智能制造与工业互联网技术架构解析

2021-09-11宋新远

科学技术创新 2021年25期

宋新远

(中国电信江苏公司，江苏南京 210001)

现代信息技术的广泛应用，使得社会进入第四次工业革命阶段，技术的不断革新与融合发展，让制造业走上了智能化发展方向，实现远程测控也成为现代制造业的转型目标。当前，智能制造与工业互联网之间实现了深入融合，该系统的构建为提高智能制造水平提供了辅助。不过，为了让智能制造业和工业互联网实现可持续地融合发展，就必须建立明确而清晰的技术架构。

1 智能制造与工业互联网的节点和网关

在实践工作当中，智能制造与工业互联网技术架构可以与物联网的三层架构相对应，其具体对应关系如图1 所示。在这一环节，笔者将对智能制造与工业互联网技术架构当中的节点和网关技术框架进行分析，从而实现技术架构内容和特点的分层拆解，让智能制造与工业互联网技术架构变得更加容易理解。

图1 智能制造与工业互联网技术架构与物联网技术架构的对应

1.1 节点分析

智能制造与工业互联网技术架构的节点，即WSCN 节点位于整体架构的最底层，在终端设备当中它属于智能单元并发挥着实时采集、处理终端数据，分析控制终端对象的重要作用。而且，WSCN 节点还拥有良好的通信功能。在实践中，WSCN 节点的硬件核心是微控制模块，其内部设有CPU、储存器、定时器以及多种输入输出接口。节点运作时，该模块将起到整合、处理数据和调度任务的作用；WSCN 节点当中的感知模块、电源模块、控制模块和无线射频模块都与微控制其模块相连。WSCN 节点的软件功能主要与数据和控制有关，其基本功能包括采集、处理、整合、解析数据和执行控制等内容；而且存在分层关系，WSCN 节点软件功能由实际应用层、通信协议层和软件构件层组合而成。开发WSCN 节点程序时，技术人员将基于底层驱动构件、应用级软件构件和通用级软件构件来实现软件构件技术方法的有效应用。

对于技术人员来说，构建智能制造与工业互联网技术架构的WSCN 节点时，需要对节点硬件进行合理选择。此时，应该经济性、节能性、多样性(接口)、稳定性(有效抗干扰)原则选用WSCN 节点硬件，而且这些硬件还需要拥有储存和处理数据的功能。编写WSCN 节点程序时，相关工作人员可以选择使用RTOS 设计嵌入式软件，并为WSCN 节点程序设计初始化、指示灯、数据接收、数据发送、数据解帧、数据采集等任务。

1.2 网关分析

智能制造与工业互联网当中的网关，主要用于实现工业互联网与感知网络的有效连接，它可以被视为数据传输过程中的中转站。通常来说，智能制造与工业互联网当中，应该设有GPRS/ETH-WSCN 网关。为了明确GPRS/ETH-WSCN 网关的技术框架，我们可以对他的软件功能与硬件体系进行解析。从GPRS/ETH-WSCN 网关的硬件体系上来看，WSCN 节点的通信模块、主控系统模块、GPRS/ETH 模块以及电源模块都属于网关硬件，它们组合成整体后与工业互联网互联；其中最为重要模块是主控系统模块，它拥有功能独立的特性，但也发挥着协调其他模块运行的作用，是数据接收、处理和转发的关键性设备。

在软件功能方面，GPRS/ETH-WSCN 网关的软件功能主要与通信相关，具有转换通信格式、接入网络和处理转发数据的功能。事实上，技术人员开发GPRS/ETH-WSCN 网关程序时，需要使用的软件构件类型与WSCN 节点程序相同，程序的开发思路也十分相似。在实际作业环节，相关工作人员必须从实践出发，深入分析应用场景的多样性和“智能制造+工业互联网”技术体系的使用需求，从而保证互联网的接入方式合理。将GPRS/ETH-WSCN 网关应用到智能制造与工业互联网技术架构当中，就是利用GPRS 承载无线数据业务，利用以太网承载数据交互业务；这样一来，既可以保证数据传输效率、网络通道切换灵活、数据传输实时自由，又能够切实降低数据传输的能耗以及所受干扰，更可以提高数据传输兼容性。此外，GPRS/ETH-WSCN 网关程序开发人员，还需要高度重视公共扩展底板的电路设计和整体测试，以便于为确保使用安全和性能稳定做好充足准备。

2 技术架构当中的侦听程序和数据库

智能制造与工业互联网技术体系的层次极为清晰，使用环节的技术要求也相对较高，在技术架构运行过程中，数据是基础。从数据传输与处理的角度来看，侦听程序发挥了“承上启下”作用，而数据库则发挥着辅助数据交互的作用。

2.1 侦听程序分析

所谓侦听程序，就是智能制造与工业互联网技术架构当中的服务端运行软件，它能够与GPRS/ETH-WSCN 网关一同开展数据交换和处理，用户所下达的指令也将通过人机交互软件发送给GPRS/ETH-WSCN 网关。所以说，在GPRS/ETH-WSCN 网关以及人机交互软件当中，侦听程序扮演通信媒介的角色，为二者构建了良好的通信通道，保障了数据传输处理的有效性。侦听程序的执行流程如图2 所示。

图2 侦听程序的执行流程

在智能制造与工业互联网技术架构当中，应用了软件分层思想，为提高程序功能扩展便捷性、缩短迭代开发周期、减少工作量、提高研发效率和增加程序测试方便度提供了保障。当前，侦听程序技术框架内共包含三个逻辑层级，分别是发挥着网络通信、数据处理和应用作用。其中，网络通信层负责接收与发送Socket 数据流；数据处理层中分为上行下行数据包处理两个模块，用于处理数据；应用层则分为多种应用模块，用于满足差异化项目的多样化需求。从侦听程序开发角度来看，在智能制造与工业互联网当中技术人员将采用面向对象的方法开发软件，为提高开发效率、增强系统维护便捷性、提高扩展与重用简易性和降低开发成本提供了极大保障。

在实践工作中，为保证侦听程序的可用性，技术人员必须分别对各个逻辑层级进行性能测试，而在这一过程中往往会遇到虚连接问题。这一问题具体表现为，侦听程序与GPRS/ETH-WSCN 网关在通信过程中，连接中断但未被发觉，所以被称为虚连接。解决这一问题，需要确保GPRS/ETH-WSCN网关与侦听程序之间拥有畅通、稳定且可控的链路。比如，引入心跳包，用以维护链路、发送有效数据；引入应答机制，确保通信渠道可控。当然，在这一过程中还可能出现轮询时间控制不当的情况。一旦出现，导致轮询频率控制不佳，系统性能降低、响应速率变慢，更会让用户体验变差。为解决这一问题，相关工作人员需要从数据交互的角度出发，提高技术架构整体的衔接流畅性和性能可靠性。被引入侦听程序当中的Socket 机制将成为保证侦听程序与GPRS/ETH-WSCN 网关和人机交互软件有效交互的基础，此时技术人员必须通过提高技术控制水平，保证人机交互软件命令下达后能够及时告知侦听程序，而且侦听程序可以立即从数据表当中提取命令，从而提高系统性能。

2.2 数据库分析

智能制造与工业互联网技术架构的运行必须以数据作为支撑，数据交互是这一架构的主要作用。人机交互软件、侦听程序之间的数据交互处理和同步，都必须以数据库为中间件，所以数据库的性能将直接影响整体架构的性能。从这一角度来看，智能制造与工业互联网技术架构中的数据库建设，必须以满足数据使用需求、优化数据处理逻辑和便于运行维护为建设要求。

从实际情况来看，数据库技术框架设计步骤相对较多。技术人员必须选完成整体规划和需求分析，从而确定数据库设计与建设的具体方向，然后再对概念结构、逻辑结构和物理结构进行设计，而后还需要确保数据库规划方案得以顺利实施，并制定完善的运行维护方案。在这一环节，需要重点关注关系模型规范化，以便于加快数据库的整体操作速度、规避数据冗余风险、增加有效储存空间和减少系统I/O 次数，让数据的一致性拥有保障。现阶段，关系数据库有第一范式、第二范式、第三范式、Boyce-Codd 范式、第四范式、第五范式等六种类型，他们之间有着十分明确的层级之分且级别越高要求越严格。在分析数据库技术框架时，相关工作人员还应该对数据表的设计问题加以重视。通常来说，可用于智能制造与工业互联网技术架构数据库的数据表有三种类型：

(1)完全保留型数据表。这种数据表是无法修改的，无论是表名还是结构都是十分固定且不可改的。在实际应用过程中，即便项目不同它也不会发生变化。比如，用户信息表、用户操作记录表、心跳包表、命令管控表。

(2)部分保留型数据表。这种数据表存在部分可修改的特点，修改时应该从项目的实际需求出发。网关信息表、网关状态表、节点信息表节点状态表、侦听程序信息表和侦听程序状态表都属于这种类型。

(3)自定义型数据表。这种数据表的灵活性极高，与项目的新增功能有关，所以无论是数据表的名字还是内容都会随项目变化而变化。

3 人机交互软件技术的框架

人机交互软件直接服务于智能制造与工业互联网技术架构用户，它不仅能够收集和显示实时状态信息，充当命令发布的通道，更可以基于图形化界面为用户提供多元化服务。通常来说，人机交互软件的基本功能模块包括用户管理、系统维护、设备管理和信息管理，其具体分布情况如图3 所示。

图3 人机交互软件功能框架

人机交互软件的技术框架中，共分为4 个层级，分别是实体层、业务逻辑层、数据访问层和表示层。软件的公共模块包括网关配置模块、节点配置模块、心跳包显示模块和通路测试模块。开发人机交互软件时，技术人员可以选择采用客户机/服务器模式进行设计，从而保证软件具有高速响应功能、个性化服务功能，能够为有效处理复杂业务流程和高效完成事务奠定基础。为了进一步提高软件性能，相关工作人员也可以采用浏览器/服务器模式对其进行设计，使开发成本、工作量都得到有效降低。