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闭环制造的良性循环

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闭环制造是一项依赖组织各个部门的数据来增加收入和降低成本的战略（图1）。这些数据用于知会开发团队未来产品可以进行的改进，而无论是基于客户反馈，还是基于现场设备的性能。但为了获得闭环制造的收益，已经整合了工业物联网 (IIoT) 最佳实践的企业必须找到一种在各种数据管理系统之间实现数据透明度的方法。这些系统包括制造执行系统 (MES)、企业资源规划 (ERP)、客户关系管理 (CRM)，以及其它 IT 和运营技术 (OT)。令人欣慰的是，有研究表明全球工业制造业按计划于 2020 年之前在物联网技术方面投入约 8900 亿美元来实现这一目标，而这将帮助企业充分发挥闭环制造等概念的全部潜力。通过将闭环制造的概念再推进一步，质量和测试数据便可在原型和生产阶段跨多个产品开发团队共享，进而在消除设计缺陷及优化解决方案后再进入市场（图 1）。

图 1. 闭环制造利用产品生命周期每个阶段的数据对目前和未来的设计加以改进。（资料来源：Hewlett Packard Enterprise）

但是，为了借助自动化和规模化的相似性实现这些收益，来自不同系统的数据也必须透露给整个产品开发生命周期中的关键利益相关者，以便根据需要做出设计和流程调整决定。这要求标准化、经融合的 IT/OT 基础设施平台或网关与现有制造工作流程无缝集成，从而获得深入洞察并保持业务正常运营。

制造闭环的网关

Hewlett Packard Enterprise 首席技术官 Steve Fearn 说道：“在 OT 环境中，通常会有很多不同的系统。MES 系统确实推动了制造执行；ERP 系统尝试将所有组件整合在一起，但多数复杂的制造环境中也会有很多质量保证系统，试图将最终产品与能力结合起来。”

通常，制造现场不能通过单次改造更新整个车间，因为可能存在多种不同代次的设备。“孤岛的存在完全是因为制造现场所实施的历史制造方式，而且这些孤岛难以瓦解，”Fearn 说道。操作技术人员非常敏感，对于运作良好的制造单元做出改变的想法十分抵触，因为新交付的设备已经进一步妨碍了流程。”

传统制造网络的分层性质是解放数据的主要技术障碍之一。由于大多数可编程逻辑控制器 (PLC) 的设计不支持单独的 IP 地址，因此无法与其它启用 IP 的系统直接通信，所以数据集中器用于汇总批量数据、执行网络地址转换 (NAT) 以及将相关信息上传到公司网络。这限制了主要产品利益相关者之间传输数据的速度和粒度，尤其是在研发和工程层面，因为获取相关信息延误可能造成重新设计、预算超支和上市速度缓慢。今天，这些拓扑结构正在让位给基于整合了 IT 和 OT 技术的融合基础设施网关的架构。以分布方式部署这些网关可以在单个设备的基础上进行更加细化的数据捕获，以及跨制造网络的子分段共享信息（图 2）。

图 2.
基于单个数据集中器的传统制造网络拓扑正在让位给基于融合了 IT/OT 基础设施网关的分布式架构，从而在制造工作流程的各个部分之间实现更加细化的数据捕获和通信。（资料来源：Rockwell Automation）

Fearn 说道：“在这种情况下，智能网关是一个绝佳的工具。不需要处理数据事务的整堆硬件，而只要车间的一个智能边缘设备便可收集数据，还能通过转换使数据更适合应用程序堆栈。它可以提供一种存储转发服务，因此不必将消息发送到中枢，甚至是数据中心，然后再将消息推送回去。您可以在制造工厂的边缘开发逻辑，从而在生成和需要使用数据的位置实现高效的流程控制。”

网关在现有制造工厂的棕地部署中特别有用，Fearn 表示：“您不是白手起家，而是尝试提供某种资产绩效管理或预测性维护解决方案。”

举例来说，Hewlett Packard Enterprise 的 Edgeline EL4000 融合物联网系统作为一个工业物联网边缘网关解决方案，可帮助打破数据孤岛，并向闭环制造过渡（图 3）。网关包括两个用于公司 IP 网络通信的 10 Gbit 以太网端口，以及两个用于工业数据捕获和控制的 x8 PCIe 或 PXIe 插槽。平台支持 BACnet 和 Modbus 之类的工业网络协议堆栈，可无缝集成到制造环境中（图 3）。

图 3. 为了打破制造数据孤岛，Hewlett Packard Enterprise 的 Edgeline EL4000 融合物联网系统将以太网连接与 PCIe 或 PXI 插槽相结合，并且支持工业网络协议。（资料来源：Hewlett Packard Enterprise）

1U 外形 Edgeline EL4000 融合物联网系统搭载了四个具有 8 至 16 个内核的可扩展英特尔® 至强® 处理器，或者一个集成了英特尔® 锐炬TM Pro Graphics P580 的四核第六代智能英特尔至强处理器。借助 PCIe/PXI 卡槽的灵活性，制造商可以基于场景配置网关。此外，英特尔至强处理器还分别通过英特尔® 博锐TM 和英特尔® 主动管理技术（英特尔® AMT）在 Edgeline 系统上实现了虚拟化和远程管理等功能。通过虚拟化，可以将控制工作负载与其它企业功能和应用安全地分区，而英特尔 AMT 与 Hewlett Packard 的 Integrated Lights Out (ILO) 芯片搭配，可以完全控制可能处于危险或难以访问环境中的远程资产（图 4）。现在，来自产品生命周期各个方面的数据可以纳入正在进行的流程中，以改善制造成果。

图 4. Hewlett Packard Enterprise 的 Integrated Lights Out (ILO) 芯片与英特尔® 主动管理技术（英特尔® AMT）搭配，可以为部署在难以访问地点的 Edgeline 平台提供远程监控和管理功能。（资料来源：Hewlett Packard Enterprise）

Fearn 说道：“借助灵活的优秀计算环境，您可以在车间执行大量集成，也可以执行很多采样。在完成部件制造并予以发布后，针对该部件的反馈便会返回制造系统，并告知您应该对实际产品进行的设计改进，或者通过潜在的工艺改进提高可靠性、降低成本或使其更适合客户的需求。”

制造领域的良性循环

如前所述，运营数据并不是唯一可应用于闭环制造良性循环的信息。重要的是，销售、营销和服务部门的反馈经过整合，可确保产品满足客户需求。虽然从概念和策略向实际实施过渡对许多组织来说都是一项挑战，但 Hewlett Packard 领域专家的经验知识和合作伙伴生态系统可帮助将业务目标与适当的技术物联网基础设施保持一致。而且，在车间还能感受到解放数据和闭环制造的最大影响，在这种情况下，企业可以实现更高水平的自动化，降低运营成本，并达到先前无法实现的效率水平。“曾几何时，对于高质量要求的环境，基本上要等到生产线结束时才会发现问题，并且需要有一群训练有素的人来确保建立正确的生产线，”Fearn 说道。那样的日子一去不复返了。”它们正在被诸如视频分析之类的技术所取代，而这些技术可以检查每一个制造环节是否正常运转。“这不仅为您提供了高质量的产品，还使您能够进行这些工艺改进，并可能通过多次迭代修改制造工艺。”Fearn 说道。“您可以采用持续改进的方法，并不断从这些传感器接收数据。同时，这些传感器现在已经结合在这些数据馈送中，以确保进行本应完成的修改，并且努力实现更高效的制造工艺和制造更可靠的产品。”他总结道。

无缝集成远程资产监控

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从发电厂和钻井平台到制造业，设施管理人员无不意识到需要部署在线资产维护战略，以加快分析速度、改善资产运行状况及简化运营。但是，开发全面且可靠的在线监控和维护解决方案的工作困难重重，使他们望而却步。这些困难包括获得高质量的优质数据、安全的数据管理，以及将解决方案顺利集成到已安装的基础设施中，而不会影响系统性能。即使某个解决方案在一种应用中表现出行之有效，但设施管理人员也持怀疑态度。根据 National Instruments 的监控解决方案首席销售经理 Brett Burger 的观点，部分问题归结于展现业务价值的已发表案例研究太少。“即使存在 [case studies]，人们仍普遍认为每项业务都只是大同小异。”Burger 如是说。尽管顾虑重重，但维护管理人员认识到设备故障导致的计划外宕机时间会导致损失数百万美元的风险。如果资源较少、设备老旧并存在人才和技能空白，则这种风险只会更高。另外，随着设备数量增多，工作效率更加低下，尤其是技术人员必须亲身前往测量数量越来越多且分布越来越广的资产时，情况更加严重。根据 NI 的研究，技术人员将 80% 的时间用于收集数据，而只有 20% 的时间用于分析数据。随着资产数量增多，这种数字比例还会更差。许多工厂管理人员认识到他们需要考虑当今可用于在线状况监控和维护的技术了。“最好是这样做，以避免出现大范围故障，或者在损失 5,000 万美元之后亡羊补牢。”Burger 表示。Burger 还强调，最好能够根据需要计划和安排维护，并将实时在线监控与先进的数据分析相结合。这样一来，公司可以针对其工业运营数据做出响应，从而提高其生产资产的运行状况。

准确的数据与开放式访问是监控的关键

解决资产运行状况的实时监控问题是 National Instruments 选择将其体验集中在计算机辅助测量的原因。它的解决方案是 NI InsightCM Enterprise，这是一款硬件和软件相结合的产品，可提供对经过预先筛选、具备诊断质量且以波形为中心的数据的开放式访问（图 1）。

图 1. 借助可对 OT 到 IT 数据流和监管进行灵活管理的专用硬件和软件，InsightCM Enterprise 在边缘捕获并提供具备诊断质量且以波形为中心的数据。（信息来源：National Instruments）

NI 的方法令人很感兴趣，因为它没有专门尝试“端到端”方式，而是将传感器的设计交由传感器专家完成，同时分析和仪表板显示装置的开发也交由相关领域的专家完成。此外，NI 的方法还跨越了 IT 和工厂运营技术 (OT)，将重心放在从多个传感器采集诊断级波形数据方面。然后，该方法使用开放式文件格式存储数据，以便可通过第三方软件轻松访问数据，从而允许将 InsightCM 集成到任何已安装的系统中。通过使用先进的处理功能，InsightCM 随后支持在边缘进行数据过滤和筛选，然后再将关键信息发送到上游。“关键是我们提供对原始数据的完全访问，”Burger 说。“另外，丰富的传感器连接选项有助于公司将 InsightCM 集成到他们现有的工作流程中，而不是将需要培训和专业知识的全新工具引入到整个组织中。”

InsightCM 的与众不同之处在于，其采用了运行 LabVIEW 且坚固耐用的边缘节点数据采集和智能化嵌入式处理系统 CompactRIO cRIO-9037（图 2）。这是一个模块化、8 插槽可扩展系统，搭载了运行频率为 1.33 GHz 的英特尔凌动® 处理器 E3825。资产传感器连接到 cRIO-9037 传感器输入模块，然后这些模块将传感器输入转换为数字数据。

图 2.
cRIO-9037 允许对多个波形数据流进行采集和边缘分析，从而提供诊断级数据以供上游进一步分析。（信息来源：National Instruments）

稳定且坚固耐用的传感器输入模块使采集具有诊断质量的波形数据成为可能。虽然这是至关重要的第一步，但是并非所有数据都有用。为了避免传输和存储不必要的数据，使用凌动处理器在边沿应用智能和分析。通过使用 InsightCM 软件，处理器会全天候分析数据，以找出预设的触发条件。如果符合这些触发条件之一，就会将数据记录发送到服务器并标记是否需要跟进。只需使用单个英特尔凌动处理器 E3825，即可针对所有传感器输入模块完成此操作。虽然许多点解决方案可以采集、处理和存储数据，但是它们通常使用专用文件格式进行，使得难以与其它软件（如分析和数据显示工具）搭配使用。通过使用开放式访问技术数据管理解决方案 (TDMS) 文件格式，NI 在 InsightCM 中解决了此问题。借助 TDMS，数据不再局限于 NI 的技术。如果需要，可以采用原始格式将数据导出到 Excel、预先存在的直方图或新的上游分析或模式识别软件。这是一个重要因素，使得 InsightCM 能够迅速与现有和将来的工作流程集成。通过 InsightCM 捕获和筛选的数据随后可轻松向上游传送，用于通过数据分析和先进的模式识别软件进行处理。

安全性确保监控符合 IT 要求

对于企业中允许进行上游分析的任何数据，IT 必须保证数据和连接安全。因此，InsightCM 的典型安装更常见于以企业/业务为中心的 IT 网络上，而不是控制网络上。在某些情况下，会在工厂现场建立独立的网络用于数据维护。“这种数据分离虽然仍在 IT 安全控制之下，但在维护用网络资产和控制用网络资产之间提供了一个隔离层，”Burger 接着说：“与 NI InsightCM 搭配使用的 NI 监控设备不会输出到或控制与它们连接的资产，从而进一步将它们与面向关键控制或保护的网络资产区分开来。”NI 使用安全远程密码 (SRP) 在资产监控系统和 InsightCM 之间进行身份验证。从用户的角度看，客户端浏览器与 InsightCM 之间的活动可通过使用 SSL 加密来进一步保证安全性。另外，访问基于角色进行，因此 IT 可以限制无资格用户对某些功能的访问。借助强大的安全性，以及轻松集成和提供诊断级数据的特点，迁移到在线监控的过程已大为简化。可扩展性和将来增加 I/O 功能等难题也已攻克，因此借助高质量数据进行监控以实现预测性维护的目标指日可待。“从技术立场看，我认为我们将在预测性维护方面看到大量创新，其中软件智能提供的见解会不断增多，而对训练软件/模型所需的历史数据和领域专业经验会不断减少。”Burger 如是说。鉴于人们对新方法仍然持怀疑态度，NI 提供了令人感兴趣的案例研究：美国最大的电力公司 Duke Energy 想要通过每日进行远程数据收集和监控来代替每月进行的手动数据收集工作。通过实施 InsightCM Enterprise，Duke 借助 30,000 多个传感器连接了 10,000 个资产，实现了大规模收集、分析和管理传感器数据，进而带来了更强的分析功能和 3,100 万美元的成本节约。

本质安全：面向关键行业工业 4.0 需求的平板电脑

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数字化转型的目标是打造关键行业 (CI)，其中，技术人员可以利用平板电脑高效获取并分享现场操作数据。对于将物联网 (IoT) 功能引入棕地安装而言，这无疑是一个重要环节，因此需要相关厂商能设计并使用品质极其坚固可靠、具备本质安全属性，且配有高级别安防措施的平板电脑。依据既定的各种国际标准，平板电脑设计师可以通过采用先进的封装、系统设计及温度管理技术来实现预期的安全级别。同时，通过利用合适的第三方网络安全软件对硬件自带的安防功能进行适当补充，无论是对于设计师还是对于用户，平板电脑的设计安全性都进一步得到保障。根据需要将产品的本质安全性与高安防性进行有效组合，这可以确保用于 CI 的平板电脑有能力保护敏感装置、信息以及操作人员。

控制关键行业的爆炸性环境

石油天然气、采矿、化工和工业自动化等领域的应用往往受到危险条件的制约。考虑到潜在爆炸性环境所带来的危险，工人工作时都会采取严格的安全措施，遵守标准操作流程的规定进行作业，这对于出于类似环境的电子系统而言也是一样的。为帮助各方达到并确保实现协定的安全级别，市面上有许多成文的标准。欧盟的 ATEX 指令和国际电工委员会防爆电气设备认证 (International Electrotechnical Commission Explosive，IECEx) 标准以及北美 UL 913 标准通过组合各种区域、分类和部门，定义了不同类型的易爆环境以及各环境中存在危险状况可能性（表 1）。

表 1. 欧盟的 ATEX 指令和国际电工委员会防爆电气设备认证 (International Electrotechnical Commission Explosive，IECEx) 标准以及北美 UL 913 标准定义了不同类型的易爆环境以及各环境中存在危险状况的可能性 （资料来源：E2S）

处在这类区域中的电子设备必须符合特定设计标准才能通过相关机构的认证。IEC 60079 系列标准中明确列出了这其中的许多标准，包括隔爆外壳、增压、封装、粉料灌装、油浸规定以及整体本质安全设计（图 1）。对于易爆地点，所有这些标准的作用都是为了尽可能减小系统中的热量聚集，以防着火。

图 1. 电子设备必须符合特定设计标准，以通过 ATEX/IECEx 或 UL 针对在易爆环境中使用设备而制定的认证。下文列出了特定区域所需采取的 ATEX 保护措施。（来源：Marechal Electric）

鉴于认证的严苛性，许多现代技术无法运用于易爆环境，其中包括无线连接技术、高级处理器，以及电池。因此，CI 在很大程度上无法利用物联网机遇，比如，提高效率、减少宕机时间，和削减运营成本。不过，目前研究人员正在开发能安全连接机械、数据以及人员的本质安全工业平板电脑。CI 操作人员可借助这类平板电脑将贵重的现有设备与业务系统集成起来，无需改造或更换设备。

面向工业数字化转型需求的本质安全平板电脑

为了实现 CI 工作队伍与系统数据的移动化（即便是在易爆环境中），Aegex Technologies, LLC 发布了 Aegex10 本质安全平板电脑（图 2）。Aegex10 符合 ATEX/IECEx 第 1 区和 UL 913 第 1、2、3 类/第 1 部门标准的要求，经认证后可用于会例行寸爱天然气、粉尘或碎屑的地点。

图 2.
Aegex10 本质安全平板电脑 经认证可用于 ATEX/IECEx 第 1 区环境，符合 UL 913 第 1、2、3 类/第 1 部门要求。（资料来源：Aegex Technologies, LLC）

Aegex10 采用 10.1 英寸电容式触摸屏，具备 1920 x 1200 宽屏超级扩展图形阵列 (WUXGA) 分辨率。戴手套或用触控笔都可以使用这款触摸屏。该平板电脑适合的工作温度范围为：-10ºC 至 +50ºC，达到了 IP65 级粉尘或液体防护等级。虽然这些规范指标与市面上许多其它平板电脑的规范指标相似，但 Aegex 工程师采用了多种主板级别的散热管理设计特性，旨在帮助设备通过 ATEX、IECEx 和 UL 认证。其中第一项特性就是选择了四核英特尔凌动® 处理器，工作频率可高达 2.39 GHz，也可降至 1.8 GHz。这项频率调节功能结合 SoC 的 22 纳米处理技术，能减少热量聚集，以免引起爆炸。其它系统组件也经过恰当配置，能最大限度减少热量积累，精准控制电路温度和能级。这类平板电脑均采用双机容错机制，无论发生什么样的两种并行系统故障，都不会导致起火，此外，也都通过了跌落测试。Aegex10 平板电脑所具有的本质安全设计使产品成为了高级的连接、软件和安防套件，可供 CI 操作员进一步设置设备。关于无线性能，Aegex10 支持 4G LTE、双频带 802.11a/b/g/n/ac Wi-Fi、低功耗蓝牙 (BLE)、近场通信 (NFC) 以及 GPS/GLONASS 定位功能。此外，以太网、USB 2.0（标准尺寸）、USB 3.0、HDMI 以及 microSDXC 端口也都受到支持，这样一来，现场技术人员就能在现场对接兼容装置。Aegex10 平板电脑开箱即可运行 Windows 10 操作系统 (OS)，支持设备与多家组织机构的内部 IT 系统无缝同步。这款平板电脑还配有 FHOOSH High-Speed Cybersecurity 软件，能有效保障敏感数据从捕获点传输到其它端点或云端期间的安全。FHOOSH 软件通过将数据分段、分离、然后应用 FIPS 140-2 兼容 AES-256 加密技术，从而确保端到端数据安全（图 3）。

图 3. FHOOSH High-Speed Cybersecurity 软件可以在将敏感数据传输到其它端点或云端之前对这类数据进行分段、分离和加密。（资料来源：FHOOSH, Inc.）

这种架构意味着 Aegex10 平板电脑捕获到的任何数据都始终处于受保护的状态，既可消除潜在缺陷，又能为 CI 操作人员带来两项额外的重要优势：

  • 合规性—通过网络传输数据时，数据始终处于加密状态，因此不需要另外制定任何合规性或审计要求。于是，在保持遵循国家标准与技术研究所 (National Institute of Standards and Technology, NIST) 网络安全框架、IEC-62443、ISO 27001、北美电力可靠性写协会 (North American Electric Reliability Corporation, NERC) 关键基础设施保护 (Critical Infrastructure Protection, CIP) 以及其它标准方面，就可以显著减少相关成本和用时。
  • 速度—由于数据包进行了分段和加密，因此通过网络传输数据的速度必然更快。根据 FHOOSH，传输大型敏感数据存储块的速度会比平均速度快 8 倍。该软件还支持其它应用操作，比如：安全、低延迟的实时视频流处理。

从芯片级别的角度来看，英特尔凌动处理器可以基于 McAfee 产品整合一系列安防功能。例如，通过 McAfee Deep Defender 执行安全启动操作可以验证 Aegex10 平板电脑自启动后的完整性，通过 McAfee Embedded Control 功能制定白名单可以有效防止未经授权的软件在设备上运行。

走进关键行业工业 4.0 时代

如今，危险环境中的设备已成为了“物联网边缘”的缩影。不仅人类操作员难以使用这些系统，相关的安全要求也往往导致系统与技术隔离。随着 Aegex 和 FHOOSH Software 这类企业在设备安全与安防性方面取得的进步，现在，人们可以从上述系统中提取重要信息并在组织机构内部进行分享。现场技术人员可以实时分享图片或视频，可以在维修机器时访问数据表、教程或建议。这是人类在以安全的方式迈向关键产业工业 4.0 时代时踏出的第一步。

智能机器人如何提升仓库效率

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参观现代化的仓库，您会发现机器人正在迅速地将包裹、货架和整个机架从一处搬运至另一处。这些不知疲倦的工人降低了运营成本，提高了工作效率。仓库运营正在向自动化转变，以便更有效地利用现有的地面空间及提高整体运营效率 — 辅以机器视觉，生产力甚至正在进一步提高。整合智能摄像头之后，机器人可以按名称、尺寸和重量分拣包裹；将包裹搬运及储存至仓库的任意位置，并自动更新库存系统。中国中央政府十分重视发展自动化的优势。在最新的五年计划中，有关部门制定了到 2020 年每年新增 100,000 个仓库机器人的目标。这个目标简直触手可及：去年一年，工业机器人市场便增长了 30.4%。

仓库管理系统现代化

如今的许多自动化机器都是独立的设备，例如输送系统或运输分拣机。但自动化不协调导致改进十分有限。为实现更高的运营效率，许多仓库正在升级到与仓库自动化相协调的仓库管理系统 (WMS)。除了将多个功能区联系在一起，WMS 还能洞察仓库运营表现。通过数据分析，WMS 智能平台可帮助管理者识别优化机会以及消除效率低下的现象。这些平台可帮助简化仓库的各项任务。通过协调场内活动，WMS 可以帮助运营经理借助稳定和可重复的方式对库存和物流变化作出快速响应。而且，优势超出了仓库的范畴：通过与企业资源管理 (ERP) 系统集成，仓库自动化可以提高制造商的运营效率。海康威视 (Hikvision) 的 iWarehouse Management System (iWMS) 便是这样一款解决方案。它由自动导引车 (AGV)、机器人控制系统 (RCS) 和 iWMS 软件组成。与此同时，整个 iWMS 平台通过以下措施来应对仓库运营的挑战：

  • 通过可用储存空间和货架自动调整的需求分析优化仓储
  • 通过支持库存业务流程（如材料请购和采购）简化仓库管理
  • 通过灵活的管理策略、基于用户的权限配置和仓库可视化实现全面控制

协调 1,000 个机器人

海康威视的 iWMS 平台支持执行各种仓库任务的一系列 AGV（参见图 1）。吴永海说：“我们的机器人控制系统 (RCS) 可以同时控制超过 1,000 个机器人。所以，当业务量攀升时，客户可以将更多机器人投入工作。这可以帮助解决业务增长不均衡的问题。”

图 1：海康威视的解决方案包括各种机器人。（资料来源：海康威视）

为导引机器人，系统使用英特尔视觉处理单元 (VPU) 和现场可编程逻辑门阵列 (FPGA) 支持的智能摄像头。在众多优势中，这些摄像头可以自动识别标签，实时追踪仓库中的每一个包裹。如图 2 所示，AGV 与智能摄像头的数据可以融合在一起，通过基于英特尔的工业 PC (IPC) 实现本地分析。数据从这里传输到云端，可轻松与企业 ERP 系统集成，从而协助总体项目交付，扩展和维护后续系统并降低总体人工成本。

图 2：英特尔® 技术可帮助支持智能仓库管理系统。采用英特尔® 至强® 处理器的云服务器在后端提供长期数据存储，同时托管 iWMS 软件。在这里，中控员工可以监控仓库业务流的整个流程，并且对仓库运营效率提供统计分析。而且，仓库经营者可以使用这些功能执行以下任务：

  • 通过当前的仓储需求分析，实时提供建议及调整货架位置。
  • 监控 AGV 机器人运动，通过多路径规划避开障碍物及交通堵塞。
  • 根据不断更新的 AGV 状态，为机器人平均分派任务。
  • 基于仓库 CAD 地图和 RCS 模型数据，通过仓库可视化来控制 AGV 定位和移动。

为确保所有这些决策与业务目标保持一致，iWMS 可以与企业 ERP 系统衔接。举例来说，可以配置系统使用入站/出站策略和现有材料请求流程。

成效显著

海康威视将 iWMS 投入自己的运营中，让该系统在桐庐工厂大展身手。该工厂制造视频监控系统，仓库面积 120,000 平方米，每天产出额达 1460 万美元。工厂使用近 800 辆 AGV。仓库机器人负责搬运和分拣零件及产品，不工作时，自动停入储物架下方。智能生产物流通过 RCS 处理。该系统通过常用的在制品 (WIP) 系统支持多机器人群集调度，实现原材料无人处理。通过使用 iWMS，海康威视工厂能够：

  • 自动储存原材料
  • 在生产过程中实现智能检测
  • 管理成品和入库
  • 智能控制设备
  • 自动为生产线输送原材料
  • 监视中转和临时在制品

吴永海表示，在 2016 年实施 iWMS 解决方案后，人工成本降低了 58%，效率提高了 84%。他说：“将来，我们希望本系统能够应用于医疗用品、食品和其他多存储市场。”

如果经营者对于在自己的仓库复制海康威视桐庐工厂成功案例感兴趣，必须首先与海康威视合作，创建仓库仿真。准确预测 iWMS 实施成本和解决方案定制时间都需要仿真。这通常因仓库的规模而异，仿真需要三至八周的时间。吴永海说；“安装 iWMS 后，投资回收期只有一至三年的时间。从长远来看，值得对此进行投入。”

英特尔为合作提供技术支持

海康威视认为英特尔的技术和行业领导力与雄心勃勃的 iWMS 系统十分契合。如上所述，智能摄像头使用英特尔® FGPA 和英特尔® 处理器。而且，采用英特尔技术的 PC 和终端为智能仓库管理解决方案中的所有软件提供良好的工作环境。吴永海介绍道：“将来，我们要把英特尔的传感器和处理器整合到我们的机器人中。在技术与优秀的质量之间做权衡十分必要。英特尔在这两方面都有良好的国际声誉。”

在中国寻求通过先进的机器人系统来解决劳动力培训和人工成本问题时，确实需要着眼于未来。包括这样的自动化劳动力在内，智能仓库管理系统能够在运营效率和成本节约方面产生惊人的效果。

将资产管理融入数字环境

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通过将传统资产接入物联网，企业能够以端到端的方式监视其运营状况，但这只是个开端。从生产线机械到集装箱，这些资产都是洞察力的源泉，能够帮助公司对自身的运营、产品和客户做出更明智的决策。这正是访问此信息至关重要的原因。进入联网资产管理。基于物联网的资产管理可帮助组织提高运营效率，使其业务从注重产品向注重服务转移，并且发现新的收入来源（图 1）。

图 1. 联网资产管理可以促成运营改善和转型变革。（资料来源：Accenture）

据估计，在运营层面上，联网资产管理的总体生产力可以提升 5% 至 25%。其中包括将资产利用率提高 3％ 至 5％，维护生产力提高 10％ 至 15％。（所有估计均基于 Accenture 的内部数据。）这些收益的获得是因为联网资产管理环境利用了以下优势：

  • 全球资产监控
  • 高级行业分析
  • 优化维护策略
  • 最大限度减少停机时间
  • 减低了资本支出、运营支出和总体拥有成本

在转型层面，企业可以创建完全数字化的价值链，实现全面的联网和智能化管理。达成此目标后，企业可以从根本上改变其内部运营、客户体验、甚至业务模型。联网资产管理的工作原理

要想了解如何实现这一原理，请考虑 Accenture Connected Asset Management 平台（图 2）。该系统使用英特尔® 物联网网关从传统资产收集数据、从各种各样的设备当中提取信息，并将相关数据安全地传输到云端。在云端，数据可用于远程监控、专业化分析和预测性维护。

图 2.
英特尔® 物联网网关可以从各种各样的设备提取数据差异，然后发送到 Accenture 云端。（资料来源：Accenture）

此设置也可以在边缘执行分析。因为现场操作通常只有低带宽连接，却需要实时响应，所以此功能十分重要。通过将计算推向边缘，企业无需大规模网络升级即可实现即时响应。节省时间和避免事故

所有这些优势累积起来，可以为生产环境带来巨大节约。举例来说，假设一条存在故障的生产线生产出大量有缺陷的产品。没有实时监控，制造商可能要在生产数千件产品之后才会发现缺陷，然后就需要关停和检查生产线，找出问题的根源。相反，实时资产监控可以立即发现问题，同时避免浪费时间和材料。除了加快反应速度外，为网络端点提升处理能力还可以通过向云端发送大量数据集进行处理来释放带宽，从而节省资金。实时监控还有助于避免工业事故。如果单纯从云端监控关键设备，在发生故障后与云端掌握事态并作出反应之间的延迟时间便会给企业造成数百万美元的损失，甚至更糟 — 给工人带来伤害和灾难。优化维护

联网资产管理还会对维护预算产生积极的影响。举例来说，维护团队负责监控资产是否需要维修；而通过监控资产的性能，该解决方案可以为维护团队节省所花的时间。而且，通过对传感器信息的大数据分析，工作人员可以执行预测性维护，在发生事故前更换零件及维修（参见图 3）。这就为资产赢得了更多工作时间，同时减少了维护人员的工作量。此外，通过及时和智能的维护使资产保持最佳状态，可以延长资产寿命并提高投资回报率。

图 3. 联网资产管理有助于企业从故障修复式维护向预测性维护转变，甚至发展更先进的维护方式。（资料来源：Accenture）

探索可扩展解决方案

为充分发挥联网资产管理的优势，企业需要一个能够扩展其需求的解决方案。这就是 Accenture 与英特尔重视端到端架构的原因。“在客户批准概念证明之后，我们会着手展开扩展工作。”Accenture 董事总经理 Neil Hickey 说道。“我们不是针对一个使用案例做计划，而是制定 500 或 1,000 个案例的计划。Accenture 与英特尔的扩展能力正是魔力所在。”因为企业通过跨使用案例扩展能够以端到端的方式监控其运营，从而收获联网的全部优势。位于架构核心的英特尔网关也是有一些魔力的。运营连接云端的主要挑战就在于各种分门别类的标准以及控制系统所具有的孤立特性。英特尔物联网网关可以应对这些差异，并且为云端提供简化的接口（参见图 2）。网关在解决方案的多个层面提供支持：

  • 边缘性能可实现接近实时的分析、就地做出决策以及实施更严格的流程控制
  • 高级安全性适用于边缘到云的可信数据，保护其免受攻击，以免造成重大损失
  • 适合各种级别网关性能的可扩展性，兼具英特尔® Quark™ 处理器、英特尔凌动® 处理器和英特尔® 酷睿™ 处理器的广泛支持
  • 可管理性用于安全的远程升级和服务
  • 平台部署速度更快、更灵活，支持广泛的操作系统和生态系统应用程序

英特尔网关还在传感器、智能设备和云端之中起着数据路由器和过滤器的作用。这增强了安全性，加快了可行见解的执行，并且节省资金，因为只有与运营相关的数据才会发送到云端，降低了数据传输和云存储成本。“这就为我们的客户从产品向服务和产出转变奠定了基础。”他补充道。“这也使客户在收入和绩效模型方面具有更大的自主权。”

Biesse 的数字化转型

Biesse Group 便是采用 Accenture Connected Asset Management 的典范。该公司掌握着材料加工的领先技术，希望突破产品制造领域，进入数字化服务领域。Accenture 与 Biesse 展开协作，通过分析设备和客户数据，携手开发出了 SOPHIA 数字服务平台。SOPHIA 平台为 Biesse 的客户提供了一系列数字服务，包括预防性维护警报、设备管理、制造事件分析和远程软件分发。设备上的各种传感器和装置生成了深入的数据见解，通过 Microsoft Power BI 数据虚拟化功能显示在仪表板上。该平台在 Accenture 的 Industry X.0 解决方案上运行。Industry X.0 专注于智能自动化，将人类活动自动化和增强相结合，进而产生成果。该解决方案侧重于端到端产品生命周期管理创新技术，并且深入挖掘了虚拟和混合现实、人工智能及分析等技术。该平台通过 SOPHIA 来执行预测性分析及实时远程诊断。SOPHIA 不是通用解决方案。客户可以为收到的服务进行自定义，其中包括从设备报警到深入设备分析等高级服务。该解决方案不仅可以提高客户设备的效用，而且能够提升客户满意度。该平台为 Biesse 提供了一系列优势。例如，保修和维护成本下降。来自现场的性能和使用见解可用于改进产品开发，并且为客户提供真实需要的信息，无需猜测。Biesse 还可以使用通过 SOPHIA 收集的信息，提醒客户并为客户提供能够充分发挥设备生产力的方式。“Accenture 正在帮助 Biesse Group 开发面向服务的方法，从而能够利用我们的设备产生更大的价值。”Biesse 董事总经理 Stefano Porcellini 说道。“我们将能够为客户提供从远程诊断、警告和警报到基于条件的/预测性维护服务和使用分析，以及更先进的生产流程优化功能。”他继续说道。“这些服务还将为我们的售后业务增加收入流，使我们在激烈的竞争中脱颖而出。”

重新思考工业业务

工业企业为了在深入了解其产品的基础上建立稳健的业务，少说也花了几十年的时间。这些企业擅于使用其产品和服务知识为客户增加价值，但以传统方式完成这一过程需要数年的开发周期。这在数字化时代是行不通的。企业可以借助像 Accenture Connected Asset Management 这样的解决方案适应新时代的发展。该解决方案不仅可以改进物理资产的工作效率，还可以辅助企业进行业务转型。

物联网如何革新工厂

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直到最近，制造商对工厂运营的了解都很有限。由于没有简单的方法来检查机器性能、库存状态或员工工作效率，提高效率就变得异常艰难。物联网让这一切发生了彻底改变。通过使用传感器来监控设备、零件、工艺和成品，制造商可以跟踪工厂内外的各个环节。他们可以将运营细化到一台机器一小时的生产量，也可以宏观地了解整个设施的产量。以下详述了物联网如何帮助制造商做出更明智的决策、实现更快的创新、对生产问题防患于未然，同时更轻松地扩展规模、创造新的收入来源并降低风险。

连接工厂

传统上，工厂自动化系统尚未连接到企业 IT 系统。在当今竞争激烈的环境中，制造商无法承受这种脱节。思科工业营销经理 Scot Wlodarczak 表示：“如果您想优化运营、缩短停机时间、降低成本或改进您的产品，唯一的方法就是收集和分析您的数据。”

但这里并不是说工厂从没收集过信息。“工厂生成的数据数不胜数。”Wlodarczak 说。但这些数据常常被禁锢在传统系统中，这些系统不相互通信，或者不与管理人员通信。工厂通常包含多个网络，例如 Profinet、EtherNet/IP 和 CC-Link。每个网络都使用自己的协议，并且大多数都没有连接到企业 IT。为了解决这个问题，Cisco 互联工厂使用基于标准的英特尔® 技术来统一这些不同的系统。在工厂车间，采用英特尔技术的交换机将许多工厂协议转换为一致的工业以太网网络。通过让工厂转而采用标准以太网技术，思科解决方案可以轻松将工业网络与企业 IT 相集成。现在，制造商可以在网络的每个层级充分发挥智能的优势。让数据在工厂范围之外传输，管理人员可以对信息进行分析并找到提高效率和促进创新的方法。在工厂内，数据不再需要传送到云端进行处理，而是可以在现场进行分析。这意味着操作人员可以更快地修复机器并提前捕获错误和合规性问题，以免产生一批无法使用的成品。实时数据还可确保安全系统正常运行并保证机密信息的安全（参见下面的图 1）。

图 1. 使用物联网解决工厂的经济和安全问题。将工厂和企业 IT 相结合，同时也避免了对旧网络的维护，这些旧网络非常复杂，维护起来非常困难。更换传统设备代价高昂，随着系统的老化，只有为数不多的专家们掌握了修复它们的必要知识。迁移到单一平台可降低工厂所有者的总体拥有成本。这个平台针对未来而设计。“您有了一套适用于所有传统协议和即将推出的协议的硬件。”Wlodarczak 表示。这意味着如果您对机器或自动化流程进行更改，则无需投资新的网络设备，也不用担心连接到一系列不兼容的系统。IT 工作人员可以使用安全访问来远程配置一切。

确保环境安全性

虽然连接到工厂带来了成本节约并推动了创新，但同时也引发了对安全的担忧。根据思科 2016 年度安全报告，制造业安全基础设施的质量已处于最低水平。用于连接的接口越多，意味着给黑客留下的的攻击面越广。在这种情况下，将操作技术与 IT 系统连接也会有所帮助。存在安全漏洞是因为这两个系统提供不同级别的保护。思科防火墙和网关采用英特尔技术，坚固耐用，可在任何地方保证数据安全，同时支持在工厂内外部快速传输数据。通过使用单一平台，IT 部门可以集中管理安全并远程添加或更新策略。这提高了效率以及安全性。“您是想购买由 15 个不同供应商提供的安全解决方案，并希望它们能够协同工作，还是愿意购买一款经过现场互操作性测试的解决方案？”Wlodarczak 表示。通过与思科合作来对自己的网络进行细分，制造商可以防止威胁升级。“如果机器 A 不能与机器 Z 通信，黑客就不能从一个机器跳到另一个机器来收集数据。”Wlodarczak 说。在工厂配置安全设置通常是一个复杂且耗时的过程，但是思科对其进行了大大的简化，让工厂主管在没有 IT 帮助的情况下也能顺利完成。安全不仅仅是防止黑客入侵。制造商通常通过向合作伙伴和客户提供对数据库的访问权限来共享大量信息。但这样做可能十分危险。思科正在开发一个系统，支持以编程方式选择发送给外部人员的信息。“数据就像湖中的鱼。我们正在努力寻找一种方式，只发送大嘴鲈鱼而不是所有鱼。”Wlodarczak 说。

快速修复和简单扩展

工厂操作人员也可以选择性地查看数据。在正常的工作过程中，机器产生的信息太多，难以消化，但是主管可以设置警报，在出现问题时提醒他们。“传感器每天可以读取 10,000 次数据点，但只有当偏离某个特定范围时您才能请求查看。”Wlodarczak 说。“在机器超出容错范围之前，您可以提前告知相关人员并采取相应措施，以免它制造不良零件。”

主管在巡查生产线时也可以快速了解运行情况。他们的无线设备显示了从组装到优化和包装等各个领域的最重要数据。物联网有助于实现更快扩展。如果一家公司想要添加新的生产线或生产单元，思科拥有一个网络管理工具，可以帮助他们自动部署扩展。IT 部门可以提前制定策略和设置，从而节省大量时间并防止新增问题妨碍现有生产。“它为您提供即插即用功能。”Wlodarczak 说。

突破隔阂

在整个制造环境中，物联网在合适的时间为合适的人员提供合适的信息。它突破了设计师、工程师和高管与他们管理的工厂之间的隔阂，并让他们“看到”他们正在做的事。通过分析机器和自动化系统的数据，他们可以测量特定区域或整个工厂的效率。他们获得的见解有助于找到有关如何提高效率、改进产品、测试新系统或添加新业务线的办法。了解物联网在制造业中工作原理的最佳方式就是看其实际应用。以下是来自三家工厂的示例，这些工厂使用思科互联工厂改造了他们的运营：

Subzero：削减成本并最大限度地提升效率

在实施思科系统后，厨房电器制造商 Subzero 大幅减少了机器的停机时间。和许多公司一样，该公司的工厂和工程总部位于不同的地点。过去，如果工厂出现问题，工程师不得不从威斯康星州飞往亚利桑那州进行诊断和修复，同时还会造成停产。现在，工程师可以看到机器运行的实时视频画面。将这些视频画面与机器数据结合起来，他们可以坐在办公桌边建议甚至实施解决方案。这样一来，该公司的停机时间大大减少，每条生产线每小时增加了 2500 美元收益。同时，还节省了 40,000 美元的工程师差旅费和超过 100,000 美元的现场测试费用。

Daimler Trucks：实现更出色地沟通

在一个庞大的工厂里，员工要相互联系往往非常困难。Daimler Trucks 的情况就是这样，它受到不可靠的传统网络的困扰。该公司实施了思科强大的基础设施和 WiFi 网络，使员工能够通过 iPad 进行沟通。他们现在可以检查零件的可用性，并且可以在不离开工作岗位的情况下安排从仓库发送零件。现在，公司生产的多种类型的轴距、轮轴和其他卡车部件都包含了 RFID 跟踪功能，从而可以确保它们能够在合适的时间与装配线上合适的车辆相搭配。RFID 和其他数据也会传输给经理，帮助他们保持工厂以最高效率运营。

FANUC：加强客户服务，开发新业务线

产品下线并不意味着物联网角色的结束。制造商将传感器嵌入到成品中，通过它们回传的运营数据帮助解决客户问题，而无需出差或者付出高昂的延迟成本。这对于机器人公司 FANUC 来说是一种至关重要的方式，以前这家公司只有在自己制造的机器人坏了需要维修时才对客户如何使用其制造的机器人有所了解。有了思科的系统，FANUC 现在可以接收更新，这使其能够预测问题并在机器人停止工作之前避免问题的发生。图 2 显示了物联网数据如何帮助 FANUC 改进其客户服务。

图 2.
FANUC 使用物联网改善客户体验。产品监控不仅可以让制造商将客户服务提升到一个新的水平，还可以通过追加销售或增加服务合同帮助他们打造新的业务线。“您可以预测维修并在发生故障之前发运零件。您可以让收入源源不断，而不只是销售产品，完成交易。”Wlodarczak 表示。通过将设施端到端连接起来，制造商可以安全地收集、传输和分析工厂内外的信息。物联网帮助他们最大限度地提高效率，防止问题的发生，并推动其创新和快速扩展，更好地为客户提供服务。今天的工厂凭借英特尔和思科提供的支持，实现了智能、自我监控和自我优化，必将在未来找到更多改进运营的方法。

机器视觉赋予工业机器人自主观察和提升的能力

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工业机器人设计师一直面临着提高生产力和效率的压力。因此，设计师们转而求助CV 和 3D 视频拍摄等新兴技术。这些功能有望在工业自动化方面实现突破性变革，但需要新的系统架构提供比上一代产品更高的性能和连接性，同时保持性能可靠、外形紧凑。工业机器人借助 3D 机器视觉技术，可以依据实时拍摄和分析的图像优化抓握和调节力度。因此，机器人可以更加灵活、准确地移动零件和组件。尽管能够“自主观察”的机器人大幅提高了生产力水平，但设计师们还是面临着相当大的设计挑战。这些选项包括：

  • 视觉引导机器人需要额外的摄像头硬件和高带宽 I/O 及接口，将 3D 摄像头连接到计算系统。
  • 从而能够在有限的空间和恶劣的环境中工作。
  • 有可靠的性能来执行深度学习算法，用以处理实时成像。

这些要求需要以紧凑的外形将高吞吐量和低功耗计算能力相结合，还需要大范围的工作温度、智能电路保护和减振等可靠特性。提供这些功能通常需要多种计算平台，这无疑会增加成本和系统复杂度。OEM 现可提供集成的解决方案，最大限度降低成本和复杂度。

机器视觉加强版运动控制

Vecow 是一家机器视觉和成像解决方案开发商，主营业务是为基于视觉的工业机器人平台设计工作站级系统。传统上，这种设计需要两个嵌入式系统 – 一个用于 3D 视频拍摄，另一个用于机器控制。但有限的空间要求计算系统必须外形紧凑、功能强大。因此，Vecow 选择使用服务器级英特尔® 至强® 处理器 E3-1275 v6 开展设计，使得视频拍摄和运动控制功能能够集成在 RCS-9000F GTX1080 这一个平台之中（图 1）。

图 1. RCS-9000F GTX1080 是将视频拍摄和机器控制整合在一个嵌入式系统中的工业机器人系统。（资料来源：Vecow）

RCS-9000 能够使用具备企业级性能的工业级软件包处理实时视频拍摄、深度学习、运动控制和其他机器人工作负载。该系统可以同时操控最多 16 个 3D 摄像头，通过制造机器人实现支持机器视觉的视频拍摄。Vecow 称，采用至强处理器 E3-1275 v6 的主要原因是它的基频比其他 Skylake-S 和 Kaby Lake-S 架构处理器高出 7％。称为增强型 Intel SpeedStep® (EIST) 的频率调整技术可以在软件中实现处理器时钟速度动态变化，从而使得处理器能够满足瞬时功率需求，同时最大限度地降低功耗和发热。E3-1275 处理器采用集成英特尔® 核心显卡 P630 技术是另一项关键的设计考虑因素，旨在以高效的方式支持实时 3D 视频拍摄（图 2）。图形引擎使至强处理器能够提供 10 位高效视频编码 (HEVC) 硬件加速，增强 4K 视频编码和解码操作。

图 2.
英特尔® 至强® 处理器 E3-1200 v6 搭配 C236 芯片组，可以为一体机 CPU + GPU 解决方案提供多种接口选择。（资料来源：英特尔公司）

Vecow 声称 RCS-9000F GTX1080 是首款将灵活的 CPU 插槽与高端显卡相结合的机器视觉解决方案，可用于打造支持视觉的工业机器人。附加的图形引擎还使得系统能够同时运行 3D 视频拍摄和分析操作。除了增强型 CPU 和显卡之外，DDR4 纠错码 (ECC) 内存（配置最高 64 GB，2,400 MHz）还可以通过避免内存错误，确保系统可靠性。辅以 RCS-9000F 的无风扇设计以及 EN 50155 和 EN 50121-3-2 抗冲击和抗振动认证，工厂环境的可靠性得到增强。RCS-9000F 的规定工作温度范围是 -13ºF 至 140ºF，支持 80 V 浪涌保护。

一体机接口

在像制造机器人这样的任务关键型应用中执行 3D 视频操作时，如果可以并行执行任务，则更加高效。因此，Vecow 的 RCS-9000F GTX1080 计算解决方案分别为视频拍摄和数据分析提供了 USB 3.0 和 PCIe 插槽。得益于 i219LM 和 i210 以太网控制器，工业级计算系统能够通过多千兆位以太网 (GbE) LAN 接口控制机器人。这些高速 GbE 链路支持使用最多 16 个摄像头来执行机器视觉相关任务，以及实现机器人到机器人的连接。还可以通过附加 PCIe 扩展插槽的形式集成附加设备，进一步支持深度学习和机器视觉任务。因为多个 I/O 接口对于方便高分辨率数据传输和快速视频分析至关重要，所以，这款一体机平台提供了丰富的接口选择，适合进行各种操作。

从自动化到自主化

先进的 CV 和连接技术正在促使相对简单的工业机器人从孤立的系统向更复杂的自动化工作流程转变。但利用这些功能需要高度集成的计算平台，使每个机器人能够更快速、准确、持续地拍摄视频、分析数据并采取相应的行动。这对于日益自动化和自主化的机器而言至关重要。工业数据与 CV 系统集成顺应了工业物联网的大趋势，例如机器学习和数据分析。像 RCS-9000F GTX1080 这样的平台让工业机器人在这场持续的工业革命中起着重要的作用。

通过灵活的雾网关加速向工业物联网的过渡

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OEM 可以使用工业物联网 (IIoT) 概念减少宕机时间、降低成本并提高运营效率，但向 IIoT 过渡需要相当大的前期投资。幸运的是，新的架构方法（例如雾计算）将降低这些成本，同时提高性能。主要问题是传统工业设备未配备适当的技术来支持隔夜迁移到 IIoT。对于通过企业网络与云进行通信的系统而言，需要考虑连接性、安全性和延迟问题，这意味着想要过渡到 IIoT 的组织通常需要进行成本高昂的改进、额外基础设施和重要设计工作。在此期间，关键系统也必须处于离线状态。

雾计算如何实现工业物联网迁移

如果不想采用这种大规模重新设计的方法，另外一种替代性选择就是使用雾计算，它允许以高效、独特和可扩展的方式创建 IIoT 边缘传感器网络。雾计算架构将资源分布在网络边缘附近，而不是将大部分智能设备置于集中式云中（图 1）。

图 1. 雾计算将智能设备置于工业传感器附近，可减少与云通信相关的带宽、延迟和安全问题。（资料来源：Nebbiolo Technologies）

通过将更多智能设备置于机器附近，雾计算架构可最大限度地降低与云通信相关的带宽、存储、延迟和安全问题。它们还允许使用更便宜和更简单的基础设施硬件。特别是对于工业组织来说，许多时间敏感型数据分析任务均可在雾层执行，而无需传输到后端企业服务器，从而可以在实时控制应用中快速做出决策并限制数据传输成本。总而言之，雾计算有助于减少希望加入 IIoT 的工业运营商的部署障碍。但是，进入雾计算领域需要强大、可靠且灵活的物联网网关平台。

灵活的雾网关将 IT 与 OT 相融合

由于雾架构中对云的依赖更少，雾网关必须提供云通常所提供的大部分功能。这些网关用作工业传感器与控制平台之间的连接点，负责执行大量本地数据存储和分析，并在需要时与其他外部系统进行通信。因此，它们必须包含类似于企业平台中的计算资源，同时支持工业环境所需的灵活连接和低功耗操作。来自 WIN Enterprises 的 IoT-380 Gateway 是低成本、易于使用且可快速部署的入门级物联网雾网关的示例产品（图 2）。

图 2.
来自 WIN Enterprises 的 IoT-380 Gateway 是一种用于工业物联网部署的灵活雾网关。（资料来源：WIN Enterprises）

基于英特尔凌动® 处理器 E3826 并且配备 4 GB 的 1067-MHz DDR3L 内存，IoT-380 旨在传输来自传感器的原始数据，并在本地处理它或将其发送到云端以供进一步分析。E3826 处理器为本地数据分析和数据包流式传输提供了充足的性能，同时融入了一系列功能，使其非常适合 IIoT 和雾环境。例如，该处理器的功耗只有 7 W，同时还支持 Intel SpeedStep® 技术。Intel SpeedStep 根据工作负载动态调整处理器的时钟频率，帮助节省电源，并在需要时提升性能。这些处理器还通过集成的英特尔® 虚拟化技术（英特尔® VT）提供虚拟化功能，以便出于安全目将关键工作负载与非关键工作负载进行分离。此外，IoT-380 还配备有两台英特尔® i210AT 以太网控制器，这些控制器根据 IEEE 802.1Qav 音视频桥接 (AVB) 标准来提升时间敏感型千兆位以太网 (GbE) 网络。这些控制器还支持节能以太网 (EEE) 技术，与 Intel SpeedStep 类似，可在低数据活动期间降低功耗。除了以太网之外，IoT-380 还包括一系列有线和无线通信选项，使其能够用于各种 IIoT 应用。其中包括 3G、LTE、Wi-Fi 和 USB 2.0/3.0。该网关的工作温度范围为 -10°C 至 +60°C，并且具有 VESA 安装功能，可在恶劣的环境下运行和安装。这些环境包括制造设施、石油钻井平台、远程电站和运输系统，其中对高级别的冲击和振动的耐受性至关重要。

保持简单（以及安全和低成本）

随着工业环境中连接到控制网络的设备数量不断增加，设计人员正在寻求提供有效、安全、低成本和简单的 IIoT 迁移路径。与消费者物联网相比，IIoT 具有更严格的要求，包括需要不打折扣的控制和更强的安全性。但是，为了达到最终目标，了解当前系统的连接功能和环境要求以及分析功能和数据交换方面的近期目标非常重要。诸如 IoT-380 之类的物联网网关对于有效部署 IIoT 雾网关至关重要。它充当了边缘设备和云之间的桥梁。而且，通过利用英特尔® 架构，它可确保与现有解决方案的向后兼容性，并确保向未来的 IIoT/雾网络迁移。

让安全可靠的物联网计算变得经济高效

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物联网应用的设计人员一直承受着巨大压力，他们必须以经济高效的方式来满足超出典型消费系统要求的坚固性、空间、性能和可靠性要求。从头开始设计以满足所有这些要求可能需要高昂成本，因此物联网的一种绝佳替代途径就是为 PC 配备高性能主板，将其置于精心设计的机箱中，并提供高效的散热管理、EMI/ESD 保护和 I/O端口设计。除了节省成本和缩短开发时间外，随着新处理器的出现以及应用要求变得越来越严苛，这种方法也能支持可扩展性。适合使用这种替代方法的计算平台的一个示例就是外形小巧的 Next Unit of Computing (NUC) 电脑。该主板可通过最新的英特尔处理器进行扩展，从而满足空间和性能要求。只要对机箱设计和散热性能予以一定程度的重视，即可轻而易举地将其转变成坚固耐用、相对便宜的物联网计算平台。下文将介绍 Logic Supply 如何围绕物联网开发坚固耐用的机箱，并始终保持靓丽外观。

NUC 让空间和可扩展性能实现平衡

英特尔® NUC 主板（例如 NUC7i3DNBE）专为将高性能计算组合在小巧的 4×4 英寸空间内而设计（图 1）。它使用最近推出的英特尔® 酷睿TM i3-7100U (Kaby Lake) 处理器，后者采用英特尔® 核芯显卡 620，其热设计功耗 (TDP) 为 15 W，并采用焊接式 BGA 封装来实现坚固耐用。

图 1. 英特尔® NUC 主板（例如 NUC7i3DNBE）可满足工业应用的空间、性能和可扩展性要求，但需要进行修改才能满足工业、标牌、物联网以及环境和可靠性挑战。（资料来源：英特尔）

添加各种功能，例如使用直接拧到主板上的固态盘内存、0˚ 到 55˚C 的工作温度范围、默认风扇和塑料机箱，而且 NUC 通常足够坚固耐用，可满足消费级和工作站应用的要求。但是，消费级和工业使用模式与设计要求之间存在很大差距。消费者可以容忍甚至是享受打开计算机系统来更换组件、排除问题的过程，并且会耐心等待系统冷却下来（如果系统过热）。但工业和物联网应用却并非如此。“对于我们的客户来说，宕机是一件棘手的事情，”加固型计算机系统提供商 Logic Supply Inc. 的产品经理 JP Ishaq 说道。许多客户都会将他们的电脑安装在天花板上方，或者放在橱柜或工作台下面。“他们甚至不想看到电脑，更不用说因为系统过热而打开它了，”他说道。

面向工业和物联网的加固型 NUC

虽然 NUC 在尺寸、连接性、功能和性能（包括高清媒体功能）方面达成了合理平衡，但下一步是要使其满足工业领域客户的需求。这意味着需要尽可能多地消除故障点。这个过程从取缔风扇开始，风扇往往是最便宜的组件，但可能会有灰尘透过风扇进入并堵塞系统，或者是有金属屑进入，导致系统出现故障或短路。“我们希望完全取缔风扇，”Ishaq 说道。“我们需要一个完全固态的解决方案。”最重要的是，他表示必须消除所有通风口，并减少或密封 I/O 端口以防止湿气、灰尘和 EMI 进入。在取缔风扇后，Logic Supply 专注于采用先进散热器和机箱设计的被动式散热技术，旨在让系统内部尽可能保持低温。“有些公司可能会在主板上安装一个散热器，并将其置于机箱内。”Ishaq 说道。他补充说道：“我们会尝试不同的做法，确保使用定制的散热解决方案来最大限度地提高处理器的散热量，以便为其提供充足的散热空间。”

这让 ML100-G-31 之类的设计具有非常有趣的外观（图 2）。“它还具有非常强大的功能。”Ishaq 说道。“我们认为功能第一、外形第二，但所有事情都是平等的，我们还要让它拥有靓丽外观。”Logic Supply 还包括了用于屏蔽或密封通风口以及在机箱上添加品牌信息的选项。

图 2.
ML100-G-31 包含定制的散热器设计和用于屏蔽或密封通风口的选项。（资料来源：Logic Supply Inc。）

散热器的设计取决于客户的应用要求，例如可用空间和操作环境。但它们都涉及到使用具有良好放射率的高质量铝材，并结合了可实现稳定接触的良好热性能以及使其保持就位的理想压力。“有些散热器解决方案的热升华和热导管非常复杂，但我们试着让它保持非常简单，而且无任何间隙，能够紧密地安装在一起。”Ishaq 说道。虽然 NUC 平台允许用户使用最新的英特尔处理器根据应用需求进行扩展，但相对于之前的 Sky Lake 和 Broadwell 实施，Kaby Lake 系列确实要求对散热器进行一些额外的修改。例如，该团队将更多散热器元件放在主板上。“通常，我们会尽量减少主板与 CPU 的接触，但是我们也会让某些组件与调节器接触。”Ishaq 说道。该团队使用散热垫直接接触调节器，然后将散热器延伸到散热垫以外。“采用新解决方案后，在额定温度上我们实现了 10˚ 至 15˚C 的温降。”Ishaq 表示。成功的秘诀就是广泛试验，并以保守的态度指定规格。这意味着需要充分利用所有组件 — 从 CPU 到内存以及 Wi-Fi 或其他网络连接。Logic Supply 还根据铁路电子设备标准（例如 EN 50155）进行测试，并且会对温度、湿度、冲击和振动进行测试。该公司甚至会根据需要进行减振设计，以防止主板承受过大的重力。Logic Supply 还将采用标准 ML100-G-31 坚固机箱，并屏蔽端口或拆下消费者通常不会使用的端口，包括 COM 端口和数字 I/O。Ishaq. 表示，为了解决 EMI 问题，该团队会确保端口周围的垫圈紧凑并避免使用基本背板。

面向工业和物联网的加固型 NUC

虽然性能、可扩展性、尺寸和可靠性要求通常意味着工业和物联网应用的成本高企，但并非总是如此。在可扩展处理器和定制散热器及机箱设计专家的支持下，通过选择具有合适外形的主板，该终端解决方案可以及时并在预算内满足设计和环境要求。

使用英特尔® SSF 消除人工智能瓶颈

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机器学习和人工智能揭示了高性能计算 (HPC) 的局限性。从理论上讲，随着资源的增加，HPC 的并行架构可以进行线性扩展 — 但实际情况却并非如此。由于处理、数据传输和存储之间的不平衡，HPC 系统通常会遇到瓶颈。此外，缺乏标准化的硬件和软件会导致脱节、次优的实施。结果怎样？随着系统规模的扩大，效率会降低并且成本会升高。

新兴的可扩展系统架构

为了解决瓶颈问题，英特尔引入了英特尔® 可扩展系统架构（英特尔® SSF）。SSF 旨在为 HPC 提供更为全面、平衡和可扩展的方法。为了实现这一目标，SSF 将围绕内存、处理和网络传输调用特定元素，这些元素可与管理软件和支持参考架构配合工作（图 1）。

图 1. SSF 将围绕内存、处理和网络传输调用特定元素，这些元素可与管理软件和支持参考架构配合工作，从而消除 HPC 瓶颈。（资料来源：英特尔公司）

可以在 SSF 中使用的硬件元素包括：

  • 英特尔® 至强® 处理器 E5-2600 v4 和英特尔® 至强融核™ 处理器
  • 使用 NVMe（非易失性内存高速）标准构建的英特尔® 傲腾™ 固态盘
  • 英特尔® Omni-Path 架构（英特尔® OPA）光纤和 10/40-Gbit/s 以太网

它们受面向 Lustre* 软件的英特尔® 企业版（面向 Lustre 软件的英特尔® EE）的支持。Lustre 是一种专为满足并行存储架构需求而设计的开源文件系统。英特尔在这种广受欢迎的文件系统基础上进行了增强，其中包括：

  • 面向 Lustre 的英特尔® 管理器，可以简化安装和配置
  • 面向 Hadoop* MapReduce* 的集成支持
  • 全球全天候技术支持

英特尔 SSF 还为操作系统制定了标准，包括 Linux 内核、访问控制、编程接口、运行时环境、存储和文件系统等等。举两个例子来说，它指定了 Linux 标准库 (LSB) 命令系统以及每个节点上的最小 RAM 容量。值得注意的是，SSF 为其 API 使用 LP64 编程模型。这意味着它与常见的 HPC 编程模型兼容，并且可以利用现有的代码。它支持集成原本彼此脱节的各种 HPC 功能。SSF 的优势令人印象深刻。“借助 SSF，与上一代[non-SSF-enabled]产品相比，速度提高了 25% 到 30%。”Premio Inc 的服务器和存储产品经理 Andy Lee 说道，该公司是基于 SSF 的存储解决方案的提供商。一个实际例子就是自动驾驶汽车，随着它们的发展，它们已经产生了 TB 级的数据量。“上一代至强处理器需要一个月的时间来分析所有数据并进行对象培训；现在，针对自动驾驶汽车的所有对象的培训时间可以缩短一半，”Lee 说道。Premio 已经实施了 SSF，并将其用作 FlacheSAN2N24U-D5 存储服务器的基础（图 2）。该服务器使用两个英特尔® 至强®可扩展处理器，并且支持 24 个前端访问热插拔 NVMe PCIe 3 x4 2.5 英寸驱动器。通过使用 SSF 原理以及 Omni-Path 和 100G 接口等其他元素，FlacheSAN2N24U-D5 可实现 60 Gbytes/s 的吞度量和 1200 万次 IOPS。

图 2.
来自 Premio Inc. 的 FlacheSAN2N24U-D5 存储服务器使用 SSF 来消除瓶颈，它可以达到 60 Gbytes/s 的吞吐量和 1200 万次 IOPS。（资料来源：Premio Inc.）

FlacheSAN2N24U-D5 是一种超级计算应用，Lee 表示，“您可以借助它快速分析数据，例如钻井、天气预报、石油和天然气、农业和安全数据。”

并非所有 SSF 实施都相同

虽然看起来，SSF 使得开发或选择基于 SSF 的 HPC 变得相对容易，但设计人员或潜在客户在实施或选择供应商时需要谨慎。Lee 表示，Premio 的附加价值就在于其实施了 SSF，因为它使用自制的主板，负责完成所有布线，并将其直接绑定到存储设备的驱动器（图 3）。Lee 还表示，它为实现低延迟和高吞吐量提供了正确的组件。但成本仍是一个重要因素，所以 Lee 表示他们非常重视使用现成的组件。

图 3. Premio 通过采用自主的主板设计和布线让其 SSF 实施变得与众不同，并通过其自身的组件实现了低延迟和高吞吐量。（资料来源：Premio Inc.）

设计 HPC 系统是一种好的做法，但更改和升级的需求总是在所难免。Premio 直接解决了这一问题。Lee 说道：“我们按照与未来处理器兼容的方式来设计服务器。” “您所要做的只是交换[older]计算节点并使用 Skylake [now called Xeon Scalable processors]。”Lee 表示，使用这种模块化的换入方法可以大幅节省时间，不再需要 6 个月到一年重新设计主板时间。Lee 还表示，另一个需要注意的问题是，如果不能保证设计团队花时间正确地构建基于 SSF 的新系统，那么最终会出现更多瓶颈。“我们创建了一个平衡架构来消除网络中的所有瓶颈。”他说道。例如，Premio 可以充分利用至强可扩展处理器，它能够运行全部五个 PCIe 通道，而其他处理器则只能运行两个。为了管理这些通道，Premio 还采用了 RoCE（基于融合以太网的 RDMA）网络协议。这是一种链路层协议，因此允许同一个以太网广播域中的任何两台主机之间进行通信。Premio 具有可用的和正在开发的其他 SSF 实施。人工智能如今正处于快速发展阶段，这一架构的推出正当其时。