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摘要：針對試驗臺采集的數(shù)據(jù)量巨大，需要高實時計算處理能力的問題，現(xiàn)有的云計算架構(gòu)無法滿足要求。本文引入邊緣計算的架構(gòu)模式，設(shè)計應(yīng)用于試驗臺數(shù)據(jù)采集的邊緣計算網(wǎng)關(guān)架構(gòu)，打破原有云計算的限制，提高實時數(shù)據(jù)分析能力，并對邊緣計算網(wǎng)關(guān)架構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：試驗臺；數(shù)據(jù)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(gòu)中，工業(yè)數(shù)據(jù)量大，協(xié)議種類繁多，并且計算要求較高的實時性，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)中的云計算無法完全滿足工業(yè)數(shù)據(jù)高實時性計算等要求。

邊緣計算通過靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，為應(yīng)用提供融合計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)等資源[1]。邊緣計算將傳統(tǒng)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側(cè)/服務(wù)側(cè)的網(wǎng)絡(luò)邊緣實現(xiàn)部署，以減小網(wǎng)絡(luò)傳輸對于算力實時性的損耗，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)計算不需要再發(fā)往服務(wù)器端，因此不會在網(wǎng)絡(luò)中被攻擊，安全可靠。

高速列車的試驗數(shù)據(jù)量巨大，為TB級數(shù)據(jù)，如此巨大的數(shù)據(jù)量，無法實時向網(wǎng)絡(luò)云服務(wù)器傳輸；數(shù)據(jù)分析計算公式繁瑣，如果采用云計算的方式實時獲取計算結(jié)果，會占用大量資源；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)計了一種邊緣計算網(wǎng)關(guān)，可以對試驗臺數(shù)據(jù)在邊緣側(cè)進(jìn)行解析處理，實現(xiàn)有效存儲，并能低延時與云端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

2　架構(gòu)設(shè)計

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

圖1 邊緣計算網(wǎng)關(guān)架構(gòu)

2.1　連接運行時

連接運行時是網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)采集執(zhí)行模塊，核心組件為驅(qū)動庫。驅(qū)動庫采用松耦合的微服務(wù)模式，針對每種設(shè)備的不同協(xié)議，采用不同的驅(qū)動。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。

用戶能夠針對不同的協(xié)議，在驅(qū)動庫中啟用適配的驅(qū)動進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。目前邊緣計算網(wǎng)關(guān)支持廣泛可用驅(qū)動包括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)連接器的運行環(huán)境支持C語言以及JAVA語言。同時網(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)動庫。

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

（1）驅(qū)動管理模塊

驅(qū)動管理模塊是對連接器運行時中的驅(qū)動進(jìn)行管理。驅(qū)動上傳功能向網(wǎng)關(guān)運行時上傳新驅(qū)動包；驅(qū)動配置對上傳的驅(qū)動進(jìn)行配置，如運行參數(shù)、數(shù)據(jù)訪問路徑、數(shù)據(jù)點表配置；驅(qū)動安裝將驅(qū)動安裝至連接運行時的驅(qū)動庫中，直接與數(shù)據(jù)采集設(shè)備對接，解析數(shù)采協(xié)議。驅(qū)動卸載對連接器運行時驅(qū)動庫中的驅(qū)動進(jìn)行停止運行。

（2）數(shù)據(jù)緩存區(qū)

工業(yè)的實時數(shù)據(jù)量巨大，并且存在噪聲數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)緩存區(qū)是對連接器運行時采集的結(jié)果數(shù)據(jù)的緩沖，目的是在進(jìn)行持久化存儲前，對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、降噪，篩選出實時有效的數(shù)據(jù)進(jìn)行持久化存儲，采用輕量級數(shù)據(jù)表、內(nèi)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(cè)對有效數(shù)據(jù)進(jìn)行持久化存儲。存儲管理模塊包括數(shù)據(jù)庫配置、模式配置以及實時管理。

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

（4）可靠性管理

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

（5）數(shù)據(jù)解析

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

（6）數(shù)據(jù)展示

邊緣計算網(wǎng)關(guān)對數(shù)據(jù)分析結(jié)果提供數(shù)據(jù)展示平臺，包括動態(tài)實時折線圖、餅狀統(tǒng)計圖、柱狀圖等圖形化展示，數(shù)據(jù)展示效果均為動態(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?qū)崟r與網(wǎng)絡(luò)云平臺交互，接口包括MQTT、OPC UA、HTTP以及RestFul接口。數(shù)據(jù)格式可配置，支持用戶對于云平臺所需數(shù)據(jù)格式的自由配置。

2.3　安全與權(quán)限控制

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

圖2 安全機制

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；

• 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；

• 評估模塊：評估模塊用于設(shè)備自檢。

3　應(yīng)用實現(xiàn)及對比分析

3.1　硬件配置

邊緣計算網(wǎng)關(guān)在現(xiàn)場部署的全部器件按工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)選型。加厚金屬外殼，堅固耐用。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)定運行而設(shè)計。高標(biāo)準(zhǔn)EMC電磁兼容，在強電磁環(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)，針對試驗臺數(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)動上傳，上傳試驗臺數(shù)據(jù)采集所需的驅(qū)動，并將驅(qū)動安裝至網(wǎng)關(guān)的連接運行時，如圖3所示。

圖3 驅(qū)動上傳

配置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)以及持久化存儲的數(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 存儲管理配置

出口管理配置為系統(tǒng)北向接口配置，試驗臺數(shù)據(jù)采集的對接云平臺為OPC UA出口。網(wǎng)關(guān)管理系統(tǒng)可定義項包括主題名稱、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

自定義變量的計算腳本，針對不同試驗臺數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)解析需求，自定義計算腳本，實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終獲取計算結(jié)果的響應(yīng)時間是本系統(tǒng)評價的重要指標(biāo)。邊緣計算網(wǎng)關(guān)部署應(yīng)用后，與原有的云計算架構(gòu)模式的響應(yīng)時間進(jìn)行對比，分析兩個系統(tǒng)在不同的數(shù)據(jù)規(guī)模下響應(yīng)時間的變化規(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)境計算能力以及本系統(tǒng)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(jié)果如圖7所示。在小于50K數(shù)據(jù)規(guī)模下，云計算的響應(yīng)時間要低于邊緣計算網(wǎng)關(guān)，但隨著數(shù)據(jù)點位規(guī)模的不斷增加，云計算的響應(yīng)時間逐漸增加，而邊緣計算網(wǎng)關(guān)的響應(yīng)時間逐漸優(yōu)于云計算環(huán)境。

4　結(jié)語

本文針對云計算架構(gòu)下試驗臺數(shù)據(jù)采集、分析處理方面的不足，設(shè)計了一個邊緣計算網(wǎng)關(guān)，在試驗臺數(shù)據(jù)采集的邊緣側(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。通過對云環(huán)境和邊緣計算網(wǎng)關(guān)的響應(yīng)時間的對比分析，在數(shù)據(jù)量規(guī)模50K以下，云計算的響應(yīng)低于邊緣計算網(wǎng)關(guān)。但是隨著數(shù)據(jù)量規(guī)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，提高了計算實時性。

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(xiàn)：

[1] 何騰. 淺析邊緣計算技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)[A]. 天津市電子學(xué)會、天津市儀器儀表學(xué)會. 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)會議論文集[C]. 天津市電子學(xué)會、天津市儀器儀表學(xué)會: 天津市電子學(xué)會, 2020 : 4.

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

作者簡介：

關(guān)　岳（1985-），男，山東青島人，工程師，碩士，現(xiàn)任中車青島四方機車車輛股份有限公司高速列車系統(tǒng)集成國家工程實驗室分管研發(fā)師，研究方向車輛動力學(xué)實驗及數(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《自動化博覽》2020年11月刊