛擬化邊緣控制因其靈活、 適應(yīng)性強和綜合成本較低等優(yōu)勢，在OT領(lǐng)域?qū)⒋笥锌?為，但當(dāng)前國內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展尚未成熟，技術(shù)積累尚未完備， 因此提升其時間確定性和健壯性以在高節(jié)拍、高速控制場 景中對傳統(tǒng)控制器形成替代，將成為未來發(fā)力重點。 

6　邊緣控制發(fā)展建議 

邊緣控制的重要價值已受到普遍認同，國外先進國 家和地區(qū)通過成立組織、啟動孵化項目、制定框架和標(biāo) 準(zhǔn)、開啟測試驗證來布局邊緣控制，國內(nèi)也持續(xù)發(fā)布政 策以完善邊緣控制發(fā)展環(huán)境。未來，筆者建議從健全標(biāo) 準(zhǔn)體系、推動技術(shù)創(chuàng)新及完善產(chǎn)業(yè)生態(tài)三個方面推動邊 緣控制的規(guī)模化發(fā)展。 

（1）健全標(biāo)準(zhǔn)體系 

標(biāo)準(zhǔn)制定對于引導(dǎo)研發(fā)方向、規(guī)范產(chǎn)品形態(tài)具有重 要意義。當(dāng)前邊緣控制相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)較為匱乏，筆者建議兼 顧各發(fā)展路徑的邊緣控制，組織產(chǎn)業(yè)各方統(tǒng)籌規(guī)劃，統(tǒng) 一布局，構(gòu)建邊緣控制標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)，形成整體的標(biāo)準(zhǔn) 視圖，健全邊緣控制標(biāo)準(zhǔn)體系。 

（2）推動協(xié)同創(chuàng)新 

單純利用邊緣控制技術(shù)難以充分發(fā)揮其價值，需 與5G、AI、大數(shù)據(jù)等技術(shù)相結(jié)合，相互融合，協(xié)同創(chuàng) 新。筆者建議面向多技術(shù)融合，建設(shè)圍繞邊緣控制的綜 合測試床以孵化形成一體化解決方案，同時學(xué)術(shù)上應(yīng)適 時總結(jié)梳理關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，為技術(shù)研究提 供重要參考。 

（3）完善產(chǎn)業(yè)生態(tài) 

邊緣控制是一項新興技術(shù)，如產(chǎn)業(yè)各方各自發(fā)力， 閉門造車，將會形成新的“七國八制”局面，無法從根 本上解決當(dāng)前工控的閉塞局面。筆者建議應(yīng)提供開放的 合作平臺，促進供給端研發(fā)合作和供需對接，以需求為 導(dǎo)向，以解決痛難點問題為驅(qū)動，形成合力發(fā)展局面。 同時，開展各類別邊緣控制產(chǎn)品評測，以測促用。

作者簡介：

胡鐘顥，中國信息通信研究院工程師，主要從事工業(yè)互 聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算等領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)政策、技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)制定 等工作，長期支撐工業(yè)和信息化部、國家發(fā)改委等部委 的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)政策制定、重大專項指南編制等工 作。已發(fā)表期刊及國際會議論文5篇，申請發(fā)明專利及 軟件著作權(quán)6項，主持并參與起草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)多項。

 王　哲，博士，中國信息通信研究院高級工程師，主 要從事工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算領(lǐng)域政策、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)， 產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面研究，長期支撐工業(yè)和信息化部、國 家發(fā)改委等部委的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)政策制定、重大專項 指南編制等工作。目前擔(dān)任CCSA邊緣計算技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及 產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進委員會技術(shù)促進組組長，同時擔(dān)任IEEE Transactions on Vehicular Technology，IEEE Access 等國際期刊審稿人，已發(fā)表期刊及國際會議論文10余 篇，其中SCI檢索5篇，申請發(fā)明專利及軟件著作權(quán)4 項，主持并參與起草10余項行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定工作。 

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摘自《自動化博覽》2023年第2期暨《邊緣計算2023專輯》