基于邊緣計算技術(shù)的AI自控系統(tǒng)方案

任炳宇

摘要：本文基于邊緣計算技術(shù)理論，針對生產(chǎn)制造的流程工藝設(shè)計一套實時數(shù)據(jù)自控管理的系統(tǒng)方案（簡稱自控方案）。本方案是應(yīng)用在邊緣計算網(wǎng)關(guān)硬件產(chǎn)品上，具備自動通信現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)和適配解析數(shù)據(jù)庫文件的特性，實現(xiàn)生產(chǎn)過程通信、數(shù)據(jù)自控管理，配合自控軟件邏輯和云端管理系統(tǒng)，為客戶提供實時數(shù)據(jù)通信、現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測分析、第三方數(shù)據(jù)應(yīng)用對接、設(shè)備無人值守監(jiān)控等數(shù)據(jù)應(yīng)用功能。

關(guān)鍵詞：邊緣計算;實時數(shù)據(jù);分布式運(yùn)算;網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）08-0187-02

工業(yè)生產(chǎn)的制造加工流程是將流程工藝按照特定順序拆分設(shè)計不同工序。生產(chǎn)加工過程存在生產(chǎn)加工周期較長、監(jiān)控數(shù)據(jù)種類和數(shù)據(jù)量繁多、過程數(shù)據(jù)易受外部干擾等問題，造成實時數(shù)據(jù)出現(xiàn)不準(zhǔn)確、不同步等現(xiàn)象。針對上述實時數(shù)據(jù)應(yīng)用困難的問題，本文設(shè)計一套近生產(chǎn)設(shè)備端的實時數(shù)據(jù)自控管理系統(tǒng)方案，在獲取實時數(shù)據(jù)的同時，監(jiān)控生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時數(shù)據(jù)精確性，分析預(yù)測當(dāng)前工序生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)趨勢并及時上報結(jié)果，確保企業(yè)生產(chǎn)端可以實時精準(zhǔn)地控制生產(chǎn)工藝流程，為企業(yè)客戶提供“提產(chǎn)增量保質(zhì)降本”的服務(wù)。

1 邊緣計算網(wǎng)關(guān)自控系統(tǒng)概述

邊緣計算中的“邊緣”是一個相對的概念，指從數(shù)據(jù)源到云計算中心數(shù)據(jù)路徑之間的任意計算資源和網(wǎng)絡(luò)資源。邊緣計算允許終端設(shè)備將存儲和計算任務(wù)遷移到網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)中，組建“云-邊-端”系統(tǒng)的邊緣計算基本架構(gòu)：核心基礎(chǔ)設(shè)施、邊緣計算中心、邊緣網(wǎng)絡(luò)和邊緣設(shè)備。所有類型的邊緣計算設(shè)備不只扮演數(shù)據(jù)消費(fèi)者的角色，而且作為數(shù)據(jù)生產(chǎn)者參與到了邊緣計算結(jié)構(gòu)所有的功能層中[1]。

邊緣計算網(wǎng)關(guān)自控系統(tǒng)集成在邊緣計算網(wǎng)關(guān)中，作為邊緣計算系統(tǒng)核心功能之一，對接工業(yè)制作流程中的工業(yè)儀表和通信設(shè)備端，承接數(shù)據(jù)實時監(jiān)控分析和觸發(fā)預(yù)制邏輯事件應(yīng)答的功能。

2 邊緣計算網(wǎng)關(guān)自控系統(tǒng)詳述

按照NSM周期收集、檢測和分析進(jìn)行異常數(shù)據(jù)檢測管理[2]。邊緣計算網(wǎng)關(guān)自控系統(tǒng)中的自控算法邏輯單元集成提升數(shù)據(jù)精度和數(shù)據(jù)效率的算法模型，并集成自學(xué)習(xí)算法的大數(shù)據(jù)訓(xùn)練算法，不斷優(yōu)化和提升邊緣計算網(wǎng)關(guān)自控系統(tǒng)的實時能力。

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理單元

邊緣計算網(wǎng)關(guān)通過數(shù)據(jù)采集單元獲得不同類型數(shù)據(jù)后，先按照類別不同分類存儲數(shù)據(jù)用于備份處理，完成備份后將數(shù)據(jù)提供給客戶端，調(diào)用數(shù)據(jù)庫解析功能，提取數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)類型完成邊緣計算網(wǎng)關(guān)讀寫，再有客戶端格式轉(zhuǎn)換功能重新讀寫一次數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一按照客戶端傳輸給目的服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫協(xié)議完成，完成統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換后再備份一次數(shù)據(jù)，這樣可以保證數(shù)據(jù)不會遺失并可以根據(jù)時間戳標(biāo)記提供反查的功能。完成數(shù)據(jù)預(yù)處理后，將統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)庫文件提交下一個環(huán)節(jié)-數(shù)據(jù)分類處理單元。

邊緣計算網(wǎng)關(guān)通過數(shù)據(jù)采集單元獲得不同類型數(shù)據(jù)后，先按照類別不同分類存儲數(shù)據(jù)用于備份處理，完成備份后將數(shù)據(jù)提供給客戶端，調(diào)用數(shù)據(jù)庫解析功能，提取數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)類型完成邊緣計算網(wǎng)關(guān)讀寫，再有客戶端格式轉(zhuǎn)換功能重新讀寫一次數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一按照客戶端傳輸給目的服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫協(xié)議完成，完成統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換后再備份一次數(shù)據(jù)，這樣可以保證數(shù)據(jù)不會遺失并可以根據(jù)時間戳標(biāo)記提供反查的功能。完成數(shù)據(jù)預(yù)處理后，將統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)庫文件提交下一個環(huán)節(jié)-數(shù)據(jù)分類處理單元。

2.2 數(shù)據(jù)分類處理單元

不同數(shù)據(jù)類型的原始數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理單元處理后，轉(zhuǎn)變?yōu)榻y(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)庫文件，提供給邊緣計算下一流程和云端集中式運(yùn)算，有效提升總體運(yùn)算的效率并降低后端運(yùn)算負(fù)荷。

預(yù)處理數(shù)據(jù)需要根據(jù)后端運(yùn)算目的不同進(jìn)行分類存儲和轉(zhuǎn)發(fā)：

1） 數(shù)據(jù)分支1：提供給云平臺做實時數(shù)據(jù)運(yùn)算分析;

2） 數(shù)據(jù)分支2：與數(shù)據(jù)分支1做聯(lián)動配合操作，實時偵測邊緣計算網(wǎng)關(guān)與云端通信狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生通信異常狀態(tài)時，進(jìn)行本地數(shù)據(jù)累積存儲并持續(xù)呼叫云端恢復(fù)連接，直至云端再次連接后實現(xiàn)斷點(diǎn)續(xù)傳;

3） 數(shù)據(jù)分支3：根據(jù)云端預(yù)設(shè)的報警規(guī)約和計算公式，實現(xiàn)異常數(shù)據(jù)本地報警和異常數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢分析的能力;

4） 數(shù)據(jù)分支4：根據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)處理方案和計算公式，實現(xiàn)預(yù)處理云端所需數(shù)據(jù)的功能。

2.3 數(shù)據(jù)累計分析單元

數(shù)據(jù)累計分析單元實現(xiàn)邊緣計算網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)分析功能，主要是根據(jù)預(yù)設(shè)的監(jiān)控參數(shù)邏輯/閾值、自控算法邏輯單元和客戶端的軟件控制邏輯，提供給客戶實時數(shù)據(jù)監(jiān)控、異常數(shù)據(jù)風(fēng)險預(yù)警、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析、累計數(shù)據(jù)趨勢分析、數(shù)據(jù)精度運(yùn)算和自定義運(yùn)算數(shù)據(jù)等功能。

邊緣計算網(wǎng)關(guān)實時偵測安裝目錄所在磁盤的空閑空間，當(dāng)達(dá)到邊緣計算網(wǎng)關(guān)預(yù)設(shè)的監(jiān)控剩余空間百分比（預(yù)設(shè)默認(rèn)10%）時，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲空間管理。

同時，邊緣計算網(wǎng)關(guān)設(shè)置監(jiān)控日志事件預(yù)警邏輯，根據(jù)產(chǎn)生的日志事件級別記錄事件名稱和內(nèi)容，并通過指令處理單元執(zhí)行對應(yīng)方案。

2.4 自控算法邏輯單元

邊緣計算網(wǎng)關(guān)與其他數(shù)據(jù)采集的IoT網(wǎng)關(guān)設(shè)備不同之處在于可以根據(jù)應(yīng)用場景和產(chǎn)品解決方案，單獨(dú)設(shè)置一些邊緣計算算法模型，實現(xiàn)離線系統(tǒng)和邊緣計算自控邏輯判別+執(zhí)行系統(tǒng)方案，自控算法邏輯單元也是邊緣計算網(wǎng)關(guān)自控系統(tǒng)方案的核心單元。

自控算法邏輯單元根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用不同，有系統(tǒng)監(jiān)測算法模型和深度學(xué)習(xí)算法模型兩種應(yīng)用方式，對應(yīng)實現(xiàn)邊緣計算離線自控邏輯和數(shù)據(jù)精度自訓(xùn)練的產(chǎn)品功能。算法模型可以云端或本地端完成功能升級，升級方式為升級客戶端軟件或單獨(dú)升級/替換自控算法邏輯單元。

邊緣計算網(wǎng)關(guān)內(nèi)部集成系統(tǒng)監(jiān)測對象輪詢監(jiān)測算法邏輯，按照邏輯映射表和系統(tǒng)日志時間關(guān)聯(lián)邏輯完成實時監(jiān)控分析。

邊緣計算網(wǎng)關(guān)支持設(shè)備本地和云端數(shù)據(jù)訓(xùn)練引擎，不斷提升特征值優(yōu)化訓(xùn)練效率。邊緣計算網(wǎng)關(guān)支持云端和本地升級優(yōu)化原有算法庫，為提升邊緣計算網(wǎng)關(guān)算法訓(xùn)練效率，采用FPGA算法模型狀態(tài)機(jī)設(shè)計和軟件數(shù)據(jù)庫管理的組合方案，比常用的軟件代碼算法庫方案有更大的擴(kuò)展性和運(yùn)算能力。

2.5 指令執(zhí)行控制單元

邊緣計算網(wǎng)關(guān)通過指令執(zhí)行控制單元完成自控邏輯系統(tǒng)的執(zhí)行功能，實現(xiàn)對閥門、PLC等控制和信息通信設(shè)備的實時控制和本地預(yù)警功能，執(zhí)行指令來源于經(jīng)數(shù)據(jù)分類單元、數(shù)據(jù)累計分析單元和自控邏輯算法單元運(yùn)算后的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。運(yùn)算單元完成數(shù)據(jù)分析計算后提供數(shù)據(jù)結(jié)果給指令執(zhí)行控制單元，執(zhí)行單元加載不同的現(xiàn)場總線規(guī)約和執(zhí)行碼完成指令下放，監(jiān)測指令通信對象設(shè)備的實時狀態(tài)信息，完成自控邏輯指令執(zhí)行結(jié)果的偵測和反饋。

以操作西門子PLC設(shè)備S7-200為例，當(dāng)運(yùn)算結(jié)果數(shù)據(jù)經(jīng)判據(jù)運(yùn)算CPU處理仲裁決策可以下放控制指令后，通過指令執(zhí)行運(yùn)算單元加載現(xiàn)場總線協(xié)議下放執(zhí)行指令，完成對S7-200下放控制指令。同時，邊緣計算網(wǎng)關(guān)實時偵測當(dāng)前設(shè)備的各項狀態(tài)，并將新下放的控制指令引起設(shè)備環(huán)境變化參數(shù)導(dǎo)入到各數(shù)據(jù)運(yùn)算單元中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3 綜述

本文創(chuàng)新性發(fā)明一套完整的邊緣計算網(wǎng)關(guān)自控邏輯，實現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理、分類管理、算法自訓(xùn)練、自控管理等邊緣計算自控系統(tǒng)，并可以通過云邊端協(xié)同的通信方案完成對邊緣計算網(wǎng)關(guān)自控系統(tǒng)和系統(tǒng)內(nèi)各單元模塊的升級優(yōu)化管理。另，創(chuàng)新性發(fā)明近設(shè)備端的算法自訓(xùn)練方法，可以針對采集設(shè)備端或數(shù)據(jù)來源端的原始數(shù)據(jù)不斷進(jìn)行精度優(yōu)化、異常故障排除、同類/異類數(shù)據(jù)分類管理等，訓(xùn)練后數(shù)據(jù)執(zhí)行的效率和實時性會比原有固態(tài)方式產(chǎn)品和云計算產(chǎn)品有顯著提升，可以實施準(zhǔn)確地跟PLC、DCS等工業(yè)設(shè)備進(jìn)行控制交互。按此方案研發(fā)，后續(xù)我們對于數(shù)據(jù)應(yīng)用的實時性可以從小時、分鐘等級達(dá)到秒、毫秒等級，提升原有制造加工行業(yè)在數(shù)據(jù)利用、管理分析、實時控制等環(huán)節(jié)對數(shù)據(jù)精度和實時性的能力。邊緣計算網(wǎng)關(guān)自控系統(tǒng)可以根據(jù)實際應(yīng)用場景不同，在企業(yè)內(nèi)網(wǎng)中部署實施邊緣計算網(wǎng)關(guān)自控系統(tǒng)，在提升數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用管理高效的基礎(chǔ)下保證企業(yè)客戶的通信和信息安全。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張駿.邊緣計算方法與工程實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2019.

[2] （美）克里斯·桑德斯（Chris，Sanders），（美）杰森·史密斯（Jason，Smith），著，李柏松，李燕宏.網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控：收集、檢測和分析[M].李燕宏，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

【通聯(lián)編輯：李雅琪】