CN110022349B - 一种基于边缘计算的异构工业网络设备组态微服务方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于边缘计算的异构工业网络设备组态微服务方法，属于工业网络技术领域。本发明把边缘计算模型应用到异构工业网络设备组态服务中，根据接收数据的不同情况，数据既可在本地直接处理，也可在云中心对数据进行存储、分析。数据经过处理之后，返回历史数据曲线、控制策略、参数优化等结果，对控制策略进行动态地调整。利用微服务的服务组件化和平台无关性，把组态服务分解为不同功能微服务模块的组合。微服务模块之间通过给定的接口进行通信，以发布/订阅的方式进行消息传输。本发明降低带宽资源消耗、缩短响应时间，降低异构设备间通信的难度，提高异构设备间组态服务建立的效率，有效适用于不同操作平台异构设备间的组态服务。

Description

一种基于边缘计算的异构工业网络设备组态微服务方法
技术领域
本发明属于工业网络技术领域，涉及一种基于边缘计算的异构工业网络设备组态微服务方法。
背景技术
随着物联网和云计算的蓬勃发展，出现了一种解决物联网和云计算发展困境的计算模型——边缘计算。边缘计算推动着物联网行业的快速发展，为未来万物互联提供坚实的技术保障。边缘计算就是一种部署在网络边缘侧(边缘节点)，靠近数据源，包括网络、计算、存储、应用等核心能力，就近提供实时智能处理的计算模型。边缘节点是在数据产生源头和云中心之间，任一具有计算资源和网络资源，靠近数据源的设备。边缘计算的任务处理是由边缘节点在网络边缘侧发起，边缘节点完成部分数据的处理和分析工作，从而可以产生更快的服务响应；若数据超过边缘节点处理能力，则需要把数据上传到云端进行处理并返回结果，达到边云协同的效果，满足工厂对数据任务实时响应的要求。
微服务(Microservice)是相对于SOA(Service Oriented Architecture，面向服务的架构)而言的，从本质上讲是由SOA演进而来的，不仅具备了SOA的优点而且发展出了自己独有的特性，从而更加优于SOA。微服务是一种采用了RESTful(Representational StateTransfer，表述性状态传递)风格的服务设计架构，例如一个大型的软件应用也可以由多个微服务组合而成。一个系统中的每个微服务都可以被独立部署，各个微服务之间是松耦合的，微服务模块之间通过调用RESTful API接口进行通信，每个微服务专注于一件任务并很好地完成该任务。一个微服务模块处理一个任务，代表着一个小的业务能力，因此降低了实现微服务模块的即插即用和互操作性的难度。微服务本身的实现与具体的技术和平台没有绑定关系，可以根据业务需求选定具体的实现方案。微服务架构的扩展性比较强，实现服务的跨平台部署和应用比较简单。
目前，随着物联网行业的高速发展，物联网的一些相关技术也被应用到工业自动控制领域中。在工业自动控制领域应用物联网行业的相关技术之前，使用组态对设备进行管理和控制，利用OPC(OLE(Object Linking and Embedding)for Process Control,用于过程控制的OLE)技术进行数据传输。OPC是基于OLE(现在的Active X)、COM(ComponentObject Model，部件对象模型)和DCOM(Distributed Component Object Model，分布式部件对象模型)技术发展出来的一个工业标准。由于OPC技术和大部分的组态软件对Windows平台的依赖，导致在非Windows平台上直接应用比较困难，从而限制了它们的跨平台性和可扩展性。鉴于此，采用基于OPC的组态方法难以实现跨平台、跨异构网络的设备组态服务和数据共享。因此，本发明提出了一种基于边缘计算的异构工业网络设备组态微服务方法，目的在于降低实现跨平台、异构网络设备间组态的建立的难度，简化组态服务流程，实现实时数据的分级处理，缩短组态服务开发周期，降低响应延迟。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于边缘计算的异构工业网络设备组态微服务方法，属于工业网络技术领域。本发明把边缘计算模型应用到异构工业网络设备组态服务中，根据接收数据的不同情况，数据既可以在本地直接处理，也可以在云中心对数据进行存储、分析，进而达到了对数据的分级处理。数据经过处理之后，返回例如历史数据曲线、控制策略、参数优化等结果，进而可以对控制策略进行动态地调整。所提方法利用微服务的服务组件化和平台无关性，把组态服务分解为不同功能微服务模块的组合。微服务模块之间通过给定的接口进行通信，以发布/订阅的方式进行消息传输。本发明能够降低带宽资源消耗、缩短响应时间，降低异构设备间通信的难度，提高异构设备间组态服务建立的效率，并能够有效适用于不同操作平台异构设备间的组态服务。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于边缘计算的异构工业网络设备组态微服务方法，包括以下步骤：
S1：通过协议适配层中对应的协议适配微服务，把设备传输的数据转换为内部统一的数据格式；
S2：设备元数据微服务从相应的协议适配微服务中获取设备信息，在设备元数据微服务中对设备进行注册并生成唯一设备ID；
S3：数据持久化微服务存储设备信息，对接收到的数据做实时处理和持久化存储，并为其它微服务提供唯一的数据访问接入口；
S4：策略触发微服务根据预先配置的控制策略，确定数据是直接在本地处理还是通过消息发布层传输到云端处理；
S5：云端对设备历史数据进行存储和分析，返回结果，所述结果包括历史数据曲线、控制策略和参数优化，通过消息发布层把处理结果返回到相应的微服务中；
S6：策略触发微服务通过订阅相应微服务的消息对设备数据进行实时监控，若达到预先配置的控制策略要求，则会触发相应的动作，发出命令到命令微服务，进而开始设备间组态服务的建立，否则继续监控数据，策略控制微服务对策略触发微服务中的控制策略进行配置并即时生效；
S7：消息发布微服务对接收到的消息进行判断，若有异常会触发警报和通知微服务，从而通过消息发布微服务返回异常消息进行通知，否则命令操作微服务会依据接收到的命令做出相应的动作；
S8：命令操作微服务从数据持久化微服务中查找给定的设备信息是否存在，若不存在就返回设备不存在的消息，否则就返回设备ID；
S9：命令操作微服务把要执行的命令发送到协议适配层，转换成相应设备使用的通信数据格式，进而驱动设备执行相应的动作，完成设备间组态服务的建立。
进一步，所述协议适配层对不同通信协议的设备进行适配，一个协议适配微服务对应一种通信协议类型的设备，获取传输数据中的关键信息，包括设备种类、传感器采集的数据值、执行器动作开或关，重新组合为一种新的类JSON数据格式进行统一使用。
进一步，所述微服务模块配置微服务通过类似心跳检测的机制对各个微服务模块的运行状况实时监控，管理微服务模块的注册和卸载。
进一步，所述策略触发微服务通过订阅相应微服务的消息对设备数据进行实时监控，若达到预先配置的控制策略要求，则会触发相应的动作，发出命令到命令微服务，进而开始设备间组态服务的建立，否则继续监控数据。
进一步，所述策略控制微服务通过消息发布微服务对策略控制编辑器生成的控制策略进行推送，在策略触发微服务中执行，进而达到动态配置控制策略的效果。
进一步，在数据量未超过本地处理能力或有实时性要求的情况下，设备数据直接在边缘节点进行本地处理；若数据量大到超过了本地处理能力，或没有实时性要求，或数据类型为设备历史数据，则把数据传输到云端处理，在云端对设备历史数据进行分析，从而返回历史数据曲线、参数优化结果。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明所提出的异构工业网络设备组态微服务方法，把边缘计算模型应用到工业现场设备数据的实时处理之中。在数据量较小或实时性要求较高的情况下，设备数据直接在边缘节点进行本地处理；若数据量较大(超过本地处理能力)、实时性较低或设备历史数据，则把数据传输到云端处理，在云端对设备历史数据进行分析，从而返回历史数据曲线、参数优化等结果。通过以上对设备数据的处理方法，达到对请求的快速响应，有效的降低带宽资源消耗，缩短响应时间。
(2)本发明所提出的工业设备组态方法，利用微服务的低耦合性和平台无关性，能够使设备间的连接和控制不再受限于单个平台或单一类型的网络，通过把边缘计算和微服务应用到工业现场中，能够降低实现跨平台、跨协议的设备组态服务的难度，提高组态服务建立的效率和可靠性。
(3)本发明能够对设备控制策略进行配置并即时生效，实现了对组态服务建立过程的动态调整；同时借助于各个微服务模块的即插即用功能，随时可以添加或减少新的微服务模块或设备。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明提出的异构网络设备间组态微服务结构图；
图2为本发明提出的异构网络设备间组态服务建立流程图；
图3为命令微服务的PUT命令执行过程时序图；
图4为策略触发微服务中策略控制文件动态配置时序图；
图5为本发明所述基于边缘计算的异构工业网络设备组态微服务方法中设备统一转换的数据格式说明图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
一种基于边缘计算的异构工业网络设备组态微服务方法，包括以下步骤：
S1：通过协议适配层中对应的协议适配微服务，把设备传输的数据转换为本方法内部统一的数据格式；
S2：设备元数据微服务从相应的协议适配微服务中获取设备信息，在本微服务中对设备进行注册并生成唯一设备ID；
S3：数据持久化微服务存储设备信息，对接收到的数据做实时处理和持久化存储，并为其它微服务提供唯一的数据访问接入口；
S4：策略触发微服务根据预先配置的控制策略，确定数据是直接在本地处理还是通过消息发布层传输到云端处理；
S5：云端对设备历史数据进行存储和分析，返回例如历史数据曲线、控制策略、参数优化等结果，通过消息发布层把处理结果返回到相应的微服务中；
S6：策略触发微服务通过订阅相应微服务的消息对设备数据进行实时监控，若达到预先配置的控制策略要求，则会触发相应的动作，发出命令到命令微服务，进而开始设备间组态服务的建立，否则继续监控数据。策略控制微服务可以对策略触发微服务中的控制策略进行配置并即时生效；
S7：消息发布微服务对接收到的消息进行判断，若有异常就会触发警报和通知微服务，从而通过消息发布微服务返回异常消息进行通知，否则命令操作微服务会依据接收到的命令做出相应的动作；
S8：命令操作微服务使用GET命令从数据持久化微服务中，查找给定的设备信息是否存在，若不存在就返回设备不存在的消息，否则就返回设备ID；
S9：命令操作微服务利用PUT命令把要执行的命令发送到协议适配层，转换成相应设备使用的通信数据格式，进而驱动设备执行相应的动作，完成设备间组态服务的建立。
可选地，所述协议适配层对不同通信协议的设备进行适配(一个协议适配微服务对应一种通信协议类型的设备)，获取传输数据中的的关键信息(例如设备种类、传感器采集的数据值、执行器动作开或关等)，重新组合为一种新的类JSON(JavaScript ObjectNotation)数据格式，在本方法内统一使用。
可选地，所述微服务模块配置微服务通过类似心跳检测的机制对各个微服务模块的运行状况实时监控，管理微服务模块的注册和卸载。
可选地，所述策略触发微服务通过订阅相应微服务的消息对设备数据进行实时监控，若达到预先配置的控制策略要求(可以动态配置)，则会触发相应的动作，发出命令到命令微服务，进而开始设备间组态服务的建立，否则继续监控数据。
可选地，所述策略控制微服务通过消息发布微服务对策略控制编辑器生成的控制策略进行推送，在策略触发微服务中执行，进而达到动态配置控制策略的效果。
可选地，所述在数据量较小或实时性要求较高的情况下，设备数据直接在边缘节点进行本地处理；若数据量较大(超过本地处理能力)、实时性较低或设备历史数据，则把数据传输到云端处理，在云端对设备历史数据进行分析，从而返回历史数据曲线、参数优化等结果。
图1为本发明提出的异构网络设备间组态微服务结构图，从结构图可以看出，把整个设备间组态服务流程进行模块化，变为微服务模块的组合，微服务模块之间使用RESTfulAPI接口进行通信。为了便于理解，在结构图中根据各个微服务模块的功能，对微服务模块进行了大致的层次划分，分别是协议适配层、统一配置层、数据存储层、策略执行层、策略与警报层、消息发布层，但是各个微服务模块之间是扁平化的，并没有严格的先后顺序。
如图2所示是本发明提出的异构网络设备间组态服务建立流程图，具体步骤如下：
201：设备特征信息传输到设备元数据微服务，进行设备注册并生成与之关联的唯一设备ID；
202：数据持久化微服务存储设备信息，对接收到的数据做实时处理和持久化存储，并为其它微服务提供唯一的数据访问接入口；
203：消息发布微服务通过消息队列获取数据，根据配置的控制策略确定数据是在本地处理还是上传到云端进行存储、分析；
204：策略触发微服务实时监控数据，若达到预先配置的策略控制条件，就会触发相应的命令发出，进而开始设备间组态服务的建立，否则继续监控数据；
205：消息发布微服务对接收到的消息进行判断，若有异常就会触发警报和通知微服务，从而通过消息发布微服务返回异常消息进行通知，否则命令操作微服务会依据接收到的命令做出相应的动作；
206：从数据持久化微服务中查找给定的设备ID是否存在，若不存在就返回设备不存在的消息，否则就返回设备的相关信息；
207：命令操作微服务把要执行的命令发送到设备协议适配微服务，协议适配微服务把命令转换成相应设备使用的通信协议格式，进而驱动设备执行相应的动作，完成设备间组态服务的建立。
图3为命令操作微服务使用PUT命令推送消息的执行过程时序图。具体步骤如下：
301：微服务模块客户端通过PUT命令发出要执行的命令以及设备ID到命令操作微服务；
302：命令操作微服务使用GET命令查找设备ID信息，若不存在，返回设备ID不存在消息；
303：命令操作微服务通过GET命令获取要执行的命令信息，若命令未识别，则返回执行命令未识别消息；
304：命令操作微服务使用PUT命令向设备协议适配微服务发出要执行的命令和设备ID消息；
305：协议适配层通过对应的协议适配微服务驱动设备执行相应的命令。
图4为策略触发微服务中策略控制文件动态配置时序图，具体步骤如下：
401：策略控制编辑器通过POST命令，向策略文件生成服务，发送需要编辑的控制策略详细要求；
402：策略文件生成服务生成统一格式的策略控制文件，返回策略控制文件生成确认消息；
403：策略控制文件写进策略文件系统并保存；
404：策略控制文件被加载到策略执行服务中等待执行，若加载成功，则返回成功加载的消息。
图5为本方法中设备统一转换的数据格式说明图，具体说明如下：
图5为本方法中从协议适配层转换的统一数据结构说明图，本方法中的数据结构模型主要分为三个大模块，分别是设备基本信息模块、DeviceResources(设备资源信息模块)、Commands(设备命令模块)。设备基本信息模块是对一类设备的简单概括说明，包括设备的名称、型号、标签、描述等；设备资源信息模块是设备资源的详细说明，包含若干个设备资源，每一个设备资源都包含设备资源名称、资源描述、资源特性、资源属性以及对应的资源值等；设备命令模块为若干个设备执行或发出的命令集合，每一个命令主要包括命令名称、命令路径以及响应等。
本发明把边缘计算模型和微服务设计模式引入到异构工业网络设备组态服务建立和过程控制等服务中，根据接收数据的不同情况，数据既可以在本地直接处理，也可以在云中心对数据进行存储、分析，进而实现了实时数据的分级处理和历史数据存储。使用上述的数据处理方法，可以有效的降低带宽资源的消耗，缩短响应时间。采用本方法降低了异构设备间通信的难度，提高异构设备间组态服务建立的效率，并能够有效适用于不同操作平台异构设备间的组态服务。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种基于边缘计算的异构工业网络设备组态微服务方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：通过协议适配层中对应的协议适配微服务，把设备传输的数据转换为内部统一的数据格式；
S2：设备元数据微服务从相应的协议适配微服务中获取设备信息，在设备元数据微服务中对设备进行注册并生成唯一设备ID；
S3：数据持久化微服务存储设备信息，对接收到的数据做实时处理和持久化存储，并为其它微服务提供唯一的数据访问接入口；
S4：策略触发微服务根据预先配置的控制策略，确定数据是直接在本地处理还是通过消息发布层传输到云端处理；
S5：云端对设备历史数据进行存储和分析，返回结果，所述结果包括历史数据曲线、控制策略和参数优化，通过消息发布层把处理结果返回到相应的微服务中；
S6：策略触发微服务通过订阅相应微服务的消息对设备数据进行实时监控，若达到预先配置的控制策略要求，则会触发相应的动作，发出命令到命令微服务，进而开始设备间组态服务的建立，否则继续监控数据，策略控制微服务对策略触发微服务中的控制策略进行配置并即时生效；
S7：消息发布微服务对接收到的消息进行判断，若有异常会触发警报和通知微服务，从而通过消息发布微服务返回异常消息进行通知，否则命令操作微服务会依据接收到的命令做出相应的动作；
S8：命令操作微服务从数据持久化微服务中查找给定的设备信息是否存在，若不存在就返回设备不存在的消息，否则就返回设备ID；
S9：命令操作微服务把要执行的命令发送到协议适配层，转换成相应设备使用的通信数据格式，进而驱动设备执行相应的动作，完成设备间组态服务的建立；
微服务模块配置微服务通过类似心跳检测的机制对各个微服务模块的运行状况实时监控，管理微服务模块的注册和卸载。
2.根据权利要求1所述的基于边缘计算的异构工业网络设备组态微服务方法，其特征在于：所述协议适配层对不同通信协议的设备进行适配，一个协议适配微服务对应一种通信协议类型的设备，获取传输数据中的关键信息，包括设备种类、传感器采集的数据值、执行器动作开或关，重新组合为一种新的类JSON数据格式进行统一使用。
3.根据权利要求1所述的基于边缘计算的异构工业网络设备组态微服务方法，其特征在于：所述策略触发微服务通过订阅相应微服务的消息对设备数据进行实时监控，若达到预先配置的控制策略要求，则会触发相应的动作，发出命令到命令微服务，进而开始设备间组态服务的建立，否则继续监控数据。
4.根据权利要求1所述的基于边缘计算的异构工业网络设备组态微服务方法，其特征在于：所述策略控制微服务通过消息发布微服务对策略控制编辑器生成的控制策略进行推送，在策略触发微服务中执行，进而达到动态配置控制策略的效果。
5.根据权利要求1所述的基于边缘计算的异构工业网络设备组态微服务方法，其特征在于：在数据量未超过本地处理能力或有实时性要求的情况下，设备数据直接在边缘节点进行本地处理；若数据量大到超过了本地处理能力，或没有实时性要求，或数据类型为设备历史数据，则把数据传输到云端处理，在云端对设备历史数据进行分析，从而返回历史数据曲线、参数优化结果。
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