基于MEC 的農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)字化車間改造研究

李亞飛

（西南交通大學(xué)希望學(xué)院， 四川 成都 610400）

引言

隨著我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化、自動(dòng)化程度的不斷提高，農(nóng)業(yè)機(jī)械制造業(yè)迎來了大量的訂單[1]。但是現(xiàn)階段我國的農(nóng)機(jī)制造業(yè)生產(chǎn)管理方式多為粗放式管理，產(chǎn)線缺乏完備的信息化管理系統(tǒng)，導(dǎo)致一些農(nóng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)出現(xiàn)了較大的產(chǎn)能缺口，一些生產(chǎn)問題也隨之暴露[2]。與此同時(shí)，隨著2022 年原油價(jià)格的不斷攀升，導(dǎo)致上游原材料的價(jià)格上漲，人工成本提升，降本增效成為農(nóng)機(jī)企業(yè)求生存的頭等大事[3]。而傳統(tǒng)的車間管理辦法大多依賴人工管理，產(chǎn)線數(shù)據(jù)分散且上傳、處理速度較慢，導(dǎo)致生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理較為困難，無法滿足快速迭代的市場(chǎng)變化、日益增高的產(chǎn)線速度需求與成本管控需求[4]。

隨著工業(yè)4.0 時(shí)代的到來，大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷完善與發(fā)展，傳統(tǒng)的農(nóng)機(jī)生產(chǎn)車間亟需新技術(shù)的改造升級(jí)以煥發(fā)新的生機(jī)活力[5]。不同于傳統(tǒng)車間“孤島”式的生產(chǎn)管理體系，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以通過布置大量的傳感器等監(jiān)測(cè)設(shè)備，通過無線網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控平臺(tái)實(shí)時(shí)掌握相關(guān)機(jī)械設(shè)備的工作狀態(tài)，及時(shí)維護(hù)、更換老化、損壞的零部件，全面了解和整合整個(gè)工廠的信息，全面感知生產(chǎn)過程與上下游的業(yè)務(wù)運(yùn)行情況。通過大數(shù)據(jù)技術(shù)手段可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的歸納整理，并對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行智能化監(jiān)控，對(duì)未來狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)、分析，打通車間與管理層之間的信息壁壘，最終產(chǎn)生的數(shù)字化車間可以極大地提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力[6]。

數(shù)字化車間的改造升級(jí)任重而道遠(yuǎn)，巨量的設(shè)計(jì)制造、工藝技術(shù)信息，以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)云計(jì)算技術(shù)都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，海量的數(shù)據(jù)容易導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)、運(yùn)算效率降低、寬帶成本升高等一系列的問題。但隨著移動(dòng)通信技術(shù)的不斷升級(jí)迭代，尤其是5G 技術(shù)的出現(xiàn)，為該問題的解決指出了新的方向。5G 技術(shù)作為新一代移動(dòng)通信技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)在于通信的高效率、低延時(shí)與安全抗干擾，這為農(nóng)業(yè)機(jī)械制造業(yè)的改造升級(jí)提供了一種新的思路，即移動(dòng)邊緣計(jì)算（mobile edge computing，MEC）?？梢詫EC 邊緣云視為公司局域網(wǎng)內(nèi)的一個(gè)私有云，實(shí)現(xiàn)邊緣位置的計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)通信和存儲(chǔ)等能力提升，把傳統(tǒng)的存儲(chǔ)、計(jì)算等工作下沉至邊緣處理，減輕云端壓力，降低響應(yīng)延時(shí)，提升運(yùn)算效率。

1 MEC 嵌入農(nóng)機(jī)制造體系架構(gòu)

雖然物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與云計(jì)算技術(shù)已經(jīng)初步引入并應(yīng)用到了工業(yè)生產(chǎn)體系中，但是受軟硬件技術(shù)的限制，仍然存在一些問題。例如為了搜集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)而在設(shè)備產(chǎn)線上布置的傳感器、工控機(jī)、網(wǎng)關(guān)等設(shè)備，這些設(shè)備只能起到簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)收集、上傳等基礎(chǔ)功能，但是其計(jì)算能力與承載能力較差，無法完成相關(guān)數(shù)據(jù)的處理。傳統(tǒng)的云計(jì)算技術(shù)一般為中心云模式，受網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的限制，大量的數(shù)據(jù)處理占用了網(wǎng)絡(luò)資源，無法滿足超低延時(shí)要求，同時(shí)在中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與計(jì)算，也存在著一定的信息保密隱患。

而MEC 則可以完美地解決上述問題，MEC 本質(zhì)上是邊緣基礎(chǔ)設(shè)施的云計(jì)算系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)的傳輸、計(jì)算、存儲(chǔ)等工作進(jìn)行邊緣處理，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的“無所不在”。通過無所不在的邊緣計(jì)算，可以有效降低響應(yīng)延時(shí)，提升運(yùn)算效率，解放中心云端的計(jì)算壓力，降低應(yīng)用成本。同時(shí)在數(shù)據(jù)的安全性方面，可以保證數(shù)據(jù)的計(jì)算處理均在工廠內(nèi)部，不需要上傳到云端，保證了數(shù)據(jù)安全。因此，可以考慮基于MEC 對(duì)現(xiàn)有的農(nóng)機(jī)生產(chǎn)制造工業(yè)體系架構(gòu)進(jìn)行改造升級(jí)，將其嵌入其中，如下頁圖1 所示。

將MEC 嵌入到現(xiàn)有的農(nóng)機(jī)生產(chǎn)制造體系中。不同于傳統(tǒng)的集中式部署，在MEC 嵌入農(nóng)機(jī)生產(chǎn)制造體系架構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)隨著業(yè)務(wù)向邊緣轉(zhuǎn)移，帶來了眾多優(yōu)勢(shì)：

1）數(shù)據(jù)傳輸采用無線傳輸，現(xiàn)場(chǎng)無需布置大量的數(shù)據(jù)傳輸線，使農(nóng)機(jī)生產(chǎn)制造現(xiàn)場(chǎng)更加干凈整潔，減少了對(duì)傳輸線路的維護(hù)，且產(chǎn)線設(shè)備在布置移動(dòng)時(shí)更加方便，沒有了拖線煩惱，提高了生產(chǎn)效率。

2）內(nèi)容分布化滿足了大帶寬的需求，不同于傳統(tǒng)的中心模式高帶寬需求，內(nèi)容進(jìn)行分布式部署可以降低對(duì)高寬帶的依賴，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)高清視頻監(jiān)控、AR、VR等技術(shù)的應(yīng)用，數(shù)據(jù)經(jīng)過邊緣側(cè)計(jì)算處理后，也只需將結(jié)果同步至云端即可。

3）超低時(shí)延，考慮到計(jì)算在邊緣位置進(jìn)行，無需上傳到中心云端，使得數(shù)據(jù)傳輸路徑更加短暫，進(jìn)一步降低了傳輸時(shí)間，控制信息的即時(shí)性較高，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，一觸即達(dá)。同時(shí)，私密數(shù)據(jù)也可在廠內(nèi)完成計(jì)算處理，可靠性與安全性也得到了進(jìn)一步的提高。

4）滿足巨量的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)需求，由于數(shù)據(jù)的處理計(jì)算、控制都在邊緣位置進(jìn)行，因此其可以支撐海量的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)需求。

2 工業(yè)邊緣計(jì)算平臺(tái)

設(shè)計(jì)MEC 想要更加契合地嵌入到農(nóng)機(jī)生產(chǎn)制造體系中來，需要完善兩個(gè)主要方向的設(shè)計(jì)：一是生產(chǎn)一線生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)的采集與反饋，二是具備各項(xiàng)功能工業(yè)賦能。其工業(yè)邊緣計(jì)算平臺(tái)設(shè)計(jì)，即工業(yè)終端模式如圖2 所示。

整個(gè)工業(yè)終端包含三個(gè)主要部分，一是整個(gè)農(nóng)機(jī)生產(chǎn)制造邊緣計(jì)算APP，可由第三方APP 提供方制作，或由農(nóng)機(jī)企業(yè)自主研發(fā)完成，其主要由應(yīng)用商店承載完成。二是整個(gè)工業(yè)終端的核心，即工業(yè)OS，其涵蓋組成部分眾多，功能包括：承擔(dān)APP 下載、更新的應(yīng)用商店，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)，用戶管理功能，時(shí)序數(shù)據(jù)庫和區(qū)塊鏈等數(shù)據(jù)服務(wù)，確保數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)不出廠、數(shù)據(jù)安全的安全服務(wù)，包含5G 切片、5GC、SDN 等的通信管理服務(wù)，以5G、WiFi 等為主體的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)服務(wù)，還有包括CNC、PLC、顯示器等在內(nèi)的外設(shè)驅(qū)動(dòng)服務(wù)，以及私有云、公有云在內(nèi)的多云管理服務(wù)。

考慮到該工業(yè)終端在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)營過程中，最為重要的兩大功能分別為數(shù)據(jù)的采集與處理。數(shù)據(jù)是整個(gè)農(nóng)機(jī)生產(chǎn)制造智能化體系的核心，小到設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，大到上下游供應(yīng)商、經(jīng)銷商的運(yùn)營情況，都是支撐整個(gè)智能制造體系運(yùn)行的基礎(chǔ)，從某種層面來講，數(shù)據(jù)是工廠的另一種資產(chǎn)。有了數(shù)據(jù)的支撐，還要有數(shù)據(jù)處理分析，考慮到農(nóng)機(jī)生產(chǎn)制造企業(yè)在運(yùn)營過程中每天都會(huì)產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，并且擁有著不同的數(shù)據(jù)格式、內(nèi)容，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納整合，剔除其中的無效數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，有時(shí)面對(duì)故障問題，還需要與歷史數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對(duì)分析等等，因此數(shù)據(jù)處理是工業(yè)終端的另一大核心功能。針對(duì)兩大核心功能，設(shè)計(jì)了工業(yè)邊緣云架構(gòu)，如圖3 所示。

為滿足設(shè)備數(shù)據(jù)的采集功能，其數(shù)據(jù)來源主要為：在生產(chǎn)制造設(shè)備上添加傳感器、儀表等監(jiān)測(cè)設(shè)備，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過5G 上傳下載。為了構(gòu)建更加開放的硬件體系結(jié)構(gòu)，支持軟PLC 技術(shù)。還有現(xiàn)場(chǎng)大量的攝像頭、網(wǎng)關(guān)等數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^協(xié)議解析、搭建基礎(chǔ)云平臺(tái)（虛擬機(jī)+云原生）以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳下載。在數(shù)據(jù)傳輸過程中要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將工業(yè)OT 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成IT 數(shù)據(jù)，格式統(tǒng)一的數(shù)據(jù)便于上傳、備份以及后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

數(shù)據(jù)的處理即工業(yè)大數(shù)據(jù)PaaS 功能，涵蓋兩類服務(wù)：工具類和服務(wù)類。工具類包括時(shí)序數(shù)據(jù)庫、嵌入式數(shù)據(jù)庫、AI 運(yùn)行框架等，基于需求進(jìn)行二次開發(fā)則可實(shí)現(xiàn)行業(yè)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)算法、事件、數(shù)據(jù)可視化等服務(wù)。

最終將MEC 封裝成適用于農(nóng)機(jī)生產(chǎn)制造體系的智能工業(yè)終端，經(jīng)過5G 聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)生產(chǎn)制造體系研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、運(yùn)維管理的智能化轉(zhuǎn)型。將MEC 應(yīng)用于農(nóng)機(jī)生產(chǎn)制造體系中來，本質(zhì)上是為了推進(jìn)車間工業(yè)體系的“信息化”與“自動(dòng)化”進(jìn)行“兩化融合”，以實(shí)現(xiàn)諸如：物聯(lián)網(wǎng)與實(shí)施控制、視頻監(jiān)控與機(jī)器視覺、工業(yè)AR/VR、智能機(jī)器人與物流追蹤等一系列功能的實(shí)現(xiàn)。采用MEC 技術(shù)既可以實(shí)現(xiàn)將傳統(tǒng)的存儲(chǔ)、計(jì)算等工作下沉至邊緣處理，減輕云端壓力，又可以與中心云進(jìn)行云邊協(xié)同，實(shí)現(xiàn)資源的統(tǒng)一調(diào)度、資源管理。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)生產(chǎn)制造企業(yè)的粗放式管理已經(jīng)不能滿足日益增長(zhǎng)的訂單量，對(duì)生產(chǎn)制造體系進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算技術(shù)改進(jìn)已成為大勢(shì)所趨。現(xiàn)階段，雖然物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與云計(jì)算技術(shù)已經(jīng)初步引入，并應(yīng)用到了工業(yè)生產(chǎn)體系中，但是受軟硬件技術(shù)的限制，仍然存在響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、運(yùn)算效率降低、寬帶成本升高等問題。隨著5G 技術(shù)的出現(xiàn)，為農(nóng)業(yè)機(jī)械制造業(yè)的改造升級(jí)提供了一種新的思路，即移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）。依托MEC，將其嵌入現(xiàn)有的農(nóng)機(jī)制造體系架構(gòu)中，并搭建工業(yè)邊緣計(jì)算平臺(tái)，設(shè)計(jì)工業(yè)邊緣云架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)生產(chǎn)制造體系研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、運(yùn)維管理的智能化轉(zhuǎn)型。