基于云計(jì)算的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)分析與設(shè)計(jì)

豐圣林

（青島大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266071）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與各類信息技術(shù)的研發(fā)，目前工業(yè)信息化也進(jìn)入了需要進(jìn)行變革發(fā)展的時(shí)期，傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)過程中單一的管理方式已經(jīng)不能滿足企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的需求，因此關(guān)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)及信息化技術(shù)的研究與應(yīng)用已經(jīng)成為熱點(diǎn)。其中典型的應(yīng)用就是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)等，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)各類數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集與存儲(chǔ)，通過云計(jì)算技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)分析與處理，從而獲取數(shù)據(jù)信息的價(jià)值，更高效地為工業(yè)領(lǐng)域提供信息化服務(wù)。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)集成了多種先進(jìn)的信息化發(fā)展技術(shù)，包括物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)以及機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)等。針對(duì)不同的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境部署各類傳感設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備，利用各類傳感節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)圖像、溫濕度及其他生產(chǎn)參數(shù)的快速采集，通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)送采集的數(shù)據(jù)信息，后續(xù)通過云計(jì)算技術(shù)的使用對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行預(yù)警與決策分析等。在整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，通過無線感知設(shè)備將這些數(shù)據(jù)信息發(fā)送到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，后臺(tái)能夠根據(jù)各類采集的數(shù)據(jù)信息對(duì)整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行異常監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)設(shè)備遠(yuǎn)程控制等，以此來對(duì)整個(gè)工業(yè)制造流程進(jìn)行調(diào)整與控制，促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)信息化、智能化水平的提升，降低企業(yè)管理成本。信息化與智能化工業(yè)生產(chǎn)中，云計(jì)算、傳感器、傳輸網(wǎng)絡(luò)是重要組成部分，能夠?qū)φ麄€(gè)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境與生產(chǎn)全流程進(jìn)行感知，有效監(jiān)測(cè)流程各個(gè)階段。

云計(jì)算是分布式計(jì)算的一種，通過網(wǎng)絡(luò)云將巨大的數(shù)據(jù)計(jì)算處理程序分解成無數(shù)個(gè)小程序，然后通過多部服務(wù)器組成的系統(tǒng)處理和分析這些小程序，得到結(jié)果后返回給用戶。云計(jì)算技術(shù)能夠?qū)Ρ姸嘤?jì)算機(jī)資源進(jìn)行協(xié)調(diào)與管理，突破空間與時(shí)間的限制，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的并發(fā)處理。云計(jì)算主要采用虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)，能夠高效地完成各類工業(yè)數(shù)據(jù)的備份、擴(kuò)展及遷移操作，可靠性與性價(jià)比較高。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的研發(fā)與設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)管理對(duì)象為各生產(chǎn)環(huán)境中的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過各類物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行采集。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備由不同類型的傳感器組成，管理人員能夠?qū)@些傳感器進(jìn)行狀態(tài)設(shè)置與管理，從而完成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息的采集、處理與分析工作[1]。在整個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建模分析過程中，統(tǒng)一建模語言（Unified Modeling Language，UML）的作用是提供可視化的軟件開發(fā)過程管理。通過各類UML可視化圖形與符號(hào)快速對(duì)各類用戶的需求、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行建模分析，引導(dǎo)客戶了解系統(tǒng)的開發(fā)內(nèi)容，完成整個(gè)系統(tǒng)原型的開發(fā)[2]。通過UML語言的應(yīng)用，技術(shù)人員能夠根據(jù)業(yè)務(wù)處理的需求生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表格。

1 工業(yè)互聯(lián)業(yè)務(wù)分析

通過確定整個(gè)系統(tǒng)中包括的用戶類型和這些用戶對(duì)應(yīng)的操作流程，以此來完成整個(gè)系統(tǒng)功能的建模。在整個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)用中，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完成對(duì)各類環(huán)境參數(shù)信息與視頻數(shù)據(jù)的采集，后續(xù)采用云計(jì)算技術(shù)對(duì)這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行記錄、分析與管理[3]。傳感器記錄整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的溫度、濕度等參數(shù)信息，監(jiān)控?cái)z像頭實(shí)時(shí)記錄整個(gè)工業(yè)制造流程。通過專門的圖像識(shí)別算法發(fā)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程中存在的異常狀況，根據(jù)處理需要及時(shí)進(jìn)行報(bào)警操作。在工業(yè)場(chǎng)景的處理中，根據(jù)需求及時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、云計(jì)算分析等，提升工業(yè)生產(chǎn)效率的同時(shí)降低人工管理成本。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)業(yè)務(wù)用例如圖1所示。

根據(jù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)業(yè)務(wù)用例建模分析，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能有參數(shù)采集、狀態(tài)采集、數(shù)據(jù)傳輸、確定協(xié)議、實(shí)時(shí)顯示、遠(yuǎn)程控制以及云計(jì)算分析。通過對(duì)業(yè)務(wù)功能的建模分析，能夠?yàn)橹圃煨推髽I(yè)打造信息化處理流程。在系統(tǒng)需求分析中，需要明確系統(tǒng)處理的功能。

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)順利開發(fā)，還需要進(jìn)行非功能需求分析。在非功能需求的分析中，核心考慮因素包括響應(yīng)時(shí)間與用戶并發(fā)性。在數(shù)據(jù)傳輸、流程控制、云計(jì)算分析中，響應(yīng)時(shí)間是影響用戶使用體驗(yàn)的重要因素。對(duì)此需要對(duì)各個(gè)功能進(jìn)行充分測(cè)試，最大響應(yīng)時(shí)間不超過3 s，整個(gè)系統(tǒng)的平均響應(yīng)時(shí)間不能超過2 s。對(duì)于響應(yīng)時(shí)間超過3 s的功能，需要通過業(yè)務(wù)邏輯程序的優(yōu)化來提升整體響應(yīng)速度[4]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行部署，由于系統(tǒng)存在多部門的用戶進(jìn)行管理與操作，因此需要對(duì)大用戶量訪問系統(tǒng)時(shí)的處理效果進(jìn)行測(cè)試與記錄，以此來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)并發(fā)訪問量最大達(dá)到500用戶時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)需要能夠穩(wěn)定地對(duì)外提供Web訪問服務(wù)。

2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)研究與設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

（1）安全性。在整個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中，安全性主要涉及采集端與平臺(tái)應(yīng)用端。采集端需要通過數(shù)據(jù)加密的方式來保障數(shù)據(jù)安全性，平臺(tái)端主要通過權(quán)限設(shè)置、殺毒軟件安裝等方式提升整個(gè)系統(tǒng)的安全性。

（2）界面使用友好性。此原則涉及用戶使用的友好度，根據(jù)整個(gè)平臺(tái)處理需求，界面信息提示應(yīng)簡(jiǎn)潔大方，不同類型的用戶操作之后及時(shí)進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能能夠快速響應(yīng)與處理。

（3）可維護(hù)性。在整個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的研發(fā)中，根據(jù)使用的效果進(jìn)行升級(jí)維護(hù)。在軟件平臺(tái)開發(fā)時(shí)，需要根據(jù)技術(shù)特點(diǎn)來降低各個(gè)功能模塊的耦合度，后續(xù)對(duì)這些程序升級(jí)時(shí)能夠快速操作[5]。

2.2 系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)計(jì)中，采用Java Web、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。整個(gè)平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)分為3層，如圖2所示。Java Web基于模型視圖控制器（Model-View-Controller，MVC）的體系進(jìn)行開發(fā)，可擴(kuò)展性高，整個(gè)業(yè)務(wù)邏輯程序之間的耦合度低。

在整個(gè)基于MVC模式實(shí)現(xiàn)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中，每一層的工作目標(biāo)與處理內(nèi)容不同。在此基礎(chǔ)上，需要完成核心主營業(yè)務(wù)的設(shè)計(jì)。

2.2.1 用戶層

用戶層主要的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為用戶提供良好的操作性。圍繞工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)各類現(xiàn)場(chǎng)用戶的處理需要，對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、實(shí)時(shí)顯示等多模塊進(jìn)行操作與處理，滿足用戶的操作需求。

2.2.2 業(yè)務(wù)邏輯層

在整個(gè)系統(tǒng)的分析交互中，根據(jù)整個(gè)前端用戶的操作需要來完成業(yè)務(wù)邏輯處理的實(shí)現(xiàn)與管理。具體針對(duì)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、實(shí)時(shí)顯示等業(yè)務(wù)功能進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，每一次的處理結(jié)果需要在用戶層進(jìn)行展示，整個(gè)操作過程的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。

2.2.3 數(shù)據(jù)層

在整個(gè)系統(tǒng)的不同架構(gòu)設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)層的核心工作目標(biāo)是為業(yè)務(wù)邏輯層與用戶層提供數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理。這些內(nèi)容存儲(chǔ)到不同的數(shù)據(jù)庫表格中，業(yè)務(wù)處理的同時(shí)需要實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新與存儲(chǔ)。各個(gè)數(shù)據(jù)庫表格通過持久化對(duì)象的方式完成更新，根據(jù)不同工業(yè)場(chǎng)景處理的需要選擇MySQL、MongDB等類型的數(shù)據(jù)庫。

2.3 平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

在整個(gè)平臺(tái)端業(yè)務(wù)的處理中，對(duì)各類數(shù)據(jù)信息進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)對(duì)出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行報(bào)警，方便人員對(duì)這些異常情況進(jìn)行處理。同時(shí)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)應(yīng)用方面的功能，方便技術(shù)人員定期對(duì)工業(yè)品生產(chǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析與統(tǒng)計(jì)。具體數(shù)據(jù)傳輸示意如圖3所示。

用戶登錄系統(tǒng)后，根據(jù)業(yè)務(wù)處理需要進(jìn)行參數(shù)顯示、流程控制、云計(jì)算分析等操作。傳感器的各類數(shù)據(jù)信息通過消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）傳輸?shù)椒?wù)器端，由服務(wù)器端的業(yè)務(wù)程序進(jìn)行處理，處理完成后傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫，后續(xù)利用云計(jì)算技術(shù)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)查看、分析處理。

3 結(jié) 論

應(yīng)用云原生思想，采用微服務(wù)架構(gòu)、Java Web等技術(shù)構(gòu)建輕量化的云原生應(yīng)用。系統(tǒng)具備云端部署、可遠(yuǎn)程訪問、彈性、共享、按需自助服務(wù)、高可用以及與位置無關(guān)等特征，使得整個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)易于遷移到云環(huán)境中部署運(yùn)行。與此同時(shí)，其兼容私有云、公有云、混合云的運(yùn)行環(huán)境，有利于企業(yè)后期總體優(yōu)化與升級(jí)。