工业互联网边缘计算节点架构白皮书
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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。
目录
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
相关政策（2020）
• 十四五规划以及2035远景目标 • 政府工作报告 • 中央政治局会议纪要
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 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
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。
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
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
边云协同系统架构
目录
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
安全 管理
边缘 控制器
网络
协议 转换
TSN
设备 接入
开发
编辑开 算法 发环境 功能库
策略 执行
控制
PLC 运动 控制 控制
控制器 东西向 协同
现场 设备
数据 采集
控制 输出
传感器
机器人 数控机床 机械手
冲床
摄像头
…...
AGV
工控机
扫码枪
仪表
门禁
机床
…...
工业边缘节点通用架构模型
典型硬件产品现状
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：已有产线利用率 vs. 柔性生产需求
目录
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
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
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
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
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
● 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规则，以此减少流
量成本和云端存储成本
云平台
数据 上传
边缘云
业务应用管理
业务指令上 任务编 下行传输 排调度
应用部署和生命周期 管理
模型 下发
平台管理
硬件参考架构
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
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
பைடு நூலகம்
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
底层技术
软件需求
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
虚拟化平 台管理
运维管理
微服务 下发
智能 边云 建模 协同 工具
数据 数据 异构 聚合 分析 计算
边缘云 东西向 协同
边缘 网关
设备管理
访问 通讯 设备注 授权 管理 册管理
存储
数据 边缘 数据预 采集 缓存 处理
计算
嵌入式实时 轻量操级作系统数据 容器 分析
日志 管理 边缘 智能
网关东 西向 协同
目录
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
相关政策（2020）
• 十四五规划以及2035远景目标 • 政府工作报告 • 中央政治局会议纪要
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 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
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。
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
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
边云协同系统架构
目录
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
安全 管理
边缘 控制器
网络
协议 转换
TSN
设备 接入
开发
编辑开 算法 发环境 功能库
策略 执行
控制
PLC 运动 控制 控制
控制器 东西向 协同
现场 设备
数据 采集
控制 输出
传感器
机器人 数控机床 机械手
冲床
摄像头
…...
AGV
工控机
扫码枪
仪表
门禁
机床
…...
工业边缘节点通用架构模型
典型硬件产品现状
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：已有产线利用率 vs. 柔性生产需求
目录
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
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
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
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
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
● 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规则，以此减少流
量成本和云端存储成本
云平台
数据 上传
边缘云
业务应用管理
业务指令上 任务编 下行传输 排调度
应用部署和生命周期 管理
模型 下发
平台管理
硬件参考架构
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
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
பைடு நூலகம்
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
底层技术
软件需求
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
虚拟化平 台管理
运维管理
微服务 下发
智能 边云 建模 协同 工具
数据 数据 异构 聚合 分析 计算
边缘云 东西向 协同
边缘 网关
设备管理
访问 通讯 设备注 授权 管理 册管理
存储
数据 边缘 数据预 采集 缓存 处理
计算
嵌入式实时 轻量操级作系统数据 容器 分析
日志 管理 边缘 智能
网关东 西向 协同