OT-IT融合的紐帶:解讀邊緣計算在鋼鐵行業(yè)應(yīng)用場景

邊緣計算是一種去中心化的計算框架,計算能力更接近數(shù)據(jù)生成的源頭。邊緣計算機就像處理和存儲數(shù)據(jù)的微型數(shù)據(jù)中心,其針對終端感知系統(tǒng)生成的各式各樣的海量數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換、處理、儲存,只將必要的數(shù)據(jù)發(fā)送到云端進行存儲或進一步處理。

本文來自twt企業(yè)IT社區(qū),作者/劉乃強。

《中國制造2025》提出了用信息化和工業(yè)化兩化深度融合來引領(lǐng)和帶動整個制造業(yè)的發(fā)展,加快制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級,加速制造大國向制造強國的轉(zhuǎn)變。邊緣計算作為兩化融合——IT技術(shù)與OT技術(shù)融合的紐帶,是實現(xiàn)智能制造“云邊端”架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)?,F(xiàn)在結(jié)合鋼鐵行業(yè)特征對邊緣計算的應(yīng)用場景做一些探索分析。

一、OT-IT融合趨勢與邊緣計算需求

長期以來,OT技術(shù)和IT技術(shù)是相互分離的,在物理上相互隔離,并且在不同的生態(tài)中運行。這種狀況阻礙了工廠獲得并充分利用所有的數(shù)據(jù)和信息,掣肘了萬物互聯(lián)、智能制造的實現(xiàn)。伴隨工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,OT技術(shù)與IT技術(shù)融合的趨勢愈發(fā)明顯。但我們應(yīng)看到OT-IT融合是一個相當緩慢的過程,面臨著通信協(xié)議不同、數(shù)據(jù)傳輸實時性要求極高、海量數(shù)據(jù)遠程計算以及網(wǎng)絡(luò)安全等一序列問題。面對這些問題邊緣計算技術(shù)應(yīng)運而生,且需求正在不斷增加。據(jù)Gartner預(yù)測,到2025年,50%以上由企業(yè)管理的數(shù)據(jù)都將在數(shù)據(jù)中心和云之外創(chuàng)建和處理。到2025年,邊緣計算的規(guī)模將比云大4倍,其生成的數(shù)據(jù)量將占全球所有數(shù)據(jù)的75%。可以看到,邊緣計算的預(yù)期市場非常大,邊緣計算技術(shù)與應(yīng)用將迎來高速發(fā)展。

二、邊緣計算的特點

邊緣計算是一種去中心化的計算框架,計算能力更接近數(shù)據(jù)生成的源頭。邊緣計算機就像處理和存儲數(shù)據(jù)的微型數(shù)據(jù)中心,其針對終端感知系統(tǒng)生成的各式各樣的海量數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換、處理、儲存,只將必要的數(shù)據(jù)發(fā)送到云端進行存儲或進一步處理。

邊緣計算具備以下幾個特點:

1、高效低延遲計算

邊緣計算主要的特點之一是它提供比云計算低得多的延遲。低延遲對于需要實時數(shù)據(jù)處理和分析的應(yīng)用程序至關(guān)重要,甚至要精確到毫秒。盡管某些應(yīng)用程序?qū)ρ舆t要求不高,但有些關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用需要顯著減少延遲,而這只能通過邊緣計算來實現(xiàn)。邊緣計算提供更低的延遲,因為邊緣計算機通常部署在靠近數(shù)據(jù)生成源的地方,從而縮短了數(shù)據(jù)進行處理和分析所需的距離,滿足數(shù)據(jù)實時采集處理的需求。

2、降低帶寬利用率

邊緣計算的第二個特點是它減少了所需的互聯(lián)網(wǎng)帶寬量。邊緣計算需要更少的帶寬,因為數(shù)據(jù)是在邊緣計算機上本地收集、存儲和處理的,不需要將所有原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫诉M行處理和分析。也就是說,在本地處理數(shù)據(jù)并不意味著不將數(shù)據(jù)發(fā)送到云,而是將更少的需要云端處理的數(shù)據(jù)發(fā)送到云。之所以如此,是因為不同層級對數(shù)據(jù)的需求是有差別的,數(shù)據(jù)需要分級收集、處理、展現(xiàn)。這樣做可以減少所需的網(wǎng)絡(luò)帶寬從而顯著節(jié)省成本。

3、減輕云端的負載與能耗

隨著數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級增長,人們正在尋求替代方案來減輕云端的壓力。邊緣計算可以通過在邊緣計算設(shè)備上本地存儲和處理數(shù)據(jù)來減輕云端的壓力。邊緣計算機已經(jīng)走了很長一段路,可以配置強大的處理器、高性能顯卡和大量高速數(shù)據(jù)存儲,使它們能夠在邊緣而不是云端處理和存儲數(shù)據(jù)。如NVIDIA的IGX產(chǎn)品具備12_Core Arm 64GB 275TOPS,高達400GB的RDMA,豐富的視頻、網(wǎng)絡(luò)、USB擴展接口,工業(yè)級安全,長周期商業(yè)軟件支持等特點。

4、網(wǎng)絡(luò)安全有保障

邊緣計算硬件經(jīng)過加固,使邊緣計算機比以往任何時候都更加可靠。堅固耐用的邊緣計算機可以部署在遠程和具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中,同時它們可以承受服務(wù)器和普通臺式計算機無法承受的惡劣環(huán)境因素;此外,邊緣計算機配備了各種有線和無線連接選項,確保邊緣設(shè)備即使在互聯(lián)網(wǎng)連接不穩(wěn)定的遠程環(huán)境中也能保持連接到互聯(lián)網(wǎng),從而實現(xiàn)了物理安全。同時邊緣計算提供了數(shù)據(jù)安全性,因為需要傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)更少,從而減少了數(shù)據(jù)在傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心時被錯誤處理或盜用的機會。此外,跨各種計算設(shè)備分布處理、存儲和應(yīng)用程序使得單個的中斷很難關(guān)閉整個網(wǎng)絡(luò)。

三、邊緣計算在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用場景

傳統(tǒng)鋼鐵行業(yè)中大部分采用的是五級信息化架構(gòu),其中一級設(shè)備控制,二級過程控制,三級產(chǎn)銷MES,四級ERP,五級ex-ERP;其中三四五級為傳統(tǒng)IT技術(shù)領(lǐng)域,基本上已上云或在上云的途中;一級、二級則為傳統(tǒng)的OT領(lǐng)域為終端感知控制層,設(shè)備大部分在產(chǎn)線及電氣室中,通過電信網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)融合進行數(shù)據(jù)上傳,也就是在此處邊緣計算有了它的用武之地,下面選取相對典型的場景做一些探索分析。

鋼鐵行業(yè)是長流程制造業(yè),如何建立起從鐵水到鋼水、再到軋制過程的全流程質(zhì)量管控體系,保證質(zhì)量穩(wěn)定是提升企業(yè)的制造水平,提升產(chǎn)品檔次是企業(yè)能否向中高端市場進軍的關(guān)鍵。借助邊緣計算技術(shù),通過云邊協(xié)同構(gòu)建的QMS(全過程質(zhì)量系統(tǒng))則是這一管理理念落地的產(chǎn)物。它的功能包括數(shù)據(jù)收集和管理,質(zhì)量監(jiān)控和報警管理,提供實際在線產(chǎn)品質(zhì)量和過程工藝監(jiān)控和報警、歷史過程質(zhì)量實績記錄、統(tǒng)計分析監(jiān)控,提供質(zhì)量評估和判定,實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量評估和等級判定。提供分析工藝過程異常對產(chǎn)品質(zhì)量的影響規(guī)則、工藝過程參加判定、提供板坯和鋼卷返修管理、板坯和鋼卷產(chǎn)品改判充當管理、鋼卷預(yù)覽、產(chǎn)品質(zhì)量缺陷、過程數(shù)據(jù)追溯,跟蹤及分析產(chǎn)品質(zhì)量等功能,其中的宏跟蹤可以實現(xiàn)從煉鋼到成品材,全部的材料宗譜跟蹤。分段跟蹤可以實現(xiàn)鑄坯或成品材的分段過程數(shù)據(jù)跟蹤。提供針對單件產(chǎn)品單工序或多工序過程在線評估,并將質(zhì)量結(jié)果生成質(zhì)量分析報告,并支持技術(shù)人員在系統(tǒng)中配置創(chuàng)建,支持用戶工藝信息管理和對標管理。其系統(tǒng)架構(gòu)分為產(chǎn)線、工廠兩級:產(chǎn)線層級收集管理產(chǎn)品的全部質(zhì)量數(shù)據(jù),利用邊緣計算在數(shù)據(jù)源最近的產(chǎn)線上收集、分析和處理數(shù)據(jù),結(jié)合AI圖形算法,實現(xiàn)軋鋼線邊側(cè)的AI圖形質(zhì)檢解決方案。比如利用NVIDIA EGX邊緣加速平臺,配備性能強勁的NVIDIA GPU、NVIDIA SmartNIC/DPU及JETSON ORIN家族芯片,智能實時讀鋼卷表面圖片、分析圖片內(nèi)容、定位缺陷,判斷缺陷類型,進行智能判定,并將數(shù)據(jù)存儲到本地,一般數(shù)據(jù)保存周期為二到三月。

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而工廠層級則是利用云計算技術(shù)對產(chǎn)線層級上傳的數(shù)據(jù)進行歷史過程質(zhì)量實績記錄、統(tǒng)計分析監(jiān)控,實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量評估和等級判定,并將質(zhì)量結(jié)果生成質(zhì)量分析報告,數(shù)據(jù)保存周期通常為10到15年。通過云邊協(xié)同實現(xiàn)面向全流程的質(zhì)量管理,保障了各個工序、各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的在制品品質(zhì),對異常狀況的實時監(jiān)控與調(diào)整,使廢品率及改判率大大降低,訂單一次合格率顯著提升。過程質(zhì)量數(shù)據(jù)參與最終判定,改變了過去產(chǎn)品終判的片面性,有力保障了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性,對品種鋼的批量達產(chǎn)起到了巨大的推動作用,全面支撐企業(yè)產(chǎn)品升級,促進企業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。

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四、結(jié)束語

從兩化融合、工業(yè)互聯(lián)到智慧工廠,邊緣計算在制造業(yè)中的大規(guī)模應(yīng)用是一種必然的趨勢,它有效彌補了源于互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的云計算在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用遇到的短板。鋼鐵是工業(yè)的糧食,鋼鐵企業(yè)作為典型的長流程傳統(tǒng)制造業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型中要融合OT技術(shù)與IT技術(shù),邊緣計算將是強力的粘合劑與驅(qū)動力。

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