基于邊緣計(jì)算的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

摘要：隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐漸應(yīng)用，在為企業(yè)帶來收益的同時(shí)，企業(yè)獨(dú)立搭建私有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)也造成更多開銷。因此，傳統(tǒng)制造業(yè)在數(shù)字化、智能化過程中，面臨是否引入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的問題上出現(xiàn)分歧?；谏鲜鰡栴}，本文提出一種基于邊緣計(jì)算的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)，在保護(hù)用戶數(shù)據(jù)隱私的同時(shí)，也可為用戶提供定制化工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)服務(wù)，為企業(yè)提供更專業(yè)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)服務(wù)的同時(shí)，也減少了企業(yè)開銷，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；邊緣計(jì)算；數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)：TB49;TP393.02 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）24-0101-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是工業(yè)4.0的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是助力工業(yè)再發(fā)展的核心技術(shù)，旨在通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展切實(shí)解決智能制造領(lǐng)域以及制造業(yè)數(shù)字化過程中面臨的問題[1-2]。

傳統(tǒng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)主要針對(duì)單一企業(yè)的單一數(shù)據(jù)源環(huán)境[3-4]。然而，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐漸發(fā)展與成熟，雖然為企業(yè)帶來了更多收益，但企業(yè)在搭建私有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)時(shí)也面臨許多開銷[5]，因此，傳統(tǒng)制造業(yè)在是否引入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的問題上出現(xiàn)了分歧。在這種情況下，基于邊緣計(jì)算的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的出現(xiàn)可以有效地解決上述問題[6]。

本文基于邊緣計(jì)算技術(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)面向多源數(shù)據(jù)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)。通過在數(shù)據(jù)采集端搭建邊緣服務(wù)器，基于Modbus等通信協(xié)議采集工業(yè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)處理后，將數(shù)據(jù)上傳至工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。該平臺(tái)使用SpringBoot+Vue技術(shù)[7-8]，實(shí)現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)分離和用戶權(quán)限管理，在保護(hù)用戶數(shù)據(jù)隱私的同時(shí)，也可為用戶提供定制化工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)服務(wù)。

1 相關(guān)工作

針對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了很多研究。為了防止工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的工業(yè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差，肖楠[9]等人提出一種工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的異常監(jiān)控系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可以有效監(jiān)控工業(yè)數(shù)據(jù)。左雄輝[10]等人設(shè)計(jì)了一種車間級(jí)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，用于工業(yè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，解決了工業(yè)數(shù)據(jù)多樣性的問題。易學(xué)明[11]等人設(shè)計(jì)了一種低代碼的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)，簡(jiǎn)化了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)方式，低代碼開發(fā)模式有利于推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。

然而，目前對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的研究主要集中于單一數(shù)據(jù)源，缺乏針對(duì)多源數(shù)據(jù)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)研究。因此，本文提出了一種基于邊緣計(jì)算的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)多源數(shù)據(jù)的采集與分析。

2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

基于邊緣計(jì)算的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的業(yè)務(wù)流程如圖1所示，主要分為多源數(shù)據(jù)采集、邊緣數(shù)據(jù)處理、私有云中心數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的應(yīng)用4個(gè)步驟。

1）多源數(shù)據(jù)采集。在實(shí)際的智能生產(chǎn)車間中，不同的企業(yè)和設(shè)備所產(chǎn)生的工業(yè)數(shù)據(jù)各不相同，因此數(shù)據(jù)采集的方式也會(huì)有所不同。根據(jù)實(shí)際設(shè)備型號(hào)及可采集的工業(yè)數(shù)據(jù)字段，獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)采集盒與邊緣服務(wù)器的交互，實(shí)時(shí)傳輸工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

2）邊緣數(shù)據(jù)處理。邊緣服務(wù)器負(fù)責(zé)接收工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的過濾和標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至云計(jì)算中心。

3）私有云中心數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析。云計(jì)算中心負(fù)責(zé)接收邊緣服務(wù)器傳送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。同時(shí)，云計(jì)算中心可以對(duì)各邊緣服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將分析結(jié)果反饋至邊緣服務(wù)器。

4）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的應(yīng)用。本文所設(shè)計(jì)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)部署在云計(jì)算中心的服務(wù)器上。通過對(duì)服務(wù)器中的工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各工廠數(shù)據(jù)的分類顯示，為企業(yè)提供個(gè)性化服務(wù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的智能化監(jiān)管和決策。

3 平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的平臺(tái)架構(gòu)如圖2所示，主要分為四層架構(gòu)，分別為智能工廠層、邊緣服務(wù)器層、私有云中心以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，下面分別介紹各層次的功能。

3.1 智能工廠層

智能工廠層中包括多場(chǎng)地的智能工廠，每個(gè)智能工廠包含多種類的工業(yè)設(shè)備，比如，工業(yè)機(jī)器人、銑床、機(jī)床等。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，這些工業(yè)設(shè)備會(huì)產(chǎn)生大量工業(yè)數(shù)據(jù)。由于設(shè)備種類和型號(hào)的不同，產(chǎn)生的工業(yè)數(shù)據(jù)也會(huì)有所差異。通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備與工業(yè)設(shè)備直接連接，并與邊緣服務(wù)器構(gòu)成小型工業(yè)局域網(wǎng)用于數(shù)據(jù)傳輸，這些數(shù)據(jù)是可供邊緣服務(wù)器采集的原始數(shù)據(jù)。

智能工廠中的工業(yè)設(shè)備產(chǎn)生的工業(yè)原始數(shù)據(jù)，通常不具有直接獲取有效信息的價(jià)值。此外，不同的設(shè)備使用的工業(yè)通信協(xié)議也存在一定差異，工業(yè)數(shù)據(jù)采集的過程會(huì)面臨許多挑戰(zhàn)。因此，本文將數(shù)據(jù)采集的任務(wù)分配給邊緣服務(wù)器來完成。

3.2 邊緣服務(wù)器層

邊緣服務(wù)器負(fù)責(zé)智能工廠的工業(yè)原始數(shù)據(jù)的采集和處理。根據(jù)區(qū)域、地理位置的分布，每個(gè)智能工廠將由一個(gè)邊緣服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集與處理。對(duì)于不同的工業(yè)設(shè)備，采用相應(yīng)的工業(yè)通信協(xié)議，獲取原始工業(yè)數(shù)據(jù)，基于邊緣服務(wù)器提供的計(jì)算資源，通過分析工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)的字段含義，過濾無關(guān)數(shù)據(jù)，提取有價(jià)值的工業(yè)數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)按照規(guī)定的格式打包上傳至私有云中心。

3.3 私有云中心

私有云中心負(fù)責(zé)接收各邊緣服務(wù)器發(fā)送的工業(yè)數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)的來源和用途進(jìn)行分類，然后將其存儲(chǔ)至私有云服務(wù)器中。按照工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的用戶需求，私有云中心提供數(shù)據(jù)處理、分析與決策服務(wù)。相比于邊緣服務(wù)器，私有云中心由服務(wù)器集群構(gòu)成，具有強(qiáng)大的算力和存儲(chǔ)空間，同時(shí)具備一定的數(shù)據(jù)安全保護(hù)機(jī)制，從而為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供可靠的支持。

3.4 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)能夠?yàn)橛脩籼峁?shù)據(jù)分析、實(shí)時(shí)監(jiān)控、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、智能決策以及個(gè)性化服務(wù)。基于私有云中心強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)不僅可以提供基本的預(yù)警、監(jiān)控、決策等服務(wù)，還能夠根據(jù)用戶需求制定專門的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

該平臺(tái)使用Spring Boot+Mybatis Plus框架搭建后臺(tái)，MySQL數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。平臺(tái)代碼目錄如圖3所示，由多個(gè)不同的功能模塊構(gòu)成。不同模塊之間不具有耦合性，有利于用戶在個(gè)性化需求時(shí)，便于功能擴(kuò)展。

后臺(tái)具有單獨(dú)的管理員界面，如圖4所示，可以進(jìn)行設(shè)備管理、設(shè)備狀態(tài)提醒以及工業(yè)數(shù)據(jù)處理與展示。通過餅狀圖和柱狀圖，更加清晰地顯示當(dāng)前智能工廠的設(shè)備總體狀態(tài)。

另外，用戶可根據(jù)需求請(qǐng)求個(gè)性化服務(wù)，比如后臺(tái)中的工單管理功能就是一個(gè)個(gè)性化服務(wù)的案例，當(dāng)用戶選擇工單管理服務(wù)后，當(dāng)用戶所在企業(yè)的智能工廠的工業(yè)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別故障原因，并及時(shí)下達(dá)維修工單任務(wù)，通知工廠員工及時(shí)維護(hù)和修理。

該平臺(tái)前端采用Vue框架，前端總界面設(shè)計(jì)效果如圖5所示。該界面可以管理所有用戶的工業(yè)數(shù)據(jù)，并可以提供工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過邊緣數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)反饋，動(dòng)態(tài)更新平臺(tái)界面數(shù)據(jù)。

同時(shí)，如圖6所示，根據(jù)企業(yè)用戶需要，可以定制不同的用戶界面，為其提供數(shù)據(jù)分析、實(shí)時(shí)監(jiān)控、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、智能決策以及個(gè)性化服務(wù)。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 邊緣網(wǎng)關(guān)接入與數(shù)據(jù)采集技術(shù)

工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)景的不同，導(dǎo)致工業(yè)設(shè)備的種類復(fù)雜多樣。邊緣網(wǎng)關(guān)的接入和工業(yè)數(shù)據(jù)的采集是本文設(shè)計(jì)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)。每個(gè)工業(yè)設(shè)備都須與一個(gè)數(shù)據(jù)采集盒連接通信，基于工業(yè)通信協(xié)議，構(gòu)建工業(yè)局域網(wǎng)，再將邊緣服務(wù)器與數(shù)據(jù)采集盒連接，通過配置數(shù)據(jù)采集盒實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)上傳至邊緣服務(wù)器。

為保障數(shù)據(jù)的及時(shí)性，私有云中心監(jiān)控邊緣網(wǎng)關(guān)接入狀態(tài)，支持動(dòng)態(tài)接入技術(shù)。另外，為保障數(shù)據(jù)的隱私性，邊緣服務(wù)器與私有云中心的通信通常需要采取一定的加密技術(shù)，并在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)引入權(quán)限管理技術(shù)，確保數(shù)據(jù)的安全性。

4.2 數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)技術(shù)

原始的工業(yè)數(shù)據(jù)往往需要對(duì)照工業(yè)設(shè)備廠商提供的使用手冊(cè)，獲取價(jià)值信息，如果將此工作交由私有云中心處理，將對(duì)私有云中心的負(fù)載能力造成一定的挑戰(zhàn)，并造成數(shù)據(jù)處理的延遲。因此，本文提出將原始工業(yè)數(shù)據(jù)的處理事務(wù)交由邊緣服務(wù)器來處理，通過對(duì)照相關(guān)協(xié)議，提取關(guān)鍵字段，獲取有價(jià)值的信息。

由于工業(yè)原始數(shù)據(jù)具有大數(shù)據(jù)量、多字段、稀疏性等特點(diǎn)，邊緣服務(wù)器采用非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（NoSQL）進(jìn)行存儲(chǔ)，在一定程度上提高了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的性能，也為后續(xù)平臺(tái)的功能拓展提供了可能。

4.3 數(shù)據(jù)分析與展示技術(shù)

工業(yè)大數(shù)據(jù)的分析是在邊緣服務(wù)器提供的NoSQL數(shù)據(jù)庫中獲取工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)所需的信息。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)基于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)學(xué)理論、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)等策略，為用戶提供數(shù)據(jù)分析服務(wù)。將分析過程中需要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至MySQL數(shù)據(jù)庫中，并通過SpringBoot+Vue技術(shù)，將分析結(jié)果展示在客戶端界面，從而為用戶提供服務(wù)。

5 結(jié)論

為了解決傳統(tǒng)制造業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中引入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的經(jīng)濟(jì)效益問題，提出了一種基于邊緣計(jì)算的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案。該方案實(shí)現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)，在保護(hù)用戶數(shù)據(jù)隱私的同時(shí)，也可為用戶提供定制化工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)服務(wù)。這樣不僅為企業(yè)提供了更專業(yè)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)服務(wù)，還減少了企業(yè)開銷，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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