基于邊緣計算的工業互聯網應用系統設計

摘要：由于現代工業行業細分特別多，工業設備的工程信號有數百種之多，造成通訊協議成千上萬種，提高了組建工業互聯網的難度，制約工業互聯網的快速發展，文章提出一種基于邊緣計算網關的工業互聯網應用系統，可解決接入困難和分析困難等問題，提高工廠的信息管理水平，實現生產過程的透明化。

關鍵詞：邊緣計算；工業互聯網；信息化

中圖分類號：TP393 ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）31-0065-03

1 概述

隨著市場競爭的日益激烈和制造業改革創新升級浪潮的推動下，傳統制造行業要想取得更高利潤和競爭力，單靠車間自動化生產和制度管理已站不穩腳跟。制造行業急需一套全新的數據信息化為依據的科學管理理念，幫助企業提質增效、降本節能，同時也對設備提出更高的技術要求。本研究從設備的數據信息化管理入手，設計一種基于邊緣計算的工業互聯網應用系統。

2 邊緣計算研究現狀

邊緣計算是在網絡邊緣執行計算的一種新型模型，最早由美國卡內基梅隆大學的 Satyanarayanan教授在文獻[1]中把邊緣計算描述為：“邊緣計算是一種新的計算模式， 這種模式將計算與存儲資源（例如：Cloudlet、微型數據中心或霧節點等）部署在更貼近移動設備或傳感器的網絡邊緣?！泵绹f恩州立大學的施巍松等人[2-3]把邊緣計算定義為：“邊緣計算是指在網絡邊緣執行計算的一種新型計算模式，邊緣計算中邊緣的下行數據表示云服務，上行數據表示萬物互聯服務，而邊緣計算的邊緣是指從數據源到云計算中心路徑之間的任意計算和網絡資源?！?邊緣計算的物理范圍見圖1所示。

當前，邊緣計算的研究主要集中在移動邊緣網絡、霧計算、小云（cloudlets） 、邊緣云和體系結構等方面。美國韋恩州立大學施魏松教授是國內外邊緣計算研究的引領者，他從邊緣計算基礎、邊緣計算系統平臺和典型應用等多個方面對邊緣計算技術的研究給予了描述；文獻[3]從融合計算、緩存、通信角度對移動邊緣網絡做了介紹；文獻[4]介紹邊緣計算發展歷程，總結推動邊緣計算發展的關鍵技術，說明6種典型應用，提出急需解決的6類問題；文獻 [5]從介紹邊緣計算的概念出發，比較了當前有代表性的３個邊緣計算平臺，并通過一些應用實例來分析邊緣計算在移動應用和物聯網應用上的優勢；文獻[6]討論了邊緣計算能夠提供高效的網絡計算體系架構，構建網絡、計算、存儲和應用核心能力為一體的邊緣開放平臺，提供高效、低時延的近端用戶服務；文獻[7]介紹了邊緣計算范式的系統架構與其他計算范式的關系。然后分析了當前邊緣計算中存在的安全威脅，并針對各種安全威脅探討了相應的安全技術問題；文獻[8]介紹了邊緣計算的概念、需解決的關鍵問題和研究進展，邊緣計算發展帶來的影響以及邊緣計算帶來的機遇和發展對策；文獻[9]闡述了邊緣計算中數據安全與隱私保護的研究背景，提出以數據安全為中心的研究體系架構；文獻[10]通過對移動邊緣計算（MEC） 網絡的基本原理、應用場景，以及通信和計算的研究模型的闡述，提出了針對單用戶和多用戶 MEC 系統的綠色節能頻譜和計算資源綜合管理方案；文獻[11]闡述了面向物聯網的邊緣計算的概念和特征、應用情況、產業界動態和標準化情況等；文獻[12]提出基于邊緣計算采集工業生產數據的方法，通過采用蜂窩網絡對生產裝備進行網絡化改造；利用邊緣網關對采集到的生產數據進行解析、封裝和本地處理，實現邊緣云對數據進行分流；文獻[14]提出數字孿生技術面向工業領域的互聯互通及智能化應用，發揮連接物理世界和信息世界的橋梁與紐帶作用，將在工業生產、視頻監控、人機交互等方面提供更加實時、智能、高效的服務。本文利用邊緣計算的優點，提出基于邊緣計算實現工業互聯網應用系統。

3 邊緣計算的工業互聯網應用系統整體架構

邊緣計算的工業互聯網應用系統分為設備數據采集層、網絡層和工業互聯網云平臺三個部分組成。在設備數據采集層中，在聯網的工業設備中加裝邊緣計算網關，對工業設備運行數據進行采集、分析和處理，并通過有線局域網絡LAN或I/O的方式上傳到部署于客戶機房的工業互聯網云平臺。用戶可通過電腦瀏覽器或手機App實時地監控設備數據和操作透明工廠系統軟件，而MES/ERP/TPM等第三方系統可通過局域網訪問工業互聯網私有化云平臺API接口，實現對數字工廠的設備數據的調用；同時，可通過API接口將部分業務數據寫入工業互聯網私有化云平臺。邊緣計算工業互聯網應用系統整體架構圖如圖2所示。

3.1 工業互聯網云平臺

工業互聯網云平臺是一套包含終端系統、邊緣計算網關、混合云平臺、手機App（需開通外網）、第三方JSON數據接口、客戶端、梯形圖編程軟件、云組態在內的端云一體化設備云操作系統。具有在各種物聯網、工業互聯網、設備云、工業4.0、自動化工程中對數據的采集、遠程控制、異地服務、遠程編程、設備分析、報警故障、大數據和云計算等方面的功能。

其中服務器采用分布式大數據架構，支撐海量的高速工業數據的存儲、分析和處理，服務器架構圖如圖3 所示。

工業互聯網云平臺體系安全級別較高，終端硬件無對外網接口，App采用微信小程序、操作日志可查、云服務器采用阿里云并享受支付寶同等安全保障、通信采用強加密非對稱加密編碼協議，無任何明文通信。

3.2 私有化平臺部署

為提高數據的安全性，將工業互聯網云平臺采用私有化部署到客戶本地機房，所有設備數據均通過本地局域網絡直接上傳到部署于客戶機房的工業互聯網云平臺并進行數據存儲。

3.3 數據采集實現

工業互聯網是基于數據對設備進行信息化管理，而數據格式繁多，本設計的設備數據采集是在每臺需要實現數據采集的設備上加裝邊緣計算網關，對不同的數據進行采集，在邊緣端分析和處理，利用設備的串口/網口通信或I/O方式將采集的設備數據上傳到工業互聯網私有化服務器平臺。

現有設備中有網口通信、I/O通訊接口兩種形式。

針對具有網口通信的設備，邊緣計算網關通過網口通訊的方式，實現設備數據采集聯網。

針對I/O通信的設備，邊緣計算網關，通過I/O方式采集設備數據，實現設備數據采集聯網。

4 工業互聯網應用系統的功能

通過邊緣數據采集、分析、傳輸到云平臺實現邊云協調的工業互聯網應用系統，實現透明工廠、數字駕駛艙等多種功能。

4.1 透明工廠功能

透明工廠是一套面向離散制造的生產管理系統，在設備聯網基礎上，實現生產全過程的數字化，實時監控設備運行狀態、設備加工產量、工單進度、設備關鍵參數、設備故障告警等。透明工廠系統軟件主要功能模塊包含數字駕駛艙、電子看板、計劃排單、數字工位、品質管理、能源管理、報表管理、數據管理等。解決從生產前的科學計劃排單，生產過程中的實時管控、生產后的數據統計分析，以及報表數據導出。通過客觀數據為生產、管理提供決策依據，及時發現生產過程瓶頸，針對性進行持續優化，提高設備稼動率、產品良品率，實現計劃可期、效率可見、工藝可控、質量可溯的精益生產目標，達到降本節能、提質增效的目的。

4.2 數字駕駛艙功能

數字駕駛艙主要是對數字工廠生產情況的匯總，關鍵數據的展示，讓全廠生產運營數據清晰透明，其具體包括設備生產產量數據、數字工廠稼動率、良品率、OEE匯總數據以及故障告警數據等。

4.3 電子看板功能

電子看板主要用于生產現場生產管理，實時監控每臺設備運行情況，有異常時會出現紅色、黃色告警提醒現場管理人員及時處理，也可以通過短信或者電話方式分級提醒。實時展示設備生產工單產量、班次產量、日產量，生產節拍、工單進度、工單預計完成時間和稼動率等，可實現跨部門數據協同，可為科學排單提供數據支撐，可為前后工序提供協同提醒，實現高效銜接，提高協同效率。

4.4 計劃排單功能

計劃排單模塊實時查看每臺設備工單加工進度情況，生產計劃人員綜合設備運行情況以及銷售訂單交付情況，把ERP工單數據與設備關聯，實現設備加工數據與工單的關聯。主要包括工單計劃產量數、生產理論節拍、實時工單產量、節拍、工單進度、預計完成時間等?？梢愿鶕瓮瓿蛇M度進行排序，也可實現插單、掛單等操作。計劃排單模塊主要是根據設備實際生產數據科學排單，提高設備利用率。

4.5 品質管理功能

品質管理主要包含兩個方面，一方面是對關鍵品質數據實時監控，超閾值預警，及時解決問題，減少不良品的產出，還可針對在后續環節對不良品生產過程數據進行追溯。另一方面針對已經生產出來的產品，在質檢環節錄入不良品數量、不良品原因，再進行統計分析，持續性優化，并輸出不良品報表。

4.6 能源管理功能

能源管理主要是工廠水電氣進行能源管控，統計分析、實現設備能耗與關聯生產，監控單品能耗，做到成本的精細化管控。能源管理可嵌入生產中監控生產能耗、待機能耗等，降低總能耗、單品能耗、班次能耗、日/月能耗、待機能耗、單品能耗等，實現管理節能，減少能源浪費，科學節能改造，降低能耗成本。

4.7 報表管理功能

報表管理主要對生產管理關注的數據表格化，按日查詢、導出。報表主要圍繞OEE的三類報表，生產報表主要包含每個機臺生產產量、班次產量、工單產量、運行時間、停機時間和稼動率。

停機分析報表主要包含每個機臺停機的時間、停機的原因匯總，可針對性追溯，持續性改善，從而減少停機次數和停機時間。

不良品分析報表主要包含每個機臺不良品數量、不良品的原因，可針對性追溯，持續性改善，從而減少不良品率。

4.8 數據管理功能

4.8.1 數據存儲

對車間設備上傳的數據進行存儲，數據存儲時間可按照客戶需求進行設定，當到達數據存儲的設定時間后，超期的數據將會被覆蓋。在數據有效期內，客戶可隨時通過數據曲線查看設備歷史數據，同時第三方系統可通過API接口調用設備歷史數據，實現設備歷史數據追溯。

4.8.2 數據對接

工業互聯網平臺開放API接口供第三方系統（MES、ERP、TPM等系統）獲取數據，第三方系統通過HTTPS協議訪問工業互聯網應用系統私有化平臺數據接口，第三方軟件系統可通過json格式主動獲取工業互聯網私有化平臺數據，包含實時數據和歷史數據。

5 結論

基于邊緣計算的工業互聯網應用系統可大大提升企業生產管理信息化水平，實現生產過程的透明化。并且可作為工廠信息化的底座，后續延展與APS排程、生產管理系統MES、智能倉儲系統WMS等進行數據交互。實現生產透明，高效協同、提高良品率、提高機臺稼動率、降低能耗、提升信息化水平。

參考文獻：

[1] Satyanarayanan M.The emergence of edge computing[J].Computer，2017，50（1）：30-39.

[2] 施巍松，孫輝，曹杰，等.邊緣計算：萬物互聯時代新型計算模型[J].計算機研究與發展，2017，54（5）：907-924.

[3] Shi W S，Cao J，Zhang Q，et al.Edge computing：vision and challenges[J].IEEE Internet of Things Journal，2016，3（5）：637-646.

[4] 施巍松，張星洲，王一帆，等.邊緣計算：現狀與展望[J].計算機研究與發展，2019，56（1）：69-89.

[5] 趙梓銘，劉芳，蔡志平，等.邊緣計算：平臺、應用與挑戰[J].計算機研究與發展，2018，55（2）：327-337.

[6] 馬原野，韋莎，史揚，等.邊緣計算及其標準化工作探索[J].信息技術與標準化，2017（9）：29-32.

[7] 安星碩，曹桂興，苗莉，等.智慧邊緣計算安全綜述[J].電信科學，2018，34（7）：135-147.

[8] 洪學海，汪洋.邊緣計算技術發展與對策研究[J].中國工程科學，2018，20（2）：20-26.

[9] 張佳樂，趙彥超，陳兵，等.邊緣計算數據安全與隱私保護研究綜述[J].通信學報，2018，39（3）：1-21.

[10] 游昌盛.移動邊緣計算中的資源管理[J].中興通訊技術，2020，26（4）：2-5.

[11] 關欣，李璐，羅松.面向物聯網的邊緣計算研究[J].信息通信技術與政策，2018（7）：53-56.

[12] 馬吉軍，賈雪琴，壽顏波，等.基于邊緣計算的工業數據采集[J].信息技術與網絡安全，2018，37（4）：91-93.

[13] 張帆，葛世榮，李闖.智慧礦山數字孿生技術研究綜述[J].煤炭科學技術，2020，48（7）：168-176.

[14] 工業互聯網聯盟.邊緣計算白皮書[EB/OL].[2022-05-30.]https：//max.book118.com/html/2022/0421/8120046137004073.shtm.

【通聯編輯：唐一東】

收稿日期：2022-06-20

基金項目：湖南省教育廳科學研究項目（20C0867）

作者簡介：高見芳（1975—） ，男，湖南郴州人，副教授，碩士，研究方向為信息處理。