基于邊緣計(jì)算的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：由于現(xiàn)代工業(yè)行業(yè)細(xì)分特別多，工業(yè)設(shè)備的工程信號(hào)有數(shù)百種之多，造成通訊協(xié)議成千上萬(wàn)種，提高了組建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的難度，制約工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，文章提出一種基于邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，可解決接入困難和分析困難等問(wèn)題，提高工廠的信息管理水平，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的透明化。

關(guān)鍵詞：邊緣計(jì)算；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；信息化

中圖分類號(hào)：TP393 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）31-0065-03

1 概述

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈和制造業(yè)改革創(chuàng)新升級(jí)浪潮的推動(dòng)下，傳統(tǒng)制造行業(yè)要想取得更高利潤(rùn)和競(jìng)爭(zhēng)力，單靠車間自動(dòng)化生產(chǎn)和制度管理已站不穩(wěn)腳跟。制造行業(yè)急需一套全新的數(shù)據(jù)信息化為依據(jù)的科學(xué)管理理念，幫助企業(yè)提質(zhì)增效、降本節(jié)能，同時(shí)也對(duì)設(shè)備提出更高的技術(shù)要求。本研究從設(shè)備的數(shù)據(jù)信息化管理入手，設(shè)計(jì)一種基于邊緣計(jì)算的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。

2 邊緣計(jì)算研究現(xiàn)狀

邊緣計(jì)算是在網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行計(jì)算的一種新型模型，最早由美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的 Satyanarayanan教授在文獻(xiàn)[1]中把邊緣計(jì)算描述為：“邊緣計(jì)算是一種新的計(jì)算模式， 這種模式將計(jì)算與存儲(chǔ)資源（例如：Cloudlet、微型數(shù)據(jù)中心或霧節(jié)點(diǎn)等）部署在更貼近移動(dòng)設(shè)備或傳感器的網(wǎng)絡(luò)邊緣。”美國(guó)韋恩州立大學(xué)的施巍松等人[2-3]把邊緣計(jì)算定義為：“邊緣計(jì)算是指在網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行計(jì)算的一種新型計(jì)算模式，邊緣計(jì)算中邊緣的下行數(shù)據(jù)表示云服務(wù)，上行數(shù)據(jù)表示萬(wàn)物互聯(lián)服務(wù)，而邊緣計(jì)算的邊緣是指從數(shù)據(jù)源到云計(jì)算中心路徑之間的任意計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)資源?！?邊緣計(jì)算的物理范圍見(jiàn)圖1所示。

當(dāng)前，邊緣計(jì)算的研究主要集中在移動(dòng)邊緣網(wǎng)絡(luò)、霧計(jì)算、小云（cloudlets） 、邊緣云和體系結(jié)構(gòu)等方面。美國(guó)韋恩州立大學(xué)施魏松教授是國(guó)內(nèi)外邊緣計(jì)算研究的引領(lǐng)者，他從邊緣計(jì)算基礎(chǔ)、邊緣計(jì)算系統(tǒng)平臺(tái)和典型應(yīng)用等多個(gè)方面對(duì)邊緣計(jì)算技術(shù)的研究給予了描述；文獻(xiàn)[3]從融合計(jì)算、緩存、通信角度對(duì)移動(dòng)邊緣網(wǎng)絡(luò)做了介紹；文獻(xiàn)[4]介紹邊緣計(jì)算發(fā)展歷程，總結(jié)推動(dòng)邊緣計(jì)算發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，說(shuō)明6種典型應(yīng)用，提出急需解決的6類問(wèn)題；文獻(xiàn) [5]從介紹邊緣計(jì)算的概念出發(fā)，比較了當(dāng)前有代表性的３個(gè)邊緣計(jì)算平臺(tái)，并通過(guò)一些應(yīng)用實(shí)例來(lái)分析邊緣計(jì)算在移動(dòng)應(yīng)用和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)；文獻(xiàn)[6]討論了邊緣計(jì)算能夠提供高效的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算體系架構(gòu)，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)和應(yīng)用核心能力為一體的邊緣開放平臺(tái)，提供高效、低時(shí)延的近端用戶服務(wù)；文獻(xiàn)[7]介紹了邊緣計(jì)算范式的系統(tǒng)架構(gòu)與其他計(jì)算范式的關(guān)系。然后分析了當(dāng)前邊緣計(jì)算中存在的安全威脅，并針對(duì)各種安全威脅探討了相應(yīng)的安全技術(shù)問(wèn)題；文獻(xiàn)[8]介紹了邊緣計(jì)算的概念、需解決的關(guān)鍵問(wèn)題和研究進(jìn)展，邊緣計(jì)算發(fā)展帶來(lái)的影響以及邊緣計(jì)算帶來(lái)的機(jī)遇和發(fā)展對(duì)策；文獻(xiàn)[9]闡述了邊緣計(jì)算中數(shù)據(jù)安全與隱私保護(hù)的研究背景，提出以數(shù)據(jù)安全為中心的研究體系架構(gòu)；文獻(xiàn)[10]通過(guò)對(duì)移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC） 網(wǎng)絡(luò)的基本原理、應(yīng)用場(chǎng)景，以及通信和計(jì)算的研究模型的闡述，提出了針對(duì)單用戶和多用戶 MEC 系統(tǒng)的綠色節(jié)能頻譜和計(jì)算資源綜合管理方案；文獻(xiàn)[11]闡述了面向物聯(lián)網(wǎng)的邊緣計(jì)算的概念和特征、應(yīng)用情況、產(chǎn)業(yè)界動(dòng)態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)化情況等；文獻(xiàn)[12]提出基于邊緣計(jì)算采集工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的方法，通過(guò)采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)對(duì)生產(chǎn)裝備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化改造；利用邊緣網(wǎng)關(guān)對(duì)采集到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、封裝和本地處理，實(shí)現(xiàn)邊緣云對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分流；文獻(xiàn)[14]提出數(shù)字孿生技術(shù)面向工業(yè)領(lǐng)域的互聯(lián)互通及智能化應(yīng)用，發(fā)揮連接物理世界和信息世界的橋梁與紐帶作用，將在工業(yè)生產(chǎn)、視頻監(jiān)控、人機(jī)交互等方面提供更加實(shí)時(shí)、智能、高效的服務(wù)。本文利用邊緣計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，提出基于邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。

3 邊緣計(jì)算的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)整體架構(gòu)

邊緣計(jì)算的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)分為設(shè)備數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)層和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)三個(gè)部分組成。在設(shè)備數(shù)據(jù)采集層中，在聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)設(shè)備中加裝邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)，對(duì)工業(yè)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和處理，并通過(guò)有線局域網(wǎng)絡(luò)LAN或I/O的方式上傳到部署于客戶機(jī)房的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。用戶可通過(guò)電腦瀏覽器或手機(jī)App實(shí)時(shí)地監(jiān)控設(shè)備數(shù)據(jù)和操作透明工廠系統(tǒng)軟件，而MES/ERP/TPM等第三方系統(tǒng)可通過(guò)局域網(wǎng)訪問(wèn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)私有化云平臺(tái)API接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字工廠的設(shè)備數(shù)據(jù)的調(diào)用；同時(shí)，可通過(guò)API接口將部分業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)寫入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)私有化云平臺(tái)。邊緣計(jì)算工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)整體架構(gòu)圖如圖2所示。

3.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)是一套包含終端系統(tǒng)、邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)、混合云平臺(tái)、手機(jī)App（需開通外網(wǎng)）、第三方JSON數(shù)據(jù)接口、客戶端、梯形圖編程軟件、云組態(tài)在內(nèi)的端云一體化設(shè)備云操作系統(tǒng)。具有在各種物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、設(shè)備云、工業(yè)4.0、自動(dòng)化工程中對(duì)數(shù)據(jù)的采集、遠(yuǎn)程控制、異地服務(wù)、遠(yuǎn)程編程、設(shè)備分析、報(bào)警故障、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等方面的功能。

其中服務(wù)器采用分布式大數(shù)據(jù)架構(gòu)，支撐海量的高速工業(yè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析和處理，服務(wù)器架構(gòu)圖如圖3 所示。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)體系安全級(jí)別較高，終端硬件無(wú)對(duì)外網(wǎng)接口，App采用微信小程序、操作日志可查、云服務(wù)器采用阿里云并享受支付寶同等安全保障、通信采用強(qiáng)加密非對(duì)稱加密編碼協(xié)議，無(wú)任何明文通信。

3.2 私有化平臺(tái)部署

為提高數(shù)據(jù)的安全性，將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)采用私有化部署到客戶本地機(jī)房，所有設(shè)備數(shù)據(jù)均通過(guò)本地局域網(wǎng)絡(luò)直接上傳到部署于客戶機(jī)房的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

3.3 數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是基于數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行信息化管理，而數(shù)據(jù)格式繁多，本設(shè)計(jì)的設(shè)備數(shù)據(jù)采集是在每臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的設(shè)備上加裝邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)，對(duì)不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，在邊緣端分析和處理，利用設(shè)備的串口/網(wǎng)口通信或I/O方式將采集的設(shè)備數(shù)據(jù)上傳到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)私有化服務(wù)器平臺(tái)。

現(xiàn)有設(shè)備中有網(wǎng)口通信、I/O通訊接口兩種形式。

針對(duì)具有網(wǎng)口通信的設(shè)備，邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)通過(guò)網(wǎng)口通訊的方式，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集聯(lián)網(wǎng)。

針對(duì)I/O通信的設(shè)備，邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)，通過(guò)I/O方式采集設(shè)備數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集聯(lián)網(wǎng)。

4 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的功能

通過(guò)邊緣數(shù)據(jù)采集、分析、傳輸?shù)皆破脚_(tái)實(shí)現(xiàn)邊云協(xié)調(diào)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)透明工廠、數(shù)字駕駛艙等多種功能。

4.1 透明工廠功能

透明工廠是一套面向離散制造的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，在設(shè)備聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過(guò)程的數(shù)字化，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備加工產(chǎn)量、工單進(jìn)度、設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)、設(shè)備故障告警等。透明工廠系統(tǒng)軟件主要功能模塊包含數(shù)字駕駛艙、電子看板、計(jì)劃排單、數(shù)字工位、品質(zhì)管理、能源管理、報(bào)表管理、數(shù)據(jù)管理等。解決從生產(chǎn)前的科學(xué)計(jì)劃排單，生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)時(shí)管控、生產(chǎn)后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，以及報(bào)表數(shù)據(jù)導(dǎo)出。通過(guò)客觀數(shù)據(jù)為生產(chǎn)、管理提供決策依據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程瓶頸，針對(duì)性進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，提高設(shè)備稼動(dòng)率、產(chǎn)品良品率，實(shí)現(xiàn)計(jì)劃可期、效率可見(jiàn)、工藝可控、質(zhì)量可溯的精益生產(chǎn)目標(biāo)，達(dá)到降本節(jié)能、提質(zhì)增效的目的。

4.2 數(shù)字駕駛艙功能

數(shù)字駕駛艙主要是對(duì)數(shù)字工廠生產(chǎn)情況的匯總，關(guān)鍵數(shù)據(jù)的展示，讓全廠生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)清晰透明，其具體包括設(shè)備生產(chǎn)產(chǎn)量數(shù)據(jù)、數(shù)字工廠稼動(dòng)率、良品率、OEE匯總數(shù)據(jù)以及故障告警數(shù)據(jù)等。

4.3 電子看板功能

電子看板主要用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理，實(shí)時(shí)監(jiān)控每臺(tái)設(shè)備運(yùn)行情況，有異常時(shí)會(huì)出現(xiàn)紅色、黃色告警提醒現(xiàn)場(chǎng)管理人員及時(shí)處理，也可以通過(guò)短信或者電話方式分級(jí)提醒。實(shí)時(shí)展示設(shè)備生產(chǎn)工單產(chǎn)量、班次產(chǎn)量、日產(chǎn)量，生產(chǎn)節(jié)拍、工單進(jìn)度、工單預(yù)計(jì)完成時(shí)間和稼動(dòng)率等，可實(shí)現(xiàn)跨部門數(shù)據(jù)協(xié)同，可為科學(xué)排單提供數(shù)據(jù)支撐，可為前后工序提供協(xié)同提醒，實(shí)現(xiàn)高效銜接，提高協(xié)同效率。

4.4 計(jì)劃排單功能

計(jì)劃排單模塊實(shí)時(shí)查看每臺(tái)設(shè)備工單加工進(jìn)度情況，生產(chǎn)計(jì)劃人員綜合設(shè)備運(yùn)行情況以及銷售訂單交付情況，把ERP工單數(shù)據(jù)與設(shè)備關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備加工數(shù)據(jù)與工單的關(guān)聯(lián)。主要包括工單計(jì)劃產(chǎn)量數(shù)、生產(chǎn)理論節(jié)拍、實(shí)時(shí)工單產(chǎn)量、節(jié)拍、工單進(jìn)度、預(yù)計(jì)完成時(shí)間等。可以根據(jù)工單完成進(jìn)度進(jìn)行排序，也可實(shí)現(xiàn)插單、掛單等操作。計(jì)劃排單模塊主要是根據(jù)設(shè)備實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)科學(xué)排單，提高設(shè)備利用率。

4.5 品質(zhì)管理功能

品質(zhì)管理主要包含兩個(gè)方面，一方面是對(duì)關(guān)鍵品質(zhì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，超閾值預(yù)警，及時(shí)解決問(wèn)題，減少不良品的產(chǎn)出，還可針對(duì)在后續(xù)環(huán)節(jié)對(duì)不良品生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行追溯。另一方面針對(duì)已經(jīng)生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品，在質(zhì)檢環(huán)節(jié)錄入不良品數(shù)量、不良品原因，再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，持續(xù)性優(yōu)化，并輸出不良品報(bào)表。

4.6 能源管理功能

能源管理主要是工廠水電氣進(jìn)行能源管控，統(tǒng)計(jì)分析、實(shí)現(xiàn)設(shè)備能耗與關(guān)聯(lián)生產(chǎn)，監(jiān)控單品能耗，做到成本的精細(xì)化管控。能源管理可嵌入生產(chǎn)中監(jiān)控生產(chǎn)能耗、待機(jī)能耗等，降低總能耗、單品能耗、班次能耗、日/月能耗、待機(jī)能耗、單品能耗等，實(shí)現(xiàn)管理節(jié)能，減少能源浪費(fèi)，科學(xué)節(jié)能改造，降低能耗成本。

4.7 報(bào)表管理功能

報(bào)表管理主要對(duì)生產(chǎn)管理關(guān)注的數(shù)據(jù)表格化，按日查詢、導(dǎo)出。報(bào)表主要圍繞OEE的三類報(bào)表，生產(chǎn)報(bào)表主要包含每個(gè)機(jī)臺(tái)生產(chǎn)產(chǎn)量、班次產(chǎn)量、工單產(chǎn)量、運(yùn)行時(shí)間、停機(jī)時(shí)間和稼動(dòng)率。

停機(jī)分析報(bào)表主要包含每個(gè)機(jī)臺(tái)停機(jī)的時(shí)間、停機(jī)的原因匯總，可針對(duì)性追溯，持續(xù)性改善，從而減少停機(jī)次數(shù)和停機(jī)時(shí)間。

不良品分析報(bào)表主要包含每個(gè)機(jī)臺(tái)不良品數(shù)量、不良品的原因，可針對(duì)性追溯，持續(xù)性改善，從而減少不良品率。

4.8 數(shù)據(jù)管理功能

4.8.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

對(duì)車間設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間可按照客戶需求進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)?shù)竭_(dá)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的設(shè)定時(shí)間后，超期的數(shù)據(jù)將會(huì)被覆蓋。在數(shù)據(jù)有效期內(nèi)，客戶可隨時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)曲線查看設(shè)備歷史數(shù)據(jù)，同時(shí)第三方系統(tǒng)可通過(guò)API接口調(diào)用設(shè)備歷史數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備歷史數(shù)據(jù)追溯。

4.8.2 數(shù)據(jù)對(duì)接

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)開放API接口供第三方系統(tǒng)（MES、ERP、TPM等系統(tǒng)）獲取數(shù)據(jù)，第三方系統(tǒng)通過(guò)HTTPS協(xié)議訪問(wèn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)私有化平臺(tái)數(shù)據(jù)接口，第三方軟件系統(tǒng)可通過(guò)json格式主動(dòng)獲取工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)私有化平臺(tái)數(shù)據(jù)，包含實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

基于邊緣計(jì)算的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)可大大提升企業(yè)生產(chǎn)管理信息化水平，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的透明化。并且可作為工廠信息化的底座，后續(xù)延展與APS排程、生產(chǎn)管理系統(tǒng)MES、智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)WMS等進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)透明，高效協(xié)同、提高良品率、提高機(jī)臺(tái)稼動(dòng)率、降低能耗、提升信息化水平。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】

收稿日期：2022-06-20

基金項(xiàng)目：湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（20C0867）

作者簡(jiǎn)介：高見(jiàn)芳（1975—） ，男，湖南郴州人，副教授，碩士，研究方向?yàn)樾畔⑻幚怼?/p>