工业互联网中边缘计算的实现方法
2023-03-20
来源:易榕旅网
48一Column专栏.边缘计算 关注边缘计算产业联盟 请扫二维码 工业互联网中边缘计算的 实现方法 Tile lmp1cmentati0n of Edge Computing in Industrial lnternet ★上海宝信软件股份有限公司丛力群 摘要:工业互联网是新工业革命的关键支撑和智能制造的重要基石,已 经成为国家战略。构建企业工业互联网系统,核心是平台,如同一个智 能体的心脏,工业互联网平台是系统建设的核心,用于汇聚数据、处理 先进制造业”发展工业互联网的指导意见》正式发布, “工业瓦联网作为新一代信息技术与制造业深度融合的 产物,U谥成为新工业革命的芙键支撑和深化“互联 数据、准备数据,并驱动数据向工厂各处输送活力。而在平台建设中, 边缘计算技术应用以及边缘与云端功 ̄gB,0分担是一个童嬖的话题。 关键词:工业互联网;大数据 边缘计算服务i云中心 +先进制造、 ’ 币蛰堪 ”。 确提 “ 建 络、 平台、安全三人功能体系,增强上业百联网产业供给能 。”并叫确了与《中国制造2025》 步走_卡H适应的 Abstract:Tile IndustriaI lnternet.which has been a national 一strategy,is tile key S L ̄pport of the new industrial revolution and a1]inTportant cornerstone of SI-nart nqanufalcturing.TO construct a platform the enterprise indListrial Internet the key point is the platform、which is similar to the heart of an agent.The platform is used to gather,process and prepare data,and drive information to any corner of the factory In the construction of platform,the application of edge computing technology and the sharing of edge and cloLId functions are stil limportant topics. 系列发 目际,至此,_=_[:业且联刚上升为料能制造 家战略。 201 8'/1 :仞,工业互联网高峰论坛 北京举行, 时任罔务院副总理、国家制造强国领导小组组长马凯出 会议并发表了匝耍讲话,指出: “工业互联网是 工 业革命的关键支捭 钾能制造的咂受聚石。工业互联网 通过宴脱人、机、物的全面互联,促进韦l_逃资源泛存在 接、弹性供给利高效配置。推动制j酋、 创新模式、牛产 式、组织形式、商业范式的深刻变革.和令球丁业牛 态体系的匝构迭代和令 升缴。” Kc w‘Irds:IndL Jstrial internet;Big data;Edge computation service; Cl0I Jd center ·1 工业互联网是智能制造的突破口 ()1【】fitdq,…务 发们_厂《I ll1]i l_逃2025》, m川越 ^ . ’. P ̄EEi]一横 卷 监 组锄 圳世, ·’ ^炎破I & jj占型i!㈣ 慵冈和梯 复杂的智能系统 j 爪>k。一 玖 i J,… 线 ,址一 总 f 绷 义 ;2O 导心 卜杉{丰^2{fi_ 址“ 蛾 }”行动 图1工业互联网是一个复杂的智能系统 令i tt4 , 会报 , ¨ 互联网 i入r总 的收 I: 见, 坍, 、…厂“充分发 l…i f7肌欠lXxJl:l ̄,j z ,, 联 … 艺 坝喊… J、 : 城 仇势剁应川优 ,』J口述提升 确指 : “ 施 瞳人 傲装备号 』 ,发 ,刨 ‘ 造2()2 1 l义 ” 发 水、’ 仇坍 蚰l符 Jhlk1]lj;jlJif ̄lJJ,构筑 济 会发 展 [\_l,互联 ,|,J能”;20 l, ll] ,【} 务垸发们』,《跫 ! 技 】 捅导也见》,指小: 休,址 施“巧:联Ixx]+”行肋 化“珏联 + J 化 越、 j 联 毡 址… 济 2工业互联网是一个复杂的智能体 浅场;r/()1 / 11川,…务 《天 ——扣’破 慧与机器n勺边界》中,GE以航空发动机 生命周 僻 为例, 述了工业互联陶的内涵,}1J]确 了工业互联 迎 中的i个芙键耍素,即:智能机器、 高级分析 工作中的人 可以认为,工业互联网是数据 流、硬件、软件奉¨钾能的交互。 为了抢l 工 l【,互联 的制高点,跨围企业巨头进 行了大h}的投入,不仅 技术概念的研究、商业模式的 设计上f与据了 仪,同时利用先发优势,打造T_Jk 互联 台,肢具代表 的是:GE的工业互联网操作 系统Predix,SielT l,q 于云的开放式物联网操作系统 MindSpbe,re 工业互联I](l=0系统避一个复杂的智能系统.它是 OT(f)r} ̄,ration Tethnology)和IT(Information Te{:lu1()logY)深度融合的产物, “工业互联 是一个 惟似,当的H寸髦的信息技术, 存工业互联网系统大榧 架之下。”闻家f 息化 家咨洵委员会常务副主任周宏 浇到。 企、 工: ItTj:联删系统涉及纠下列产品制造和企业运 茸耍素: (1) 备足:J:厂运转n勺堪本 元,感知环境、生 战数据、执行指令、梢准控制; (2)豆联丘通的网络,宴 、动态、透明的传递 数新弓、输送 息; (3)用于汇聚数据、处朋数据、准备数据的平 台,并驱动数据向 一各处输送 力; (4)工业APPa遍布工厂自下而上的每一个『f1 髂,表达摔制逻 、传递决策指令: (5)模 捕述足控 ,t,ligl决策的堪础,支撑决策中 似,人工智能技术』、 用取决于模型。 企fk-EqkK联网系统足一个m模型、软件、平台、 络和工业 箭组成的复杂 完维的智能系统,而其中 数据就像柳能体的“m液”一样,贯通肢体纠中拟.是 能体 乍 的源泉。 3工业互联网建设要以数据为中心 3.1 现存系统架构中数据的流动方式 通常,. .I…'i-介、【kK,l ̄fjf] 多个、不同【】寸 投入、不同 IT公。司提供 独立开发n勺软件系统,这些软件琊订自己 独特 念、 bkn勺供方以及专rql'l',J系统。m于系统的 波足一个较长的¨、fn可过 ,除了技术发展n勺限制外, 为了不彤响 :线系统运酋, 简 n勺办法足: 多个低 201 8 05 AUTOMAT10N PANORAMA 49 层级系统之上(或多个系统之外)构筑一个新系统.将 所仃低层级系统的数据按照既定的需求处理后上传,以 实现数据其享并开发跨系统的应用功能,由此造就了系 统层次不断增多,架构复杂(如图2所示)。 进■■ r■●●一 瘴卫■ - ● ●■————一 ●岂1-一 ● I 鹧 J:’ 、 。’ 。一 ,__ —●_ 埴I臂埠 救荆 娄 ■—■■^一 图2工业互联网系统三层架构 大鲢的经验数据表明:信息系统的开发建设时, 需耍大量的时间精力(30 OA 一407 )来处理数掘交 的 问题,包括:通汛规约、咆文格式等;为了保持 几备日 常正常运转,企业需耍花费大 时 和卡占力去处理、传 达和交换信息,非常低效。 。 数据逐级上传,以满足上层僻 和决策特定 目标需求; · 数据样本是根据}!死定曰际进行选择并处胆后 进行传输的: 。 大量原始数据的微观属性价值被过嬷而不复 存存: · 同级或周边系统无法直接分享数掘,需耍经 过』二位系统周转; · 数据样/k多用于已经存没计之初姚}I』]确的单 一目的,数掘价值未充分发挥; · 上位系统基于数据的决策以非宴[J、f的方式逐 级下达并执行。 通过对系统架构和功能的亟构,一个 要的外 特征是系统更加扁平化。 3.2数据服务业务重要性日益凸显 存过去符千年信息系统建殴中, 于受到技术、 管理、认识等多卡叶 因素的限制,往往不会刻意去区分两 类业务,存已经建设的系统中,除了流程 业务的 汁 之外,也有大量的数据应用的业务,,皮此紧密地交织秤 一起,这种方式可以保障存有限数据样本悄况下,}『琦足 特定的计算需求;其不足在于数据样本选择足 先确定 的而日是阎化在程序中,无法灵活方便地进行硐 。 这两类系统的数据源足同源的,但对数据处 所 5O Column专栏.边缘计算 摘长的领域义不同,流 交易类 务』|耍足实时处理 数据,数据服务的系统则是埘bi人、晴 。 。的数据做批处 ,两者相辅卡目战、交织并仔。似必 行到,支撑两类 业务运行的技术和平台 耍求仃很大 不M,源自对 数据样本获嫩和使刚的原则和方法不同,同 ,存实践 中,还耍考虑既要减少对现有、{『,务系统 下扰,又耍增 强数据的\ll,务 用。 随着大数据的概念日孺被接受,技术日臻成熟, 使得打造一个专门从 数据业务的平台环境具有了技术 的基础,同时也使得存一个 门的大数据 台一h更多的 运用数据成为u_’能,所以,将讯要n勺、业已仃在的数据 月 务 任务剥 纠数 、 命上运行小仪r1J‘能,而且必 耍;特别是 企业大教 台上,r J以方便地获取数 据、 地使¨]算法工具、甚至“天马行空”式的在数 据中耕耘,有助于 业 职的 累,仃 J‘能通过大量、 多源时空数抛发现更多的价值。 4平台是工业互联网的核心 T业互联网系统t{】’平龠是“心脏”,足企业运 行数据的中心汇聚点, 聚数据、处 数扔 、准备数 据, 将数据信息输送剑工 各处, 生活力。 必须构 一个能使所有系统文 联互通的平 台。 此平台上,信息的传递不再是h—F 点的传递关 系,而是全流橼的 息打通,所 息流棚仟务流都通 过这个中问平 交 ,¨_= 息传递平 化。 台上任何 个I 作节点部是埘等的.从而 删披术架构上的去中 心化和系统扁平化,每个系统或 备¨丁以 视作可提供 不同复杂 度的服务, 服务化。 4.1基于工业互联的企业数据系统架构 参照美吲工业互联网联盟(IIA)提出的工业互联 嘲参考架构( 2),将系统分为i个 级,分别为: 边缘级、平台 、 lI,纵。 这个参考架构明确定义了得层 的功能、技术特 征,同时较好地阐述九比 构与业务系统(业务域)之 问的对应关系。 4.2企业工业互联网平台构成 当我们讨论制造装备_1寸,有两个不同的考虑 角,从智Ht¥1j造而高 ,父注装备} 能化问题;从工业互 联刚的角度,则将装备视为产生数 的边缘 置.讨论 装备对工、【 互联网的影响 企业上业互联网建设中茼先 懈决的一个最重耍 题是:数据采集禾几接入,这是与社会互联 的最大区 关;主边缘计算严业联盟 请扫二维码 别所存.也是(=_j E、Siemei1s等不将自身的平台简单定 义为一个云端 的砸耍 ¨大1。 (])删场多源异构数删的宴时接人与可巍传输 企\ll,人数据与化统数据仓库的区别主要不存于数 大,而 于数据多源 设企业数据系统, 数据粟 集上耍关注数据个样 【Ij,』收 ,其特征体现 数据的多 源、多维度、多 、多尺度。 据刈‘钢铁制造删场 际系统现状分忻,工业现场 数据U=j类如图3所永。 Text log或个性化电文 嗣关救据采集(ICG等) 特殊T(P,lp协议鳊程数据采集 特殊仪表数据采集,质谱分忻仪、寰面检澳H盘 现场圜片.音频等 PDA数据采集 移动数据采羹 图3工业现场数据采集 · 大量i的多源、多lj、f空尺度、多采样周期时序 数据构成了 场: 【l,数扼il:I',JLi ̄-体: · 众多非 构化数 ,如:工业电视、特殊仪 表等; · 未来,会 大{ti的来自侈动终端的结构化和 非结构化的数据接入系统,数据传输的协议规 也各不 丰}1同,包括:232、4H5、104、OPC仂、 义,TCP/IP 议,数据库DB—LINK等 、 (2)边缘汁弹资源的 效利用 为厂埘删场多瓣、异物数据归一化处理,网时船顺 计算不11 络资源以及数 传输的有效性等,形成云端和 边缘汁 资源的合 和优化配置,既保留数据的原 腻 件,又避免九科的 络 仔储和计算资源开销.需 数据采集区域服务 资源。 (3) 端数据平台 榭 ~ , xlnsight大数据平台 ’ _ …, 6 6目岛团 WLS FCS CVS STS PDs OSS 图4基于开源组件的大数据平台 大数 台的核心足_f1i向不同数据类型的分布式存 储,以及 : 储之h搭 分布式并行汁算框架,通过 内嵌丰宙的算法 , 对数据的计算木口分忻。对下. 提供【 向多元数抛源的数埘接入方式,使外部系统的数 据能方便地接入大数抛 台;对上,提供【 i向复杂应用 201 8 05 AUT0MAT10N PAN0RAMA 5l 系统的多样化 示方式,满足更 岛的数据I J‘伽化 求 、 大数据平台服务按微服务架构发汁.服务可分拆、 可裁剪, i『按横块化方 进行投 部 ,系统 f}1I 数据采集采取区域汇聚原则 即某制造工序的所 J数据均『f1小=lXn 眦 九勺数据 服务器统一 聚处 ,从rfri ̄叮以/{: 鹰 一 f 教 lJ、j 性。使 业务系统可以根 需求选择对应}C‘jtJM务进行 令 ,降低了埘 件资瓣¨勺妥求。对于部分 父越 性应用,如粜九 分 j 储柙处州l_1勺要求.^ · ’务器就可以 现系统的 篱。 除 与数 、舱索、腱永 必蒂的功能之外. 平台还需蟠 箭必耍n勺数据分析软件和I .以 于… 方 地用于数据 分析 某些功能既-,J以 :边缘端 奠 ,也H J 以 : 现,呶决十只体 求幂u资源配 j况 咂耍n勺足:系统 耍提供便 的功能配 I 艮,使得云端 边缘端功能分 -l: ̄l 配 以 现。 (4) 端与边缘功徙配 与 、同 如 所述, 台 功能足 数 、处删数 、 帑数扪,并将数据 息输送刨丁厂各处,产生 力。 仃些功能【=jr以FiE, ̄-,L'177--‘,"端,也Ijf以 署 边缘,这 主耍视具体需求而定.需耍 |几汁巾提供一个便捷的披 术手段, 地JJI]以处 ,所以,作为 台 极.边 缘 云端同[{、』行 ,构战一个惟体.按 具俸需求进行 妓仇的功能分担设汁 配 ,将成 企业上、【J,互联 、 台 建的一个非常m耍的nq (如罔5所示) 、 国 目。一 —..I 图5云端平台与边缘服务的功能分担设计 区域服务器 首 fT.-务足= 1:述昕 I数 进行lJ{一 化处耶,他之按熙{颅先定义n勺 式 一化, {:按jil={切 的 1 CP/IPI ̄X]络 L义}:他人数 台、 ,4/]k,视不同场景椰 ^ 求, 域 务 I1J‘以,抵哉 匝多的nJ以 数掘L 之 需耍宄战的 多必做 披 术处柙 ,至十 体 边缘充战 址仵 端进行,一个 刚 的原则是:能够 :边缘进f川勺I ,/『== :云端。 5企业数据系统建设实践 5.1 区域数据服务系统构成 一致性、确保数据堪础 州的一敛 . 首先按 厂 陀 ,如 …个】 …『11九 绂 多、数据复杂等冈索, 『}台 务 儿 I上=I,I J‘披 卡l1 际准配置第二 ,数据接入 iJ‘披 。 。:披l 1 划 分,原 是硎一产线的十l1天数枷l}《入川·二、【JlI秀 .以 使数据模型的管 。 区域数据暇务器的配置原则 尽可能采 同¨勺铩准 。 ff『)t I 狄-F,,I/I ̄务 器,包括硬件、软件捌功能,从i训 低个一 化川:发f 战 本,便于扩展和维护 区域数据服务器软件配置 数据采集采用 :信jf v软仆 . v} 衔先m 、具备众多功final:ix,J系统接【I,能够 · 、 】 _活 嚣、实旌简便的H发环境; 高速数据 储使用奠¨、f数@il")-i}{VIⅢf】)1; 吱』 .通 过配 建立好连接,J 及, 储参数 . 『j 记 州{、f 数据会自动传输至 时数据 ¨{】JI:1'I ! 数 , , 关系 数抛采,hl J)]:放式天系I 妻I[ MYH()Il^ 行 数据存储; 数据处理、 、件 采川i f(·}]( Il ,可 以将基础自动化原 数 务 lj』lj肜战 :fl{天 的批次数据。 配 ETI 引 ,以 从父系数扔 tt,抓嫩数 据.如过程汁舜饥等系统 5-2数据服务功能构成 利用区域数据服务 边缘汁 能 具,埘汇聚十服务 n^九勺所 场教 进 分雀颅处 理(如图6昕示)。 }二二二=]FF二—= ll1 II i 1 f数据 l协j:=【l l聪序I l压缩数据 【..J.....汇聚 ....... I..J l转换 l.............__J 1 l匹配 I..1... .... ..,. . lI 觥.J .... ..___【..J.....蠼存 .. .......一 趋 l传送… 国6区域数据服务器的功能定义 数据汇聚 将区域内各 采集数 l_I (flJ,jir ̄: 【 l 衙状怠『},』 常规物理 数据、环境与丁 1’I’j j 数 ;、越坼 :此l《域 尢线 盖范围接入的数据等), 越过 “ l',J-li4入 式 汇聚到此服务器1 』.』_,接入 I q L:^ l i:-I ̄t 入, 通 过嘲关转接等 、 协议转换 52 Column专栏.边缘计算 关 主边缘计算广上业联盟 请扫二维码 现场数据采集和传输的方 多种多样,并通过小 同的网络协议接入,服务器必须具有接入各种接L_】协议 的适配能力.并将不同数据格式、数据速率等转换成统 · 通过 数据 两己 方式,定周期地把tag点 数据传递剑大数据平台,也可选择压缩后传递; · 埘于数据 ,l IJ_采用大数据平台BtJETL工具, 的网络协 义,向上传送。 定周期地把数据抽取刨大数据平台; · 减量解析 数据从各种不同的々业系统汇聚而来,其数掘的类 本地编程,写远端的大数据(]TS ̄PDS; 通过TCP/1P编 方式把数据传递剑大数据 · 型各不相同、数据的 度也不 相同、数据的原始绱 平 构也各何差异.所以耍 数据传送到大数据平 前对数 据进行处 ,如:采集的数掘进行噪 处删、异J 。j剔除 等;必耍时,按照对数据质量的不同标准,选择适当的 压缩 法,埘数据进行压缩处 ,减低网络资源需求。 数据缓存 6小结 [业瓦联网 h 剑 求战略。企业工业互 联网将仃效地赋催 f慧制造 与 企业]hil,互联网系统涉及刮解 各洋的技术,但数据 怂一切陂计的荇叭^,而平台则构成1:、_l,互联网的核心。 对于工业系统,构 平 源的 效利』I】,『f 边缘汁 旅顺 端和边缘'L十算资 境的 和功能设计,对 具有足够的存储现场数据资源空间,以保 大数掘平台进行数掘交瓦不畅时,可以缓存数据能/J, 缓 时段可定义。 OPC ̄K务 提供标准的0Pc目 务,存需要 ,便于与其他同 级服务器I"HI进行数据交互。 时序匹配(数据关联) 于数据效率至灭 耍。墨E 边缒级 主要是通过建立数据之问的关联关系,确保数据 的时空一致性。 · 习 自蛾 一 企业 ■■■■■■—一_- 时序关系:保旺数据时问Ⅲ贞序的正确关系, 尤其是审件数据; · 批次处理:根据\ll,务规则,将原 数据』f乡成 与生』 相火的批次数据,足后续数据应用的堪础; · 动态划定:nJ.以 于本区域数据完成一 简 的异常划定、门动 系统输出口志或报謦,该报警L]T 作为际准业务流程的触发源。 ■ _●■■■ ’ 与口 空一致性关联相对鹿的是涉及业务内涵和逻 辑的数据建模,经处理的数据从不同的专业和业务核心 慨念来对数据进行多维度的建横,依据数据后续的业务 用途进{彳天联性整合,这类建模工作一股会存云端皋于 全样本数据进行,如:设备状态信息耍对应到相应的材 料9 并,生产 绩信息受和产品信息相关联等。 结构解析 图7基于工业互联的企业数据系统实现 作者简介: 丛力群,现任上海宝信软件股份有限公司任技术总监, 教授级高级工程师,宝武集团技术业务终身专家、上海 市首批科技领军人才。长期致力于工业领域综合自动化 技术与应用软件的研究,并在该领域取得了丰硕的成 果。先后负责了多个国家级及上海市重大技术创新项目 多项,多次获得国家科技进步奖、上海市及浦东新区科 技进步奖以及 台金行业科技进步奖和宝钢集团重大技术 成果奖等,目前专注于智能制造技术解决方案的策划与 设计。 对]二某些非结构化数据. 需要时,可以进行简 单的(初级的)结构化处理,以降低数据传输对网络资 源和云端存储资源的需求。 数据传送 写入大数据平台有如下几种方式: 参考文献: ]The Industrial Intemet of Things Volume G1:Reference ArchltectL】re[Z]. [2]peter C Evans Marco Annunziata.工业互联网——打破智慧与机器的边界[M]2015