新时代工业背景下智能工厂的“云—边—端”架构

张昊阳

摘要：针对传统架构下的工厂的不足，提出“云—边—端”架构在智能工厂中的重要应用，以及与传统架构相比其具有的特点。在云计算负荷过重顶框下，引入“边”——边缘计算这一概念，边缘计算通过许多控制（计算）将通过本地设备实现，无需交给云端，处理过程在本地边缘计算层完成。建立起从云到边缘，到设备端的计算，让工厂的计算能力提升，提高复杂装置的工厂的智能架构。

关键词：物联网;智能工厂;传统架构;“云—边—端”架构

中图分类号：TP391.44;TN929.5;TB497文献标识码：A文章编号：1672-9129（2020）14-0135-02

1前言

在工业4.0的时代大背景下，一方面制造业要求日益增高，为迎合行业趋势推进改造，另一方面云计算的时效性，带宽局限性更加突出，为使工厂提高工作效率更加智能化引入边缘计算，构建“云—边—端”架构。工厂由传统架构向“云—边—端”架构转型，使得物联网技术与制造业联系更加紧密。工厂通过云计算，边缘计算，以及设备间的互相协作完成更加高效的生产，形成面向复杂装置的更加智能的架构。

2物联网时代与智能工厂

2.1物联网时代简述。随着5G网络和大数据时代来临，万物互联这一概念不断的得以实现。智能设备的出现让网络技术也迅速发展起来，物联网简单地说就是将物与物通过网络进行连接，依靠各种传感器设备和无线传感等等技术将物物链接组成网络。物联网由传感层、网络层、应用层构成。传感层作为底层，通过射频识别设备和各种传感器以及终端作为信息采集，提供基本的数据支撑。网络层则是对传感层获取的数据通过计算机网络、互联网、云计算大数据平台等进行数据的传输和处理。应用层则是在网络层处理好的传输进来的数据的支持下，利云计算、大数据分析、数据挖掘等技术，从而提供海量的应用程序进一步的实现万物互联，为智能设备在不同领域、不同环境下进行可行性的实现。

尤其是在当今社会，产业连不断被扩大更多产业不断转型升级，全世界都提出了高效、简洁、准确的工作要求，工厂的在智能化更是必不可少。工业4.0大背景下，工厂向机械化、智能化转变是大势所趋，通过数以亿计的传感器和机械智能设备工厂也“智慧”起来。

2.2物联网技术在智能工厂的实现分析。在工厂产能不断提高，要求不断增多的情况下，工厂的智能架构不仅可以通过新思想多灵活多变的方法来解放生产，创造出专门为工厂的创新模式，进而会实现弯道超车。这种新型架构不仅减低人工成本，而且可以灵活协调方便实现产能的积极调配。不仅如此在我国物联网的大方向下，出台了许多相关政策，制造业也成为“十三五”时期的物联网重要的领域之一，随着市场国模的不断扩大和物联网技术的加速发展，在传统产业、城市规划管理和我国产业结构方面不断地深化应用为我国的产业架构调整带来了新动能。也为我国制造业发展提出了向高产能智能化转型的要求。智能工厂以及“云—边—端”架构的建设是机遇也是挑战，这不仅可以促进我国物联网产业补短板、促应用从而更加深入探索，而且也为我国工厂制造业转型升级带来新的血脉新的方向，提供新动能。

3智能工厂及“云—边—端”架构

3.1智能工厂及其标准体系架构。智能工厂这一形式是设备智能化、工厂管理现代化、信息计算机化的基础上达到的新阶段。它不仅包括智能设备与自动化集成，还涵盖了企业管理信息系统（MIB）的全部内容。智能工厂尤其在制造业上体现出智能工业这一发展新方向。智能工厂主要特征是：系统的自住能力;整体技术的实现;协调重组和扩充性;自我学习和维护能力;以及最为重要的人机共存的系统，人机在不同层次扮演不同角色，相辅相成，协调合作。

由于 CPS 信息物理融合系统进入制造和物流的技术集成，以及在工业流程中使用物联网及其服务，从而产生了创新的工厂系统 ——智能工厂。完全不同 于传统的工厂自动化系统，智能工厂采用面向服务的体系架构，具体体系架构如图 5 所示

从图 5 可以看出，对应于传统自动化系统的现场级，使用物联网技术;对应于控制级，采用 CPPS 信息物理融合生产系统;对应的监控管理级连接到安全可 靠和可信的云网络主干网，采用服务互联网提供的服务。智能工厂的IT建设在云计算网络基础上依靠安全可靠和可信的云网络的服务模式，“云计算”往往发挥着远程数据中心的作用。

3.2智能工厂的设想和目标。作为工业4.0核心的智能工厂，其基本设想是制造的产品集成有动态数字储存器、感知和通信能力，承载着整个供应链和生命周期中所需的各种信息;整个生产价值链中所集成的生产设备能够实现自组织，以及能够根据当前的状况灵活的决定生产过程。

智能工厂建设的目标是：建立起一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。

在这种模式中，传统行业的界限将消失，并会产生各种新的活动领域和合作形式。

3.3标准体系架构分析。智能工厂标准体系架构具有一定标准原则：（1）引领性原则;（2）通用性原则;（3）系统性原则;（4）先进性原则;（5）适用性原则;按照以上原则构建标准体系是与传统架构全然不同的。传统架构在智能工厂的现代架构下已经是天壤之别，标准架构依赖于全新的形式充分发挥着它的重要作用。智能工厂依托于一种基于互联网的服务模式的云计算使得其时效性大大的提高。更是加快了智能工厂互联互通的模式，对于市场需求的感知，对于工业制造的数字化大有益处。更多的制造工厂依赖于物联网技术的广泛应用积极向智能工厂转型，从传统制造向智能制造转型。

相比较于传统构架而言，智能工厂标准架构具有以下明显的一定和特点

（1）设备之间具有生产自组织能力、协同制造能力，应变能力强、反应速度快，能更好地支持多品种、小批量、定制型产品的快速生产加工;

（2）數据采集和实时监控技术能在问题产生前进行预处理，从而降低故障率，保障安全性

（3）智能调度生产过程，使设备和工装的利用率大大提高;

（4）对产品加工过程进行自我监控和自我纠正，从而提升产品质量;

（5）利用云计算、大数据的支持，提供专业智 能知识，提高复杂结构、复杂面型的设计和加工 能力;

（6）实时网络监控、分析和决策，保障生产用 料等制造资源供应链的及时性和连续性，从而提高生产的效率和保障能力。

这些优点与特点是当下的制造业以及工厂转型后的优势和生命力蓬勃发展更新的源泉。顺应了时下发展的要求，积极转型改革是企业迸发新活力，指明前进新方向。

但是在如今太多的计算依赖于云计算来完成

云计算的时效性，带宽局限性更加突出，为使工厂提高工作效率更加智能化引入边缘计算，构建“云—边—端”架构。

4“云—边—端”架构带来的智能工厂新升级及挑战

在云计算短板日益显露的今天，又有一新型架构模式出现，为当前的局面带来了解决的方法：构建“云—边—端”架构。

随着5G、物联网等技术的快速发展，百亿联网设备的海量数据处理以及超低时延等需求都对现有的云计算模式提出了挑战，边缘计算应运而生。此前，阿里云边缘计算技术负责人杨敬宇向媒体表示，边缘计算作为5G时代的一项关键技术，未来将成为不可或缺的基础设施之一。他指出，5G时代万物智联将真正成为现实，云、边、端三体协同成为最佳解决方案，拥有高效、实时、安全特性的边缘计算将成为基础设施。。边缘计算作为一种新的技术理念，主要聚焦实时、周期数据的分析和处理。边缘计算是实现分布式门治控制工业自动化架构的重要支撑，在预测性维护、能效管理、 智能制造等领域有着广泛的应用前景。

通过引入边缘计算将一些不重要的数据计算或者简单的计算放在邊缘计算上完成，使得成本降低，也使得计算时效性大大改变，更大大地减小了云计算的压力。云边端协同一体化的体系使得更加高效率，高质量，体现出高水平发展，云计算、大数据为智能工厂提供强大的计算处理能力。“云—边—端”架构为智能工厂更加智能带来最新最好的解决方案，也为制造业和工厂发展指明道路。

有创新就会带来挑战，而构建“云—边—端”架构面对的两个大挑战是： 边缘操作系统和端云一体化管理平台。边缘操作系统不仅仅需要负责边缘设备上的任务调度、存储网络管理等传统操作系统职责，这一职责也给“云—边—端”架构的构建提出了新的要求和挑战，如今阿里已经在向三层边缘计算能力迈进，智能工厂构建“云—边—端”架构必将为其带来光明的未来

5智能工厂“云-边-端”架构及在我国应用的评析

基于工业4.0背景下智能工厂的核心地位，其标准构架在发展过程中体现出的时效性和带宽的局限性，以及面临的一些难点。本文提出的面向复杂装置的智能工厂的“云—边—端”构架为智能工厂的发展指明未来道路，为一些问题提供解决方案，更对智能工厂的转型发展进行分析，也对智能工厂提出了未来发展需克服的难处。以更加完美、更加完善的“云—边—端”智能工厂构架去推动制造业发展，实现智能制造。纵观我国制造业与世界先进水平存在较大的差距，产业效率低效益低，单位产能居高不下，人均水平差距巨大，创新能力弱。不能再以高投入、高能耗的模式延续，因此智能工厂是历史潮流之大势，也是为我国提高竞争力，保持可持续发展、实现“中国创造”的必由之路。而构建“云—边—端”智能工厂架构更是为了加快我国装备制造业转型升级，提升综合国力的关键。云边端一体化的架构为智能工厂进一步高速发展指明方向。

6结束语

5G、物联网、云计算、边缘计算、大数据挖掘分析、传感器技术等都将与智能工厂的新型体系架构进行融合，从而加快传统工业向智能工业进行转型，推进智能工厂的转型发展，对于工作效率，工作准确度都会有很大的提高，还可以节约人工成本，会更加有效的去适应产能发展和需要，从而更好的适应新的发展要求。本文对新时代工业背景下智能工厂的“云—边—端”架构的分析，滨海结合当前工业发展实际情况进行分析，提出了适用于更好发展的智能工厂构架，对传统工厂和智能工厂进行架构分析，为工厂向智能化、数字化提供了技术分析的可选择的一条道路。

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