通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT ）來實現(xiàn)自動化系統(tǒng)，部署傳感器來測量、監(jiān)控和分析數(shù)據(jù)，從而提高效率，并增加生產(chǎn)經(jīng)營的收入，越來越多的制造企業(yè)正受益于此。

　　這些新連接起來的工廠，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量驚人，甚至可以用拍字節(jié)（100萬千兆字節(jié)）來衡量：連接在工業(yè)控制系統(tǒng) （ICS） 上的傳感器、自主的無人值守機器、工業(yè)機器人以及覆蓋全場的視頻監(jiān)控攝像頭，產(chǎn)生了數(shù)以百萬計的數(shù)據(jù)流。

　　利用傳統(tǒng)的信息技術(shù)（IT）方法來處理運營技術(shù)（OT）環(huán)境，已經(jīng)無法滿足在需要與供應(yīng)商互聯(lián)的、受控的、嚴苛的運營環(huán)境中，對容量、延遲、移動性、可靠性、安全性、保密性和網(wǎng)絡(luò)帶寬等方面提出的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在是時候采用新的架構(gòu)方法，使IIoT可以在霧計算中充分發(fā)揮其潛能。

　　圖 1： 圖中顯示了 OpenFog架構(gòu)的8支柱模型，包括安全性、可擴展性、開放性、自主性、可靠性/可用性/可服務(wù)性（RAS）、靈活性、層次結(jié)構(gòu)和可編程性。

　　定義霧計算

　　霧計算是為數(shù)據(jù)密集、高性能計算、高風(fēng)險環(huán)境而設(shè)計的。霧是一種新興的分布式體系架構(gòu)，它在云和與之相連接的設(shè)備之間架起橋梁，而不需要在現(xiàn)場和工廠中建立永久的云連接。通過選擇性地轉(zhuǎn)移計算、存儲、通信、控制，霧計算可以在靠近物聯(lián)網(wǎng)傳感器和執(zhí)行器（這是數(shù)據(jù)產(chǎn)生和使用）的地方來制定決策。它是云計算的有益補充，而不是完全替代，這樣就可以在生產(chǎn)制造環(huán)境中實現(xiàn)高效、經(jīng)濟、安全和建設(shè)性地使用IIoT。

　　霧有時也被稱為邊緣計算，但它們之間有關(guān)鍵的區(qū)別。霧是邊緣功能的超集。霧架構(gòu)將資源和數(shù)據(jù)源與駐留在南北邊緣設(shè)備 （云到傳感器）、東西邊緣設(shè)備（功能到功能或點對點） 的層次結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，以獲得最大效率。邊緣計算往往僅限于少量的南北層，通常與簡單的協(xié)議網(wǎng)關(guān)功能相關(guān)。

　　霧節(jié)點是霧體系結(jié)構(gòu)的基本元素。霧節(jié)點可以是任何提供霧架構(gòu)的計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲和加速元素的設(shè)備。例如，工業(yè)控制器、交換機、路由器、嵌入式服務(wù)器、復(fù)雜網(wǎng)關(guān)、可編程邏輯控制器 （PLC） 以及智能物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點（如視頻監(jiān)控攝像機）等。

　　圖 2： 智能工廠中的霧節(jié)點： 單個機器、制造單元和生產(chǎn)線相互連接起來，以優(yōu)化基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)來提供服務(wù)交付。

　　使工廠受益的霧架構(gòu)

　　工廠可以充分利用霧節(jié)點層的數(shù)據(jù)流，使工廠間連接的更好。位于總體結(jié)構(gòu)上較低層級的霧節(jié)點，如單個計算機，可以直接連接到本地傳感器和執(zhí)行器上，以便能夠及時分析數(shù)據(jù)，解釋異常工況。如果已經(jīng)獲得授權(quán)的話，它還可以自主地響應(yīng)和補償問題或解決問題。另外，霧節(jié)點還可以將更高級別霧層次結(jié)構(gòu)的適當(dāng)服務(wù)請求，發(fā)送給擁有更好的技術(shù)資源、機器學(xué)習(xí)能力或維護服務(wù)的提供商。

　　如果工況需要實時決策，例如在設(shè)備受損之前將其停機，或調(diào)整關(guān)鍵過程參數(shù)，霧節(jié)點可以提供毫秒級延遲的分析和操作。制造商不必通過云數(shù)據(jù)中心的路由來實現(xiàn)此實時決策。這有助于避免潛在的延遲問題、隊列延遲或網(wǎng)絡(luò)/服務(wù)器停機時間，而這些延遲都會導(dǎo)致工業(yè)事故、降低生產(chǎn)效率或產(chǎn)品質(zhì)量。

　　在工廠中，位于較高層次的霧節(jié)點，可以獲得對工業(yè)過程更廣闊的視角。它們可以添加更多的功能，如生產(chǎn)流水線操作的可視化、監(jiān)視故障機器的狀態(tài)、生產(chǎn)參數(shù)的調(diào)整、生產(chǎn)計劃的修改、訂購供應(yīng)以及將警報發(fā)送給合適的人。

　　用于工業(yè)領(lǐng)域的霧計算

　　為了說明在更惡劣的環(huán)境中霧計算是如何工作的，讓我們先了解一下使用壓力和流量傳感器、控制閥和泵的輸油管線。傳統(tǒng)上，遠程傳感器讀取完數(shù)據(jù)后，并通過昂貴的衛(wèi)星鏈路傳輸?shù)皆浦?，從而進行數(shù)據(jù)分析以及檢測異常情況。云端將命令回傳給操作員，以便其進行閥門位置調(diào)整等操作。

　　由于網(wǎng)絡(luò)帶寬價格昂貴，而且連接性可能會下降，在惡劣天氣下更是如此，因此這種方法有時并不是十分理想。傳輸數(shù)據(jù)也可能受到黑客的攻擊、往返延遲時間太長等因素的影響，這都會導(dǎo)致反應(yīng)速度減緩，從而影響對關(guān)鍵事件的響應(yīng)。

　　增加霧計算，將層次結(jié)構(gòu)中的本地霧節(jié)點布置在管線附近，就可以通過廉價和快速的本地網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，將其連接到傳感器和執(zhí)行器。霧節(jié)點提升了安全性能，減少了泄密的機會，如果已經(jīng)獲得授權(quán)，那就可以在毫秒級時間內(nèi)，對異常工況作出反應(yīng)，快速關(guān)閉閥門，大大降低溢出事件的嚴重性。霧節(jié)點可以在有線、光纖和無線網(wǎng)絡(luò)之間以及這些網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部運行，使其最適合于連接到基于監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集 （SCADA） 系統(tǒng)、OPC UA接口、Modbus的工業(yè)元件上。在本地站點上的霧節(jié)點分析，減少了對云端帶寬的需求，降低了總體成本。

　　在云計算和霧計算之間的平衡控制，會在整個業(yè)務(wù)流程中（成本、控制、安防和安全性） 產(chǎn)生更好的結(jié)果。將大部分決策功能轉(zhuǎn)移到霧節(jié)點上，并偶爾使用云來報告狀態(tài)或接收命令或更新，這樣有助于企業(yè)創(chuàng)建一個更卓越的控制系統(tǒng)。

　　圖 3：霧計算及其系統(tǒng)層水平體系結(jié)構(gòu)的示意圖。

　　霧計算的5個優(yōu)勢

　　安全、認知、靈活、延遲和效率 （SCALE） 可以被描述為霧計算的主要優(yōu)勢。雖然選定的IIoT設(shè)備和技術(shù)可以解決特定方面的問題，但霧計算滿足了對安全性、靈活性和效率等方面的更多需求。

　　1.安全性： 傳統(tǒng)的制造業(yè)安全措施，側(cè)重于為工業(yè)控制系統(tǒng)提供基于周邊的威脅檢測保護。新的控制請求被重新定向到云端，以進行身份驗證和授權(quán)處理。硬件和軟件更新，通常被安排在下一次計劃停機時間內(nèi)進行。如果威脅突破了防火墻，常見響應(yīng)是手動將系統(tǒng)停機，以便隔離和清理，而這將會導(dǎo)致整個工廠陷入崩潰?，F(xiàn)在，這些處理流程已經(jīng)不能滿足需求了。

　　使用霧計算，本地的安全功能可使用與公司一樣的IT策略、控制和過程。大多數(shù)的霧節(jié)點包括一個受信的硬件根，這是一個信任鏈的基礎(chǔ)，從最低級傳感器、執(zhí)行器向上沿著霧層次結(jié)構(gòu)，直到云端。從互聯(lián)網(wǎng)到分布式霧網(wǎng)絡(luò)的通訊都被監(jiān)控，使用機器學(xué)習(xí)可以發(fā)現(xiàn)本地環(huán)境下的異?；顒?，從而可以及時發(fā)現(xiàn)潛在的攻擊。

　　如果檢測到攻擊，霧節(jié)點可以通過阻止攻擊者的通信來保護關(guān)鍵的工廠網(wǎng)絡(luò)，這樣霧節(jié)點就充當(dāng)了網(wǎng)關(guān)。高度敏感的數(shù)據(jù)可以在本地處理，根本不需要離開制造工廠范圍。通過低成本的大量物聯(lián)網(wǎng)（IoT）節(jié)點，霧架構(gòu)還提供了一個分布式認知功能層，即使一些網(wǎng)絡(luò)元素缺乏實現(xiàn)完全區(qū)域鏈部署的計算資源，也可以經(jīng)濟高效的實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的區(qū)域鏈部署。

　　2.認知： 霧架構(gòu)決定了在云到物的連接體上進行計算、存儲和控制功能的最佳位置。可以在大量IoT節(jié)點設(shè)備上或通過附近的霧節(jié)點來進行決策，以避免將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆浦?。?shù)據(jù)可以在本地進行高效、自主的處理和分析。經(jīng)過過濾的信息通過霧架構(gòu)發(fā)送到總部的數(shù)據(jù)中心進行分析。這種方式還支持未來的規(guī)劃和長期的持續(xù)改進。

　　智能傳感器可以在制造執(zhí)行方面做出自主決策和權(quán)衡。互聯(lián)的多個機器可以在生產(chǎn)環(huán)境中進行通信，從它們的決策中相互學(xué)習(xí)，并隨著時間的推移逐步提高性能。

　　特別是，霧架構(gòu)可以通過創(chuàng)建數(shù)字化雙胞胎來再現(xiàn)經(jīng)驗豐富的操作員的技能，它可以使用從安裝在生產(chǎn)工具上的傳感器收集到的數(shù)據(jù)。數(shù)字化雙胞胎是物理資產(chǎn)、過程和系統(tǒng)的數(shù)字化復(fù)制品，提供了設(shè)備在整個生命周期中的運行方式以及動態(tài)響應(yīng)。通過數(shù)字化雙胞胎進行仿真，一個操作員可以在多個位置監(jiān)視和管理多個設(shè)備，甚至可以同時管理過去、現(xiàn)在和將來的數(shù)據(jù)。

　　這就使基于霧的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)能夠從過去的歷史中學(xué)習(xí)，提供對當(dāng)前生產(chǎn)過程的實時控制，并推斷未來生產(chǎn)運行所需的生產(chǎn)參數(shù)，所有這些都集成在同一個系統(tǒng)中。在霧層中實現(xiàn)的數(shù)字化雙胞胎，使操作員可以在系統(tǒng)上，以非常接近于實際工廠的運行模式模擬過程參數(shù)的變化，因此不會影響產(chǎn)品質(zhì)量，也不會損壞生產(chǎn)設(shè)備，或造成不安全的工況。

　　3.靈活性： 生產(chǎn)環(huán)境可能會造成數(shù)據(jù)和產(chǎn)出方面的波動。通過霧節(jié)點的層次結(jié)構(gòu)，霧可以管理系統(tǒng)中不一致的需求，將負載分配給未充分利用的機器。霧節(jié)點的層次結(jié)構(gòu)可形成動態(tài)組，用于交換信息以進行高效協(xié)作。例如，如果某工廠的生產(chǎn)能力不足，可以將生產(chǎn)任務(wù)轉(zhuǎn)移到另一家公司的閑置資產(chǎn)設(shè)備上。

　　動態(tài)更改的能力，也有助于在機器之間協(xié)調(diào)和控制信息。例如，機器1在一張金屬板上鉆孔，機器2隨后會插入螺釘。如果機器1制造的孔偏離指定位置超過一定范圍，產(chǎn)品標(biāo)識和偏差信息將被發(fā)送到機器 2，機器2就會自動調(diào)整，防止有缺陷產(chǎn)品的出現(xiàn)。

　　霧計算還有助于更豐富的、基于軟件的生產(chǎn)環(huán)境。隨著工廠向定制化、低庫存、高混合的生產(chǎn)計劃轉(zhuǎn)移，在層次結(jié)構(gòu)中重新編程霧節(jié)點的能力，將有助于使數(shù)字企業(yè)保持領(lǐng)先。

　　4.延遲時間： 許多工業(yè)控制系統(tǒng)都要求端到端的延遲維持在亞毫秒內(nèi)，而主流云服務(wù)商提供的服務(wù)無法滿足此要求。在工廠，可能需要10微秒級的延遲，以防止生產(chǎn)線停工，避免事故，恢復(fù)電力服務(wù)或校正生產(chǎn)制造錯誤。霧節(jié)點減少了延遲，因為它消除了從生產(chǎn)線傳感器到云端，再從云端回到傳感器之間往返而造成的時間滯后。此滯后時間包括到達云端（無線或光纖設(shè)備）的傳輸延遲、排隊延遲和云服務(wù)器延遲，即使在設(shè)計良好的云網(wǎng)絡(luò)中，往返時間也可能超過100毫秒。本地霧節(jié)點可以在毫秒內(nèi)對工況作出響應(yīng)并作出決策。

　　需要指出的是，霧節(jié)點可以幫助機器人和無人值守機器按照預(yù)定的模式工作。機器人和無人值守機器需要復(fù)雜的快速運動序列。為了保證安全和精度，在使用電機驅(qū)動控制的情況下，控制這些運動必須在毫秒或微秒內(nèi)完成。如果將太多的延遲引入到控制系統(tǒng)中，對物理設(shè)備的控制就會變得不穩(wěn)定?；陟F的系統(tǒng)具有云的多功能性，但減少了一定的延遲，以幫助確?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　5.效率： 互操作性是運行效率的關(guān)鍵。隨著工業(yè)系統(tǒng)從專門構(gòu)建的和離散的系統(tǒng)發(fā)展到軟件定義和模塊化的系統(tǒng)，制造商們意識到由于連接系統(tǒng)和傳感器的復(fù)雜性以及使用不同的協(xié)議和通信方法，導(dǎo)致系統(tǒng)的互操作性不夠。霧節(jié)點可以作為這些老舊系統(tǒng)的翻譯或協(xié)議網(wǎng)關(guān)使用。霧節(jié)點通過設(shè)備傳感器以及傳感器和系統(tǒng)之間的連接，收集和規(guī)范化來自不同格式和協(xié)議的數(shù)據(jù)，使傳感器和系統(tǒng)能夠輕松連接，而無須知道每個系統(tǒng)的的不同訪問方法。

　　霧計算還通過平衡可用機器的峰值容量來提高系統(tǒng)效率。在每個工廠中，霧節(jié)點收集、匯總和分析與一般生產(chǎn)能力相關(guān)的必要數(shù)據(jù)。虛擬平臺在不同的工廠之間將霧節(jié)點動態(tài)地互連。不管它們位于哪個工廠，平臺都可以將生產(chǎn)同一產(chǎn)品的節(jié)點創(chuàng)建為虛擬霧節(jié)點組。由霧節(jié)點收集的數(shù)據(jù)被發(fā)送回虛擬平臺，用于工廠間的資源利用決策。

　　霧計算是如何用于工業(yè)領(lǐng)域的？又有哪些優(yōu)勢？

　　預(yù)測和主動維護

　　預(yù)測性和主動性維護被認為是IIoT帶來的最大收益之一。實際上，由于共享不同的數(shù)據(jù)格式和協(xié)議的復(fù)雜性，這一領(lǐng)域的實現(xiàn)速度很慢。此外，在向工廠外的第三方維護提供商提供敏感信息方面時，還存在一定的擔(dān)心。

　　霧架構(gòu)為系統(tǒng)提供了互操作性層，以確保工廠系統(tǒng)與維護之間有效的通信和操作。霧計算有助于識別設(shè)備故障，然后再進行聚合過程。布置在機器上或附近的霧節(jié)點被連接到執(zhí)行器上，以便更快的解決問題。

　　霧節(jié)點自動為設(shè)備制造商和維護提供商選擇最合適的通信路線，并將數(shù)據(jù)安全、實時的發(fā)送到維護系統(tǒng)。

　　在分析接收到的數(shù)據(jù)后，如果維護系統(tǒng)檢測到故障跡象，則會立即檢查庫存以更換部件，并調(diào)整時間表，從而對生產(chǎn)帶來很少的影響。來自傳感器讀數(shù)的微小偏差可能預(yù)示著即將出現(xiàn)故障，并使系統(tǒng)能夠在災(zāi)難性故障發(fā)生之前修復(fù)它。

　　為了保持工廠數(shù)據(jù)的保密性，霧節(jié)點自主確定數(shù)據(jù)的內(nèi)容，并僅將適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)送到所需的系統(tǒng)。使用數(shù)據(jù)分類、加密和虛擬專用網(wǎng)絡(luò) （VPN） 可以提供更安全的通信。這大大降低了無意間在任何方向上交叉泄露專有信息的危險。

　　霧架構(gòu)的8支柱模型

　　基于8個被稱為支柱的高級特性，OpenFog聯(lián)盟已經(jīng)創(chuàng)建了一個開放的、可互操作的霧計算架構(gòu)。這8大支柱是安全性、可擴展性、開放性、自主權(quán)、可靠性、靈活性、層次結(jié)構(gòu)和可編程性。下面談一談它們是如何應(yīng)用到自動化環(huán)境中的。

　　1.安全性： 如前所述，安全對霧環(huán)境至關(guān)重要。霧使生產(chǎn)系統(tǒng)能夠在端到端的計算環(huán)境中，安全地傳輸數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行處理。在各種應(yīng)用中，可以動態(tài)地建立物到霧 （T2F）、霧到霧 （F2F） 和霧到云 （F2C） 的連接。

　　2.可擴展性： 通過在本地處理大多數(shù)信息，霧計算可以減少從工廠到云端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。這將提高生產(chǎn)資源和第三方提供商的成本效益，改善帶寬性能?？梢詣討B(tài)縮放計算容量、網(wǎng)絡(luò)帶寬和霧網(wǎng)絡(luò)的存儲大小，以滿足需求。

　　3.開放性： OpenFog聯(lián)盟定義的可互操作架結(jié)構(gòu)，可通過開放的應(yīng)用程序編程接口 （API） 實現(xiàn)資源透明和共享。API還使工廠的生產(chǎn)設(shè)備能夠連接到遠程維護服務(wù)提供商和其它合作伙伴。

　　4.自主性： 霧計算提供的自主性，使得供應(yīng)商即使在與數(shù)據(jù)中心的通信受限或不存在的情況下，也能執(zhí)行指定的操作，實現(xiàn)與其它工廠資源共享。這可以通過及早發(fā)現(xiàn)可能發(fā)生的故障和預(yù)測性維護，來減少裝配線上的停工次數(shù)。即使云無法訪問或過載，關(guān)鍵系統(tǒng)仍可以繼續(xù)運行。

　　5.可靠性/可用性/可維護性 （RAS）： 霧節(jié)點的高可靠性、可用性和可維護性設(shè)計，有助于在苛刻、執(zhí)行關(guān)鍵任務(wù)的生產(chǎn)環(huán)境中實現(xiàn)順利運行。這些屬性有助于遠程維護和預(yù)測維護功能，并加快任何必要修復(fù)的速度。

　　6.靈活性： 霧計算允許在霧系統(tǒng)中快速進行本地化和智能的決策。工廠生產(chǎn)設(shè)備的小故障可以得到實時檢測和處理，生產(chǎn)線可以迅速調(diào)整，適應(yīng)新的需求。靈活性還有助于實現(xiàn)預(yù)測性維護，從而減少工廠停機時間。

　　7.層次性： 無論是否在生產(chǎn)制造現(xiàn)場，OpenFog定義的霧架構(gòu)都允許對設(shè)備或機器對霧、霧對霧和霧對云進行操作。它還允許在霧節(jié)點和云上運行混合的多個服務(wù)。對制造的監(jiān)視和控制、運行支持和業(yè)務(wù)支持，都可以在多層霧節(jié)點的動態(tài)和靈活的層次結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)，工廠控制系統(tǒng)的每個組件都可以在層級結(jié)構(gòu)的最佳級別上運行。

　　8.可編程性： 根據(jù)業(yè)務(wù)需要重新分配和重新調(diào)整資源，可以提高工廠的效率?；陟F的編程能力，可以對生產(chǎn)線和工廠設(shè)備進行動態(tài)變更，同時保持整體生產(chǎn)效率。它還可以創(chuàng)建動態(tài)的價值鏈，并分析現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，而不是將其發(fā)送到云。

　　通過部署IIoT技術(shù)，互聯(lián)的生產(chǎn)環(huán)境使制造企業(yè)獲益良多。不過，基本的挑戰(zhàn)依然存在，比如不兼容的系統(tǒng)和繁忙的網(wǎng)絡(luò)需要處理的數(shù)據(jù)量、速度和安全性。霧計算提供了開放的、可互操作的和安全的體系結(jié)構(gòu)，使企業(yè)能夠從這個傳感器驅(qū)動的世界中獲得優(yōu)化的機會。

　　盡管霧計算仍然處于初期階段，但制造商和工藝工程師希望通過這種分布式的開放式架構(gòu)方法來幫助重新塑造生產(chǎn)制造世界，這將是一個巨大的機遇。