基于云計算的工廠信息監(jiān)測系統(tǒng)設計

許知博，劉 釗

(西安電子科技大學電子工程學院，陜西 西安 710071)

1 研究背景

隨著科技的進一步發(fā)展，現(xiàn)代化的管理開始應用于工廠的各個部門，工廠對設備信息的監(jiān)測成為工廠管理的一個重要組成部分。工廠生產(chǎn)中設備的檢測活動直接涉及產(chǎn)品的質(zhì)量與工廠的運行安全，是工廠現(xiàn)代化管理的重要內(nèi)容。目前，工廠的設備信息監(jiān)測依然使用落后的紙質(zhì)表格，紙質(zhì)表格可擴展性差，不能進行實時監(jiān)控，管理人員不能及時獲得檢測數(shù)據(jù)。同時紙張不具有重復使用性，而且在一些精密化高的工廠中需要使用價格高昂的特殊紙張，這樣造成人力和物力資源的浪費。

文中將云計算概念引入工廠信息監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)在不改變現(xiàn)有設備的情況下，通過建立工廠內(nèi)部的云計算平臺，充分整合信息監(jiān)測體系，提高工廠信息監(jiān)測以及管理效率，構(gòu)建一個低成本的工廠信息監(jiān)測系統(tǒng)。運用云計算的方式實現(xiàn)資源的統(tǒng)一調(diào)度，使管理者可以從全局的高度掌握工廠的實時狀況，保證生產(chǎn)高效、安全、有序地進行。

2 云計算概述

2.1 云計算體系結(jié)構(gòu)

云計算平臺是一個強大的“云”網(wǎng)絡，連接了大量并發(fā)的網(wǎng)絡計算和服務，并可利用虛擬化技術(shù)擴展每個服務器的能力，將各自的資源通過云計算平臺結(jié)合起來，提供超級計算和存儲能力。通用的云計算體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 云計算體系結(jié)構(gòu)

其中云計算體系結(jié)構(gòu)中各部分的主要功能如下:

(1)云用戶端。為云用戶提供請求服務的交互界面，也是用戶使用云的入口。用戶通過Web瀏覽器可以注冊、登錄及定制服務、配置和管理用戶。打開應用實例與本地操作桌面系統(tǒng)一樣。

(2)服務目錄。云用戶在取得相應權(quán)限后可以選擇或定制的服務列表，也可以對已有服務進行退訂的操作，在云用戶端界面生成相應的圖標或列表的形式展示相關(guān)的服務。

(3)管理系統(tǒng)和部署工具。提供管理和服務。能管理云用戶，能對用戶授權(quán)、認證、登錄進行管理，并可以管理可用計算資源和服務，接收用戶發(fā)送的請求，根據(jù)用戶請求并轉(zhuǎn)發(fā)到相應的程序，調(diào)度資源，智能地部署資源和應用，動態(tài)地部署、配置和回收資源。

2.1 饑餓對按蚊吸血的影響 稱重法繪制吸血率曲線顯示，饑餓處理能提高按蚊的吸血率，二者差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。在吸血5 min時，饑餓組按蚊的吸血率達到21.4%，顯著高于對照組的15.6%。饑餓處理組按蚊經(jīng)15 min的吸血即可達到最高吸血率（69.5%），而對照組按蚊則需要20 min才能達到最高吸血率（32.5%），見圖1A。目視法繪制結(jié)果顯示吸血率的結(jié)果與稱重法結(jié)果一致，見圖1B。然而對照組和饑餓組按蚊的最大吸血量差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05），平均為1.43 mg/只和1.37 mg/只，見圖1C。

(4)監(jiān)控。監(jiān)控和計量云系統(tǒng)資源的使用情況，以便做出迅速反應，完成節(jié)點同步配置、負載均衡配置和資源監(jiān)控，確保資源能順利分配給合適的用戶。

(5)服務器集群。虛擬的或物理的服務器，由管理系統(tǒng)管理，負責高并發(fā)量的用戶請求處理、大運算量計算處理、用戶Web應用服務，云數(shù)據(jù)存儲時采用相應數(shù)據(jù)切割算法，采用并行方式上傳和下載大容量數(shù)據(jù)［4］。

用戶可通過云用戶端從列表中選擇所需的服務，其請求通過管理系統(tǒng)調(diào)度相應的資源，并通過部署工具分發(fā)請求、配置Web應用。

2.2 云計算的實現(xiàn)

2.2.1 MapReduce算法

MapReduce是一種由 Google開發(fā)的基于 Java、Python、C++的編程工具和編程模型，用于大規(guī)模數(shù)據(jù)集的并行運算，是云計算的核心技術(shù)。它是一種分布式運算技術(shù)，也是簡化的分布式編程模式，適合用來處理大量數(shù)據(jù)的分布式運算，并用于解決問題的程序開發(fā)模型。

它的概念“Map(映射)”和“Reduce(化簡)”，和他們的主要思想，都是從函數(shù)式編程語言里借鑒來，具有從矢量編程語言里的特性。它方便了編程人員在不熟悉分布式并行編程的情況下，可將自己的程序運行在分布式系統(tǒng)上。當前的軟件實現(xiàn)是指定一個Map(映射)函數(shù)，用來把一組鍵值對映射成一組新的鍵值對，指定并發(fā)的Reduce函數(shù)，用來保證所有映射的鍵值對中的每一個共享相同的鍵組。

2.2.2 Hadoop架構(gòu)

在Google發(fā)表MapReduce后，2004年開源社群用Java搭建出一套Hadoop框架，用于實現(xiàn)MapReduce算法。該框架能夠把應用程序分割成許多很小的工作單元，每個單元可以在任何集群節(jié)點上執(zhí)行或重復執(zhí)行。此外，Hadoop還提供一個分布式文件系統(tǒng)GFS(Google File System)，是一個可擴展、結(jié)構(gòu)化、具備日志的分布式文件系統(tǒng)，支持大型、分布式大數(shù)據(jù)量的讀寫操作，其容錯性較強。而分布式數(shù)據(jù)庫(BigTable)是一個有序、稀疏、多維度的映射表，有良好的伸縮性和高可用性，用來將數(shù)據(jù)存儲或部署到各個計算節(jié)點上。Hadoop框架具有高容錯性及對數(shù)據(jù)讀寫的高吞吐率，能自動處理失敗節(jié)點，圖2所示為Google Hadoop架構(gòu)。

圖2 Hadoop架構(gòu)

運用以上技術(shù)可以在大量廉價的硬件設備組成的集群上運行應用程序，為應用程序提供一種可靠的接口，構(gòu)建了一個高可靠性、高效率以及良好擴展性的分布式平臺。

2.2.3 Android系統(tǒng)

Android系統(tǒng)是Google于2007年11月5日宣布的基于Linux平臺的開源手機操作系統(tǒng)的名稱。Android是一個開放、自由的移動終端平臺。Android平臺由操作系統(tǒng)、中間件、用戶界面、應用軟件組成。開發(fā)人員在該平臺開發(fā)的應用程序，是使用Java語言編寫的在Dalvik虛擬機上運行的。Android平臺的架構(gòu)從上到下包含5個部分:應用程序、應用框架、開發(fā)庫、Android運行時環(huán)境以及Linux內(nèi)核。編程人員可以利用Android的開源特性以極低的成本，便捷快速地開發(fā)出高效的移動平臺客戶端。

3 系統(tǒng)設計

工廠信息監(jiān)測系統(tǒng)需要向信息化、智能化、功能化的方向發(fā)展，現(xiàn)有的工廠信息監(jiān)測模式不能適應工廠的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的紙質(zhì)表格不僅增加了使用成本、消耗了資源、降低了效率較低。而且增加了問題的響應時間，導致管理人員不能及時了解工廠設備的實時信息。云計算的使用，使得工廠信息監(jiān)測系統(tǒng)向先進的方向發(fā)展，各種儀器設備的海量數(shù)據(jù)可以實時進行處理分析，同時管理人員也可以根據(jù)工廠的實際需要變更客戶端的功能，及時與客戶端進行信息傳遞，極大地提高了工作效率，提升了工廠的現(xiàn)代化水平。系統(tǒng)的擴展性強的特點也便于日后進行升級，有效避免了資源與投資的浪費。

3.1 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

工廠信息監(jiān)測系統(tǒng)一般分為3層:第一層為整個廠區(qū)主站系統(tǒng)，為所有車間提供相關(guān)的管理服務;第二層為各個車間的主站系統(tǒng)，對收集到的各車間現(xiàn)場信息進行實時管理檢測服務;第三層為監(jiān)測現(xiàn)場的點檢系統(tǒng)，為整個系統(tǒng)提供實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并負責管理檢測現(xiàn)場的視頻及監(jiān)控設備，提供檢測現(xiàn)場的圖像和環(huán)境信息，記錄各生產(chǎn)設備的各種儀表數(shù)據(jù)等。管理人員在監(jiān)控工作站，就可以實現(xiàn)對工作現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)、圖像及檢測內(nèi)容的監(jiān)控及管理?？傮w結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 工廠信息監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 實現(xiàn)服務

軟件平臺的核心是通過分布式云計算的計算方式，使數(shù)據(jù)監(jiān)控更簡單、直觀、智能，提高工廠管理效率、降低成本、提升產(chǎn)品質(zhì)量。基于云計算服務器端使用Linux操作系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)采用開源的Hadoop軟件框架，使用并行計算編程模型，實現(xiàn)海量工廠數(shù)據(jù)的記錄、智能分析、實時監(jiān)控等功能［5］。

圖4 云計算實現(xiàn)機制

通過云計算的體系結(jié)構(gòu)，主要實現(xiàn)以下幾種服務:

(1)管理服務。系統(tǒng)的管理者可以通過系統(tǒng)的管理模塊管理和分配任務給用戶端，合理安排工作，便于管理。用戶通過Android平板上的應用訪問云，獲取任務。

(2)交互服務。允許用戶從菜單中選擇并調(diào)用一個功能，請求會傳遞到云端，云端會為用戶分配需要的功能及資源，同時獲取用戶的使用情況。

(3)信息監(jiān)測服務。用戶通過Android平板上的應用進行工廠信息檢測收集，完成后將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)、圖像、視頻等上傳到云端，云端負責數(shù)據(jù)的分析保存。

(4)信息管理。云端可以對監(jiān)測到的信息進行智能分析處理，制作圖表，使管理者可以系統(tǒng)性的了解工廠的各條生產(chǎn)線各個機器的狀態(tài)，合理分配資源，制定生產(chǎn)計劃。

管理者通過Web服務的方式在外部登錄系統(tǒng)，可以在定制的界面中，實現(xiàn)對工廠數(shù)據(jù)及設備狀態(tài)的檢測，各類圖像圖表的查閱以及獲得系統(tǒng)智能數(shù)據(jù)分析的結(jié)果。

4 結(jié)論及展望

對云計算在工廠管理中的實現(xiàn)方式進行了論述，設計了一種基于云計算的工廠信息監(jiān)控系統(tǒng)。文中從云計算的架構(gòu)開始分析，結(jié)合工廠實際情況闡述了系統(tǒng)的架構(gòu)以及業(yè)務流程。通過比較分析，進一步證明該系統(tǒng)具有一定優(yōu)勢。在今后的研究中將進一步優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與資源管理方式。通過對系統(tǒng)的設計進行總結(jié)，可以結(jié)合云計算的各種優(yōu)點推廣到各個行業(yè)，開拓云計算的應用范圍。

［1］陳康，鄭偉民.云計算:系統(tǒng)實例與研究現(xiàn)狀［J］.軟件學報，2009，20(5):1337 －1348.

［2］陳全，鄧倩妮.計算機及其關(guān)鍵技術(shù)［J］.計算機應用，2009，29(9):2562 －2567.

［3］羅軍舟，金嘉輝，宋愛波，等.云計算:體系架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)［J］.通信學報，2011，32(7):3 －21.

［4］黃鶴.云計算體系結(jié)構(gòu)論述［J］.現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2010(5):325.

［5］唐華為.基于云計算的建筑工程監(jiān)控系統(tǒng)設計［J］.電子科技，2011，24(8):52 －53.