CN111556053A - 掘进环境下基于OPC UA over TSN的窄带物联数据采集系统 - Google Patents

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CN111556053A CN202010345397.3A CN202010345397A CN111556053A CN 111556053 A CN111556053 A CN 111556053A CN 202010345397 A CN202010345397 A CN 202010345397A CN 111556053 A CN111556053 A CN 111556053A
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涂煊
陈俊杰
俞玲娜
乔非
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Tongji University
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Shanghai Institute of Process Automation Instrumentation
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Abstract

本发明涉及一种掘进环境下基于OPC UA over TSN的窄带物联数据采集系统，针对在复杂掘进环境下对于数据传输的抗强干扰、高可靠性等要求，结合OPC UA规范并融合时间敏感网络(TSN)标准，智能终端利用窄带物联网实现从现场层多源传感器直到云端的纵向无缝连接；利用时间敏感网络TSN与OPC UA的结合的技术，实现数据在掘进环境下可靠稳定的传输，并建立其全面的工业通信基础结构，可将IT和OT无缝融合到现有的工业现场总线中，解决了复杂掘进环境下异构多源感知数据格式一致性差、数据范围分布广、干扰问题突出、多种现场控制器并存、多网络互通难等问题，获得良好的适用性。可有效实现终端与上层运维管控平台之间多种数据的通信和统一管理。

Description

掘进环境下基于OPC UA over TSN的窄带物联数据采集系统
技术领域
本发明涉及一种数据处理技术，特别涉及一种掘进环境下基于OPC UA over TSN的窄带物联数据采集系统。
背景技术
全断面隧道掘进装备是由导向、掘进、支护、出渣等系统集成的工厂化流水线式隧道施工高端装备。掘进装备运行服务平台及智能终端研制势在必行，互联网与人工智能等技术高速发展在隧道施工领域引起深刻变革，智能掘进、协同施工等先进理念正在成为现实，运行智能化、服务远程化、施工协同化成为掘进装备新技术发展趋势。平台的实现缺少不了对于数据的获取，对于全断面隧道掘进装备，作业环境复杂，设备众多。
发明内容
本发明是针复杂掘进环境下异构多源感知数据格式一致性差，数据范围分布广和融合难度大的问题，提出了一种掘进环境下基于OPC UA over TSN的窄带物联数据采集系统，采用OPC UA over NB-IOT(窄带物联网)技术实现从复杂掘进环境下的多源传感器到盾构运维管控云端的整个纵向无缝连接；针对复杂掘进环境下干扰问题突出、多种现场控制器并存、多网络互通难的问题，采用OPC UA over TSN技术解决复杂掘进环境下异构网络的互操作和实时通信的问题；针对复杂掘进环境下高维度出渣图像、围岩图像等数据现场处理难和蜂窝网络无法覆盖到隧道深处的问题，采用现场边缘端智能网关对已有盾构作业系统实现在边缘端嵌入式平台完成信息实时收集、解析，并通过TSN有线网络实现和本地服务器的数据交互，最终实现高维度图像数据和盾构运维管控云端的纵向互联。本发明可以在掘进环境下，利用现场智能终端实现对各类信号的采集，完成盾构作业系统、周边环境系统的围岩图像、装备、传感器等信息实时收集、解析及并完成数据采集，通过OPC UA over NB-IOT(窄带物联网)和OPC UA over TSN两种方式相结合将数据上传至运维管控平台，完成数据数据采集后实现可靠安全传输。
本发明的技术方案为：一种掘进环境下基于OPC UA over TSN的窄带物联数据采集系统，包括数个智能终端、蜂窝网基站、智能网关、盾构运维管控平台服务器和本地服务器；多个智能终端采集现场数据；智能终端采用OPC UA规范并融合时间敏感网络标准的通信协议，通过智能终端中的窄带物联网模块将采集的掘进环境传感数据实时传输至蜂窝网基站，蜂窝网基站直接与盾构运维管控云平台服务器通信；智能终端同时通过基于OPC UAover TSN的有线通信模块将高维度的出渣图像、围岩图像数据传输至智能网关，智能网关将数据传输至本地服务器，本地服务器处理数据后上传盾构运维管控平台服务器。
所述智能终端包括多源信号接口模块、电源模块、充电电池、CPU处理模块、FPGA加速模块、窄带物联网模块、有线通信模块和LED显示屏；多源信号接口模块可连接外部设备IO信号、可通过RS485接口与外部装置通信、可通过视频总线采集现场视频设备传输过来的视频图像，多源信号接口模块采集现场多源异构数据送CPU处理模块；CPU处理模块送数据采集通信状态到LED显示屏显示；CPU处理模块和FPGA加速模块完成对多源异构数据的处理后，将数据通过窄带物联网和时间敏感网络两种方式最终传输至盾构运维管控平台服务器。
所述智能网关支持OPC UA over TSN通信协议。
所述本地服务器支持OPC UA over TSN通信协议。
本发明的有益效果在于：本发明掘进环境下基于OPC UA over TSN的窄带物联数据采集系统，智能终端利用OPC UA over NB-IOT(窄带物联网)实现从现场层多源传感器直到云端的纵向无缝连接；利用时间敏感网络TSN(Time-Sensitive Network,时间敏感网络)与OPC UA(OPC统一架构)的结合的技术，实现数据在掘进环境下可靠稳定的传输，并建立其全面的工业通信基础结构，可将IT(Information Technology信息技术)和OT(OperationTechnology操作技术)无缝融合到现有的工业现场总线中，解决了复杂掘进环境下异构多源感知数据格式一致性差、数据范围分布广、干扰问题突出、多种现场控制器并存、多网络互通难等问题，获得良好的适用性。
附图说明
图1为本发明掘进环境下基于OPC UA over TSN的窄带物联数据采集系统原理框图。
具体实施方式
如图1所示掘进环境下基于OPC UA over TSN的窄带物联数据采集系统原理框图，系统包括数个智能终端1、蜂窝网基站2、智能网关3、盾构运维管控平台服务器4和本地服务器5。多个智能终端1根据数据采集需要安装在盾构设备机侧或掘进环境处，所述智能终端具备多源信号接口模块，模块可以连接外部设备IO信号、也可以通过RS485接口实现与外部装置通信，同时也可以通过视频总线采集现场视频设备传输过来的视频图像，完成现场多源异构数据的采集；所述智能终端1带有可充电电池，在一些掘进环境比较难以安装布线的场景中可以利用充电电池供电；智能终端1的LED显示屏完成数据采集通信状态的就地显示；智能终端1的CPU处理模块和FPGA加速模块完成对多源异构数据的处理；智能终端1具备窄带物联网模块，CPU处理模块处理后的掘进环境中的气体浓度、温度、震动等传感器采集的小数据通过窄带物联网模块经蜂窝网基站2直接与盾构运维管控云平台服务器4通信，实现数据的双向传输；所述智能终端1同时具备有线通信模块，CPU处理模块处理后的高维度的出渣图像、围岩图像等大数据通过有线通信模块与支持OPC UA over TSN的智能网关3通信，将数据传输至本地服务器5，本地服务器5处理数据后上传盾构运维管控平台服务器，此通信模式在蜂窝网无法覆盖的隧道深处作为窄带物联网通信的补充。
所述的智能终端1的有线通信模式支持OPC UA规范，并同时具备时间敏感网络(TSN)标准。
所述的智能网关3设备是实现与多个智能终端1利用有线通信模块通信，完成数据上传、缓存至本地服务器5，该智能网关3设备支持OPC UA规范，并同时具备时间敏感网络(TSN)标准。
所述的盾构运维管控平台服务器4，通过窄带物联网或有线通信两种方式，完成数据采集、存储及分析。该管控平台服务器在窄带物联网通信模式及有线通信模式支持OPCUA规范。
所述的本地服务器5，同时支持OPC UA规范和TSN通信标准，实现与智能网关3及盾构运维管控平台服务器4的通信，完成数据的缓存及对智能终端1的实时控制。
所述的蜂窝网基站2，是完成整个数据采集系统网络重要部分，根据实际工况情况的不同，可以支持3G/4G/5G的标准蜂窝网络。
根据盾构运维管控要求，多个智能终端1采集现场多源异构的数据，并通过窄带物联网经由蜂窝网基站2直接将数据传送至云平台服务器，并同时将处理好的数据通过有线方式经由支持OPC UA over TSN通信方式的工业以太网上传至智能网关3设备，智能网关3设备将不同智能终端采集的数据分类、解析，并完成特征提取，将不同类型数据打包后上传至本地服务器5并接收本地服务器5的实时控制。盾构运维管控平台服务器4获得数据后完成数据分析、挖掘并以盾构系统运维的决策依据，形成以数据为驱动的运维决策系统。
本实施例针对复杂掘进环境下高维度出渣图像、围岩图像等数据现场处理难和蜂窝网络无法覆盖到隧道深处的问题，采用现场边缘端智能网关3对已有盾构作业系统实现在边缘端嵌入式平台完成信息实时收集、解析，并通过TSN有线网络实现和本地服务器5的数据交互，最终实现高维度图像数据和盾构运维管控云端的纵向互联。
本实施例针对复杂掘进环境下异构多源感知数据格式一致性差，数据范围分布广和融合难度大的问题，采用OPC UA over NB-IOT(窄带物联网)实现从复杂掘进环境下的多源传感器到盾构运维管控云端的整个纵向无缝连接。
本实施例针对复杂掘进环境下干扰问题突出、多种现场控制器并存、多网络互通难的问题，采用OPC UA over TSN成功解决了复杂掘进环境下异构网络的互操作和实时通信的问题。
以上所述仅为体现本发明原理的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围，对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出的若干推演和润饰，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种掘进环境下基于OPC UA over TSN的窄带物联数据采集系统，其特征在于，包括数个智能终端、蜂窝网基站、智能网关、盾构运维管控平台服务器和本地服务器；多个智能终端采集现场数据；智能终端采用OPC UA规范并融合时间敏感网络标准的通信协议，通过智能终端中的窄带物联网模块将采集的掘进环境传感数据实时传输至蜂窝网基站，蜂窝网基站直接与盾构运维管控云平台服务器通信；智能终端同时通过基于OPC UA over TSN的有线通信模块将高维度的出渣图像、围岩图像数据传输至智能网关，智能网关将数据传输至本地服务器，本地服务器处理数据后上传盾构运维管控平台服务器。
2.根据权利要求1所述掘进环境下基于OPC UA over TSN的窄带物联数据采集系统，其特征在于，所述智能终端包括多源信号接口模块、电源模块、充电电池、CPU处理模块、FPGA加速模块、窄带物联网模块、有线通信模块和LED显示屏；多源信号接口模块可连接外部设备IO信号、可通过RS485接口与外部装置通信、可通过视频总线采集现场视频设备传输过来的视频图像，多源信号接口模块采集现场多源异构数据送CPU处理模块；CPU处理模块送数据采集通信状态到LED显示屏显示；CPU处理模块和FPGA加速模块完成对多源异构数据的处理后，将数据通过窄带物联网和时间敏感网络两种方式最终传输至盾构运维管控平台服务器。
3.根据权利要求1所述掘进环境下基于OPC UA over TSN的窄带物联数据采集系统，其特征在于，所述智能网关支持OPC UA over TSN通信协议。
4.根据权利要求1所述掘进环境下基于OPC UA over TSN的窄带物联数据采集系统，其特征在于，所述本地服务器支持OPC UA over TSN通信协议。
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