智能化邊緣融合采集系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用

孫洪喜，焦清國(guó)，李相博

（1.青島彎弓信息技術(shù)有限公司，山東 青島 266042；2.軟控股份有限公司，山東 青島 266042）

航空、軍工、大型裝備等重大工程對(duì)輪胎、橡膠制品提出了精準(zhǔn)定制和高可靠性的要求，如航母艦載機(jī)的輪胎起降距離短等。輪胎的生產(chǎn)模式屬于典型的流程和離散混合制造模式，其快速增長(zhǎng)的個(gè)性化定制需求使得傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)模式難以應(yīng)對(duì)客戶需求變化時(shí)所需的生產(chǎn)制造能力、快速響應(yīng)能力和智能決策能力。解決這一難題的首要任務(wù)是要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、快速地采集生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，從而針對(duì)客戶的定制化需求做出應(yīng)對(duì)策略，達(dá)到優(yōu)化控制生產(chǎn)。

本工作研發(fā)了一種智能化邊緣融合采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)過程中工藝數(shù)據(jù)的采集、分析、壓縮和存儲(chǔ)等，并建立對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)模型的預(yù)測(cè)分析和管理。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)遵循總體設(shè)計(jì)原則，邊緣融合采集系統(tǒng)與設(shè)備生產(chǎn)線和企業(yè)管理系統(tǒng)進(jìn)行無縫集成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能化工廠的信息支撐。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

對(duì)系統(tǒng)各層功能簡(jiǎn)要描述如下。

（1）企業(yè)管理層：借助于企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）和產(chǎn)品生命周期管理（PLM）系統(tǒng)等經(jīng)營(yíng)管理系統(tǒng)，從戰(zhàn)略、宏觀的角度，通過智能化的數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)了精益生產(chǎn)，消除浪費(fèi)和降低成本，提升企業(yè)管理效率，挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值，創(chuàng)造智能化效益。

（2）車間管理層：通過車間信息的數(shù)字化管理，監(jiān)控訂單的進(jìn)度、生產(chǎn)狀況和庫存情況，對(duì)品質(zhì)進(jìn)行管控，建立全流程信息的追溯，實(shí)現(xiàn)車間的透明化和數(shù)字化管理。

（3）邊緣融合層：與設(shè)備層進(jìn)行集成，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，搭建數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析、預(yù)測(cè)、控制模型，對(duì)工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、追溯、回溯，從而優(yōu)化生產(chǎn)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備生產(chǎn)線的智能協(xié)同調(diào)控。

（4）設(shè)備層：通過可編程邏輯控制器（PLC）控制技術(shù)、分散控制系統(tǒng)（DCS）控制技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)等實(shí)現(xiàn)設(shè)備層的智能化和自動(dòng)化設(shè)備改造，通過各種傳感器實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線狀態(tài)、工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該層與邊緣融合層共同構(gòu)建數(shù)據(jù)采集的通道，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的透明化、數(shù)字化管控。

2 系統(tǒng)采集模型構(gòu)建

本工作提出的邊緣融合計(jì)算模型框架遵循互操作性強(qiáng)、即插即用、模塊化的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。該模型框架如圖2所示。

邊緣融合采集模型基于物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)技術(shù)，采用微服務(wù)框架[1-2]，設(shè)計(jì)遵循平臺(tái)無關(guān)性、高性能、高可靠性的原則。模型架構(gòu)分為設(shè)備服務(wù)、核心服務(wù)、支持服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)層及安全管理、系統(tǒng)管理模塊。

2.1 邊緣計(jì)算模型

（1）設(shè)備服務(wù)層：提供軟件開發(fā)工具包（SDK）等服務(wù)，實(shí)現(xiàn)與設(shè)備的連接和通訊。該層封裝主流的工控通訊協(xié)議，如OPC-UA，MQTT，MODBUS，WEB-API，BACNET，ENOCEAN 等 協(xié)議，同時(shí)能集成其他采集系統(tǒng)及微服務(wù)的命令，增強(qiáng)設(shè)備的控制能力。

（2）核心服務(wù)層：是邊緣融合系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊。數(shù)據(jù)通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，并調(diào)用支持服務(wù)層實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)的計(jì)算；控制命令根據(jù)預(yù)測(cè)模型的指令實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的優(yōu)化控制，驅(qū)動(dòng)設(shè)備端，提供控制命令的緩存和管理服務(wù)；數(shù)據(jù)處理提供持久化存儲(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)及對(duì)設(shè)備的管理控制服務(wù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮及邊緣計(jì)算處理，獲取最優(yōu)化的分析結(jié)果；安全審計(jì)是對(duì)數(shù)據(jù)通訊的過程、異常和非法數(shù)據(jù)控制流進(jìn)行監(jiān)控，避免設(shè)備被非法控制而造成損失。

（3）支持服務(wù)層：提供邊緣計(jì)算、融合、分析能力，為隔層提供模型、規(guī)則的計(jì)算支持，包含規(guī)則引擎模型、優(yōu)化調(diào)度引擎模型、數(shù)據(jù)壓縮引擎模型、預(yù)測(cè)分析引擎模型、性能優(yōu)化引擎模型和深度學(xué)習(xí)引擎模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)處理各種算法組件的構(gòu)建，通過自學(xué)習(xí)模型對(duì)規(guī)則及處理方法進(jìn)行不斷優(yōu)化。

（4）應(yīng)用服務(wù)層：提供對(duì)外集成及服務(wù)的接口，對(duì)云計(jì)算中心的集成數(shù)據(jù)格式和規(guī)則、各種用戶的服務(wù)及內(nèi)容?？蛻舳俗?cè)服務(wù)實(shí)現(xiàn)用戶的注冊(cè)及授權(quán)管理；接口集成服務(wù)實(shí)現(xiàn)和企業(yè)資產(chǎn)管理系統(tǒng)（EAM）、生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)（MES）、PLM、過程控制系統(tǒng)（PCS）、ERP等系統(tǒng)的集成，以及提供和PLC、DCS、倉庫管理系統(tǒng)（WMS）等設(shè)備、物流裝備的集成服務(wù)；數(shù)字化服務(wù)提供數(shù)據(jù)數(shù)字化的展示；工業(yè)互聯(lián)服務(wù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的集成和設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)；協(xié)同制造服務(wù)提供與上下游設(shè)備的協(xié)同制造集成，平臺(tái)支持插件化、模塊化設(shè)計(jì)，可擴(kuò)展智能工廠制造的其他服務(wù)。

2.2 安全管理模型

（1）加密存儲(chǔ)：對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，基于安全性和存儲(chǔ)性能，采用加密算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高可靠性。

（2）解密存儲(chǔ)：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行在線解密處理，研發(fā)對(duì)應(yīng)的解密算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速解密處理，保證數(shù)據(jù)的處理效率。

（3）協(xié)議監(jiān)控：系統(tǒng)對(duì)于設(shè)備層的通訊協(xié)議進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)數(shù)據(jù)的通訊協(xié)議設(shè)定對(duì)應(yīng)的檢查規(guī)則，防止被人非法侵入，保證系統(tǒng)的安全。

（4）信息安全：對(duì)通訊過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范性檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)多種異常及攻擊行為檢測(cè)機(jī)制，保障企業(yè)內(nèi)的安全應(yīng)急響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)裝備間數(shù)據(jù)流量的細(xì)粒度監(jiān)控與審計(jì)，實(shí)現(xiàn)安全可監(jiān)控、可追溯機(jī)制。針對(duì)裝備產(chǎn)線的黑客入侵、病毒或木馬建立實(shí)時(shí)的漏洞檢測(cè)機(jī)制，保證信息流的安全。

（5）反向代理：設(shè)置反向代理機(jī)制，對(duì)外提供安全服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及服務(wù)的負(fù)載均衡等功能。

2.3 系統(tǒng)管理模型

（1）運(yùn)行監(jiān)控：對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，保證系統(tǒng)的安全性。

（2）系統(tǒng)日志：對(duì)記錄系統(tǒng)的操作日志、運(yùn)行日志、后臺(tái)服務(wù)日志和在線運(yùn)行狀況進(jìn)行詳細(xì)記錄并分析，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，在異常時(shí)可進(jìn)行追溯分析。

（3）權(quán)限管理：對(duì)系統(tǒng)權(quán)限進(jìn)行控制，避免無權(quán)限人員使用系統(tǒng)，保障系統(tǒng)的安全性。

（4）用戶管理：對(duì)系統(tǒng)的用戶和用戶角色進(jìn)行管理。

（5）服務(wù)代理：提供服務(wù)代理功能，與外部系統(tǒng)進(jìn)行有效的系統(tǒng)集成。以微服務(wù)的方式，對(duì)外提供各種服務(wù)。

3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)算法

邊緣融合采集系統(tǒng)具備系統(tǒng)和實(shí)時(shí)的認(rèn)知能力，在數(shù)字世界進(jìn)行仿真和推理，實(shí)現(xiàn)物理世界和數(shù)字世界的協(xié)作?；谀Ｐ突椒ń⒖蓮?fù)用的知識(shí)模型體系，實(shí)現(xiàn)設(shè)備生產(chǎn)線的智能化協(xié)作，在系統(tǒng)與系統(tǒng)之間、服務(wù)與服務(wù)之間基于模型化接口進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)軟件接口和開發(fā)語言與工具的解耦，貫穿框架支撐部署、數(shù)據(jù)處理和安全等服務(wù)的全生命周期。

邊緣融合計(jì)算需要多種資源協(xié)同工作。在邊緣融合采集系統(tǒng)對(duì)物理世界數(shù)字化過程中，采集數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理及數(shù)字化存儲(chǔ)是系統(tǒng)需解決的關(guān)鍵技術(shù)。本工作提出基于分布式壓縮的邊緣計(jì)算、壓縮、存儲(chǔ)方法。首先對(duì)輪胎生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速采集，通過分布式壓縮感知的邊緣算法[3-5]對(duì)其生產(chǎn)、工藝、質(zhì)量和設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，主要過程如圖3所示。

以分布式的壓縮感知算法為邊緣算法[6-8]，結(jié)合輪胎的生產(chǎn)特點(diǎn)，建立對(duì)應(yīng)的稀疏模型、稀疏字典、傳感矩陣，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中采集數(shù)據(jù)的高效壓縮和精確重構(gòu)，為智能制造生產(chǎn)線優(yōu)化控制提供數(shù)據(jù)模型的支持。

4 功能架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能化邊緣融合采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用模塊化、微服務(wù)的方式，可根據(jù)不同業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行靈活構(gòu)建，其框架功能如圖4所示。

4.1 模型構(gòu)建

（1）采集模型：輪胎生產(chǎn)過程涉及工序、數(shù)據(jù)較多，需搭建與生產(chǎn)業(yè)務(wù)環(huán)境一致的采集模型，該模型可集成AB、西門子、GE、三菱、歐姆龍、力士樂、施耐德、浙大中控、ABB、霍尼韋爾等主流工控廠商的PLC及DCS系統(tǒng)通訊協(xié)議，支持各種工控設(shè)備、儀器儀表的通訊集成。

（2）存儲(chǔ)模型：因?yàn)閿?shù)據(jù)量巨大，需建立對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)、分析和獲取。

（3）服務(wù)模型：微服務(wù)方式為生產(chǎn)及業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供服務(wù)支持，支持?jǐn)?shù)據(jù)處理、安全審計(jì)等服務(wù)，支持各種數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)、預(yù)測(cè)分析、優(yōu)化服務(wù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化的優(yōu)化、學(xué)習(xí)，對(duì)外提供各種應(yīng)用服務(wù)，提供與第三方系統(tǒng)接口、互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的集成。

（4）安全模型：針對(duì)輪胎安全性，建立其安全行業(yè)模型，實(shí)現(xiàn)核心安全服務(wù)管理。

（5）控制模型：實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的對(duì)接，能夠根據(jù)預(yù)測(cè)分析的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程控制的優(yōu)化和反饋，實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)的功能，提升系統(tǒng)運(yùn)行效率。

4.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

（1）稀疏模型：基于數(shù)據(jù)模型的分析、學(xué)習(xí)、改進(jìn)，建立對(duì)應(yīng)的稀疏矩陣模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的高效壓縮。

（2）稀疏字典：基于對(duì)行業(yè)數(shù)據(jù)的分析，建立學(xué)習(xí)模型和稀疏字典，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共性特征的提取，建立壓縮數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。

（3）存儲(chǔ)算法：運(yùn)用DCS-同步正交匹配追蹤（SOMP）分布式壓縮感知算法及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，建立合適的稀疏矩陣模型，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程各種數(shù)據(jù)的壓縮存儲(chǔ)。

4.3 數(shù)據(jù)服務(wù)

（1）采集服務(wù)：以模塊化、微服務(wù)的方式對(duì)外提供標(biāo)準(zhǔn)化接口，實(shí)現(xiàn)與各設(shè)備控制系統(tǒng)及儀器儀表的集成，實(shí)現(xiàn)采集頻率、速率、端口等參數(shù)的靈活配置。

（2）支持服務(wù)：對(duì)外提供各種模型預(yù)測(cè)、數(shù)據(jù)分析服務(wù)，包括規(guī)則引擎模型、優(yōu)化調(diào)度引擎模型、數(shù)據(jù)壓縮引擎模型、預(yù)測(cè)分析引擎模型、性能優(yōu)化引擎模型、深度學(xué)習(xí)引擎模型等組件。

（3）應(yīng)用服務(wù)：基于云平臺(tái)的架構(gòu)搭建數(shù)據(jù)與應(yīng)用系統(tǒng)[6-8]，并對(duì)外提供各種支持服務(wù)，包括客戶端注冊(cè)服務(wù)、接口集成服務(wù)、數(shù)字化服務(wù)、工業(yè)互聯(lián)服務(wù)、協(xié)同制造服務(wù)及企業(yè)生產(chǎn)智能制造相關(guān)的數(shù)據(jù)支持服務(wù)。

（4）接口服務(wù)：提供標(biāo)準(zhǔn)化的接口，實(shí)現(xiàn)與第三方系統(tǒng)的集成。

（5）信息安全：建立信息安全模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析、監(jiān)控，保證數(shù)據(jù)的安全、管理。

（6）數(shù)據(jù)分析：提供數(shù)據(jù)分析功能，對(duì)異常數(shù)據(jù)可及時(shí)告警。

（7）微服務(wù)：以模塊化、微服務(wù)的方式對(duì)外提供各項(xiàng)服務(wù)。

4.4 系統(tǒng)管理

（1）用戶管理：對(duì)系統(tǒng)用戶進(jìn)行管理和維護(hù)，每個(gè)用戶分配唯一的系統(tǒng)編碼。

（2）權(quán)限管理：對(duì)系統(tǒng)權(quán)限進(jìn)行管理，為用戶分配唯一的系統(tǒng)權(quán)限，對(duì)用戶權(quán)限的使用時(shí)間進(jìn)行記錄，避免無權(quán)限人員進(jìn)入和使用系統(tǒng)。

（3）運(yùn)行日志：對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間進(jìn)行記錄，對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)注和管理。

（4）故障日志：對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，在發(fā)生故障時(shí)記錄，并自動(dòng)提示故障處理的措施。

5 設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境

采用Visual.NET 2016開發(fā)軟件和C#開發(fā)語言，以XML配置文件為基礎(chǔ)，構(gòu)建了通用性良好的應(yīng)用程序模塊化架構(gòu)，提高了實(shí)施與維護(hù)的便利性。

6 應(yīng)用場(chǎng)景

該邊緣融合采集系統(tǒng)可快速構(gòu)建部署采集應(yīng)用及服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速采集、預(yù)測(cè)、分發(fā)、控制，其已成為智能工廠建設(shè)的關(guān)鍵系統(tǒng)，并已在多家工廠得到實(shí)施，獲得了一定的應(yīng)用效果。

7 結(jié)論

智能化邊緣融合采集系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)新信息的快速、動(dòng)態(tài)采集控制，具備快速響應(yīng)、高穩(wěn)定性、可靠性及自主運(yùn)行的能力，在無法穩(wěn)定鏈接到數(shù)據(jù)中心資源情況下具備實(shí)時(shí)響應(yīng)和控制功能。通過邊緣計(jì)算能力，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理，從而減少鏈接數(shù)、數(shù)據(jù)遷移和帶寬的成本。