基于云計算的工業互聯網平臺分析與設計

豐圣林

（青島大學 計算機科學技術學院，山東 青島 266071）

0 引 言

隨著經濟的快速發展與各類信息技術的研發，目前工業信息化也進入了需要進行變革發展的時期，傳統工業生產過程中單一的管理方式已經不能滿足企業高質量發展的需求，因此關于工業互聯網平臺及信息化技術的研究與應用已經成為熱點。其中典型的應用就是物聯網技術、云計算技術等，借助物聯網技術對各類數據信息進行采集與存儲，通過云計算技術進行重點分析與處理，從而獲取數據信息的價值，更高效地為工業領域提供信息化服務。

工業互聯網平臺集成了多種先進的信息化發展技術，包括物聯網技術、云計算技術以及機器學習技術等。針對不同的工業生產環境部署各類傳感設備與網絡傳輸設備，利用各類傳感節點實現圖像、溫濕度及其他生產參數的快速采集，通過網絡設備發送采集的數據信息，后續通過云計算技術的使用對工業現場進行預警與決策分析等。在整個系統的應用過程中，通過無線感知設備將這些數據信息發送到工業互聯網平臺，后臺能夠根據各類采集的數據信息對整個工業生產環境進行異常監測、生產設備遠程控制等，以此來對整個工業制造流程進行調整與控制，促進工業生產信息化、智能化水平的提升，降低企業管理成本。信息化與智能化工業生產中，云計算、傳感器、傳輸網絡是重要組成部分，能夠對整個工業生產環境與生產全流程進行感知，有效監測流程各個階段。

云計算是分布式計算的一種，通過網絡云將巨大的數據計算處理程序分解成無數個小程序，然后通過多部服務器組成的系統處理和分析這些小程序，得到結果后返回給用戶。云計算技術能夠對眾多計算機資源進行協調與管理，突破空間與時間的限制，實現大數據量的并發處理。云計算主要采用虛擬化技術實現，能夠高效地完成各類工業數據的備份、擴展及遷移操作，可靠性與性價比較高。在工業互聯網平臺的研發與設計中，重點管理對象為各生產環境中的業務數據，這些數據通過各類物聯網設備進行采集。物聯網設備由不同類型的傳感器組成，管理人員能夠對這些傳感器進行狀態設置與管理，從而完成工業現場業務數據信息的采集、處理與分析工作[1]。在整個工業互聯網平臺建模分析過程中，統一建模語言（Unified Modeling Language，UML）的作用是提供可視化的軟件開發過程管理。通過各類UML可視化圖形與符號快速對各類用戶的需求、系統設計與實現過程進行建模分析，引導客戶了解系統的開發內容，完成整個系統原型的開發[2]。通過UML語言的應用，技術人員能夠根據業務處理的需求生成相應的數據庫表格。

1 工業互聯業務分析

通過確定整個系統中包括的用戶類型和這些用戶對應的操作流程，以此來完成整個系統功能的建模。在整個工業互聯網平臺應用中，通過物聯網技術完成對各類環境參數信息與視頻數據的采集，后續采用云計算技術對這些數據信息進行記錄、分析與管理[3]。傳感器記錄整個工業生產環境中的溫度、濕度等參數信息，監控攝像頭實時記錄整個工業制造流程。通過專門的圖像識別算法發現工業生產過程中存在的異常狀況，根據處理需要及時進行報警操作。在工業場景的處理中，根據需求及時進行遠程控制、云計算分析等，提升工業生產效率的同時降低人工管理成本。工業互聯網平臺業務用例如圖1所示。

根據工業互聯網平臺業務用例建模分析，系統實現的功能有參數采集、狀態采集、數據傳輸、確定協議、實時顯示、遠程控制以及云計算分析。通過對業務功能的建模分析，能夠為制造型企業打造信息化處理流程。在系統需求分析中，需要明確系統處理的功能。

為了實現系統順利開發，還需要進行非功能需求分析。在非功能需求的分析中，核心考慮因素包括響應時間與用戶并發性。在數據傳輸、流程控制、云計算分析中，響應時間是影響用戶使用體驗的重要因素。對此需要對各個功能進行充分測試，最大響應時間不超過3 s，整個系統的平均響應時間不能超過2 s。對于響應時間超過3 s的功能，需要通過業務邏輯程序的優化來提升整體響應速度[4]。工業互聯網平臺在網絡中進行部署，由于系統存在多部門的用戶進行管理與操作，因此需要對大用戶量訪問系統時的處理效果進行測試與記錄，以此來判斷系統的穩定性。當并發訪問量最大達到500用戶時，整個系統需要能夠穩定地對外提供Web訪問服務。

2 工業互聯網平臺研究與設計

2.1 系統設計原則

（1）安全性。在整個工業互聯網平臺中，安全性主要涉及采集端與平臺應用端。采集端需要通過數據加密的方式來保障數據安全性，平臺端主要通過權限設置、殺毒軟件安裝等方式提升整個系統的安全性。

（2）界面使用友好性。此原則涉及用戶使用的友好度，根據整個平臺處理需求，界面信息提示應簡潔大方，不同類型的用戶操作之后及時進行跳轉，系統業務功能能夠快速響應與處理。

（3）可維護性。在整個工業互聯網平臺的研發中，根據使用的效果進行升級維護。在軟件平臺開發時，需要根據技術特點來降低各個功能模塊的耦合度，后續對這些程序升級時能夠快速操作[5]。

2.2 系統體系架構設計

工業互聯網平臺設計中，采用Java Web、物聯網、云計算技術進行實現。整個平臺的技術架構分為3層，如圖2所示。Java Web基于模型視圖控制器（Model-View-Controller，MVC）的體系進行開發，可擴展性高，整個業務邏輯程序之間的耦合度低。

在整個基于MVC模式實現的工業互聯網平臺中，每一層的工作目標與處理內容不同。在此基礎上，需要完成核心主營業務的設計。

2.2.1 用戶層

用戶層主要的設計目標是為用戶提供良好的操作性。圍繞工業互聯網各類現場用戶的處理需要，對整個數據采集、數據傳輸、實時顯示等多模塊進行操作與處理，滿足用戶的操作需求。

2.2.2 業務邏輯層

在整個系統的分析交互中，根據整個前端用戶的操作需要來完成業務邏輯處理的實現與管理。具體針對數據采集、數據傳輸、實時顯示等業務功能進行實時處理，每一次的處理結果需要在用戶層進行展示，整個操作過程的數據信息存儲到數據庫中。

2.2.3 數據層

在整個系統的不同架構設計中，數據層的核心工作目標是為業務邏輯層與用戶層提供數據的存儲與管理。這些內容存儲到不同的數據庫表格中，業務處理的同時需要實時對數據進行更新與存儲。各個數據庫表格通過持久化對象的方式完成更新，根據不同工業場景處理的需要選擇MySQL、MongDB等類型的數據庫。

2.3 平臺功能設計

在整個平臺端業務的處理中，對各類數據信息進行監控，及時對出現的異常情況進行報警，方便人員對這些異常情況進行處理。同時系統提供數據應用方面的功能，方便技術人員定期對工業品生產相關的數據信息進行分析與統計。具體數據傳輸示意如圖3所示。

用戶登錄系統后，根據業務處理需要進行參數顯示、流程控制、云計算分析等操作。傳感器的各類數據信息通過消息隊列遙測傳輸協議（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）傳輸到服務器端，由服務器端的業務程序進行處理，處理完成后傳輸到數據庫，后續利用云計算技術對這些數據進行實時查看、分析處理。

3 結 論

應用云原生思想，采用微服務架構、Java Web等技術構建輕量化的云原生應用。系統具備云端部署、可遠程訪問、彈性、共享、按需自助服務、高可用以及與位置無關等特征，使得整個工業互聯網平臺易于遷移到云環境中部署運行。與此同時，其兼容私有云、公有云、混合云的運行環境，有利于企業后期總體優化與升級。