Edge Computing and Industrial PCs in Manufacturing | ARC Advisory Group
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| 台灣區電信工程工業同業公會 |
一般來看，我們將工業物聯網可視化，為具有有限資源的智慧小型設備的組合，與雲計算的巨大計算能力相連接。現在進入市場的軟體解決方案，使企業能夠利用網路閘道器（Gateway）和傳統的工業計算平台，即時響應關鍵事件，保護安全性，並有效利用連接和頻寬。從雲計算和邊緣計算的角度來看工業物聯網，或許將得到新的認識。
IIoT：不僅是雲計算
工業物聯網(IIoT)通常與大數據和雲相關聯，從廣泛分布的感測器中收集大量數據，將「資訊轉化為洞察力」。在一些工業流程中，洞察時間非常關鍵，而將數據發送到雲端，並接收響應的延遲時間可能過長。
在其他情況下，數據安全性可能會受到影響，或者與網路的快速，可靠連接可能無法使用。為了克服這些挑戰，邊緣計算可以補充雲計算的大數據處理能力。
它可以執行需要即時響應的計算密集型任務，並在適當的時候，將數據儲存和過濾到雲中。邊緣計算可以包含簡單的數據過濾、事件處理，甚至機器學習等元素，並且可以托管在任何連接的設備上，從小型嵌入式電腦，或PLC到工業PC或本地微型數據中心。從同一平台上運行的其他進程隔離，並佔用很小的空間是關鍵要求。
在其他情況下，數據安全性可能會受到影響，或者與網路的快速，可靠連接可能無法使用。為了克服這些挑戰，邊緣計算可以補充雲計算的大數據處理能力。
它可以執行需要即時響應的計算密集型任務，並在適當的時候，將數據儲存和過濾到雲中。邊緣計算可以包含簡單的數據過濾、事件處理，甚至機器學習等元素，並且可以托管在任何連接的設備上，從小型嵌入式電腦，或PLC到工業PC或本地微型數據中心。從同一平台上運行的其他進程隔離，並佔用很小的空間是關鍵要求。
最大限度地提高數據的價值
IIoT的許多價值，在於它可以匯集多種來源的資訊，幫助企業看到更大的局面：如何改進流程，優化維護活動，減少浪費和能源消耗，並消除可避免的成本。
以雲為中心的IIoT視圖，可以看到使用重量級軟體應用程式，在遠端數據中心，匯集和分析的各種數據流。
以雲為中心的IIoT視圖，可以看到使用重量級軟體應用程式，在遠端數據中心，匯集和分析的各種數據流。
這種模式的前提，是可靠的網路連接總是可用的，有足夠的頻寬，可用於處理推送到雲端的數據，而這種延遲 - 從數據生成，到收到雲端反饋結果的時間，是可以接受的。
但是，這些重要成分中的任何一種，都可能會丟失。遠端站點可能依賴蜂窩網路，進行網路連接，但覆蓋範圍可能不完整或不可靠。大量的感測器可能會產生大量的數據，這些數據與雲通信的成本很高，特別是在包含高清圖像或影像的情況下。
出於安全原因或保持運行效率，可能需要即時進行複雜決策。另一方面，對於一些公司而言，數據安全性可能會成為問題，因為這些公司可能不希望，將敏感資訊透過網路傳遞到雲端。
但是，這些重要成分中的任何一種，都可能會丟失。遠端站點可能依賴蜂窩網路，進行網路連接，但覆蓋範圍可能不完整或不可靠。大量的感測器可能會產生大量的數據，這些數據與雲通信的成本很高，特別是在包含高清圖像或影像的情況下。
出於安全原因或保持運行效率，可能需要即時進行複雜決策。另一方面，對於一些公司而言，數據安全性可能會成為問題，因為這些公司可能不希望，將敏感資訊透過網路傳遞到雲端。
在任何這些情況下，將從流程或設備捕獲的原始數據，發送回雲可能是不切實際的。儘管如此，在個別機器或過程控制邏輯層面上，需要一些智慧和決策能力，使企業能夠確定最佳的行動方案。這是邊緣計算的作用。
邊緣計算提供了一個提升
作為IIoT的一部分，邊緣計算越來越重要。在資產或流程附近，實施計算能力的第一線，可以對事件進行智慧或協調的響應，並有助於減輕雲上的數據處理負擔。
在可能具有數十，數百甚至數千個感測器的系統中，來自這些感測器的大部分數據，可能具有最小的價值，僅僅報告「正常」操作條件。
智慧 Gateway可以過濾這些數據，並將其更有效地丟棄或重新打包，傳輸到雲端進行儲存和分析。當感興趣的事件發生時，智慧節點可以快速確定正確的響應，向連接的設備發出適當的指令，並將事件匯總成適合雲消費的報告。
與對來自少量感測器的信號的高度本地化響應不同，邊緣計算與更協調的動作相關聯，評估來自大量感測器的數據，以在更高級別做出決定。例如，如果在鑽井平台中檢測到過度振動，則可以是採礦應用。
從振動感測器接收到的錯誤信號的標準響應，可能是停止鑽井，導致生產損失和不必要的停機時間，來檢查和修理設備。由於計算能力更強，感測器輸入和儲存的歷史數據更多，一個更強大的邊緣計算設備，可以評估對整個系統的影響，並確定幾個可能的響應並計算結果，並採取最佳的行動方案，或通知營運商的最佳選擇。
在可能具有數十，數百甚至數千個感測器的系統中，來自這些感測器的大部分數據，可能具有最小的價值，僅僅報告「正常」操作條件。
智慧 Gateway可以過濾這些數據，並將其更有效地丟棄或重新打包，傳輸到雲端進行儲存和分析。當感興趣的事件發生時，智慧節點可以快速確定正確的響應，向連接的設備發出適當的指令，並將事件匯總成適合雲消費的報告。
與對來自少量感測器的信號的高度本地化響應不同，邊緣計算與更協調的動作相關聯，評估來自大量感測器的數據，以在更高級別做出決定。例如，如果在鑽井平台中檢測到過度振動，則可以是採礦應用。
從振動感測器接收到的錯誤信號的標準響應，可能是停止鑽井，導致生產損失和不必要的停機時間，來檢查和修理設備。由於計算能力更強，感測器輸入和儲存的歷史數據更多，一個更強大的邊緣計算設備，可以評估對整個系統的影響，並確定幾個可能的響應並計算結果，並採取最佳的行動方案，或通知營運商的最佳選擇。
而直接的感測器/報警組合，沒有具有板上數據聚集，和處理的邊緣計算設備的更大圖像視角，邊緣處理引擎可以評估，從所有連接的感測器接收到的數據，並基於預先確定的優先事項。在製造業情況下，在流水線末端進行產品測試或檢查後，故障率突然增加，可能需要停止生產以調查原因。
連接到所有機器的智慧邊緣設備，可以協調線路中，所有設備的這種響應。或者，透過分析來自多台機器的感測數據，並自動應用修復，或指導操作人員糾正問題，使生產能夠快速有效地重新啓動，可以辨識變化的原因。
連接到所有機器的智慧邊緣設備，可以協調線路中，所有設備的這種響應。或者，透過分析來自多台機器的感測數據，並自動應用修復，或指導操作人員糾正問題，使生產能夠快速有效地重新啓動，可以辨識變化的原因。
另外，邊緣計算可以透過比較感測的測量結果，與歷史數據，或預設的閾值，來支持預測性維護來幫助數位化轉換，以計算最佳的替換時間。
它還可以對部署在 Internet訪問不可靠，或覆蓋率較差的地理區域的資產進行智慧管理。如果 Gateway 設備暫時無法連接到雲，則可以將數據儲存在本地內存中，直到可以重新建立連接。然後，設備可以自動與雲同步，確保遠端應用程式始終可以訪問完整和最新的資訊。
它還可以對部署在 Internet訪問不可靠，或覆蓋率較差的地理區域的資產進行智慧管理。如果 Gateway 設備暫時無法連接到雲，則可以將數據儲存在本地內存中，直到可以重新建立連接。然後，設備可以自動與雲同步，確保遠端應用程式始終可以訪問完整和最新的資訊。
效率管理是另一個方面，透過利用感測數據來調整和優化設置，根據高層次的能源管理政策，可以透過邊緣設備的額外智慧來增強。
實施：硬體和軟體
邊緣處理背後的原理，是盡可能將分析智慧與相關資產，置於同一地點。由於邊緣計算及其與雲的關係，仍然是一個正在進行的工作，因此定義和架構仍然非常流暢。
由於物理空間或資源，可能無法實現專用的邊緣伺服器，智慧可能需要嵌入到現有的基礎設施中，例如 Gateway 、PLC、工業PC，或存在於連接的工廠側的各種其他設備雲(圖1)。
由於物理空間或資源，可能無法實現專用的邊緣伺服器，智慧可能需要嵌入到現有的基礎設施中，例如 Gateway 、PLC、工業PC，或存在於連接的工廠側的各種其他設備雲(圖1)。
圖1：在IIoT中，邊緣計算在工廠資產和雲之間，插入數據捕獲和儲存，以及即時決策
從本質上講，邊緣計算存在於單個機器控制系統的層面之上，在本地操作並補充雲中托管的重量級應用程式的工作。 邊緣應用程序可以執行一項任務，就像從多個管道獲取，和儲存數據一樣簡單，並在轉發到雲之前過濾數據。
更複雜的可視化，將分析甚至機器學習，帶入邊緣計算的領域，以即時生成智慧響應。 實現這一複雜願景所需的基本組件，包括數據攝取，事件處理引擎，連接設備管理，用戶應用程式，以及安全數據傳輸到雲端(圖2)。
更複雜的可視化，將分析甚至機器學習，帶入邊緣計算的領域，以即時生成智慧響應。 實現這一複雜願景所需的基本組件，包括數據攝取，事件處理引擎，連接設備管理，用戶應用程式，以及安全數據傳輸到雲端(圖2)。
圖2：FogHorn Lighting平台提供了邊緣軟體堆棧中包含的功能
從第一原則出發，建立一個完整的智慧邊緣處理平台，是一個巨大的挑戰。
另一種方法是採用與硬體無關的軟體框架，該框架提供諸如事件處理引擎，設備管理，和使用諸如 MQTT 輕量級消息協議，或安全 HTTPS 之類的協議的安全流的基本構建模組。
許多這樣的框架正在到達 IIoT 現場，例如 GE 的 Predix，思科的IOx，以及 Fog Horn Systems 的閃電平台。除了功能組件之外，這些軟體包還提供各種軟體開發工具包(SDK)，以允許用戶運行自己的自定義應用程式，以及有助於配置系統，和定義分析功能的開發環境。這些框架還提供了管理邊緣設備的工具，包括監視、控制和診斷。
另一種方法是採用與硬體無關的軟體框架，該框架提供諸如事件處理引擎，設備管理，和使用諸如 MQTT 輕量級消息協議，或安全 HTTPS 之類的協議的安全流的基本構建模組。
許多這樣的框架正在到達 IIoT 現場，例如 GE 的 Predix，思科的IOx，以及 Fog Horn Systems 的閃電平台。除了功能組件之外，這些軟體包還提供各種軟體開發工具包(SDK)，以允許用戶運行自己的自定義應用程式，以及有助於配置系統，和定義分析功能的開發環境。這些框架還提供了管理邊緣設備的工具，包括監視、控制和診斷。
像 Raspberry Pi Foundation 的 Raspberry Pi 3這樣的輕便，資源友好的單板電腦，可以為這種設備提供基礎。事實上，通用電氣已經展示了在這樣的平台上，運行的邊緣設備的 Predix 機器軟體。
另一方面，能夠訪問 Gateway 設備，或自動化系統中，功能更強大的工業PC的工程師，可以利用額外資源，並計算性能來執行更複雜的應用程式。
桌面級別的性能，現在可以在經過驗證的外形中使用，例如PC/104，在 Versa Logic Liger 開發板等板上，該板採用可選的Intel i3，i5或i7(Kaby Lake)雙核處理器，運行頻率高達 2.8 GHz。
這些電路板非常堅固耐用，具有 MIL-STD 衝擊和振動阻力，可用於惡劣環境中的設備。透過多達八個本地數位 I/O 通道，一個用於進一步擴展的 Mini PCIe 端口，以及一個高速 SATA儲存接口，這些主板可以承擔複雜的自動化任務，並處理邊緣處理工作負載。
千兆乙太網接口便於透過企業 Gateway ，連接到互聯網和雲。此外，該主板還包含一個可信平台模組(TPM)，該模組允許硬體密碼加速，並提供安全的密鑰儲存，使其成為需要高度抵抗駭客攻擊的自治設備的理想選擇。
另一方面，能夠訪問 Gateway 設備，或自動化系統中，功能更強大的工業PC的工程師，可以利用額外資源，並計算性能來執行更複雜的應用程式。
桌面級別的性能，現在可以在經過驗證的外形中使用，例如PC/104，在 Versa Logic Liger 開發板等板上，該板採用可選的Intel i3，i5或i7(Kaby Lake)雙核處理器，運行頻率高達 2.8 GHz。
這些電路板非常堅固耐用，具有 MIL-STD 衝擊和振動阻力，可用於惡劣環境中的設備。透過多達八個本地數位 I/O 通道，一個用於進一步擴展的 Mini PCIe 端口，以及一個高速 SATA儲存接口，這些主板可以承擔複雜的自動化任務，並處理邊緣處理工作負載。
千兆乙太網接口便於透過企業 Gateway ，連接到互聯網和雲。此外，該主板還包含一個可信平台模組(TPM)，該模組允許硬體密碼加速，並提供安全的密鑰儲存，使其成為需要高度抵抗駭客攻擊的自治設備的理想選擇。
軟體容器(containers)
要在與自動化控制器或 PLC 相同的硬體上，運行邊緣計算引擎和應用程式，需要與其他軟體分開運行。 使用容器(containers) 已經成為一種流行的方法，它提供了類似於虛擬機的隔離，但更適合資源受限的設備。
容器鏡像，包含軟體運行所需的一切。 但是，與虛擬機不同的是，容器虛擬化了操作系統而不是硬體，從而形成了一個更輕便的便攜式解決方案。 也可以在容器中使用虛擬機，來獲得部署和管理應用程式的額外的靈活性。
容器鏡像，包含軟體運行所需的一切。 但是，與虛擬機不同的是，容器虛擬化了操作系統而不是硬體，從而形成了一個更輕便的便攜式解決方案。 也可以在容器中使用虛擬機，來獲得部署和管理應用程式的額外的靈活性。
圖3：容器提供了一種資源友好的方法來隔離網關，PLC或工業PC等設備上托管的邊緣計算進程。
Docker框架被IoT解決方案開發人員，廣泛用於實現容器(圖3)，並向支持容器生態系統開發的 Open Container Initiative (OCI) 捐獻了代碼。要創建邊緣計算解決方案，可以使用C/C++ 或 Java 開發基於Docker的Linux應用程式，以捕獲所需的數據，並透過所選軟體平台中，提供的SDK與分析引擎等邊緣處理資源整合。
透過提供便捷的儀表板，來管理連接的邊緣設備，一個合適的軟體平台，允許開發人員專注於客製化他們的應用程式，來捕獲他們需要的數據，並對檢測到的事件作出適當的響應。邊緣計算是軟體開發平台，以及交鑰匙邊緣計算設備，進入市場的重要新產品開發的主題。
邊緣計算是IIoT的一個額外方面，已準備好與雲計算合作，為營運商和業務經理提供靈活性，以便在適當的時間，獲得他們所需的洞察力。
通常將 IIoT 可視化為具有，有限資源的智慧小型設備的組合，與雲計算的巨大計算能力相連接。隨著越來越多的企業，在更廣泛的情況下依賴 IIoT，一個更複雜的架構，正在不斷發展，其特點是在邊緣具有智慧，以補充雲的力量。
現在進入市場的軟體解決方案，使企業能夠利用 Gateway 和傳統的工業計算平台，即時響應關鍵事件，保護安全性，並有效利用連接和頻寬。
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現在進入市場的軟體解決方案，使企業能夠利用 Gateway 和傳統的工業計算平台，即時響應關鍵事件，保護安全性，並有效利用連接和頻寬。
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