CN110191138A - 一种面向工业制造的边缘计算智能适配器及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向工业制造的边缘计算智能适配器及实现方法，该适配器包括Modbus协议解析器、AI/DI/DO信号处理模块、边缘计算模块和输出模块；Modbus协议解析器解析采集设备的数据；AI/DI/DO信号处理模块将模拟量、数字量输入转化为数字量输出控制信号；边缘计算模块通过轻量级机器学习算法子模块得到预测信息，数据处理子模块按照配置子模块预先设置的处理方式进行数据处理，处理后的数据存入存储子模块中，输出模块提供OPC UA服务器服务，读取存储子模块中数据，进行人机交互操作，同时将数据传输上报。本发明的边缘计算处理缓解了网络带宽与数据中心数据处理压力，增强了云服务的响应能力。
Description
技术领域
本发明涉及工业互联网及智能计算设备技术领域，尤其涉及一种面向工业制造的边缘计算智能适配器及实现方法。
背景技术
随着工业互联技术的飞速发展及广泛应用，爆炸式增长的海量边缘数据给集中式的云计算处理模式带来了越来越大的压力，大量设备产生的数据，其中只有少量是关键数据，大都是临时数据，无需长期存储。边缘计算设备可以在网络边缘处理大量临时数据，从而缓解网络带宽与数据中心数据处理压力。另一方面，复杂的工业网络环境中存在链路和路由不稳定等问题，这些因素造成的延迟过高、抖动过强、数据传输速度过慢等问题，严重影响云服务的响应能力。因此，需要为工业中大量的采集设备增加边缘计算技术，从而增强云服务的响应能力。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种面向工业制造的边缘计算智能适配器及实现方法，采用边缘计算的方式，缓解网络带宽与数据中心数据处理压力，同时使用OPC UA方式输出，实现系统的无缝衔接，增强云服务的响应能力。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明一种面向工业制造的边缘计算智能适配器，包括：Modbus协议解析器、AI/DI/DO信号处理模块、边缘计算模块和输出模块；
所述Modbus协议解析器用于解析采集设备的数据，Modbus协议栈中Modbus主站解析RTU协议和TCP协议，解析后的数据传送至边缘计算模块；
所述AI/DI/DO信号处理模块将模拟量、数字量数据的输入转化为数字量输出控制信号；
所述边缘计算模块包括存储子模块、轻量级机器学习算法子模块、配置子模块和数据处理子模块；
所述存储子模块包括原始数据区和处理数据区，所述原始数据区存储采集设备数据映射到存储子模块中的原始数据，所述处理数据区存储经过数据处理子模块处理后的数据；
所述轻量级机器学习算法子模块采用径向基学习算法，根据存储子模块中的历史原始数据样本，通过径向基学习算法逼近任意的非线性函数，得到预测信息；
所述配置子模块用于配置采集设备的协议类型，以及配置存储子模块中的采集设备数据的处理方式；
所述数据处理子模块根据配置子模块的设置，对存储子模块中原始数据区的数据做出相应的数据处理，调用轻量级机器学习算法子模块进行辅助计算处理，处理后的数据存入存储子模块相应的处理数据区中；
所述输出模块提供OPC UA服务器服务，读取存储子模块中处理数据区数据，进行人机交互操作，同时与上层应用系统进行数据传输。
作为优选的技术方案，还设有接口模块，所述接口模块包括RS232接口、RS485接口、AI/DI/DO接口、以太网接口、4G接口和WIFI接口，所述RS232接口和RS485接口为ModbusRTU协议接口，所述AI/DI/DO接口提供数字量及模块量的传输通道，所述以太网接口提供OPC UA或Modbus TCP的有线TCP/IP接口，所述4G接口和WIFI接口提供OPC UA服务器或Modbus TCP的无线TCP/IP接口。
作为优选的技术方案，还设有告警模块，所述告警模块与边缘计算模块相连，提供灯光或声音告警。
作为优选的技术方案，所述输出模块采用嵌入式OPC UA服务器模块，嵌入式OPCUA服务器模块的协议栈采用减少OPC UA地址空间定义的方式，对UA协议进行压缩裁剪。
作为优选的技术方案，所述嵌入式OPC UA服务器模块的协议栈自定义信息模型和自定义处理逻辑，功能包括：UA服务器管理、会话管理、地址空间数据管理、实时数据访问、订阅与发布、事件报警、历史数据存储以及事务调度。
本发明还提供了一种面向工业制造的边缘计算智能适配器的实现方法，包括下述步骤：
获取采集设备的数据，Modbus协议解析器解析Modbus协议栈中Modbus主站解析RTU协议和TCP协议，解析后的数据传送至边缘计算模块；
AI/DI/DO信号处理模块将输入的模拟量、数字量数据转化为数字量输出控制信号；
根据存储子模块中的原始数据，边缘计算模块通过径向基学习算法逼近任意的非线性函数，得到预测信息，并按照预先设置好的处理方式对数据进行特征分析和数据融合，结合预测信息对设备进行诊断和预测性维护，处理完成后的数据存入存储子模块；
输出模块提供OPC UA服务器服务，读取存储子模块中数据，上报至上层应用系统，同时将数据显示在人机交互界面上。
作为优选的技术方案，所述径向基学习算法具体计算方式为：
(1)在算法的自组织学习阶段，从输入数据样本选取基函数的中心，并求解基函数方差，径向基采用高斯函数方式表示为：α＞0，选取h个中心做聚类，则方差可由公式求解：
(2)在算法的监督学习阶段，求解隐含层到输出层之间的权值，隐含层至输出层之间的神经元的连接权值可以用最小二乘法直接计算得到，即对损失函数求解关于w的偏导数，使其等于0，可以化简得到计算公式为：
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)本发明的边缘计算适配器支持Modbus协议设备接入和AI/DI接口的传感器接入，接收的数据按照配置的计算模式进行边缘计算处理，并通过人机交互反馈计算结果，缓解了网络带宽与数据中心数据处理压力。
(2)本发明的边缘计算适配器可控制采集设备进行数据采集，通过告警模块产生告警，通过嵌入式OPC UA服务器模块提供给上层系统，解决终端设备运算能力不足的问题，增强云服务的响应能力。
附图说明
图1为本实施例的边缘计算智能适配器功能示意框图；
图2为本实施例的边缘计算智能适配器硬件结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
如图1、图2所示，本实施例提供了一种面向工业制造的边缘计算智能适配器，在软件上包括Modbus协议解析器、AI/DI/DO信号处理模块、边缘计算模块和输出模块；硬件上包括接口模块、主控模块、存储模块、电源模块和告警模块；数据通过Modbus协议解析器，或者信号通过AI/DI/DO信号处理模块，进入边缘计算模块进行运算处理，最后通过输出模块传到上层系统，所述输出模块采用嵌入式OPC UA服务器模块。
在本实施例中，所述Modbus协议解析器用于解析下层接入适配器的Modus协议设备的数据；实现Modbus协议栈中Modbus主站的功能，Modbus主站可解析RTU协议和TCP协议，通过使用RS485接口实现串行的Modbus RTU协议功能，通过使用以太网接口实现ModubsTCP协议功能；
在本实施例中，所述AI/DI/DO信号处理模块提供适配器与模拟量采集器和数字量传感器的采集与控制接口；所述AI/DI/DO信号处理模块中AI模块表示模拟量输入模块，包含4-20mA输入、0-5V输入和0-10V输入；DI模块表示数字量的传感器输入；DO表示数字量的控制输出；
在本实施例中，所述边缘计算模块，包含轻量级学习算法子模块、数据处理子模块、配置子模块和存储子模块；数据进入边缘计算系统模块时，保存在存储子模块的原始数据区，数据处理子模块提取原始数据区的数据，根据数据类型对数据进行处理，对于复杂处理要求的数据，数据处理子模块将调用轻量级机器学习算法子模块进行辅助计算处理，处理完成的数据存入存储子模块的处理数据区，等待嵌入式OPC UA服务器模块的提取，或作为控制和故障诊断的判断条件，配置子模块用于给边缘计算系统模块配置针对不同数据类型采取不同的处理方法及其他基础配置；
在本实施例中，所述轻量级机器学习算法子模块采用边缘计算适配器计算资源受限条件下的径向基学习算法，在算法的自组织学习阶段，从输入数据样本选取基函数的中心，并求解基函数方差，在监督学习阶段，求解隐含层到输出层之间的权值。通过对存储子模块中的历史原始数据样本计算，径向基学习算法逼近任意的非线性函数，可以处理系统内的难以解析的规律性，从而对数据趋势做出预测，为设备控制和故障诊断提供依据，提高采集数据的信号处理与分析决策能力；
在本实施例中，所述数据处理子模块是根据应用需求，针对不同的数据进行不同的数据处理，包括仪表设备当前状态表现与正常状态表现的比较、生产过程特征值的归纳与预测、数据降维分析等；数据处理子模块根据配置子模块的设置，对规定的数据做相应的处理，再存入规定的存储空间中。相应的处理方式包括但不限于：对数据的格式处理方面，如提取数据中的关键参数，及多数据的融合等；对数据的简单处理方面，如当前状态表现与正常状态表现的对比告警等；对数据的深入处理方面，如根据学习算法的预测信息作出预告警等；
在本实施例中，所述配置子模块用于配置适配器所接入的数据采集设备的协议类型，及所采集数据的处理方式；配置子模块规定接收数据中某个地址空间的数据执行何种类型的数据处理方式，而配置模块的定义规则由上层应用系统通过嵌入式OPC UA服务器模块输入；配置方式为通过RS232串口连接PC机，进入适配器的Console处理系统进行配置；
在本实施例中，所述存储模块用于存储解析后的数据和处理后的数据，包括当前接收数据、历史接收数据，以及当前处理数据、历史处理数据；
在本实施例中，所述输出模块采用嵌入式OPC UA服务器模块，通过OPC UA协议连接上层应用系统，提供最基本的OPC UA服务器服务，OPC UA协议通过WIFI或4G通过无线的方式传输；所述嵌入式OPC UA服务器模块，读取存储模块中的数据，上报给上层应用系统。嵌入式OPC UA服务器模块的协议栈针对UA协议进行压缩裁剪，通过减少OPC UA地址空间定义，简化协议应用层功能，实现轻量级封装。嵌入式OPC UA服务器模块的协议栈包括最基本的功能，包括UA服务器管理、会话管理、地址空间数据管理、实时数据访问、订阅与发布、事件&报警、历史数据存储、以及事务调度，UA服务可通过自定义信息模型及自定义处理逻辑，适应不同应用场景需求，再通过OPC UA通信协议为上层应用系统提供采集数据或处理数据，或接收上层应用系统的配置命令或操作；
如图2所示，接口模块包含RS232、RS485、以太网、AI/DI/DO接口，以及4G模块、WIFI模块等；所述RS232、RS485是Modbus RTU协议接口；所述AI/DI/DO接口连接数据采集传感器，提供信号的输入和输出；所述以太网接口用于提供OPC UA或Modbus TCP的有线TCP/IP接口；所述4G或WIFI模块用于提供OPC UA或Modbus TCP的无线TCP/IP接口；
在本实施例中，所述主控模块采用单片机STM32F407，负责边缘计算的执行以及对整个系统输入输出进行控制。
在本实施例中，所述存储模块，用于保存采集数据及处理数据；所述告警模块，提供灯光或声音告警；所述电源模块，用于给系统内各个模块提供电源。
本实施例的边缘计算适配器支持Modbus协议设备接入和AI/DI接口的传感器接入，接收的数据按照配置的计算模式进行边缘计算处理，缓解网络带宽与数据中心数据处理压力，计算结果通过人机交互进行反馈，并控制采集设备进行数据采集，通过告警模块产生告警，通过嵌入式OPC UA服务器模块提供给上层系统，增强云服务的响应能力。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种面向工业制造的边缘计算智能适配器，其特征在于，包括：Modbus协议解析器、AI/DI/DO信号处理模块、边缘计算模块和输出模块；
所述Modbus协议解析器用于解析采集设备的数据，Modbus协议栈中Modbus主站解析RTU协议和TCP协议，解析后的数据传送至边缘计算模块；
所述AI/DI/DO信号处理模块将模拟量、数字量数据的输入转化为数字量输出控制信号；
所述边缘计算模块包括存储子模块、轻量级机器学习算法子模块、配置子模块和数据处理子模块；
所述存储子模块包括原始数据区和处理数据区，所述原始数据区存储采集设备数据映射到存储子模块中的原始数据，所述处理数据区存储经过数据处理子模块处理后的数据；
所述轻量级机器学习算法子模块采用径向基学习算法，根据存储子模块中的历史原始数据样本，通过径向基学习算法逼近任意的非线性函数，得到预测信息；
所述配置子模块用于配置采集设备的协议类型，以及配置存储子模块中的采集设备数据的处理方式；
所述数据处理子模块根据配置子模块的设置，对存储子模块中原始数据区的数据做出相应的数据处理，调用轻量级机器学习算法子模块进行辅助计算处理，处理后的数据存入存储子模块相应的处理数据区中；
所述输出模块提供OPC UA服务器服务，读取存储子模块中处理数据区数据，进行人机交互操作，同时与上层应用系统进行数据传输。
2.根据权利要求1所述的面向工业制造的边缘计算智能适配器，其特征在于，还设有接口模块，所述接口模块包括RS232接口、RS485接口、AI/DI/DO接口、以太网接口、4G接口和WIFI接口，所述RS232接口和RS485接口为Modbus RTU协议接口，所述AI/DI/DO接口提供数字量及模块量的传输通道，所述以太网接口提供OPC UA或Modbus TCP的有线TCP/IP接口，所述4G接口和WIFI接口提供OPC UA服务器或Modbus TCP的无线TCP/IP接口。
3.根据权利要求1所述的面向工业制造的边缘计算智能适配器，其特征在于，还设有告警模块，所述告警模块与边缘计算模块相连，提供灯光或声音告警。
4.根据权利要求1所述的面向工业制造的边缘计算智能适配器，其特征在于，所述输出模块采用嵌入式OPC UA服务器模块，嵌入式OPC UA服务器模块的协议栈采用减少OPC UA地址空间定义的方式，对UA协议进行压缩裁剪。
5.根据权利要求4所述的面向工业制造的边缘计算智能适配器，其特征在于，所述嵌入式OPC UA服务器模块的协议栈自定义信息模型和自定义处理逻辑，功能包括：UA服务器管理、会话管理、地址空间数据管理、实时数据访问、订阅与发布、事件报警、历史数据存储以及事务调度。
6.一种面向工业制造的边缘计算智能适配器的实现方法，其特征在于，包括下述步骤：
获取采集设备的数据，Modbus协议解析器解析Modbus协议栈中Modbus主站解析RTU协议和TCP协议，解析后的数据传送至边缘计算模块；
AI/DI/DO信号处理模块将输入的模拟量、数字量数据转化为数字量输出控制信号；
根据存储子模块中的原始数据，边缘计算模块通过径向基学习算法逼近任意的非线性函数，得到预测信息，并按照预先设置好的处理方式对数据进行特征分析和数据融合，结合预测信息对设备进行诊断和预测性维护，处理完成后的数据存入存储子模块；
输出模块提供OPC UA服务器服务，读取存储子模块中数据，上报至上层应用系统，同时将数据显示在人机交互界面上。
7.根据权利要求6所述的面向工业制造的边缘计算智能适配器，其特征在于，所述径向基学习算法具体计算方式为：
(1)在算法的自组织学习阶段，从输入数据样本选取基函数的中心，并求解基函数方差，径向基采用高斯函数方式表示为：选取h个中心做聚类，则方差可由公式求解：
(2)在算法的监督学习阶段，求解隐含层到输出层之间的权值，隐含层至输出层之间的神经元的连接权值可以用最小二乘法直接计算得到，即对损失函数求解关于w的偏导数，使其等于0，可以化简得到计算公式为：
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190830 |