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中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院蘭大鵬，夏長(zhǎng)清，曾鵬

1　引言

隨著新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能等的崛起，工業(yè)控制系統(tǒng)逐漸由傳統(tǒng)分層、封閉、獨(dú)立的工業(yè)自動(dòng)化架構(gòu)向開放、平臺(tái)化的新型自動(dòng)化架構(gòu)轉(zhuǎn)變，美國(guó)著名自動(dòng)化咨詢ARC公司給出了其發(fā)展的主要趨勢(shì)：邊緣智能化、開放流程自動(dòng)化、虛擬與物理深度融合等。其中，瑞典皇家工學(xué)院和ABB研究院的龐智博等人提出的基于云邊自動(dòng)化的工業(yè)控制系統(tǒng)，無疑將對(duì)下一代工業(yè)自動(dòng)化架構(gòu)的發(fā)展產(chǎn)生巨大影響[1]，如圖1所示。

圖1 工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)范式的演變：從ISA-95模型的金字塔自動(dòng)化（左）到云自動(dòng)化（中），以及到提出的云霧自動(dòng)化范式（右）

目前主流的工業(yè)控制系統(tǒng)采用ISA-95為代表的金字塔架構(gòu)。在ISA-95模型中（見圖1左側(cè)），制造企業(yè)中的所有通信、計(jì)算和控制元素在邏輯上和物理上都被分割為五個(gè)獨(dú)立的層級(jí)（從0級(jí)到4級(jí)），每個(gè)層級(jí)對(duì)應(yīng)于物理機(jī)器、低級(jí)機(jī)器控制、中級(jí)監(jiān)督控制、MES和ERP。這種分層架構(gòu)在工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展過程中，確實(shí)起到了重要的作用，但隨著工業(yè)4.0、智能制造等概念的提出，其局限性也逐漸顯現(xiàn)。首先，分層架構(gòu)的通信效率較低，數(shù)據(jù)傳輸過程中易出現(xiàn)延遲，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)景適應(yīng)性差；其次，各層級(jí)之間的耦合性較差，難以實(shí)現(xiàn)快速靈活的協(xié)同控制；最后，由于各層級(jí)的獨(dú)立性，導(dǎo)致系統(tǒng)的整體優(yōu)化難度大，資源利用率低。

在這種背景下，更為扁平化的基于云邊自動(dòng)化的工業(yè)控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。其中云自動(dòng)化可通過ISA-95模型的3級(jí)和4級(jí)功能在云中的聯(lián)合部署實(shí)現(xiàn)（見圖1中心，例如NAMUR開放架構(gòu)（NOA）、統(tǒng)一架構(gòu)的開放平臺(tái)通信（OPC UA）云機(jī)器人學(xué)）；ISA-95模型的1級(jí)和2級(jí)功能可以從特定用途的計(jì)算硬件（如可編程邏輯控制器（PLC）和工業(yè)PC（IPC））遷移到通用且虛擬化的邊計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施，由此組成了邊自動(dòng)化，云與邊結(jié)合后形成了我們提出的“云邊自動(dòng)化”范式（見圖1右側(cè)）。云邊自動(dòng)化中的3級(jí)和4級(jí)軟件功能托管在通用的云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施中，更重要的是，1級(jí)和2級(jí)的時(shí)效性控制功能也由我們稱為“邊”的通用計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施托管。因此，ISA-95金字塔中的分層結(jié)構(gòu)僅在邏輯上存在，而物理拓?fù)渥兊酶悠教梗慈魏喂?jié)點(diǎn)都可以根據(jù)需要和安全規(guī)則訪問來自任何其他節(jié)點(diǎn)的信息。

云邊自動(dòng)化的另一個(gè)特征是采用下一代無線技術(shù)（如5G超可靠低延遲通信（URLLC）、Wi-Fi6/7等）替換1級(jí)和2級(jí)的有線網(wǎng)絡(luò)。基于此，計(jì)算任務(wù)可以從更高級(jí)別的計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施加載到更低級(jí)別的計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施，例如，從遠(yuǎn)程云到邊緣云、從邊緣云到邊緣終端，以及從邊緣終端到現(xiàn)場(chǎng)I/O設(shè)備（如果有足夠的計(jì)算能力）。這是一個(gè)重要的特征，可以保證整個(gè)系統(tǒng)相對(duì)于1級(jí)和2級(jí)控制的嚴(yán)格延遲和可靠性要求的可用性，例如，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)或云/邊計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施暫時(shí)不可用或性能不佳時(shí)，編排系統(tǒng)將自動(dòng)將時(shí)效性任務(wù)移動(dòng)到更接近數(shù)據(jù)生產(chǎn)者和消費(fèi)者，以減少負(fù)面后果。即，云邊自動(dòng)化需要根據(jù)應(yīng)用、用戶的需求和基礎(chǔ)設(shè)施的狀況雙向遷移計(jì)算任務(wù)，向上或者向下。

由此可見，發(fā)展基于云邊自動(dòng)化的工業(yè)控制系統(tǒng)具有重大意義，并將從多樣性、資源利用等方面提高制造業(yè)水平。其主要優(yōu)勢(shì)及特征如下：

（1）提高通信效率：通過邊緣計(jì)算，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和分析可以在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)就近完成，大幅減少了數(shù)據(jù)傳輸延遲。

（2）提高系統(tǒng)的靈活性和協(xié)同性：通過邊緣計(jì)算和云計(jì)算的緊密結(jié)合，各層級(jí)之間的耦合性得到增強(qiáng)，使得快速靈活的協(xié)同控制成為可能。

（3）提高系統(tǒng)整體優(yōu)化能力和資源利用率：通過邊緣計(jì)算，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以更好地被利用，從而實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的優(yōu)化。

2　基于云邊自動(dòng)化的控制系統(tǒng)面臨挑戰(zhàn)

目前，基于云邊自動(dòng)化的控制系統(tǒng)尚處于發(fā)展階段，實(shí)現(xiàn)滿足柔性化、智能化需求的新一代開放、平臺(tái)化自動(dòng)化系統(tǒng)還面臨著諸多挑戰(zhàn)。本文將從虛擬化技術(shù)、通-算-控互動(dòng)機(jī)制、新一代通信技術(shù)，以及安全性與可用性協(xié)同優(yōu)化等幾方面展開介紹。

2.1　虛擬化技術(shù)

虛擬化是實(shí)現(xiàn)云邊自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)，它允許在物理資源上創(chuàng)建多個(gè)虛擬實(shí)例，提高了資源利用率和靈活性。在云邊自動(dòng)化的背景下，虛擬化主要涵蓋硬件虛擬化、通信虛擬化和應(yīng)用虛擬化，如圖2所示。硬件虛擬化涉及創(chuàng)建一種虛擬環(huán)境，這種環(huán)境使多個(gè)用戶或應(yīng)用程序能夠共享同一硬件資源，而不會(huì)相互干擾，這對(duì)于優(yōu)化邊緣設(shè)備的性能至關(guān)重要，尤其是在資源受限的環(huán)境中。在云邊自動(dòng)化中，硬件虛擬化可以幫助實(shí)現(xiàn)更靈活的計(jì)算資源分配，使得邊緣設(shè)備能夠根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)地調(diào)整計(jì)算能力。通信虛擬化允許在同一網(wǎng)絡(luò)硬件上創(chuàng)建多個(gè)虛擬通信網(wǎng)絡(luò)。這對(duì)于云邊自動(dòng)化系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸和處理至關(guān)重要，可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎桶踩浴Ｍㄟ^通信虛擬化，可以更有效地隔離和管理不同應(yīng)用和服務(wù)之間的通信，確保了數(shù)據(jù)的安全和完整性，同時(shí)提高了網(wǎng)絡(luò)資源的使用效率。應(yīng)用虛擬化指的是將應(yīng)用程序從它們運(yùn)行的物理資源中抽象出來。這使得應(yīng)用程序不依賴特定底層硬件的情況下運(yùn)行，增加了應(yīng)用的可移植性和可訪問性。在云邊自動(dòng)化環(huán)境中，應(yīng)用虛擬化允許更快速、靈活地部署和管理應(yīng)用程序。這對(duì)于需要迅速響應(yīng)市場(chǎng)變化和技術(shù)更新的自動(dòng)化系統(tǒng)尤為重要。綜上所述，虛擬化不僅提高了云邊自動(dòng)化系統(tǒng)中的資源利用率和靈活性，而且對(duì)于實(shí)現(xiàn)更高效、安全和可擴(kuò)展的自動(dòng)化解決方案至關(guān)重要。

圖2 云邊自動(dòng)化中的虛擬化技術(shù)

2.2　網(wǎng)算控互動(dòng)機(jī)制

確定性響應(yīng)是基于云邊自動(dòng)化的工業(yè)系統(tǒng)柔性化、智能化的基石，其核心是對(duì)系統(tǒng)中多維資源的協(xié)同互動(dòng)。然而，不同于廣域網(wǎng)中的算力路由、算網(wǎng)協(xié)同管理等概念，工業(yè)系統(tǒng)中的網(wǎng)算控存在算力資源分布零散且有限、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議七國(guó)八制以及控制高精度高穩(wěn)定性等要求，面臨“傳不暢、算不動(dòng)、存不下、控不準(zhǔn)”的局面。因此，如何在動(dòng)態(tài)環(huán)境下，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、控制的協(xié)同互動(dòng)，對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)性能進(jìn)行保障意義重大。所謂互動(dòng)，即，生產(chǎn)系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境與作業(yè)變化，以系統(tǒng)穩(wěn)定性及作業(yè)響應(yīng)確定性等為基本目標(biāo)，自適應(yīng)地對(duì)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算以及控制資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)節(jié)的行為。相應(yīng)的，這種資源水流般自調(diào)節(jié)的性能保障機(jī)制，即為面向云邊自動(dòng)化的網(wǎng)算控互動(dòng)機(jī)制，適用于云-邊-端各個(gè)層次，其作業(yè)包括指令傳輸、智能決策、控制優(yōu)化等工業(yè)系統(tǒng)中常見操作。

圖3 網(wǎng)算控互動(dòng)下的生產(chǎn)模式現(xiàn)狀及愿景

網(wǎng)算控互動(dòng)機(jī)制下的生產(chǎn)模式現(xiàn)狀及愿景如圖3所示。以柔性產(chǎn)線動(dòng)態(tài)生產(chǎn)為例，在產(chǎn)線動(dòng)態(tài)變化過程中可能出現(xiàn)切削工件形狀、材質(zhì)改變，原本無關(guān)聯(lián)的自動(dòng)引導(dǎo)車與機(jī)器人需要運(yùn)動(dòng)加工等情況，此時(shí)，相關(guān)設(shè)備需要重新爭(zhēng)搶計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)資源，以滿足自身制造節(jié)拍需求。目前的生產(chǎn)系統(tǒng)為了保護(hù)競(jìng)爭(zhēng)所產(chǎn)生的不確定性，采用資源綁定與資源預(yù)留應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)變化，即對(duì)可變化設(shè)備綁定專用算力，并預(yù)留充足的信道或頻譜資源，通過資源冗余供給的方式規(guī)避不確定風(fēng)險(xiǎn)。但柔性化生產(chǎn)的狀態(tài)空間隨生產(chǎn)規(guī)模呈冪指數(shù)增長(zhǎng)，僅依靠資源冗余供給無法保障柔性生產(chǎn)確定性。同時(shí)，“煙囪化”算力利用率僅為30%左右，而智能計(jì)算算力需求每100天翻一倍，算力供需成本嚴(yán)重不對(duì)等也導(dǎo)致資源冗余供給難以長(zhǎng)治久安。而合理利用資源的生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)該是，當(dāng)生產(chǎn)發(fā)生變化時(shí)，網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算與制造資源進(jìn)行確定性互動(dòng)，本地算力對(duì)作業(yè)進(jìn)行評(píng)估，無法本地決策部分遷移至滿足傳輸開銷與計(jì)算開銷的空閑計(jì)算單元中。與此同時(shí)，通過降低相關(guān)區(qū)域信息交互量或與邊緣網(wǎng)關(guān)協(xié)商改變部分通信的傳輸路徑，釋放用以建立新通信的網(wǎng)絡(luò)資源。

2.3　新一代通信技術(shù)-基于IP的全實(shí)時(shí)通信

圖4 新一代通信技術(shù)-基于IP的全實(shí)時(shí)通信

在目前的自動(dòng)化系統(tǒng)中，存在著“七國(guó)八制”的情況，即多種通信協(xié)議并存，各自有不同的標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用領(lǐng)域。這種多樣性既反映了技術(shù)發(fā)展的多元性，也帶來了一定的挑戰(zhàn)。自動(dòng)化系統(tǒng)中常見的通信協(xié)議包括Modbus、Profibus、Ethernet/IP、Profinet、CANopen、BACnet、OPC UA等。這些協(xié)議各有特點(diǎn)，被設(shè)計(jì)用于滿足不同的工業(yè)應(yīng)用需求。例如，Modbus通常用于簡(jiǎn)單的設(shè)備間通信，而Profinet則適用于更復(fù)雜的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。不同的通信協(xié)議意味著不同的數(shù)據(jù)格式、傳輸速率、連接方式等，這導(dǎo)致了設(shè)備和系統(tǒng)間的兼容性問題。在多種協(xié)議共存的情況下，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的有效通信和集成變得更加復(fù)雜，尤其是在涉及不同制造商和技術(shù)的系統(tǒng)中。為了實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議之間的通信和集成，通常需要額外的中間件或網(wǎng)關(guān)設(shè)備。這不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，還可能引入新的延遲和故障點(diǎn)。維護(hù)多協(xié)議系統(tǒng)需要更多的專業(yè)知識(shí)和資源，尤其是在升級(jí)和故障排查時(shí)。盡管存在多樣化的協(xié)議，但業(yè)界正逐漸向統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。例如，OPC UA（Open  Platform Communications Unified Architecture）被視為一個(gè)統(tǒng)一的通信框架，能夠跨越不同的協(xié)議和平臺(tái)。這種統(tǒng)一化的趨勢(shì)有助于簡(jiǎn)化系統(tǒng)集成，提高了互操作性和可維護(hù)性。

因此，為實(shí)現(xiàn)高效的云邊自動(dòng)化，需要新一代的通信技術(shù)，尤其是基于IP的全實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)。這種通信技術(shù)對(duì)于保證云邊環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸效率和系統(tǒng)響應(yīng)速度至關(guān)重要。基于IP的通信架構(gòu)提供了更高的靈活性和可擴(kuò)展性。它允許不同類型的設(shè)備和系統(tǒng)無縫連接，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。相比傳統(tǒng)的非IP通信技術(shù)，基于IP的解決方案可以更容易地集成到現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中，降低了系統(tǒng)升級(jí)和維護(hù)的成本。在云邊自動(dòng)化系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)性是確保系統(tǒng)高效運(yùn)行的關(guān)鍵因素。例如，在工業(yè)自動(dòng)化或智能運(yùn)輸系統(tǒng)中，延遲低的實(shí)時(shí)通信對(duì)于系統(tǒng)的可靠性和安全性至關(guān)重要。實(shí)時(shí)通信技術(shù)使得系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)外部變化，實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，從而提高了決策效率和系統(tǒng)性能。全實(shí)時(shí)通信要求網(wǎng)絡(luò)具有極低的延遲和高可靠性。這需要高效的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、先進(jìn)的路由技術(shù)，以及有效的流量管理和優(yōu)化策略。為了解決這些挑戰(zhàn)，可以采用最新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如5G通信、軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）。這些技術(shù)可以提供更快的數(shù)據(jù)傳輸速度、更靈活的網(wǎng)絡(luò)管理，以及更高的網(wǎng)絡(luò)可靠性。

2.4　安全性與可用性協(xié)同優(yōu)化

圖5 安全性與可用性協(xié)同優(yōu)化

在云邊自動(dòng)化中，同時(shí)優(yōu)化安全性和可用性是一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@兩個(gè)方面往往需要在資源和設(shè)計(jì)上做出權(quán)衡。邊緣設(shè)備通常計(jì)算能力和存儲(chǔ)空間有限，需要用于同時(shí)實(shí)現(xiàn)安全措施和維持高效的運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的安全協(xié)議可能會(huì)消耗較多的計(jì)算資源，將影響設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間和整體性能。另外安全更新（如補(bǔ)丁和軟件升級(jí)）對(duì)于維護(hù)系統(tǒng)安全至關(guān)重要，但這些更新可能會(huì)暫時(shí)降低系統(tǒng)的可用性，在不中斷關(guān)鍵服務(wù)的情況下部署安全更新是一個(gè)挑戰(zhàn)。實(shí)施嚴(yán)格的身份驗(yàn)證和訪問控制機(jī)制有助于提高安全性，但過于復(fù)雜的認(rèn)證過程可能影響用戶體驗(yàn)和服務(wù)的及時(shí)性，在分布式和動(dòng)態(tài)的云邊環(huán)境中管理訪問控制是復(fù)雜的。在保護(hù)用戶隱私的同時(shí)有效處理大量數(shù)據(jù)是一個(gè)挑戰(zhàn)，特別是當(dāng)涉及到敏感信息時(shí)。實(shí)施隱私增強(qiáng)技術(shù)（如數(shù)據(jù)脫敏或同態(tài)加密）可能會(huì)增加計(jì)算負(fù)擔(dān)。設(shè)計(jì)能夠快速?gòu)墓艋蚬收现谢謴?fù)的系統(tǒng)對(duì)于保持高可用性至關(guān)重要。實(shí)施有效的備份和故障轉(zhuǎn)移機(jī)制，同時(shí)保持系統(tǒng)的安全性和完整性。解決這些挑戰(zhàn)需要一種綜合方法，將安全性措施嵌入到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的每個(gè)層面，同時(shí)確保這些措施不會(huì)過度影響系統(tǒng)性能和用戶體驗(yàn)。此外，隨著技術(shù)的發(fā)展，需要不斷更新和適應(yīng)新的安全威脅，以保持系統(tǒng)的安全性和高可用性。

2.5　平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)

圖6 云邊自動(dòng)化平臺(tái)架構(gòu)

圖6是一個(gè)云邊自動(dòng)化平臺(tái)的參考體系結(jié)構(gòu)圖。它分為多個(gè)層次，包括底層的硬件和操作系統(tǒng)，以及頂層的應(yīng)用和服務(wù)。底層硬件：包括了CPU、GPU、TPU和FPGA等異構(gòu)的計(jì)算資源。虛擬化層：主要利用虛擬化軟件將計(jì)算資源、通信資源等虛擬化，如容器引擎（Container engine）和虛擬機(jī)（VM）。操作系統(tǒng)：這一層是連接硬件和上層軟件的基礎(chǔ)系統(tǒng)，包括實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。中間件：中間件分為幾個(gè)部分，包括基礎(chǔ)中間件、AI中間件、協(xié)議中間件和安全中間件。這一層提供了軟硬件之間的橋梁和數(shù)據(jù)的傳輸、處理的功能。工控系統(tǒng)：工控系統(tǒng)包括了ROS/ROS2、CODESYS PLC和Eclipse 4diac等系統(tǒng)。基礎(chǔ)服務(wù)層：提供了Kubernetes和KubeEdge等容器管理和邊緣計(jì)算服務(wù)。應(yīng)用層：包括了多種類型的應(yīng)用，例如傳感器應(yīng)用、云服務(wù)應(yīng)用和數(shù)據(jù)化應(yīng)用等。云邊協(xié)同：圖中提到的云邊協(xié)同，指的是云計(jì)算和邊緣計(jì)算協(xié)同工作，以提供高效的服務(wù)。安全性：安全性被貫穿在整個(gè)體系結(jié)構(gòu)中，特別是在協(xié)議中間件層中，包含了多種安全相關(guān)的協(xié)議和技術(shù)，如EtherNet/IP+CIPSafety、OPCUA+Safety等。整個(gè)體系結(jié)構(gòu)展示了一個(gè)從硬件到應(yīng)用的完整云邊自動(dòng)化平臺(tái)的結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)在于各層次之間的協(xié)同和安全性，以及如何有效地將云計(jì)算和邊緣計(jì)算結(jié)合起來，以提供自動(dòng)化服務(wù)。

3　云邊自動(dòng)化未來展望

3.1　設(shè)計(jì)制造一體化的新范式

在云邊自動(dòng)化的未來展望中，設(shè)計(jì)與制造一體化是一個(gè)創(chuàng)新的理念，它強(qiáng)調(diào)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段就考慮制造過程，以及在制造階段反饋設(shè)計(jì)優(yōu)化。這種一體化思維有助于縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，減少資源浪費(fèi)，并能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。設(shè)計(jì)制造一體化不僅優(yōu)化了產(chǎn)品的開發(fā)流程，也加強(qiáng)了跨部門和跨組織的協(xié)作，從而推動(dòng)了整個(gè)行業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展。邊緣計(jì)算的興起為設(shè)計(jì)制造一體化提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。通過在邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以實(shí)時(shí)獲取制造過程中的數(shù)據(jù)，從而快速地將設(shè)計(jì)變更實(shí)施到生產(chǎn)線上。同時(shí)，虛擬化技術(shù)能夠創(chuàng)建與物理環(huán)境相隔離的數(shù)字孿生，這使得設(shè)計(jì)師能夠在虛擬環(huán)境中測(cè)試和優(yōu)化設(shè)計(jì)，而無需物理原型，從而進(jìn)一步加速了設(shè)計(jì)與制造的一體化進(jìn)程。這些技術(shù)驅(qū)動(dòng)因素共同構(gòu)建了一個(gè)更加靈活和響應(yīng)迅速的生產(chǎn)環(huán)境。實(shí)際工業(yè)控制系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)制造一體化已經(jīng)開始體現(xiàn)。例如，某些先進(jìn)的汽車制造企業(yè)已經(jīng)采用云邊自動(dòng)化技術(shù)，將車輛設(shè)計(jì)的虛擬模擬直接與制造線上的機(jī)器人編程相結(jié)合，這樣可以即時(shí)調(diào)整和優(yōu)化生產(chǎn)過程。另一個(gè)案例是在半導(dǎo)體制造中，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)能夠直接輸入到生產(chǎn)設(shè)備中，生產(chǎn)設(shè)備根據(jù)實(shí)時(shí)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整加工參數(shù)，確保了生產(chǎn)過程的精確性和一致性。這些案例表明，設(shè)計(jì)制造一體化已經(jīng)成為提高工業(yè)生產(chǎn)智能化和自動(dòng)化水平的關(guān)鍵步驟。

3.2　IT/OT融合的前沿探索

IT（信息技術(shù)）和OT（操作技術(shù)）的融合是指在生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)環(huán)境中將信息技術(shù)的數(shù)據(jù)處理和分析能力與操作技術(shù)的物理設(shè)備控制和管理能力結(jié)合起來。這一融合使得企業(yè)可以實(shí)時(shí)地監(jiān)控和優(yōu)化生產(chǎn)過程，提高了運(yùn)營(yíng)效率，減少了故障停機(jī)時(shí)間，增強(qiáng)了產(chǎn)品質(zhì)量和供應(yīng)鏈管理。更進(jìn)一步，IT/OT融合有助于打破信息孤島，促進(jìn)跨部門數(shù)據(jù)共享，為企業(yè)決策提供了更全面的視角和數(shù)據(jù)支持。云邊自動(dòng)化通過提供一個(gè)框架和技術(shù)棧，促進(jìn)了IT和OT的融合。云邊自動(dòng)化平臺(tái)可以整合來自O(shè)T環(huán)境的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如傳感器讀數(shù)、機(jī)器狀態(tài)和生產(chǎn)流程信息，并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)絀T系統(tǒng)。這樣，IT系統(tǒng)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、監(jiān)控和報(bào)告，使決策者能夠根據(jù)實(shí)時(shí)信息做出更好的決策。邊緣計(jì)算使得數(shù)據(jù)處理能夠在數(shù)據(jù)產(chǎn)生的地點(diǎn)附近進(jìn)行，這減少了延遲并提高了響應(yīng)速度。同時(shí)，云計(jì)算提供了強(qiáng)大的資源來進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)分析和存儲(chǔ)。云邊自動(dòng)化平臺(tái)利用邊緣計(jì)算來處理OT數(shù)據(jù)，同時(shí)利用云計(jì)算的強(qiáng)大能力來進(jìn)行深入分析和資源管理。云邊自動(dòng)化平臺(tái)常常采用標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議和接口，比如MQTT、OPC-UA等，這有助于不同的IT和OT設(shè)備之間的通訊和數(shù)據(jù)交換。這種標(biāo)準(zhǔn)化是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)技術(shù)領(lǐng)域融合的基礎(chǔ)。中間件和應(yīng)用程序接口（API）在云邊自動(dòng)化中起到橋梁作用，它們使IT應(yīng)用能夠訪問和控制OT設(shè)備，反之亦然。這樣，操作技術(shù)和信息技術(shù)之間可以有更流暢的互動(dòng)。云邊自動(dòng)化平臺(tái)在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)考慮到安全性和合規(guī)性問題，確保在整合IT和OT系統(tǒng)的過程中保護(hù)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施不受威脅。這些平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)高級(jí)的安全監(jiān)控和響應(yīng)機(jī)制，保護(hù)數(shù)據(jù)和物理資產(chǎn)。通過創(chuàng)建OT環(huán)境的數(shù)字孿生，云邊自動(dòng)化平臺(tái)允許在虛擬環(huán)境中模擬和測(cè)試物理環(huán)境的變化，這樣可以在實(shí)際改變?nèi)魏蜲T系統(tǒng)之前，預(yù)測(cè)變化將如何影響整個(gè)系統(tǒng)。云邊自動(dòng)化技術(shù)可以將AI和機(jī)器學(xué)習(xí)算法應(yīng)用于OT數(shù)據(jù)，這樣可以實(shí)現(xiàn)更智能的預(yù)測(cè)維護(hù)、資源優(yōu)化和生產(chǎn)流程控制。通過這些方式，云邊自動(dòng)化不僅促進(jìn)了IT和OT的融合，還提高了操作效率，降低了成本，并為企業(yè)提供了更高層次的業(yè)務(wù)洞察和創(chuàng)新能力。

4　結(jié)論

基于云邊自動(dòng)化的工業(yè)控制系統(tǒng)代表了工業(yè)自動(dòng)化的未來發(fā)展方向，它通過整合云計(jì)算和邊緣計(jì)算，提升了通信效率、系統(tǒng)靈活性和資源利用率。盡管面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)，如虛擬化技術(shù)、網(wǎng)算控互動(dòng)機(jī)制和新一代通信技術(shù)等，但這些挑戰(zhàn)的解決將進(jìn)一步推動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用。最終，云邊自動(dòng)化有望在設(shè)計(jì)制造一體化、IT/OT融合等多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)顯著的技術(shù)突破，為智能制造和工業(yè)4.0的實(shí)現(xiàn)提供強(qiáng)大支持。

★基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFB3304004），國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（92267301，92367301）。

作者簡(jiǎn)介：

蘭大鵬（1991-），男，副研究員，博士，現(xiàn)就職于中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，研究方向?yàn)檫吘売?jì)算、云化控制、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。

夏長(zhǎng)清（1985-），男，副研究員，博士，現(xiàn)就職于中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，研究方向?yàn)楣I(yè)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度、邊緣計(jì)算。

曾　鵬（1976-），男，研究員，博士，現(xiàn)任中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所副所長(zhǎng)，研究方向?yàn)楣I(yè)互聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算。

摘自《自動(dòng)化博覽》2024年第二期暨《邊緣計(jì)算2024專輯》