基于云端融合的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳姣玉 張輝 鄭屹

（重慶工業(yè)大數(shù)據(jù)創(chuàng)新中心有限公司 重慶市 400700）

在大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)的支持下，人們的消費(fèi)需求從大眾化走向個(gè)性化，這時(shí)原先的批量化、單一化的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)就無法充分滿足人們的消費(fèi)需求[1]。同時(shí)粗放式的管理模式也使得工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)營(yíng)成本提升，經(jīng)濟(jì)效益難以保障。在這種情況之下，工業(yè)積極尋求未來發(fā)展的方向，也就進(jìn)一步催生了第四次工業(yè)革命，而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)就是其中的核心和關(guān)鍵[2]?；谠贫巳诤系墓I(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠提升工業(yè)的發(fā)展水平，使工業(yè)的生產(chǎn)與人們的需求更加契合，不僅提升資源的有效利用率，減少資源浪費(fèi)，而且能夠更好的滿足人民對(duì)于美好生活的需求，提升人們的幸福感，促進(jìn)社會(huì)的進(jìn)步。

1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

基于云端融合的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系，能夠?qū)⒐I(yè)生產(chǎn)中需要的資源和業(yè)務(wù)能力，以一種共享的形式傳到云端，工業(yè)企業(yè)能夠根據(jù)自己的實(shí)際需求進(jìn)行使用。這種模式之下對(duì)于云端的要求比較高，過去在“工業(yè)云+終端”的模式之下，實(shí)行的是“云端分離”的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)模式，這種模式的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)都十分明顯，首先就優(yōu)勢(shì)而言，能夠有效的擺正安全性，是異構(gòu)工業(yè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無縫對(duì)接，其次，就劣勢(shì)而言，這種模式在應(yīng)對(duì)千萬級(jí)的用戶和終端、復(fù)雜多變的工業(yè)場(chǎng)景感知、TB 級(jí)數(shù)據(jù)秒級(jí)處理的需求下就明顯力不從心[3]。針對(duì)這一問題，基于云端融合的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系被人們提出，這種模式之下能夠有效的促進(jìn)工業(yè)云與生產(chǎn)實(shí)體之間實(shí)現(xiàn)高度的融合，促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)能夠?qū)崟r(shí)、安全、準(zhǔn)確的進(jìn)行決策與控制，大大提升了工業(yè)的發(fā)展水平和生產(chǎn)效率。在基于云端融合的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系的建構(gòu)過程中，需要重點(diǎn)解決以下幾點(diǎn)核心環(huán)節(jié)。

（1）感知環(huán)節(jié)。也就是說復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)實(shí)體如何能夠智能的識(shí)別、感知、采集生產(chǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)，這一項(xiàng)是重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，提升數(shù)據(jù)支撐。

（2）連接環(huán)節(jié)。這部分負(fù)責(zé)的是將上一步收集到的數(shù)據(jù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系中進(jìn)行有效的傳輸，使數(shù)據(jù)能夠安全、準(zhǔn)確的達(dá)到目標(biāo)設(shè)備。

（3）分析環(huán)節(jié)。當(dāng)相關(guān)設(shè)備接收到數(shù)據(jù)后，要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的反應(yīng)和實(shí)效的分析。

（4）反饋應(yīng)用環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)在經(jīng)過分析后，形成相應(yīng)的信息，再將這些信息反饋到工業(yè)生產(chǎn)中。

就基于云端融合的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系設(shè)計(jì)的本質(zhì)而言，就是構(gòu)建起一個(gè)集人、機(jī)、物、網(wǎng)、工業(yè)云于一身的基礎(chǔ)框架，然后對(duì)工業(yè)大數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的深度感知，并且通過實(shí)施的聯(lián)網(wǎng)傳輸、快速的計(jì)算處理、高級(jí)的建模分析，最終實(shí)現(xiàn)決策的科學(xué)化，促進(jìn)應(yīng)用控制的準(zhǔn)確化?；谠贫巳诤系墓I(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系是未來工業(yè)發(fā)展的必由之路，也是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、智能化、柔性化生產(chǎn)的必然之舉。

2 工業(yè)云計(jì)算和大數(shù)據(jù)

2.1 工業(yè)云計(jì)算

所謂云計(jì)算就是在互聯(lián)網(wǎng)的支持下，能夠不受空間和時(shí)間的限制，隨時(shí)、隨地、隨需等共享資源池的一種計(jì)算模式。云計(jì)算具有虛擬化、彈性化、按需服務(wù)、泛在接入等特點(diǎn)[4]。工業(yè)云計(jì)算是一種通過信息資源整合為工業(yè)提供服務(wù)的支持的一種智能服務(wù)，在工業(yè)云計(jì)算的服務(wù)體系中，能夠有效的實(shí)現(xiàn)人、物、機(jī)等資源的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)工業(yè)環(huán)境下大數(shù)據(jù)的高效、實(shí)時(shí)處理。

2.2 工業(yè)大數(shù)據(jù)

所謂的大數(shù)據(jù)是從數(shù)據(jù)的容量、獲取速度、數(shù)據(jù)價(jià)值等方面進(jìn)行定義的，大數(shù)據(jù)具有容量大、多樣性、快速捕捉、綜合價(jià)值高的特點(diǎn)。而工業(yè)大數(shù)據(jù)是指在工業(yè)領(lǐng)域中，能夠?qū)挠脩粜枨蟮窖邪l(fā)、生產(chǎn)、采購(gòu)、供應(yīng)、售后、回收等全產(chǎn)品的生命流程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)的總稱，與單純的大數(shù)據(jù)相比，工業(yè)大數(shù)據(jù)在特點(diǎn)上還需要進(jìn)一步加上實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、閉環(huán)性、可視性等方面的特點(diǎn)。首先就實(shí)時(shí)性而言，工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)數(shù)據(jù)的要求很高，在數(shù)據(jù)的采集、處理、分析、反饋等各個(gè)環(huán)節(jié)都要求即時(shí)性[5]。準(zhǔn)確性是指工業(yè)大數(shù)據(jù)要充分的保證數(shù)據(jù)的真實(shí)、完整。閉環(huán)性是指將產(chǎn)品全生命周期橫向過程中數(shù)據(jù)鏈條的封閉和關(guān)聯(lián)。如表1 所示。

2.3 工業(yè)大數(shù)據(jù)處理云平臺(tái)

在工業(yè)大數(shù)據(jù)處理憑條的架構(gòu)中，具體包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與集成層、數(shù)據(jù)建模層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)交互應(yīng)用層。在現(xiàn)有的工業(yè)大數(shù)據(jù)處理云平臺(tái)中，比較有代表性是predix，這是由美國(guó)通用電氣公司建設(shè)的，用于工業(yè)數(shù)據(jù)和分析的云平臺(tái)，能夠?yàn)楣I(yè)企業(yè)提供資產(chǎn)性能管理和運(yùn)營(yíng)優(yōu)化。sinalytics 平臺(tái)是由德國(guó)西門子公司建設(shè)完成的，旨在提供高性價(jià)比、可拓展的云平臺(tái)，能夠通過對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)、數(shù)據(jù)管理、資源優(yōu)化等，提升工廠整體的生產(chǎn)效率[6]。國(guó)內(nèi)的工業(yè)大數(shù)據(jù)處理云平臺(tái)包括由三一重工股份有限公司開發(fā)的三一樹根物聯(lián)平臺(tái)，由中國(guó)航天科工集團(tuán)公司開發(fā)的航空云網(wǎng)平臺(tái)等。但是就目前的工業(yè)大數(shù)據(jù)處理云平臺(tái)架構(gòu)而言，還是多采用的是將前端的設(shè)備生產(chǎn)的大數(shù)據(jù)，傳輸、匯聚到后端的云數(shù)據(jù)中心再進(jìn)行集中處理，這種模式的處理效率比較有效，無法實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、高效傳輸。

3 云端融合的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)

就目前的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系的結(jié)構(gòu)而言，大多采用的是分層設(shè)計(jì)的思路，從工業(yè)制造的流程角度出發(fā)，比較缺少有效的云端融合機(jī)制，這就使得管理者和決策者在決策時(shí)無法得到及時(shí)、有效、準(zhǔn)確的信息，不利于工業(yè)生產(chǎn)的科學(xué)、高效推進(jìn)，同時(shí)目前的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系也缺乏對(duì)于網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的重視，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系中往往各自獨(dú)立，不利于整體資源的優(yōu)化配置，也不利于工業(yè)大數(shù)據(jù)價(jià)值的充分彰顯。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為智能制造的及時(shí)，十分強(qiáng)調(diào)工業(yè)生產(chǎn)中人、物、機(jī)、網(wǎng)的有效連接，能夠促進(jìn)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的高效互聯(lián)，能夠進(jìn)一步滿足智能化的柔性生產(chǎn)的需求，是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問題，對(duì)此在基于云端融合的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要重點(diǎn)考慮工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中云端高度協(xié)作與融合的需求，構(gòu)建層次化與對(duì)象化相結(jié)合的體系結(jié)構(gòu)。

3.1 智能感知設(shè)備層

智能感知設(shè)備能夠有效的促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化，使得工業(yè)體系中的設(shè)備、環(huán)境、人員之間形成聯(lián)動(dòng)，智能傳感主要是通過智能推理算法收集原始數(shù)據(jù)，并且自發(fā)的推算出有用的信息，使機(jī)器和產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)自我意識(shí)。根據(jù)作用對(duì)象的不同，可以將智能感知技術(shù)分為身份感知與識(shí)別、狀態(tài)感知與監(jiān)測(cè)以及位置感知和定位。身份感知是前提，通過身份感知與識(shí)別技術(shù)能夠?qū)鹘y(tǒng)產(chǎn)品進(jìn)一步變?yōu)椤爸悄墚a(chǎn)品”，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中涉及的識(shí)別和跟蹤技術(shù)包括RFID、條形碼、智能傳感器和無線接口。狀態(tài)感知與監(jiān)測(cè)能夠有效的檢測(cè)機(jī)器的運(yùn)行狀況，并且對(duì)其使用壽命進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估，這種情況下能夠促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)的安全、高效的推進(jìn)。高精度位置感知是在工業(yè)系統(tǒng)中尤為重要的一個(gè)部分, 對(duì)于工業(yè)機(jī)器人而言，位置信息是成功完成自動(dòng)化任務(wù)的最重要的背景信息之一，尤其是一些高精尖的工業(yè)制造領(lǐng)域，對(duì)于零件、產(chǎn)品的位置在應(yīng)用的過程中需要進(jìn)行高精度位置感知和路徑跟蹤。

表1：工業(yè)大數(shù)據(jù)的基本技術(shù)架構(gòu)表

表2

在基于云端融合的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中的智能感知設(shè)備層中，可以設(shè)計(jì)非傳感器感知和多媒體信息自適應(yīng)感知等智能感知技術(shù)，通過無線信號(hào)特征分析對(duì)環(huán)境信息、人員行為等的感知認(rèn)知和人機(jī)交互, 實(shí)現(xiàn)面向工業(yè)環(huán)境的場(chǎng)景感知和人員感知。但是這兩者技術(shù)有相應(yīng)的弊端，具體如表2 所示。

3.2 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)層

在網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)層中主要包括標(biāo)識(shí)與尋址、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)、接入安全三個(gè)方面的內(nèi)容，首先在標(biāo)識(shí)與尋址方面，要建立統(tǒng)一有效的識(shí)別符，拓展標(biāo)識(shí)碼，進(jìn)而構(gòu)建出級(jí)聯(lián)的定位符管理服務(wù)系統(tǒng)，使整體的服務(wù)更加高效[7]。要將現(xiàn)有的識(shí)別體系進(jìn)行整合，采用基于多級(jí)定位符進(jìn)行高效尋址，促進(jìn)快速尋址和可靠通信。其次，要建立一套安全互聯(lián)的技術(shù)體系，保證設(shè)備安全、數(shù)據(jù)安全、服務(wù)安全，使得網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)能夠高效、準(zhǔn)確、安全的推進(jìn)，提升系統(tǒng)整體的質(zhì)量。

3.3 數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)傳算層

在傳統(tǒng)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸難、協(xié)調(diào)難、動(dòng)態(tài)處理難，是主要的制約發(fā)展的因素，基于此，可以采用以下幾種方法進(jìn)行改善。

（1）建立工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)傳算的耦合機(jī)理，通過將時(shí)間開銷、傳輸時(shí)間開銷與數(shù)據(jù)計(jì)算實(shí)效性間的量化關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，使得信息的匯聚更加高效。

（2）在時(shí)延約束下，利用多和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)來處理信息，構(gòu)建層次化協(xié)作模型。

（3）建立柔性化生產(chǎn)的機(jī)制，在過去的工業(yè)生產(chǎn)中都是單一化、大批量的剛性生產(chǎn)，這種標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)難以滿足個(gè)性化、小眾化的需求，在柔性化生產(chǎn)下能夠提升生產(chǎn)的彈性。為此，需要在傳算資源虛擬化管理和傳算過程動(dòng)態(tài)部署兩方面進(jìn)行著手。

3.4 反饋應(yīng)用層

要建立一套開放的、標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)體系，更好的面對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中的各個(gè)環(huán)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)的全過程的有效反饋，針對(duì)工業(yè)裝置的運(yùn)行指標(biāo)與全流程生產(chǎn)指標(biāo)之間的特性難以采用機(jī)理分析的方法建立數(shù)學(xué)模型問題, 需要設(shè)計(jì)面向運(yùn)行指標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化決策方法,通過多種面向工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù), 反饋到工業(yè)生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié), 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的控制和調(diào)節(jié)，并且要貫穿工業(yè)生產(chǎn)全流程，形成多環(huán)結(jié)構(gòu)。

4 小結(jié)

基于云端融合的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠有效的促進(jìn)我國(guó)的工業(yè)進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)，使中國(guó)制造進(jìn)一步走向中國(guó)智造，實(shí)現(xiàn)中國(guó)經(jīng)濟(jì)的跨越式發(fā)展，在云端融合的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，需要從智能感知設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)層、數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)傳算層、反饋應(yīng)用層等方面著手，加強(qiáng)技術(shù)研究和策略探索，使我國(guó)的工業(yè)能夠牢牢抓住第四次工業(yè)革命的風(fēng)口，實(shí)現(xiàn)新的發(fā)展。