工业互联网边缘计算节点架构白皮书

1、工业互联网边缘计算节点架构白皮书技术创新，变革未来工业互联网边缘计算节点白皮书参与单位主要内容和定位价值本白皮书是第一本专门介绍用于工业场景的工业互联网边缘计算节点（即：工业边缘节点）的综述性 文档，主要内容包括：历史机遇：“新基建”和”工业互联网+“对边缘计算产业的影响，以及中国标准订立进展挑战需求：边云协同背景下，工业边缘节点面临的挑战和需求（软硬件两方面）探索尝试：工业边缘节点已有参考架构，产品现状和应用实践的尝试本白皮书可供对工业互联网感兴趣的终端工厂用户和普通读者快速了解工业边缘节点的概念和作用， 把握未来智慧工业的发展趋势和方向；也可供工业互联网的系统集成商和软硬件产品提供商详细了

2、解工业 边缘节点的标准化进展、可用软硬件架构和典型产品现状，亦可根据实践案例，开发基于工业边缘节点的 新产品和方案。工业互联网介绍工业边缘节点概述工业边缘节点参考架构 工业边缘节点应用实践目录市场趋势及相关政策市场趋势（2018-2020）工业互联网经济增加值：1.42万亿元，2.13万亿元和3.1万亿元；同比增长分别为：55.7%，47.3%，47.9%；占GDP比重：1.5%，2.2%和2.9%；对GDP增长贡献率：6.7%，9.9%和11%。全社会新增就业岗位：135万个，206万个和255万个中国信息通信研究院：2017-2020年我国工业互联网产业经济总体情况相关政策（2020）十四

3、五规划以及2035远景目标政府工作报告中央政治局会议纪要2020年工业互联网政策梳理融合发展及行业标准融合发展“新基建”七大领域工业互联网+ 概念工业互联网+ 大数据/5G/人工智能行业标准CCSA下设工业互联网特设组ST8工业互联网边缘计算总体架构与要求边缘云、边缘网关、边缘控制器的层级化部署架构“边缘计算标准件计划”中央电视台：“新基建”七大领域定义工业互联网特设组ST8在研标准一览挑战痛点行业共通跨设备互联互通跨软件格式互联互通跨平台数据互联互通数字化模型搭建迭代整体安全性和可靠性角色差异软硬件产品提供商：兼容成本 vs. 用户体验系统集成商：标准化利用 vs. 定制化开发工厂用户：已有

4、产线利用率 vs. 柔性生产需求工业互联网介绍工业边缘节点概述工业边缘节点参考架构工业边缘节点应用实践目录作用及价值作用提供互联互通机制解决现场连接性问题支持人工智能部署支持实时控制部署价值更快的响应速度更低的网络使用率更安全的数据保护更高的可靠性工业互联网 “端-边-网-云” 简化模型硬件需求工业级环境产品外壳处做增强式设计抗冲击、抗粉尘、防水防泼溅等。工业级可靠性7x24小时连续工作，工业级严酷环境工业级元器件，宽工温设计、宽电压设计、抗电磁干扰 能力等工业接口及连接器专用工业接口和连接器常见的有：GPIB，EtherCAT网口，RS-485串口等技术易扩展性及可升级性全生命周期较长，一般

5、在10-20年不等为了满足中期技术改造的需求，核心部件应可独立升 级满足接口易扩展性，方便按照不同应用场景定制不同 的接口硬件安全工业级产品的安全需要端到端的安全性节点安全，身份和认证管理，受信执行，功能安全等 底层技术软件需求边云协同系统架构实时连接性大部分应用需要毫秒级实时，甚至需要微秒级实时支持主流现场总线协议异构计算支持处理结构化数据 +非结构化数据不同计算单元协同起来的异构计算硬件的优势，实现性能、成本、功耗、可移植性虚拟化容器化多个系统共同控制，虚拟化技术支持负载整合鲁棒性要求，需要用容器化技术隔离各个负载运维管理部署现场往往跨地域较大支持单机远程管理与升级支持机群管理功能，如灾难

6、备份，负载均衡/迁 移等软件安全工业级产品的安全需要端到端的安全性网络安全、数据安全、应用安全等上层技术工业互联网介绍工业边缘节点概述工业边缘节点参考架构工业边缘节点应用实践目录硬件参考架构云平台微服务下发模型下发数据 上传现场设备传感器机器人数控机床AGV工控机扫码枪机械手仪表冲床门禁控制输出数据 采集边缘 控制器控制器 东西向 协同边缘 网关.边缘云安全管理网关东 西向 协同存储数据采集边缘缓存数据预处理协议转换TSN网络设备接入开发编辑开发环境算法功能库策略执行PLC控制运动控制控制设备管理访问授权通讯管理设备注册管理嵌入式实时操作系统日志管理计算轻量级数据边缘 容器分析智能摄像头机床边

7、缘云 东西向 协同智能业务应用管理任务编 排调度数据 聚合数据 分析异构 计算边云 协同建模工具应用部署和生命周期 管理平台管理虚拟化平台管理运维管理业务指令上 下行传输工业边缘节点通用架构模型工业边缘控制器边缘侧连接各种现场设备采用分布式异构计算平台多物理内核结合虚拟化技术的支持工业边缘网关边缘计算装置工业设备的接入和数据解析的需求工业边缘网关可将现场各种工业设备、采集装置、应用系统的标准或私有通信协议 转化成标准OPCUA等通讯协议工业边缘云服务器/一体机边缘侧单个或者多个分布式协同的服务器云端基于机器学习离线训练好的模型部署到边缘云根据模型中输出与特征之间权重关系，优化终端上传数据的过滤

8、规则，以此减少流 量成本和云端存储成本典型硬件产品现状边缘计算标准件计划模块化架构工业边缘节点支持人工智能加速的 工业边缘节点在中国信息通信研究院组织的“边缘计算标准件计划”首批产品评 测中:业界主要边缘计算整机产品围绕硬件基础性能、边缘控制、数 据采集、边缘智能、运维管理、边缘安全、分布式协同等60余 个边缘计算关键能力评测指标完成测试。华为、新华三、文思海辉、华电众信、研华科技、华夏天信、 浪潮、联想等8家企业的10款产品参与并通过本次评测，产品类型涵盖边缘网关、边缘云服务器/一体机等多种类型。英特尔公司和国内厂商一起定义了两款的工业边缘节点参考设 计，均采用了核心模块和外设模块分离的模块

9、化架构:简约扩展版（类型-E）适用于工业边缘网关和需要较少扩展接口的工业边缘控制器。简约扩展版工业边缘节点 参考设计的核心模块带有常用接口，可以独立工作作为网关，HMI等产品应用。如果需 要更多扩展接口，也可以通过一个120针脚的板对板连接器增加外设模块，从而满足新 的应用。灵活定制版（类型-F）适用于需要较多扩展接口的工业边缘控制器和工业边缘云服务器。灵活定制版工业边缘 节点参考设计的核心模块仅带有eDP接口，必须通过两个120针脚的板对板连接器搭配 外设模块方可成为PLC，CNC等产品应用。面对工业制造对人工智能能力的需求，华为与英特尔等厂商推出 了面向人工智能的硬件与软件产品。全栈全场景

10、的人工智能基础软硬平台硬件方面， 华为提供从模组/ 板卡， 到服务器/集群计算的Atlas系列化硬件设备。Atlas搭载 了昇腾系列芯片，其核心是华为自研的达芬奇架构。达芬奇架构含有Cube、Vector、Scalar三种计算单元，分别执行张量、向量、标量计算。 达芬奇架构针对以卷积神经网络（CNN）模型为主的人工智能计算能力进行优化，矩阵乘计算效率远高于传统GPU。软件方案， 华为提供了包括异构计算架构CANN、人工智能计算框架 MindSpore、应用使能组件MindX、全流程开发工具链MindStudio等在内的全栈软件平台和 工具，帮助工业制造行业的算法开发者解决算法开发难、应用开发难

11、、应用部署难的三大难题。软件参考架构边缘节点功能分层视图软件定义工业边缘节点软件定义的时代，万物皆可互联，一切均可编程在软硬件解耦的过程中，功能分层使得定义系统的各个任务分解为相互独立的软 件和硬件模块系统被配置成各种不同的虚拟设备和工作负载，来满足不断涌现的新的要求微服务微服务由于规模较小而相对容易构建、部署、扩展和维护由于生产工艺的调整，工厂用户可能需要不同的微服务来实现不同的工艺流程灵活快速地修改和创建微服务，可以大大提高工厂用户的效率和创新潜力单体式架构与微服务架构对比典型软件产品现状工业边缘洞见（分析）平台工业边缘控制平台主要部署在工业边缘控制器。微服务满足各个场合的高实时 性的要求

12、。是一个模块化的软件参考架构平台，主要提供实时计算、虚拟化技术、 标准化总线连接、信息安全、功能安全、便捷管理等微服务模块。允许软硬件产品提供商按照不同的实时性需求，按需选择相应的微服 务模块，最终生成有行业针对性的专属实时解决方案。主要部署在工业边缘网关和工业边缘云服务器。微服务满足各个场 合的高数据量和高计算量的要求。一个模块化的软件参考架构平台，主要提供视频图像以及时序数据的收集，存储 和处理等微服务模块，同时还提供数据安全框架和数据总线微服务。使得在边缘侧测试、优化和部署AI方案变得更容易；模块化和容器化的灵活架构 可混合、匹配服务或应用，缩短上市周期；内建异构计算加速工具包，支持方案

13、 自动随着相应硬件配置的变化而变化。工业互联网介绍工业边缘节点概述工业边缘节点参考架构工业边缘节点应用实践目录应用实践三维视觉 + 机器焊接案例高性能口罩机案例钢铁、有色轧制行业 智能质检案例有色轧制行业的表面缺陷质检传统上由人工完成，还存在一 些局限性:误检率高性能差无学习能力生态封闭华为联合合作伙伴开发了智能表面缺陷检测系统，通过部署 在边缘的强人工智能算力设备实现实时的在线检测高分辨率缺陷检测技术图像采集分辨率达到0.2mm/pixel，对铝带、不锈钢等精密板带的轻微划伤等缺陷可清 晰成像，同时可以适应200m/min的高速带材产线；强人工智能算力设备支持实时在线检测基于Atlas 20

14、0智能小站，提供16 TOPS INT8算力，支持16路高清视频解码，可支持 实时AI推理运算；先进人工智能算法和边云协同技术基于深度学习的表面缺陷识别算法，对多种缺陷进行准确识别，并实现基于目标检测网 络的缺陷精确定位，缺陷检出率达到95%，识别准确率85%，在兼顾二维视觉的基础上，可识别三维位置信息，能实现对曲面 和立体工件的识别和定位，具备螺旋渐近线焊接功能，更大范围 满足焊接自动化的各类需求。为了有效缩短调试周期，越来越多的口罩机厂商采用高性能 “全伺服方案”（即由一台工业边缘控制器集中控制）替代 传统的“脉冲伺服混合方案”（由两台PLC分别控制）。工业边缘控制器的核心价值：简化系统结构：通过现场工业总线（EtherCAT）一网到底，减少接线工作量和安装调试。提高系统精度：毫秒级总线周期，提升系统相应，高速不易丢步。降低调试成本：无需关心脉冲和伺服系统之间时钟同步，可通过参数和程序快速调整伺服电机。实时数据交互:可通过工业边缘控制器实时上传数据到云，实现产线及和工厂级的全监控。工业边缘控制器的核心价值工业级可靠性：可宽温运行，可满足严苛的室内外焊接 环境。高实时精度性：一机两用（机器控制和视觉），机间通 信转化为机内通信，减低系统时延，提 高精度。自适应性：利用人工智能技术，灵活导入新工件并 且设置对应焊接参数，利用生产数据， 工艺数据，