1  引言

2021年11月16日印發(fā)的《“十四五”信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》  [1] 中有多處重點(diǎn)提到邊緣計(jì)算，  分別是：云邊協(xié)同、邊緣計(jì)算深化應(yīng)用、時(shí)間敏感邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)和電力桿塔變電站邊緣數(shù)據(jù)中心的建設(shè)等。2021年11月30日印發(fā)的《“十四五”軟件和信息技術(shù)服務(wù)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》  [2]重點(diǎn)提到了發(fā)展工業(yè)控制軟件和操作系統(tǒng)，  大力支持開(kāi)展“軟件定義”及泛在操作系統(tǒng)平臺(tái)相關(guān)理論和技術(shù)研究，加強(qiáng)政產(chǎn)學(xué)研用對(duì)接，構(gòu)建“軟件定義”核心技術(shù)體系。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)IT底層標(biāo)準(zhǔn)、架構(gòu)、生態(tài)等大多數(shù)都由國(guó)外IT巨頭制定，存在諸多安全風(fēng)險(xiǎn)。為了建立自有開(kāi)放生態(tài)，國(guó)產(chǎn)“信創(chuàng)”得以實(shí)施，形成了巨大的市場(chǎng)需求[3]。根據(jù)百度百科統(tǒng)計(jì)，   目前國(guó)產(chǎn)主流操作系統(tǒng)達(dá)24種之多[4] ，主要分為通用桌面操作系統(tǒng)、通用服務(wù)器操作系統(tǒng)、專用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、專用安全操作系統(tǒng)和通用云操作系統(tǒng)等。一般情況下，操作系統(tǒng)與硬件之間的緊耦合給應(yīng)用軟件的遷移帶來(lái)了困難。云計(jì)算操作系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)的解耦，但又失去了針對(duì)工業(yè)場(chǎng)合的直接I/O驅(qū)動(dòng)能力，影響了自動(dòng)化和智能化的發(fā)展進(jìn)程。雖然我國(guó)操作系統(tǒng)種類繁多，但卻鮮有基于邊緣計(jì)算的特定行業(yè)操作系統(tǒng)，因此研究此類系統(tǒng)對(duì)我國(guó)智能制造的發(fā)展具有十分重要的價(jià)值和意義。

2  邊緣計(jì)算操作系統(tǒng)的演進(jìn)

2.1   單機(jī)操作系統(tǒng)

最初，計(jì)算機(jī)并沒(méi)有操作系統(tǒng)，直到今天，嵌入式和單片機(jī)仍然存在直接以無(wú)操作系統(tǒng)的模式進(jìn)行單一任務(wù)開(kāi)發(fā)，其優(yōu)勢(shì)在于具有高實(shí)時(shí)性能。最早的操作系統(tǒng)可以追溯到1964年美國(guó)MULTICS，其特點(diǎn)是面向單一硬件多路信息計(jì)算，雖然該項(xiàng)目以失敗告終，但卻成就了后續(xù)操作系統(tǒng)三個(gè)階段的發(fā)展[5]。第一個(gè)階段是1971年為了增加不同硬件系統(tǒng)的移植性，肯·湯普森和丹尼斯·里奇創(chuàng)造了C語(yǔ)言，并在1973年創(chuàng)造了Unix；第二個(gè)階段是進(jìn)入1980年后，商業(yè)版本的Mac OS和Windows視窗操作系統(tǒng)的相繼產(chǎn)生；第三個(gè)階段是因1979年Unix轉(zhuǎn)為商用，林納斯·托瓦茲在其老師開(kāi)源Minix的基礎(chǔ)上構(gòu)建了Linux的初代系統(tǒng)。在這一期間操作系統(tǒng)也從單一的硬件逐漸發(fā)展為支持不同指令集硬件模式，有了操作系統(tǒng)，同一架構(gòu)不同硬件配置的程序可以相互兼容，但不同架構(gòu)仍然互不兼容，比如X86的程序不能在Risc指令集平臺(tái)上運(yùn)行，使得操作系統(tǒng)發(fā)展成為了與計(jì)算機(jī)單一閉合硬件緊耦合的模式，只能協(xié)調(diào)和管理單核或多核CPU、南北橋芯片、總線、內(nèi)存、硬盤(pán)、顯卡等內(nèi)外設(shè)的基礎(chǔ)硬件。這種單一閉合的緊耦合模態(tài)也導(dǎo)致了計(jì)算機(jī)IT資源不能充分被利用，造成了計(jì)算機(jī)資源的閑置和浪費(fèi)。

2.2   從虛擬化到云計(jì)算

進(jìn)入2000年，虛擬化被逐漸提出，其目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)IT資源的充分利用[6] ，一時(shí)之間包括FreeBSD jail、QEMU、XEN、KVM等紛紛涌現(xiàn)。如同Virtual Box或VMware work station，這一時(shí)期的虛擬化是對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的模擬，一定程度上緩解了軟件與硬件的緊耦合。但是操作系統(tǒng)安裝于虛擬機(jī)與安裝于物理主機(jī)的模式仍然相同，因此虛擬機(jī)只是改變了平臺(tái)，并非系統(tǒng)。

2006年，Google首席執(zhí)行官埃里克?施密特在搜索引擎大會(huì)首次提出云計(jì)算 [7] 。數(shù)以千計(jì)的集群服務(wù)器同時(shí)運(yùn)行，通過(guò)網(wǎng)格技術(shù)或分布式技術(shù)等功能，用戶能夠像使用電力、自來(lái)水等公用設(shè)施一樣使用計(jì)算能力，并按量計(jì)費(fèi)。對(duì)于云計(jì)算的新需求，VMware vsphere、OpenStack得以廣泛使用，在中國(guó)，為了優(yōu)化計(jì)算實(shí)現(xiàn)軟硬件解耦，阿里飛天、安超云OS相繼誕生。雖然云計(jì)算構(gòu)造了新的平臺(tái)，但是卻拋下了曾與其緊密結(jié)合的工業(yè)I/O，導(dǎo)致失去了控制側(cè)的實(shí)時(shí)性能。

2.3   邊緣計(jì)算的提出

由于云計(jì)算體量龐大，而且遠(yuǎn)離了終端控制設(shè)備，新的近端控制需求不斷產(chǎn)生。業(yè)界希望把“浮于高空的云下沉”以滿足低時(shí)延、高可靠要求，于是“霧計(jì)算”隨之誕生，2012年被思科引入到行業(yè)應(yīng)用中，后來(lái)邊緣計(jì)算隨之誕生[8]。與云計(jì)算不同，邊緣計(jì)算既有霧一側(cè)的“虛計(jì)算”，又有設(shè)備一側(cè)的“實(shí)計(jì)算”，因此有學(xué)者曾擔(dān)心云計(jì)算將被邊緣計(jì)算替代。后來(lái)被證實(shí)它們屬于互補(bǔ)融合關(guān)系[9] ，因此“云邊協(xié)同”成為了普遍共識(shí)。

針對(duì)邊緣計(jì)算的操作系統(tǒng)，目前業(yè)界并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。由于邊緣計(jì)算既有虛部又有實(shí)部，在實(shí)部一側(cè)還包括不同操作系統(tǒng)、不同計(jì)算設(shè)備、不同指令集，甚至有的設(shè)備沒(méi)有操作系統(tǒng)。“異構(gòu)”成為了邊緣計(jì)算的一個(gè)主要特征，使得邊緣計(jì)算是一種多硬件、多系統(tǒng)、多網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作模型。

3  邊緣計(jì)算操作系統(tǒng)參考模型

由于邊緣計(jì)算需要管理更大范圍的硬件與軟件資源。狹義的操作系統(tǒng)是對(duì)單一閉合硬件架構(gòu)的抽象，不能滿足邊緣計(jì)算的需求，需要開(kāi)發(fā)廣義、多接入、異構(gòu)、軟硬件解耦的新型操作系統(tǒng)。本工程研究中心通過(guò)調(diào)查、實(shí)驗(yàn)和文獻(xiàn)檢索，得到了三種可參考模型。

3.1   容器化模型

目前最具影響力的容器技術(shù)即Docker[10] ，它具有輕量化、速度快、兼容性特征。由鏡像實(shí)例化的容器可以是主流的Ubuntu、Centos等Linux操作系統(tǒng)，也可以是一段可執(zhí)行的程序。容器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了硬件與軟件的完全解耦，因此可以把不同的微服務(wù)編排到異構(gòu)計(jì)算宿主機(jī)，包括虛擬機(jī)、實(shí)體機(jī)等，增加了細(xì)粒度[11]。在國(guó)內(nèi)，華為推出了Isula，進(jìn)一步輕量化了Docker應(yīng)用，加上k3s或KubeEdge編排技術(shù) [12,13]    （源自于kubernetes的邊緣計(jì)算運(yùn)用）為物聯(lián)網(wǎng)及邊緣計(jì)算提供了極佳的平臺(tái)。容器技術(shù)提供了一種類似于Linux Shell的CLI指令，  可以認(rèn)為它是建立于宿主機(jī)上的分布式操作系統(tǒng)，在容器與云計(jì)算之間，Kata起到了極佳的整合作用[14] ，能夠更好地輔助云邊協(xié)同。在我國(guó)，容器已經(jīng)成為大型互聯(lián)網(wǎng)公司的重要工具，包括百度、阿里巴巴、騰訊、360、京東、大眾點(diǎn)評(píng)等都在應(yīng)用。

3.2   分布式軟總線模型

鴻蒙系統(tǒng)[15]是第一款面向萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代的全場(chǎng)景分布式操作系統(tǒng)，也是一款真正意義上的國(guó)產(chǎn)自主系統(tǒng)，鴻蒙系統(tǒng)的重要突破在于“分布式軟總線”，具備自發(fā)現(xiàn)、自組織、高帶寬、低時(shí)延和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的特點(diǎn)。分布式軟總線打破了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)單一封閉式硬件架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了軟硬件的解耦，因此鴻蒙系統(tǒng)符合邊緣計(jì)算在末端I/O接入的要求，是一個(gè)極其重要的參考模型。截至目前，華為鴻蒙系統(tǒng)已經(jīng)突破了1.5億用戶數(shù)。

3.3   再抽象元操作系統(tǒng)模型

元操作系統(tǒng) [16] 是構(gòu)建于操作系統(tǒng)、容器及各種硬件上的寄生操作系統(tǒng)。Linux、Windows是對(duì)單體封閉硬件的抽象，假設(shè)把裝有操作系統(tǒng)或無(wú)操作系統(tǒng)的實(shí)體機(jī)、虛擬機(jī)、容器等看作硬件對(duì)象（或功能塊），那么針對(duì)這些“硬件”就可以再抽象，組建上層操作系統(tǒng)。美國(guó)斯坦福大學(xué)在2000年展開(kāi)了（STandford AI Robot，STAIR）項(xiàng)目等，2007年，Willow Garage將其進(jìn)行擴(kuò)展和完善，   同時(shí)，  在無(wú)數(shù)研究人員的共同努力下推出了特定行業(yè)的機(jī)器人操作系統(tǒng)（Robot Operating System，ROS）  [17] ，早期的ROS是對(duì)Ubuntu Linux的再抽象，新的ROS版本新增了Debain、Windows和容器。按照傳統(tǒng)，運(yùn)行于操作系統(tǒng)上的軟件一般被稱為應(yīng)用程序，但ROS不同，由于提供了標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)服務(wù)，例如硬件抽象，底層設(shè)備控制，常用功能實(shí)現(xiàn)，進(jìn)程間消息以及數(shù)據(jù)包管理，構(gòu)造了機(jī)器人控制的分布式模型以及激光雷達(dá)、SLAM等硬件驅(qū)動(dòng)和機(jī)器人的運(yùn)行庫(kù)等，使得ROS成為了機(jī)器人這一特定行業(yè)的元操作系統(tǒng)  [18]

4  ICICOS的研究計(jì)劃

在國(guó)內(nèi)，容器模型和分布式軟總線模型已經(jīng)取得了技術(shù)突破。ROS作為一種機(jī)器人行業(yè)的開(kāi)源元操作系統(tǒng)也獲得了廣泛的關(guān)注和大量應(yīng)用研究。但是目前我國(guó)仍然沒(méi)有像ROS一樣的特定行業(yè)操作系統(tǒng)研究，  更是缺少面向邊緣計(jì)算的開(kāi)源元操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

圖1 ICICOS元操作系統(tǒng)的研究愿景

ICICOS（Industrial Cyber Intelligent Control Operating System）作為云南省高校邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)工程研究中心的重點(diǎn)打造對(duì)象，從誕生伊始就確定了面向工業(yè)自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)人工智能的發(fā)展方向。如圖1所示，ICICOS把底層的物理對(duì)象稱之為智能單元（Smart Unit，SMU），通過(guò)對(duì)SMU的抽象，在邊緣計(jì)算中間層生成可供調(diào)用的功能塊（Function Block Diagram，F(xiàn)BD）。最后依靠云原生的方式連接功能塊，那么底層的SMU就可自動(dòng)地組合成為新的生產(chǎn)線。針對(duì)于圖1所示的愿景，本工程研究中心確定了ICICOS的研究方向、任務(wù)和目標(biāo)。

4.1   ICICOS的研究方向

ICICOS并非通用的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，它既不是Windows也不是Linux。事實(shí)上，它是一個(gè)特殊的工業(yè)體系，ICICOS計(jì)劃集成MATiec[19]和4diac[20,21]技術(shù)實(shí)現(xiàn)人工智能與工業(yè)自動(dòng)化的融合（AI & IA）。自2016年提出以來(lái)，目的就是方便電氣工程師采用IEC 61131-3和IEC 61499的編程方式實(shí)現(xiàn)在云計(jì)算與邊緣計(jì)算平臺(tái)的自動(dòng)化和智能化編程。圖2是其基本流程：通過(guò)云平臺(tái)配置硬件、網(wǎng)絡(luò)和編譯底層執(zhí)行代碼，  使用Isula或Docker容器構(gòu)建邊緣計(jì)算中間平臺(tái)。接著，在邊緣計(jì)算底層，通過(guò)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time Sensitive Network，TSN）保證離散設(shè)備之間的時(shí)間精準(zhǔn)度，構(gòu)建分布式時(shí)序驅(qū)動(dòng)序列（Distributed Driver Series Container，DDSC），控制I/O采集數(shù)據(jù)和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器動(dòng)作。

圖2 ICICOS的研究方向

4.2   ICICOS的研究任務(wù)

ICICOS具有五項(xiàng)研究任務(wù)，分別是：

（1）基于嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)或單片機(jī)建立邊緣節(jié)點(diǎn)，組建分布式節(jié)點(diǎn)，具備多點(diǎn)通信接入能力，支持DDSC驅(qū)動(dòng)I/O接口技術(shù)。

（2）構(gòu)建Isula或Docker容器云后端，能夠動(dòng)態(tài)安裝、實(shí)例化和撤銷所有程序和硬件配置。利用微服務(wù)增加容器的細(xì)粒度，支持云邊協(xié)同。

（3）支持IEC 61131-3或IEC 61499編程，能夠基于邊緣計(jì)算平臺(tái)監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)和動(dòng)態(tài)配置硬件。

（4）支持時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)TSN而且能夠接入其它主流的現(xiàn)場(chǎng)總線，如Modbus、PROFIBUS等。

（5）能夠以多點(diǎn)通信接入方式連接物理對(duì)象I/O模塊，包括數(shù)字量輸入、輸出和模擬量輸入、輸出等。

4.3   ICICOS的研究目標(biāo)

在工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)，電氣自動(dòng)化工程師擅長(zhǎng)于使用梯形圖（Ladder Diagram，LD）編程，電子電路工程師擅長(zhǎng)于使用功能塊（Function Block Diagram，F(xiàn)BD）編程。ICICOS參考MATiec、4diac開(kāi)源編譯器，將程序的硬件組態(tài)遷移到云計(jì)算層，工程師可以在該層開(kāi)發(fā)、調(diào)試和維護(hù)程序等。圖3展示了ICICOS取代傳統(tǒng)PLC的方案目標(biāo)。左側(cè)灰色部分表示傳統(tǒng)PLC程序開(kāi)發(fā)流程。由于算力有限，傳統(tǒng)架構(gòu)阻礙了人工智能在工業(yè)中的發(fā)展。通過(guò)云邊協(xié)同，可以增強(qiáng)算力，彌補(bǔ)PLC中CPU的算力不足，故應(yīng)當(dāng)刪除PLC的CPU模塊，取消其兩地編程功能，僅僅留下I/O，以便邊緣計(jì)算中間層管理。

圖3 ICICOS取代PLC的目標(biāo)

P L C平臺(tái)的遷移必然造成實(shí)時(shí)性能的損失，使工業(yè)自動(dòng)化（Industrial Automation，  IA）  從單機(jī)控制結(jié)構(gòu)中脫離，但也增加了人工智能（Artificial Intelligence，AI）。若把各行各業(yè)比喻為齒條機(jī)構(gòu)，人工智能、工業(yè)自動(dòng)化和邊緣計(jì)算比喻為三個(gè)齒輪，那么利用邊緣計(jì)算就可以有效地把AI & IA嚙合，如圖4所示。

圖4 ICICOS人工智能與工業(yè)自動(dòng)化融合目標(biāo)

在實(shí)際應(yīng)用中雖然AI齒輪和IA齒輪總會(huì)在資源爭(zhēng)奪的過(guò)程中較勁，但是通過(guò)研究和利用邊緣計(jì)算的三實(shí)時(shí)架構(gòu)[22] ，可以有效地兼顧AI & IA的產(chǎn)業(yè)融合，這也是構(gòu)建ICICOS邊緣計(jì)算元操作系統(tǒng)的宗旨目標(biāo)。

5  總結(jié)與展望

本文通過(guò)綜述操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程，總結(jié)了邊緣計(jì)算操作系統(tǒng)的三種模型，提出發(fā)展元操作系統(tǒng)的設(shè)想。依托云南省高校邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)工程研究中心，本文提出了ICICOS計(jì)劃，  擬實(shí)現(xiàn)云、邊、端系統(tǒng)互聯(lián)互通，提供一種多系統(tǒng)協(xié)同和異構(gòu)計(jì)算的綜合元操作系統(tǒng)平臺(tái)。

未來(lái)三年，本工程研究中心擬通過(guò)開(kāi)發(fā)ICICOS邊緣計(jì)算元操作系統(tǒng)，在云端可以整合邊緣計(jì)算資源和終端設(shè)備的狀態(tài)和任務(wù)執(zhí)行情況，實(shí)現(xiàn)云邊協(xié)同的工業(yè)自動(dòng)化和人工智能程序開(kāi)發(fā)。  AP

★基金項(xiàng)目：云南省第七批高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和工程研究中心建設(shè)項(xiàng)目——云南省高校邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)工程研究中心；云南省教育廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目（2022J1246）。

作者簡(jiǎn)介：

蘇為斌  （1983-），男，云南通海人，電氣工程副教授，博士，ICICOS項(xiàng)目創(chuàng)始人，現(xiàn)就職于云南工商學(xué)院智能科學(xué)與工程學(xué)院，擔(dān)任云南省高校邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)工程研究中心負(fù)責(zé)人，主要研究方向?yàn)檫吘売?jì)算、工業(yè)自動(dòng)化、人工智能等。

王依凱  （1984-），男，云南澄江人，網(wǎng)絡(luò)工程副教授，現(xiàn)就職于云南工商學(xué)院，擔(dān)任云南省高校邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)工程研究中心副主任，智能科學(xué)與工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系主任，主要研究方向?yàn)檫吘売?jì)算網(wǎng)絡(luò)工程。

黃海軍  （1977-），男，浙江溫州人，副教授，碩士，現(xiàn)就職于云南工商學(xué)院，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)空間安全、邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)工程等。

董家瑞  （1983-），男，云南通海人，工程師，學(xué)士，ICICOS共同創(chuàng)始人，現(xiàn)就職于云南云創(chuàng)數(shù)字生態(tài)科技有限公司，主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)通信、區(qū)塊鏈、數(shù)據(jù)應(yīng)用等。

李智新  （1979-），男，云南新平人，學(xué)士，現(xiàn)就職于中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，主要從事國(guó)際EPC項(xiàng)目管理、招標(biāo)采購(gòu)管理工作及研究。

陳   巍  （1983-），男，博士，現(xiàn)任昆明鼎邦科技股份有限公司新材料事業(yè)部總監(jiān)，主要研究方向?yàn)檎婵找苯鹧b備及技術(shù)及其自動(dòng)化，為ICICOS提供真空冶金設(shè)備的應(yīng)用試點(diǎn)。

雷小梅  （1984-），女，云南勐臘人，學(xué)士，現(xiàn)就職于云南工商學(xué)院智能科學(xué)與工程學(xué)院，主要研究方向?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化。

李吉成  （1989-），男，山東臨沂人，講師，碩士，現(xiàn)就職于云南工商學(xué)院智能科學(xué)與工程學(xué)院，主要研究方向?yàn)楣I(yè)仿真。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2022年2月刊