基于邊緣計算技術的AI自控系統(tǒng)方案

任炳宇

摘要：本文基于邊緣計算技術理論，針對生產制造的流程工藝設計一套實時數據自控管理的系統(tǒng)方案（簡稱自控方案）。本方案是應用在邊緣計算網關硬件產品上，具備自動通信現(xiàn)場總線數據和適配解析數據庫文件的特性，實現(xiàn)生產過程通信、數據自控管理，配合自控軟件邏輯和云端管理系統(tǒng)，為客戶提供實時數據通信、現(xiàn)場數據監(jiān)測分析、第三方數據應用對接、設備無人值守監(jiān)控等數據應用功能。

關鍵詞：邊緣計算;實時數據;分布式運算;網絡安全監(jiān)控

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）08-0187-02

工業(yè)生產的制造加工流程是將流程工藝按照特定順序拆分設計不同工序。生產加工過程存在生產加工周期較長、監(jiān)控數據種類和數據量繁多、過程數據易受外部干擾等問題，造成實時數據出現(xiàn)不準確、不同步等現(xiàn)象。針對上述實時數據應用困難的問題，本文設計一套近生產設備端的實時數據自控管理系統(tǒng)方案，在獲取實時數據的同時，監(jiān)控生產數據實時數據精確性，分析預測當前工序生產過程數據趨勢并及時上報結果，確保企業(yè)生產端可以實時精準地控制生產工藝流程，為企業(yè)客戶提供“提產增量保質降本”的服務。

1 邊緣計算網關自控系統(tǒng)概述

邊緣計算中的“邊緣”是一個相對的概念，指從數據源到云計算中心數據路徑之間的任意計算資源和網絡資源。邊緣計算允許終端設備將存儲和計算任務遷移到網絡邊緣節(jié)點中，組建“云-邊-端”系統(tǒng)的邊緣計算基本架構：核心基礎設施、邊緣計算中心、邊緣網絡和邊緣設備。所有類型的邊緣計算設備不只扮演數據消費者的角色，而且作為數據生產者參與到了邊緣計算結構所有的功能層中[1]。

邊緣計算網關自控系統(tǒng)集成在邊緣計算網關中，作為邊緣計算系統(tǒng)核心功能之一，對接工業(yè)制作流程中的工業(yè)儀表和通信設備端，承接數據實時監(jiān)控分析和觸發(fā)預制邏輯事件應答的功能。

2 邊緣計算網關自控系統(tǒng)詳述

按照NSM周期收集、檢測和分析進行異常數據檢測管理[2]。邊緣計算網關自控系統(tǒng)中的自控算法邏輯單元集成提升數據精度和數據效率的算法模型，并集成自學習算法的大數據訓練算法，不斷優(yōu)化和提升邊緣計算網關自控系統(tǒng)的實時能力。

2.1 數據預處理單元

邊緣計算網關通過數據采集單元獲得不同類型數據后，先按照類別不同分類存儲數據用于備份處理，完成備份后將數據提供給客戶端，調用數據庫解析功能，提取數據按照數據類型完成邊緣計算網關讀寫，再有客戶端格式轉換功能重新讀寫一次數據并完成數據格式轉換，轉換后的數據格式統(tǒng)一按照客戶端傳輸給目的服務器的數據庫協(xié)議完成，完成統(tǒng)一數據格式轉換后再備份一次數據，這樣可以保證數據不會遺失并可以根據時間戳標記提供反查的功能。完成數據預處理后，將統(tǒng)一格式的數據庫文件提交下一個環(huán)節(jié)-數據分類處理單元。

邊緣計算網關通過數據采集單元獲得不同類型數據后，先按照類別不同分類存儲數據用于備份處理，完成備份后將數據提供給客戶端，調用數據庫解析功能，提取數據按照數據類型完成邊緣計算網關讀寫，再有客戶端格式轉換功能重新讀寫一次數據并完成數據格式轉換，轉換后的數據格式統(tǒng)一按照客戶端傳輸給目的服務器的數據庫協(xié)議完成，完成統(tǒng)一數據格式轉換后再備份一次數據，這樣可以保證數據不會遺失并可以根據時間戳標記提供反查的功能。完成數據預處理后，將統(tǒng)一格式的數據庫文件提交下一個環(huán)節(jié)-數據分類處理單元。

2.2 數據分類處理單元

不同數據類型的原始數據經預處理單元處理后，轉變?yōu)榻y(tǒng)一格式的數據庫文件，提供給邊緣計算下一流程和云端集中式運算，有效提升總體運算的效率并降低后端運算負荷。

預處理數據需要根據后端運算目的不同進行分類存儲和轉發(fā)：

1） 數據分支1：提供給云平臺做實時數據運算分析;

2） 數據分支2：與數據分支1做聯(lián)動配合操作，實時偵測邊緣計算網關與云端通信狀態(tài)，當發(fā)生通信異常狀態(tài)時，進行本地數據累積存儲并持續(xù)呼叫云端恢復連接，直至云端再次連接后實現(xiàn)斷點續(xù)傳;

3） 數據分支3：根據云端預設的報警規(guī)約和計算公式，實現(xiàn)異常數據本地報警和異常數據發(fā)展趨勢分析的能力;

4） 數據分支4：根據數據預處理方案和計算公式，實現(xiàn)預處理云端所需數據的功能。

2.3 數據累計分析單元

數據累計分析單元實現(xiàn)邊緣計算網關的數據分析功能，主要是根據預設的監(jiān)控參數邏輯/閾值、自控算法邏輯單元和客戶端的軟件控制邏輯，提供給客戶實時數據監(jiān)控、異常數據風險預警、數據關聯(lián)分析、累計數據趨勢分析、數據精度運算和自定義運算數據等功能。

邊緣計算網關實時偵測安裝目錄所在磁盤的空閑空間，當達到邊緣計算網關預設的監(jiān)控剩余空間百分比（預設默認10%）時，進行數據存儲空間管理。

同時，邊緣計算網關設置監(jiān)控日志事件預警邏輯，根據產生的日志事件級別記錄事件名稱和內容，并通過指令處理單元執(zhí)行對應方案。

2.4 自控算法邏輯單元

邊緣計算網關與其他數據采集的IoT網關設備不同之處在于可以根據應用場景和產品解決方案，單獨設置一些邊緣計算算法模型，實現(xiàn)離線系統(tǒng)和邊緣計算自控邏輯判別+執(zhí)行系統(tǒng)方案，自控算法邏輯單元也是邊緣計算網關自控系統(tǒng)方案的核心單元。

自控算法邏輯單元根據產品應用不同，有系統(tǒng)監(jiān)測算法模型和深度學習算法模型兩種應用方式，對應實現(xiàn)邊緣計算離線自控邏輯和數據精度自訓練的產品功能。算法模型可以云端或本地端完成功能升級，升級方式為升級客戶端軟件或單獨升級/替換自控算法邏輯單元。

邊緣計算網關內部集成系統(tǒng)監(jiān)測對象輪詢監(jiān)測算法邏輯，按照邏輯映射表和系統(tǒng)日志時間關聯(lián)邏輯完成實時監(jiān)控分析。

邊緣計算網關支持設備本地和云端數據訓練引擎，不斷提升特征值優(yōu)化訓練效率。邊緣計算網關支持云端和本地升級優(yōu)化原有算法庫，為提升邊緣計算網關算法訓練效率，采用FPGA算法模型狀態(tài)機設計和軟件數據庫管理的組合方案，比常用的軟件代碼算法庫方案有更大的擴展性和運算能力。

2.5 指令執(zhí)行控制單元

邊緣計算網關通過指令執(zhí)行控制單元完成自控邏輯系統(tǒng)的執(zhí)行功能，實現(xiàn)對閥門、PLC等控制和信息通信設備的實時控制和本地預警功能，執(zhí)行指令來源于經數據分類單元、數據累計分析單元和自控邏輯算法單元運算后的數據結構。運算單元完成數據分析計算后提供數據結果給指令執(zhí)行控制單元，執(zhí)行單元加載不同的現(xiàn)場總線規(guī)約和執(zhí)行碼完成指令下放，監(jiān)測指令通信對象設備的實時狀態(tài)信息，完成自控邏輯指令執(zhí)行結果的偵測和反饋。

以操作西門子PLC設備S7-200為例，當運算結果數據經判據運算CPU處理仲裁決策可以下放控制指令后，通過指令執(zhí)行運算單元加載現(xiàn)場總線協(xié)議下放執(zhí)行指令，完成對S7-200下放控制指令。同時，邊緣計算網關實時偵測當前設備的各項狀態(tài)，并將新下放的控制指令引起設備環(huán)境變化參數導入到各數據運算單元中進行數據分析。

3 綜述

本文創(chuàng)新性發(fā)明一套完整的邊緣計算網關自控邏輯，實現(xiàn)數據預處理、分類管理、算法自訓練、自控管理等邊緣計算自控系統(tǒng)，并可以通過云邊端協(xié)同的通信方案完成對邊緣計算網關自控系統(tǒng)和系統(tǒng)內各單元模塊的升級優(yōu)化管理。另，創(chuàng)新性發(fā)明近設備端的算法自訓練方法，可以針對采集設備端或數據來源端的原始數據不斷進行精度優(yōu)化、異常故障排除、同類/異類數據分類管理等，訓練后數據執(zhí)行的效率和實時性會比原有固態(tài)方式產品和云計算產品有顯著提升，可以實施準確地跟PLC、DCS等工業(yè)設備進行控制交互。按此方案研發(fā)，后續(xù)我們對于數據應用的實時性可以從小時、分鐘等級達到秒、毫秒等級，提升原有制造加工行業(yè)在數據利用、管理分析、實時控制等環(huán)節(jié)對數據精度和實時性的能力。邊緣計算網關自控系統(tǒng)可以根據實際應用場景不同，在企業(yè)內網中部署實施邊緣計算網關自控系統(tǒng)，在提升數據分析和應用管理高效的基礎下保證企業(yè)客戶的通信和信息安全。

參考文獻：

[1] 張駿.邊緣計算方法與工程實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2019.

[2] （美）克里斯·桑德斯（Chris，Sanders），（美）杰森·史密斯（Jason，Smith），著，李柏松，李燕宏.網絡安全監(jiān)控：收集、檢測和分析[M].李燕宏，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2016.

【通聯(lián)編輯：李雅琪】