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摘要：針對(duì)試驗(yàn)臺(tái)采集的數(shù)據(jù)量巨大，需要高實(shí)時(shí)計(jì)算處理能力的問題，現(xiàn)有的云計(jì)算架構(gòu)無法滿足要求。本文引入邊緣計(jì)算的架構(gòu)模式，設(shè)計(jì)應(yīng)用于試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)架構(gòu)，打破原有云計(jì)算的限制，提高實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析能力，并對(duì)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)架構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：試驗(yàn)臺(tái)；數(shù)據(jù)采集；邊緣計(jì)算

1　引言

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，工業(yè)數(shù)據(jù)量大，協(xié)議種類繁多，并且計(jì)算要求較高的實(shí)時(shí)性，傳統(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)，無法與上層企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)相融合。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計(jì)算的大力發(fā)展，越來越多的企業(yè)追求IT與OT融合，但是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的云計(jì)算無法完全滿足工業(yè)數(shù)據(jù)高實(shí)時(shí)性計(jì)算等要求。

邊緣計(jì)算通過靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，為應(yīng)用提供融合計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)等資源[1]。邊緣計(jì)算將傳統(tǒng)上的計(jì)算、存儲(chǔ)與業(yè)務(wù)服務(wù)能力從集中化的算力中心朝向貼近用戶側(cè)/服務(wù)側(cè)的網(wǎng)絡(luò)邊緣實(shí)現(xiàn)部署，以減小網(wǎng)絡(luò)傳輸對(duì)于算力實(shí)時(shí)性的損耗，提供面向邊緣的智能化服務(wù)[2]。其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)打破了云網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在工業(yè)領(lǐng)域的限制，在邊緣計(jì)算中，數(shù)據(jù)不需要傳回服務(wù)器，可以減少延遲，提高性能，而且操作過程和數(shù)據(jù)計(jì)算不需要再發(fā)往服務(wù)器端，因此不會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中被攻擊，安全可靠。

高速列車的試驗(yàn)數(shù)據(jù)量巨大，為TB級(jí)數(shù)據(jù)，如此巨大的數(shù)據(jù)量，無法實(shí)時(shí)向網(wǎng)絡(luò)云服務(wù)器傳輸；數(shù)據(jù)分析計(jì)算公式繁瑣，如果采用云計(jì)算的方式實(shí)時(shí)獲取計(jì)算結(jié)果，會(huì)占用大量資源；并且龐大的數(shù)據(jù)量導(dǎo)致若干通路堵塞，更加大延遲。

本文設(shè)計(jì)了一種邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)，可以對(duì)試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)在邊緣側(cè)進(jìn)行解析處理，實(shí)現(xiàn)有效存儲(chǔ)，并能低延時(shí)與云端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

2　架構(gòu)設(shè)計(jì)

邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的整體架構(gòu)包括連接運(yùn)行時(shí)以及網(wǎng)關(guān)運(yùn)行時(shí)，如圖1所示。

圖1 邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)架構(gòu)

2.1　連接運(yùn)行時(shí)

連接運(yùn)行時(shí)是網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)采集執(zhí)行模塊，核心組件為驅(qū)動(dòng)庫。驅(qū)動(dòng)庫采用松耦合的微服務(wù)模式，針對(duì)每種設(shè)備的不同協(xié)議，采用不同的驅(qū)動(dòng)。目前能夠支持的交互設(shè)備協(xié)議包括PLC、LabView、DCS、過程總線、以太網(wǎng)總線以及OPC UA。

用戶能夠針對(duì)不同的協(xié)議，在驅(qū)動(dòng)庫中啟用適配的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。目前邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)支持廣泛可用驅(qū)動(dòng)包括Modbus、TCP、ModbusRTU、HART、西門子全系列PLC、歐姆龍全系列PLC、施耐德電氣全系列PLC、IEC101/104等工業(yè)協(xié)議。

網(wǎng)關(guān)連接器的運(yùn)行環(huán)境支持C語言以及JAVA語言。同時(shí)網(wǎng)關(guān)提供C語言以及JAVA語言的開發(fā)接口，用戶可以不斷豐富驅(qū)動(dòng)庫。

2.2　網(wǎng)關(guān)運(yùn)行時(shí)網(wǎng)關(guān)運(yùn)行時(shí)是網(wǎng)關(guān)邏輯執(zhí)行的核心模塊，包括以下七大模塊。

（1）驅(qū)動(dòng)管理模塊

驅(qū)動(dòng)管理模塊是對(duì)連接器運(yùn)行時(shí)中的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行管理。驅(qū)動(dòng)上傳功能向網(wǎng)關(guān)運(yùn)行時(shí)上傳新驅(qū)動(dòng)包；驅(qū)動(dòng)配置對(duì)上傳的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行配置，如運(yùn)行參數(shù)、數(shù)據(jù)訪問路徑、數(shù)據(jù)點(diǎn)表配置；驅(qū)動(dòng)安裝將驅(qū)動(dòng)安裝至連接運(yùn)行時(shí)的驅(qū)動(dòng)庫中，直接與數(shù)據(jù)采集設(shè)備對(duì)接，解析數(shù)采協(xié)議。驅(qū)動(dòng)卸載對(duì)連接器運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)庫中的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行停止運(yùn)行。

（2）數(shù)據(jù)緩存區(qū)

工業(yè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)量巨大，并且存在噪聲數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)緩存區(qū)是對(duì)連接器運(yùn)行時(shí)采集的結(jié)果數(shù)據(jù)的緩沖，目的是在進(jìn)行持久化存儲(chǔ)前，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、降噪，篩選出實(shí)時(shí)有效的數(shù)據(jù)進(jìn)行持久化存儲(chǔ)，采用輕量級(jí)數(shù)據(jù)表、內(nèi)存緩存映射表，例如SQLLite、Redis等。

（3）存儲(chǔ)管理

邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)能夠在邊緣側(cè)對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行持久化存儲(chǔ)。存儲(chǔ)管理模塊包括數(shù)據(jù)庫配置、模式配置以及實(shí)時(shí)管理。

數(shù)據(jù)庫配置是對(duì)存儲(chǔ)管理中的數(shù)據(jù)庫執(zhí)行的相關(guān)配置，如驅(qū)動(dòng)、端口、路徑等常規(guī)基本配置。模式配置是對(duì)數(shù)據(jù)的解析存儲(chǔ)配置，篩選有效信息進(jìn)行持久化存儲(chǔ)。實(shí)時(shí)管理是對(duì)持久化存儲(chǔ)的啟動(dòng)、停止操作。持久化存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫一般采用高效的key-value數(shù)據(jù)庫。

（4）可靠性管理

可靠性管理是對(duì)數(shù)據(jù)采集的報(bào)警管理，用戶利用報(bào)警設(shè)置功能，自定義報(bào)警規(guī)則，能夠?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警分析，并能夠?qū)?bào)警進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行追蹤，掌握?qǐng)?bào)警設(shè)備信息。邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)提供解釋型語言的腳本解釋器，用戶可以編寫報(bào)警腳本執(zhí)行報(bào)警邏輯。

（5）數(shù)據(jù)解析

數(shù)據(jù)解析模塊具有對(duì)數(shù)據(jù)的基本解析計(jì)算能力，能夠?qū)W(wǎng)關(guān)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行公式計(jì)算、分析，提供給數(shù)據(jù)展示平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)展示，是邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的核心計(jì)算模塊。

（6）數(shù)據(jù)展示

邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)對(duì)數(shù)據(jù)分析結(jié)果提供數(shù)據(jù)展示平臺(tái)，包括動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)折線圖、餅狀統(tǒng)計(jì)圖、柱狀圖等圖形化展示，數(shù)據(jù)展示效果均為動(dòng)態(tài)可配置。

（7）出口管理

邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)提供豐富的北向接口，能夠?qū)崟r(shí)與網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)交互，接口包括MQTT、OPC UA、HTTP以及RestFul接口。數(shù)據(jù)格式可配置，支持用戶對(duì)于云平臺(tái)所需數(shù)據(jù)格式的自由配置。

2.3　安全與權(quán)限控制

邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)軟硬件遵循《信息等級(jí)保護(hù)2.0標(biāo)準(zhǔn)》，完善的安全機(jī)制保證客戶在快速組網(wǎng)的同時(shí)無需擔(dān)心安全問題。如圖2所示。

圖2 安全機(jī)制

包括以下模塊。

• 防護(hù)模塊：防護(hù)模塊進(jìn)行身份認(rèn)證、訪問控制、加解密傳輸；

• 檢測模塊：檢測模塊進(jìn)行入侵檢測、安全審計(jì)；

• 策略模塊：策略模塊進(jìn)行讀寫規(guī)則設(shè)置、過濾規(guī)則設(shè)置、應(yīng)急處理設(shè)置；

• 評(píng)估模塊：評(píng)估模塊用于設(shè)備自檢。

3　應(yīng)用實(shí)現(xiàn)及對(duì)比分析

3.1　硬件配置

邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)在現(xiàn)場部署的全部器件按工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)選型。加厚金屬外殼，堅(jiān)固耐用。外殼和系統(tǒng)安全隔離，耐高低溫（-35℃~75℃）、寬壓（5V~35V），專為保證惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行而設(shè)計(jì)。高標(biāo)準(zhǔn)EMC電磁兼容，在強(qiáng)電磁環(huán)境中穩(wěn)定工作。硬件配置參數(shù)如表1所示。

表1 邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)硬件配置

3.2　軟件配置

邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)需要硬件與軟件共同配合實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，在硬件中部署一套網(wǎng)關(guān)管理系統(tǒng)，針對(duì)試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集的不同需求進(jìn)行自定義配置。

在網(wǎng)關(guān)管理系統(tǒng)中進(jìn)行驅(qū)動(dòng)上傳，上傳試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集所需的驅(qū)動(dòng)，并將驅(qū)動(dòng)安裝至網(wǎng)關(guān)的連接運(yùn)行時(shí)，如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)上傳

配置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)以及持久化存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫配置，圖4是內(nèi)存數(shù)據(jù)庫以及關(guān)系數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)配置圖。

圖4 存儲(chǔ)管理配置

出口管理配置為系統(tǒng)北向接口配置，試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集的對(duì)接云平臺(tái)為OPC UA出口。網(wǎng)關(guān)管理系統(tǒng)可定義項(xiàng)包括主題名稱、協(xié)議名稱、刷新頻率、HTTPS端口、OPC TCP端口以及服務(wù)器名稱，如圖5所示。

圖5 出口配置

自定義變量的計(jì)算腳本，針對(duì)不同試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)解析需求，自定義計(jì)算腳本，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析。如圖6所示。

圖6 自定義腳本

3.3　對(duì)比分析

采集試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終獲取計(jì)算結(jié)果的響應(yīng)時(shí)間是本系統(tǒng)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)部署應(yīng)用后，與原有的云計(jì)算架構(gòu)模式的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，分析兩個(gè)系統(tǒng)在不同的數(shù)據(jù)規(guī)模下響應(yīng)時(shí)間的變化規(guī)律。

數(shù)據(jù)規(guī)模反映了數(shù)據(jù)量情況，在數(shù)據(jù)規(guī)模不斷加大的情況下，對(duì)系統(tǒng)造成的壓力也在不斷加大，系統(tǒng)壓力的反映指標(biāo)就是響應(yīng)時(shí)間。云環(huán)境具有大型服務(wù)器集群，考慮原有應(yīng)用現(xiàn)場的云環(huán)境計(jì)算能力以及本系統(tǒng)部署的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的計(jì)算能力，云環(huán)境的計(jì)算能力大約是邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)計(jì)算能力的5倍。

在云環(huán)境計(jì)算能力是邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)計(jì)算能力5倍的情況下，測試結(jié)果如圖7所示。在小于50K數(shù)據(jù)規(guī)模下，云計(jì)算的響應(yīng)時(shí)間要低于邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)，但隨著數(shù)據(jù)點(diǎn)位規(guī)模的不斷增加，云計(jì)算的響應(yīng)時(shí)間逐漸增加，而邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的響應(yīng)時(shí)間逐漸優(yōu)于云計(jì)算環(huán)境。

4　結(jié)語

本文針對(duì)云計(jì)算架構(gòu)下試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集、分析處理方面的不足，設(shè)計(jì)了一個(gè)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)，在試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集的邊緣側(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。通過對(duì)云環(huán)境和邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的響應(yīng)時(shí)間的對(duì)比分析，在數(shù)據(jù)量規(guī)模50K以下，云計(jì)算的響應(yīng)低于邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)。但是隨著數(shù)據(jù)量規(guī)模的增加，邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的優(yōu)勢逐漸明顯，打破了原有云計(jì)算下的網(wǎng)絡(luò)限制，提高了計(jì)算實(shí)時(shí)性。

圖7 邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)與云環(huán)境計(jì)算能力對(duì)比分析圖

參考文獻(xiàn)：

[1] 何騰. 淺析邊緣計(jì)算技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)[A]. 天津市電子學(xué)會(huì)、天津市儀器儀表學(xué)會(huì). 第三十四屆中國（天津）2020’IT、網(wǎng)絡(luò)、信息技術(shù)、電子、儀器儀表創(chuàng)新學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C]. 天津市電子學(xué)會(huì)、天津市儀器儀表學(xué)會(huì): 天津市電子學(xué)會(huì), 2020 : 4.

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作者簡介：

關(guān)　岳（1985-），男，山東青島人，工程師，碩士，現(xiàn)任中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司高速列車系統(tǒng)集成國家工程實(shí)驗(yàn)室分管研發(fā)師，研究方向車輛動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)采集分析。

劉文成（1992-），男，遼寧錦州人，助理研究員，碩士，現(xiàn)任中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)研究室研發(fā)工程師，研究方向是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與服務(wù)架構(gòu)。

摘自《自動(dòng)化博覽》2020年11月刊