智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)解析

宋新遠(yuǎn)

(中國(guó)電信江蘇公司，江蘇 南京 210001)

現(xiàn)代信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得社會(huì)進(jìn)入第四次工業(yè)革命階段，技術(shù)的不斷革新與融合發(fā)展，讓制造業(yè)走上了智能化發(fā)展方向，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)控也成為現(xiàn)代制造業(yè)的轉(zhuǎn)型目標(biāo)。當(dāng)前，智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)了深入融合，該系統(tǒng)的構(gòu)建為提高智能制造水平提供了輔助。不過(guò)，為了讓智能制造業(yè)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)地融合發(fā)展，就必須建立明確而清晰的技術(shù)架構(gòu)。

1 智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)

在實(shí)踐工作當(dāng)中，智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)可以與物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)相對(duì)應(yīng)，其具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1 所示。在這一環(huán)節(jié)，筆者將對(duì)智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)當(dāng)中的節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)技術(shù)框架進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)技術(shù)架構(gòu)內(nèi)容和特點(diǎn)的分層拆解，讓智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)變得更加容易理解。

圖1 智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)的對(duì)應(yīng)

1.1 節(jié)點(diǎn)分析

智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)的節(jié)點(diǎn)，即WSCN 節(jié)點(diǎn)位于整體架構(gòu)的最底層，在終端設(shè)備當(dāng)中它屬于智能單元并發(fā)揮著實(shí)時(shí)采集、處理終端數(shù)據(jù)，分析控制終端對(duì)象的重要作用。而且，WSCN 節(jié)點(diǎn)還擁有良好的通信功能。在實(shí)踐中，WSCN 節(jié)點(diǎn)的硬件核心是微控制模塊，其內(nèi)部設(shè)有CPU、儲(chǔ)存器、定時(shí)器以及多種輸入輸出接口。節(jié)點(diǎn)運(yùn)作時(shí)，該模塊將起到整合、處理數(shù)據(jù)和調(diào)度任務(wù)的作用；WSCN 節(jié)點(diǎn)當(dāng)中的感知模塊、電源模塊、控制模塊和無(wú)線射頻模塊都與微控制其模塊相連。WSCN 節(jié)點(diǎn)的軟件功能主要與數(shù)據(jù)和控制有關(guān)，其基本功能包括采集、處理、整合、解析數(shù)據(jù)和執(zhí)行控制等內(nèi)容；而且存在分層關(guān)系，WSCN 節(jié)點(diǎn)軟件功能由實(shí)際應(yīng)用層、通信協(xié)議層和軟件構(gòu)件層組合而成。開發(fā)WSCN 節(jié)點(diǎn)程序時(shí)，技術(shù)人員將基于底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件、應(yīng)用級(jí)軟件構(gòu)件和通用級(jí)軟件構(gòu)件來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件構(gòu)件技術(shù)方法的有效應(yīng)用。

對(duì)于技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，構(gòu)建智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)的WSCN 節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要對(duì)節(jié)點(diǎn)硬件進(jìn)行合理選擇。此時(shí)，應(yīng)該經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性、多樣性(接口)、穩(wěn)定性(有效抗干擾)原則選用WSCN 節(jié)點(diǎn)硬件，而且這些硬件還需要擁有儲(chǔ)存和處理數(shù)據(jù)的功能。編寫WSCN 節(jié)點(diǎn)程序時(shí)，相關(guān)工作人員可以選擇使用RTOS 設(shè)計(jì)嵌入式軟件，并為WSCN 節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)初始化、指示燈、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)解幀、數(shù)據(jù)采集等任務(wù)。

1.2 網(wǎng)關(guān)分析

智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中的網(wǎng)關(guān)，主要用于實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與感知網(wǎng)絡(luò)的有效連接，它可以被視為數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的中轉(zhuǎn)站。通常來(lái)說(shuō)，智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中，應(yīng)該設(shè)有GPRS/ETH-WSCN 網(wǎng)關(guān)。為了明確GPRS/ETH-WSCN 網(wǎng)關(guān)的技術(shù)框架，我們可以對(duì)他的軟件功能與硬件體系進(jìn)行解析。從GPRS/ETH-WSCN 網(wǎng)關(guān)的硬件體系上來(lái)看，WSCN 節(jié)點(diǎn)的通信模塊、主控系統(tǒng)模塊、GPRS/ETH 模塊以及電源模塊都屬于網(wǎng)關(guān)硬件，它們組合成整體后與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)；其中最為重要模塊是主控系統(tǒng)模塊，它擁有功能獨(dú)立的特性，但也發(fā)揮著協(xié)調(diào)其他模塊運(yùn)行的作用，是數(shù)據(jù)接收、處理和轉(zhuǎn)發(fā)的關(guān)鍵性設(shè)備。

在軟件功能方面，GPRS/ETH-WSCN 網(wǎng)關(guān)的軟件功能主要與通信相關(guān)，具有轉(zhuǎn)換通信格式、接入網(wǎng)絡(luò)和處理轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的功能。事實(shí)上，技術(shù)人員開發(fā)GPRS/ETH-WSCN 網(wǎng)關(guān)程序時(shí)，需要使用的軟件構(gòu)件類型與WSCN 節(jié)點(diǎn)程序相同，程序的開發(fā)思路也十分相似。在實(shí)際作業(yè)環(huán)節(jié)，相關(guān)工作人員必須從實(shí)踐出發(fā)，深入分析應(yīng)用場(chǎng)景的多樣性和“智能制造+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)體系的使用需求，從而保證互聯(lián)網(wǎng)的接入方式合理。將GPRS/ETH-WSCN 網(wǎng)關(guān)應(yīng)用到智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)當(dāng)中，就是利用GPRS 承載無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，利用以太網(wǎng)承載數(shù)據(jù)交互業(yè)務(wù)；這樣一來(lái)，既可以保證數(shù)據(jù)傳輸效率、網(wǎng)絡(luò)通道切換靈活、數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)自由，又能夠切實(shí)降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎囊约八芨蓴_，更可以提高數(shù)據(jù)傳輸兼容性。此外，GPRS/ETH-WSCN 網(wǎng)關(guān)程序開發(fā)人員，還需要高度重視公共擴(kuò)展底板的電路設(shè)計(jì)和整體測(cè)試，以便于為確保使用安全和性能穩(wěn)定做好充足準(zhǔn)備。

2 技術(shù)架構(gòu)當(dāng)中的偵聽程序和數(shù)據(jù)庫(kù)

智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系的層次極為清晰，使用環(huán)節(jié)的技術(shù)要求也相對(duì)較高，在技術(shù)架構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中，數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)。從數(shù)據(jù)傳輸與處理的角度來(lái)看，偵聽程序發(fā)揮了“承上啟下”作用，而數(shù)據(jù)庫(kù)則發(fā)揮著輔助數(shù)據(jù)交互的作用。

2.1 偵聽程序分析

所謂偵聽程序，就是智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)當(dāng)中的服務(wù)端運(yùn)行軟件，它能夠與GPRS/ETH-WSCN 網(wǎng)關(guān)一同開展數(shù)據(jù)交換和處理，用戶所下達(dá)的指令也將通過(guò)人機(jī)交互軟件發(fā)送給GPRS/ETH-WSCN 網(wǎng)關(guān)。所以說(shuō)，在GPRS/ETH-WSCN 網(wǎng)關(guān)以及人機(jī)交互軟件當(dāng)中，偵聽程序扮演通信媒介的角色，為二者構(gòu)建了良好的通信通道，保障了數(shù)據(jù)傳輸處理的有效性。偵聽程序的執(zhí)行流程如圖2 所示。

圖2 偵聽程序的執(zhí)行流程

在智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)當(dāng)中，應(yīng)用了軟件分層思想，為提高程序功能擴(kuò)展便捷性、縮短迭代開發(fā)周期、減少工作量、提高研發(fā)效率和增加程序測(cè)試方便度提供了保障。當(dāng)前，偵聽程序技術(shù)框架內(nèi)共包含三個(gè)邏輯層級(jí)，分別是發(fā)揮著網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用作用。其中，網(wǎng)絡(luò)通信層負(fù)責(zé)接收與發(fā)送Socket 數(shù)據(jù)流；數(shù)據(jù)處理層中分為上行下行數(shù)據(jù)包處理兩個(gè)模塊，用于處理數(shù)據(jù)；應(yīng)用層則分為多種應(yīng)用模塊，用于滿足差異化項(xiàng)目的多樣化需求。從偵聽程序開發(fā)角度來(lái)看，在智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中技術(shù)人員將采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄩ_發(fā)軟件，為提高開發(fā)效率、增強(qiáng)系統(tǒng)維護(hù)便捷性、提高擴(kuò)展與重用簡(jiǎn)易性和降低開發(fā)成本提供了極大保障。

在實(shí)踐工作中，為保證偵聽程序的可用性，技術(shù)人員必須分別對(duì)各個(gè)邏輯層級(jí)進(jìn)行性能測(cè)試，而在這一過(guò)程中往往會(huì)遇到虛連接問題。這一問題具體表現(xiàn)為，偵聽程序與GPRS/ETH-WSCN 網(wǎng)關(guān)在通信過(guò)程中，連接中斷但未被發(fā)覺，所以被稱為虛連接。解決這一問題，需要確保GPRS/ETH-WSCN網(wǎng)關(guān)與偵聽程序之間擁有暢通、穩(wěn)定且可控的鏈路。比如，引入心跳包，用以維護(hù)鏈路、發(fā)送有效數(shù)據(jù)；引入應(yīng)答機(jī)制，確保通信渠道可控。當(dāng)然，在這一過(guò)程中還可能出現(xiàn)輪詢時(shí)間控制不當(dāng)?shù)那闆r。一旦出現(xiàn)，導(dǎo)致輪詢頻率控制不佳，系統(tǒng)性能降低、響應(yīng)速率變慢，更會(huì)讓用戶體驗(yàn)變差。為解決這一問題，相關(guān)工作人員需要從數(shù)據(jù)交互的角度出發(fā)，提高技術(shù)架構(gòu)整體的銜接流暢性和性能可靠性。被引入偵聽程序當(dāng)中的Socket 機(jī)制將成為保證偵聽程序與GPRS/ETH-WSCN 網(wǎng)關(guān)和人機(jī)交互軟件有效交互的基礎(chǔ)，此時(shí)技術(shù)人員必須通過(guò)提高技術(shù)控制水平，保證人機(jī)交互軟件命令下達(dá)后能夠及時(shí)告知偵聽程序，而且偵聽程序可以立即從數(shù)據(jù)表當(dāng)中提取命令，從而提高系統(tǒng)性能。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)分析

智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)的運(yùn)行必須以數(shù)據(jù)作為支撐，數(shù)據(jù)交互是這一架構(gòu)的主要作用。人機(jī)交互軟件、偵聽程序之間的數(shù)據(jù)交互處理和同步，都必須以數(shù)據(jù)庫(kù)為中間件，所以數(shù)據(jù)庫(kù)的性能將直接影響整體架構(gòu)的性能。從這一角度來(lái)看，智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)中的數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)，必須以滿足數(shù)據(jù)使用需求、優(yōu)化數(shù)據(jù)處理邏輯和便于運(yùn)行維護(hù)為建設(shè)要求。

從實(shí)際情況來(lái)看，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)框架設(shè)計(jì)步驟相對(duì)較多。技術(shù)人員必須選完成整體規(guī)劃和需求分析，從而確定數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與建設(shè)的具體方向，然后再對(duì)概念結(jié)構(gòu)、邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而后還需要確保數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)劃方案得以順利實(shí)施，并制定完善的運(yùn)行維護(hù)方案。在這一環(huán)節(jié)，需要重點(diǎn)關(guān)注關(guān)系模型規(guī)范化，以便于加快數(shù)據(jù)庫(kù)的整體操作速度、規(guī)避數(shù)據(jù)冗余風(fēng)險(xiǎn)、增加有效儲(chǔ)存空間和減少系統(tǒng)I/O 次數(shù)，讓數(shù)據(jù)的一致性擁有保障。現(xiàn)階段，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)有第一范式、第二范式、第三范式、Boyce-Codd 范式、第四范式、第五范式等六種類型，他們之間有著十分明確的層級(jí)之分且級(jí)別越高要求越嚴(yán)格。在分析數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)框架時(shí)，相關(guān)工作人員還應(yīng)該對(duì)數(shù)據(jù)表的設(shè)計(jì)問題加以重視。通常來(lái)說(shuō)，可用于智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)表有三種類型：

(1)完全保留型數(shù)據(jù)表。這種數(shù)據(jù)表是無(wú)法修改的，無(wú)論是表名還是結(jié)構(gòu)都是十分固定且不可改的。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，即便項(xiàng)目不同它也不會(huì)發(fā)生變化。比如，用戶信息表、用戶操作記錄表、心跳包表、命令管控表。

(2)部分保留型數(shù)據(jù)表。這種數(shù)據(jù)表存在部分可修改的特點(diǎn)，修改時(shí)應(yīng)該從項(xiàng)目的實(shí)際需求出發(fā)。網(wǎng)關(guān)信息表、網(wǎng)關(guān)狀態(tài)表、節(jié)點(diǎn)信息表節(jié)點(diǎn)狀態(tài)表、偵聽程序信息表和偵聽程序狀態(tài)表都屬于這種類型。

(3)自定義型數(shù)據(jù)表。這種數(shù)據(jù)表的靈活性極高，與項(xiàng)目的新增功能有關(guān)，所以無(wú)論是數(shù)據(jù)表的名字還是內(nèi)容都會(huì)隨項(xiàng)目變化而變化。

3 人機(jī)交互軟件技術(shù)的框架

人機(jī)交互軟件直接服務(wù)于智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)用戶，它不僅能夠收集和顯示實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，充當(dāng)命令發(fā)布的通道，更可以基于圖形化界面為用戶提供多元化服務(wù)。通常來(lái)說(shuō)，人機(jī)交互軟件的基本功能模塊包括用戶管理、系統(tǒng)維護(hù)、設(shè)備管理和信息管理，其具體分布情況如圖3 所示。

圖3 人機(jī)交互軟件功能框架

人機(jī)交互軟件的技術(shù)框架中，共分為4 個(gè)層級(jí)，分別是實(shí)體層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層和表示層。軟件的公共模塊包括網(wǎng)關(guān)配置模塊、節(jié)點(diǎn)配置模塊、心跳包顯示模塊和通路測(cè)試模塊。開發(fā)人機(jī)交互軟件時(shí)，技術(shù)人員可以選擇采用客戶機(jī)/服務(wù)器模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而保證軟件具有高速響應(yīng)功能、個(gè)性化服務(wù)功能，能夠?yàn)橛行幚韽?fù)雜業(yè)務(wù)流程和高效完成事務(wù)奠定基礎(chǔ)。為了進(jìn)一步提高軟件性能，相關(guān)工作人員也可以采用瀏覽器/服務(wù)器模式對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，使開發(fā)成本、工作量都得到有效降低。

4 結(jié)論

綜上所述，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融入，為智能制造體系架構(gòu)的完善提供了輔助，將會(huì)從網(wǎng)絡(luò)協(xié)同、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)互聯(lián)等方面為智能制造業(yè)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。對(duì)于智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)來(lái)說(shuō)，WSCN 節(jié)點(diǎn)、GPRS/ETH-WSCN 網(wǎng)關(guān)、偵聽程序、數(shù)據(jù)庫(kù)與人機(jī)交互軟件都是不可或缺部分，也是技術(shù)架構(gòu)解析的重點(diǎn)。