摘要：針對試驗臺采集的數據量巨大，需要高實(shí)時(shí)計算處理能力的問(wèn)題，現有的云計算架構無(wú)法滿(mǎn)足要求。本文引入邊緣計算的架構模式，設計應用于試驗臺數據采集的邊緣計算網(wǎng)關(guān)架構，打破原有云計算的限制，提高實(shí)時(shí)數據分析能力，并對邊緣計算網(wǎng)關(guān)架構進(jìn)行現場(chǎng)應用實(shí)現。

關(guān)鍵詞：試驗臺；數據采集；邊緣計算

1　引言

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )架構中，工業(yè)數據量大，協(xié)議種類(lèi)繁多，并且計算要求較高的實(shí)時(shí)性，傳統的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )架構為工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò )，無(wú)法與上層企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò )相融合。隨著(zhù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計算的大力發(fā)展，越來(lái)越多的企業(yè)追求IT與OT融合，但是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的云計算無(wú)法完全滿(mǎn)足工業(yè)數據高實(shí)時(shí)性計算等要求。

邊緣計算通過(guò)靠近物或數據源頭的網(wǎng)絡(luò )邊緣側，為應用提供融合計算、存儲和網(wǎng)絡(luò )等資源[1]。邊緣計算將傳統上的計算、存儲與業(yè)務(wù)服務(wù)能力從集中化的算力中心朝向貼近用戶(hù)側/服務(wù)側的網(wǎng)絡(luò )邊緣實(shí)現部署，以減小網(wǎng)絡(luò )傳輸對于算力實(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 )架構打破了云網(wǎng)絡(luò )架構在工業(yè)領(lǐng)域的限制，在邊緣計算中，數據不需要傳回服務(wù)器，可以減少延遲，提高性能，而且操作過(guò)程和數據計算不需要再發(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(chē)的試驗數據量巨大，為T(mén)B級數據，如此巨大的數據量，無(wú)法實(shí)時(shí)向網(wǎng)絡(luò )云服務(wù)器傳輸；數據分析計算公式繁瑣，如果采用云計算的方式實(shí)時(shí)獲取計算結果，會(huì )占用大量資源；并且龐大的數據量導致若干通路堵塞，更加大延遲。

本文設計了一種邊緣計算網(wǎng)關(guān)，可以對試驗臺數據在邊緣側進(jìn)行解析處理，實(shí)現有效存儲，并能低延時(shí)與云端進(jìn)行數據交互。

2　架構設計

邊緣計算網(wǎng)關(guān)的整體架構包括連接運行時(shí)以及網(wǎng)關(guān)運行時(shí)，如圖1所示。

圖1 邊緣計算網(wǎng)關(guān)架構

2.1　連接運行時(shí)

連接運行時(shí)是網(wǎng)關(guān)的數據采集執行模塊，核心組件為驅動(dòng)庫。驅動(dòng)庫采用松耦合的微服務(wù)模式，針對每種設備的不同協(xié)議，采用不同的驅動(dòng)。目前能夠支持的交互設備協(xié)議包括PLC、LabView、DCS、過(guò)程總線(xiàn)、以太網(wǎng)總線(xiàn)以及OPC UA。

用戶(hù)能夠針對不同的協(xié)議，在驅動(dòng)庫中啟用適配的驅動(dòng)進(jìn)行數據采集。目前邊緣計算網(wǎng)關(guān)支持廣泛可用驅動(dòng)包括Modbus、TCP、ModbusRTU、HART、西門(mén)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)連接器的運行環(huán)境支持C語(yǔ)言以及JAVA語(yǔ)言。同時(shí)網(wǎng)關(guān)提供C語(yǔ)言以及JAVA語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)接口，用戶(hù)可以不斷豐富驅動(dòng)庫。

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

（1）驅動(dòng)管理模塊

驅動(dòng)管理模塊是對連接器運行時(shí)中的驅動(dòng)進(jìn)行管理。驅動(dòng)上傳功能向網(wǎng)關(guān)運行時(shí)上傳新驅動(dòng)包；驅動(dòng)配置對上傳的驅動(dòng)進(jìn)行配置，如運行參數、數據訪(fǎng)問(wèn)路徑、數據點(diǎn)表配置；驅動(dòng)安裝將驅動(dòng)安裝至連接運行時(shí)的驅動(dòng)庫中，直接與數據采集設備對接，解析數采協(xié)議。驅動(dòng)卸載對連接器運行時(shí)驅動(dòng)庫中的驅動(dòng)進(jìn)行停止運行。

（2）數據緩存區

工業(yè)的實(shí)時(shí)數據量巨大，并且存在噪聲數據，數據緩存區是對連接器運行時(shí)采集的結果數據的緩沖，目的是在進(jìn)行持久化存儲前，對數據進(jìn)行清洗、降噪，篩選出實(shí)時(shí)有效的數據進(jìn)行持久化存儲，采用輕量級數據表、內存緩存映射表，例如SQLLite、Redis等。

（3）存儲管理

邊緣計算網(wǎng)關(guān)能夠在邊緣側對有效數據進(jìn)行持久化存儲。存儲管理模塊包括數據庫配置、模式配置以及實(shí)時(shí)管理。

數據庫配置是對存儲管理中的數據庫執行的相關(guān)配置，如驅動(dòng)、端口、路徑等常規基本配置。模式配置是對數據的解析存儲配置，篩選有效信息進(jìn)行持久化存儲。實(shí)時(shí)管理是對持久化存儲的啟動(dòng)、停止操作。持久化存儲的數據庫一般采用高效的key-value數據庫。

（4）可靠性管理

可靠性管理是對數據采集的報警管理，用戶(hù)利用報警設置功能，自定義報警規則，能夠對采集的數據進(jìn)行報警分析，并能夠對報警進(jìn)行監控，對報警信息進(jìn)行追蹤，掌握報警設備信息。邊緣計算網(wǎng)關(guān)提供解釋型語(yǔ)言的腳本解釋器，用戶(hù)可以編寫(xiě)報警腳本執行報警邏輯。

（5）數據解析

數據解析模塊具有對數據的基本解析計算能力，能夠對網(wǎng)關(guān)采集的數據進(jìn)行公式計算、分析，提供給數據展示平臺進(jìn)行數據展示，是邊緣計算網(wǎng)關(guān)的核心計算模塊。

（6）數據展示

邊緣計算網(wǎng)關(guān)對數據分析結果提供數據展示平臺，包括動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)折線(xiàn)圖、餅狀統計圖、柱狀圖等圖形化展示，數據展示效果均為動(dòng)態(tài)可配置。

（7）出口管理

邊緣計算網(wǎng)關(guān)提供豐富的北向接口，能夠實(shí)時(shí)與網(wǎng)絡(luò )云平臺交互，接口包括MQTT、OPC UA、HTTP以及RestFul接口。數據格式可配置，支持用戶(hù)對于云平臺所需數據格式的自由配置。

2.3　安全與權限控制

邊緣計算網(wǎng)關(guān)軟硬件遵循《信息等級保護2.0標準》，完善的安全機制保證客戶(hù)在快速組網(wǎng)的同時(shí)無(wú)需擔心安全問(wèn)題。如圖2所示。

圖2 安全機制

包括以下模塊。

• 防護模塊：防護模塊進(jìn)行身份認證、訪(fǎng)問(wèn)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；

• 策略模塊：策略模塊進(jìn)行讀寫(xiě)規則設置、過(guò)濾規則設置、應急處理設置；

• 評估模塊：評估模塊用于設備自檢。

3　應用實(shí)現及對比分析

3.1　硬件配置

邊緣計算網(wǎng)關(guān)在現場(chǎng)部署的全部器件按工業(yè)級標準選型。加厚金屬外殼，堅固耐用。外殼和系統安全隔離，耐高低溫（-35℃~75℃）、寬壓（5V~35V），專(zhuān)為保證惡劣環(huán)境下的穩定運行而設計。高標準EMC電磁兼容，在強電磁環(huán)境中穩定工作。硬件配置參數如表1所示。

表1 邊緣計算網(wǎng)關(guān)硬件配置

3.2　軟件配置

邊緣計算網(wǎng)關(guān)需要硬件與軟件共同配合實(shí)現數據采集功能，在硬件中部署一套網(wǎng)關(guān)管理系統，針對試驗臺數據采集的不同需求進(jìn)行自定義配置。

在網(wǎng)關(guān)管理系統中進(jìn)行驅動(dòng)上傳，上傳試驗臺數據采集所需的驅動(dòng)，并將驅動(dòng)安裝至網(wǎng)關(guān)的連接運行時(shí)，如圖3所示。

圖3 驅動(dòng)上傳

配置數據緩沖區以及持久化存儲的數據庫配置，圖4是內存數據庫以及關(guān)系數據庫的系統配置圖。

圖4 存儲管理配置

出口管理配置為系統北向接口配置，試驗臺數據采集的對接云平臺為OPC UA出口。網(wǎng)關(guān)管理系統可定義項包括主題名稱(chēng)、協(xié)議名稱(chēng)、刷新頻率、HTTPS端口、OPC TCP端口以及服務(wù)器名稱(chēng)，如圖5所示。

圖5 出口配置

自定義變量的計算腳本，針對不同試驗臺數據采集的數據解析需求，自定義計算腳本，實(shí)現數據分析。如圖6所示。

圖6 自定義腳本

3.3　對比分析

采集試驗臺數據進(jìn)行數據處理，最終獲取計算結果的響應時(shí)間是本系統評價(jià)的重要指標。邊緣計算網(wǎng)關(guān)部署應用后，與原有的云計算架構模式的響應時(shí)間進(jìn)行對比，分析兩個(gè)系統在不同的數據規模下響應時(shí)間的變化規律。

數據規模反映了數據量情況，在數據規模不斷加大的情況下，對系統造成的壓力也在不斷加大，系統壓力的反映指標就是響應時(shí)間。云環(huán)境具有大型服務(wù)器集群，考慮原有應用現場(chǎng)的云環(huán)境計算能力以及本系統部署的邊緣計算網(wǎng)關(guān)的計算能力，云環(huán)境的計算能力大約是邊緣計算網(wǎng)關(guān)計算能力的5倍。

在云環(huán)境計算能力是邊緣計算網(wǎng)關(guān)計算能力5倍的情況下，測試結果如圖7所示。在小于50K數據規模下，云計算的響應時(shí)間要低于邊緣計算網(wǎng)關(guān)，但隨著(zhù)數據點(diǎn)位規模的不斷增加，云計算的響應時(shí)間逐漸增加，而邊緣計算網(wǎng)關(guān)的響應時(shí)間逐漸優(yōu)于云計算環(huán)境。

4　結語(yǔ)

本文針對云計算架構下試驗臺數據采集、分析處理方面的不足，設計了一個(gè)邊緣計算網(wǎng)關(guān)，在試驗臺數據采集的邊緣側進(jìn)行數據處理。通過(guò)對云環(huán)境和邊緣計算網(wǎng)關(guān)的響應時(shí)間的對比分析，在數據量規模50K以下，云計算的響應低于邊緣計算網(wǎng)關(guān)。但是隨著(zhù)數據量規模的增加，邊緣計算網(wǎng)關(guān)的優(yōu)勢逐漸明顯，打破了原有云計算下的網(wǎng)絡(luò )限制，提高了計算實(shí)時(shí)性。

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

參考文獻：

[1] 何騰. 淺析邊緣計算技術(shù)應用的現狀及挑戰[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.

[2] 穆琙博, 柴瑤琳, 宋平, 畢立波, 吳迪. 邊緣計算發(fā)展現狀及標準體系研究[J]. 信息通信技術(shù), 2020, 14 (04) : 23 - 30.

作者簡(jiǎn)介：

關(guān)　岳（1985-），男，山東青島人，工程師，碩士，現任中車(chē)青島四方機車(chē)車(chē)輛股份有限公司高速列車(chē)系統集成國家工程實(shí)驗室分管研發(fā)師，研究方向車(chē)輛動(dòng)力學(xué)實(shí)驗及數據采集分析。

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

摘自《自動(dòng)化博覽》2020年11月刊