摘要：实现工业互联网价值离不开边缘计算的支撑，而工业现场设备种类繁多， 领域特性又大相径庭，目前工业边缘计算应用虽然已有一定数量，但通用性较差。工业边缘计算是OT与IT融合的典型应用场景，工业边缘APP需要同时支撑逻辑运动控制、监控人机界面等OT应用与视觉检测、数据采集分析、预测性维护、生产管理等IT应用。通过IEC 61499标准与微服务、容器化技术融合，工业边缘应用可以实现多种编程语言混合设计，通过软硬件解耦灵活部署到任意边缘节点， 从而实现工业互联网从数据到模型再到控制的完整闭环，真正为制造业赋能。  

关键词：边缘计算；工业边缘APP；微服务；容器化；IEC 61499

1 引言

在过去几年中，工业互联网平台如雨后春笋般涌现，无论是通用性平台还是面向垂直领域的专业功能性平台目前都有千余家在运营，已初具规模。工业互联网平台需要大量边缘设备接入，采集海量过程数据并进行处理分析来实现对生产过程的优化。更重要的是优化模型也需要以工业边缘App的形式重新部署到边缘设备上，使得工业互联网平台真正实现赋能企业。

工业边缘计算应用（工业边缘App）种类繁多， 除了包含传统的实时控制、运动控制、现场总线通讯、人机界面等功能外，还融合了数据采集与处理、机器视觉、生产管理、运营维护等创新性应用。无论是侧重于OT或是IT的工业边缘App，面向异构平台都需要多种OT与IT语言混合设计。显然传统基于桌面应用的工业软件开发方式无法满足工业边缘计算应用轻量、灵活与协作的特性。

欧盟早在2017年就对此问题展开研究，例如图1中列举的Horizon 2020的DAEDALUS项目的架构[1]，为支撑信息物理系统设备间协作，围绕IEC 61499标准[2]，使用面向对象的模块化设计方法对现场中各种设备进行封装，通过基于IEC 61499的集成开发环境与自动化App 应用商店提升应用与算法的复用性，建立以自动化开发者、设备与零件供应商以及系统集成商为核心的生态圈。此外，由几十家厂商所组成的开放过程自动化联盟（OPAF）[3]同样以开放标准来整合MES、DCS、HMI、 PLC以及I/O功能，基于模块化设计实现过程控制系统的开放性以及互操作性。

图1 欧盟Horizon 2020 DAEDALUS项目架构[1]

工业互联网平台要发挥赋能作用，除了数据上云之外，更重要的是提供通用的编程语言与设计工具，协助现场工程师高效地将Know-How转变成工业边缘App，  无需具备专业知识的全栈工程师也能快速地开发、部署与调试工业边缘App，从而真正实现工业互联网价值落地，填补工业互联网关键核心技术空心化的问题。

2 基于微服务的工业边缘应用设计

近年来， IT系统软件设计范式已经逐渐从面向对象编程（OOP）向面向服务架构（SOA）进化。面 向服务架构的软件设计方法对模块接口的统一定义来实现软件模块的松散耦合，使得由不同编程语言、操作系统与硬件平台实现的应用模块通过统一编排来完成特定功能，从而提升软件复用性。SOA解决了不同系统之间应用数据交互的难题。与SOA类似，微服务（Microservice）同样由松散耦合的可复用软件模块组成。不同的是，SOA更加适合开发大型企业级应用， 而微服务更多满足针对某个特定领域的定制化需求，并具有更新简单、扩展容易等特点。工业边缘计算系统涉及领域众多、通常由异构设备组成等特性完全符合微服务的适用范围，因此，微服务是工业边缘App设计范式的完美选择。

随着工业边缘设备计算与储存能力的不断提升，工业边缘计算节点除了能涵盖原ISA-95架构中的感知层、控制层以及监控层的应用，还能支撑视觉检测、机器人与AGV控制、数据采集处理、生产管理等新型工业边缘应用。如图2所示，一个工业边缘App可以分为三个类型：独立工业边缘App、分布式工业边缘App以及边- 云协同工业App。独立工业边缘App通常适用于单一功能应用（例如数据采集）或者包含实时控制、人机界面以及数据采集的小型系统，此类工业边缘App通常只需一个节点即可完成所有任务；分布式工业边缘App通常需要多个节点协同来实现复杂任务，例如大型物流系统或者复杂生产系统；边-云协同工业App则是针对类似于大数据处理或者深度学习等无法完全依靠边缘计算解决的新型混合系统，需要利用云平台的计算与储存能力来协助实现生产过程中的优化。

图2 工业边缘App分类

工业边缘App通常是由多个功能组合而成，如一个PCB质量检测的产线牵涉到实时控制、运动控制、机器视觉、数据采集、模型训练、人机界面等多项功能， 而每项功能则可能由不同的编程语言所开发。例如，实时控制通常采用基于IEC 61131-3[4]的逻辑控制，运动控制多基于G代码，而机器视觉则采用Python或者C++ 等高级语言。如果将每个功能看作是独立的微服务，用户则需要使用统一的建模语言编排这些微服务。而IEC 61499功能块系列标准则是目前适合的建模语言。IEC 61499标准提供了基于事件触发功能块的标准封装方式，对包含IEC 61131-3、C++等高级语言的统一封装，能有效地独立于微服务开发。除此之外，标准中提供了功能块网络模型、资源模型、设备资源等完整的软件模型来支持微服务的复用性与可移植性。如图3 所示，将每个功能块看作是独立的微服务，而功能块接口则是调用API。功能块网络将各个模块通过控制流与数据流整合，形成一个或者多个应用程序，通过IEC 61499部署模型将应用程序映射到不同的边缘计算节点上，实现了系统级工业边缘计算应用的统一建模设计。与UML等建模语言不同的是，IEC  61499提供了完整的功能块执行机制，因此功能块网络能够被直接部署与执行，从而减少了从建模语言到可执行代码的转换， 避免了由于模型转换造成的代码质量问题，从而提升设计效率。目前施耐德电气EcoStruxure Automation Expert[5]以及国产海王星模块工匠Function Block Builder[6]等IEC 61499工具已经初步具备了应对工业边缘计算混合设计的能力。

图3 基于IEC 61499的OT与IT混合设计

3 轻量级容器化工业边缘应用运行环境

在IT应用开发中，微服务往往与容器密不可分。将微服务通过容器化封装可以实现微服务的独立运行， 同时将依赖库文件与操作系统一同移植可以有效减少由于开发环境与部署环境的差异而造成的问题。现有的Linux容器主要有Docker、LXC/LXD等选择，然而目前所有Linux容器都是为IT应用设计，针对计算与储存能力有限的工业边缘计算节点而言，这些容器都过于臃肿。特别是面向工业实时控制等高实时性、高可靠性要求的传统OT应用，目前容器在更新时间、文件大小以及操作性等关键上与工业现场实际需求还存在一定的差距，针对工业边缘计算的轻量级容器化运行环境仍然是待解决的重要问题。

图4 基于IEC 61499的工业边缘计算容器化运行环境

基于IEC 61499的微服务化工业边缘App同样需要轻量级容器化的运行环境支撑。如图4所示，以Linux 容器为基础，将每个微服务作为单独容器封装，容器依次将IEC 61499微服务运行环境、所需要的编程语言支撑环境以及基于IEC 61499的应用程序加载，最后通过IEC 61499功能块网络将不同微服务之间串联起来。当需要对应用程序重新编排时，仅需对微服务调用顺序进行重新编排，无需对容器进行修改；当需要对微服务进行更新时，则只需要对容器内的顶层应用程序进行更新即可完成，而无需影响其他微服务以及系统的运作。通过容器化封装功能块，微服务可以实现软件与硬件的完全解耦，从而显著提升边缘计算系统的灵活性。

当工业边缘App开发完成后，最后一步需要将工业边缘App从云端或者网关部署到边缘计算节点上。容器化工业边缘App能保证从开发环境部署到生产环境的一致性，开发者将封装完成的容器上传到云端的工业边缘App市场，系统集成商或者设备制造商可以根据需求从云端购买相应的工业边缘App，并且通过简易配置部署到边缘计算节点。在这方面国内已经有了非常不错的基础，华为云IEF以及容器市场已经实现了容器的交易、配置以及从云端向边缘端的部署，当与基于IEC 61499 实现对微服务的统一编排与管理融合后，快捷地远程部署调试将不再是梦想。

4 结语

如何高效设计OT与IT融合工业互联网边缘计算应用一直是制约工业互联网价值落地的关键技术之一。将IEC 61499功能块标准与微服务、容器化融合能够赋予工业边缘App软硬件解耦的能力，使其适用于拥有不用计算、储存与通讯能力的边缘计算节点，提升系统的灵活性、互操作性与可移植性。当基于微服务、轻量级容器以及IEC 61499的工业边缘App与确定性IP网络、TSN等网络紧密结合时，工业互联网边缘计算将发挥其真正的价值。 

作者简介：

戴文斌，上海交通大学电子信息与电气工程自动化系副教授，博士生导师，隶属“系统控制与信息处理”教育部重点实验室，上海市自动化学会秘书长。近年来主要从事下一代分布式工业控制软件、工业信息化、工业互联网边缘计算等方向的研究工作。是IEC TC65B/WG15（IEC  61499）标准委员会国内唯一专家，IEEE P2805边缘计算标准工作组组长。目前担任IEEE-TII编委、IEEE-IES工业信息学技术专委会主席以及多个IEEE-IES旗舰会议的程序委员会主席等职务。

参考文献：

[1] EU. Horizon 2020 DAEDALUS Project[EB/OL]. http://daedalus.iec61499.eu/.

[2] IEC 61499, Function Blocks, International Standard, Second Edition[S]. 2012.

[3] The Open Group. The Open Process Automation Forum[EB/OL]. https://www.opengroup.org/forum/open-processautomation-forum. 

[4] IEC 61131-3, Programmable controllers - Part 3: Programming languages, International Standard, Third Edition[S]. 2013. 

[5] Schneider Electric. Schneider Electric EcoStruxure Automation Expert[EB/OL]. https://www.se.com/ww/en/productrange-presentation/23643079-ecostruxure%E2%84%A2-automation-expert/. 

[6] 国际电工委员会. Function Block Builder[EB/OL]. http://www.iec61499.cn

摘自《自动化博览》2021年2月刊