CN114338287A - 一种基于主动标识的工业边缘网关数据管理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于主动标识的工业边缘网关数据管理方法包括：获取数据汇聚模块采集到的工业数据，其中，工业数据包括工业设备、传感器及物联网卡的工作数据、或数据模型与边缘算法的虚拟资源数据；将工业数据进行协议转换后通过设置有主动标识载体的网络接入模块传输至工业互联网平台或云存储平台；基于主动表示载体预设的编码规则控制所述云存储平台将经过所述主动标识载体标识后的工业数据进行解析，并发送至目标应用。本发明属于工业联网的相关技术领域，能够有效解决现有的工业网关不方便对工业互联网终端的实体设备与虚拟资源数据的追溯与管理，导致工业数据价值不能被充分挖掘，不能满足不同工业应用和管理的需求的问题。
Description
技术领域
本发明属于工业联网的相关技术领域，具体而言，涉及一种基于主动标识的工业边缘网关数据管理方法。
背景技术
工业生产的特殊性要求工业网络能通过智能化手段对环境进行感知，支持大量异构设备接入，支持海量多源多模式数据传输，使得工业用网关在架构、安全、性能上有严格的要求，工业网关是底层工业设备与工业互联网平台的连接纽带，通过有线或者无线的传输方式将工业设备、传感器产生的数据传输到云端，其中由于不同的设备厂家、云服务供应商采用不同的编码规则，难以实现跨地域、跨领域、跨平台的工业数据和算法模型互联互通，不方便对工业互联网终端的实体设备与虚拟资源数据的追溯与管理，导致工业数据价值不能被充分挖掘，不能满足不同工业应用和管理的需求。
发明内容
本发明提出了一种新的基于主动标识的工业边缘网关数据管理方法，用以解决现有的工业网关不方便对工业互联网终端的实体设备与虚拟资源数据的追溯与管理，导致工业数据价值不能被充分挖掘，不能满足不同工业应用和管理的需求的问题。
有鉴于此，本发明提出了一种新的基于主动标识的工业边缘网关数据管理方法，包括边缘标识网关，所述边缘标识网关包括主控模块、网络汇聚模块、网络接入模块和电源管理模块，其中，所述主控模块用于实现标识注册、协议转换、逻辑控制、设备管理的数据处理和存储；所述数据汇聚模块连接于所述主控模块，用于将工业数据通过工业以太网、串口、数字I/O接口、模拟数据接口或无线设备进行数据交互，完成数据采集及远程控制；所述网络接入模块连接于所述数据汇聚模块，用于采用有线或无线的方式将边缘标识网关接入基于标识解析的工业互联网平台或云存储平台，为平台提供数据传输，有线接入方式包括全光网络、工业以太网，无线传输方式包括4G、WiFi，所述网络接入模块内嵌入式设置有主动标识载体，所述主动表示载体包括具有工业互联网标识编码及其相关信息的SIM卡芯片、移动通信模组或MCU芯片；所述电源模块分别连接于所述主控模块、所述数据汇聚模块和所述网络接入模块，用于进行系统供电及节能管理，供电方式为9~27VDC宽压输入；
其中所述边缘标识网关基于网关软件架构运行，所述网关软件架构包括协议转换、边缘计算、工业标识、安全策略、管理策略；
所述数据管理方法包括：获取所述数据汇聚模块采集到的工业数据，其中，工业数据包括工业设备、传感器及物联网卡的工作数据、或数据模型与边缘算法的虚拟资源数据；将所述工业数据进行协议转换后通过设置有主动标识载体的所述网络接入模块传输至工业互联网平台或云存储平台；基于所述主动表示载体预设的编码规则控制所述云存储平台将经过所述主动标识载体标识后的所述工业数据进行解析，并发送至目标应用。
进一步地，所述编码规则包括：所述边缘标识网关的编码为CPU芯片ID，其中，通过网络连接的工业设备和传感器的编码为物理实体的MAC地址，所述物联网卡编码为物理实体的物联网卡卡号；通过串口连接的物理实体编码为：网关CPU芯片ID+R+三位数字序号；数据模型和边缘算法的虚拟资源数据的编码为：网关CPU芯片ID+V+三位数字序号。
进一步地，所述云存储平台具体包括标识解析二级节点、标识解析企业节点、公有云和私有云，其中，所述标识解析二级节点是一个行业或区域内部的标识解析公共服务节点，能够面向行业或区域提供标识编码注册和标识解析服务，以及完成相关的标识业务管理、标识应用对接等；所述标识解析企业节点是一个企业内部的标识解析服务节点，能够面向特定企业提供标识编码注册和标识解析服务。
进一步地，所述边缘标识网关还包括工业标识模块，用于根据所述编码规则对工业互联网中各种物理实体和虚拟资源数据提供标识注册、标识更新、标识删除服务。
进一步地，所述边缘标识网关为父节点，网关连接的工业设备、传感器、物联网卡、数据模型、边缘算法为子节点，所述父节点关联所述子节点；
其中边缘标识网关为数据融合的父节点，关联各子节点编码信息，根据边缘标识网关的编码，可实现网关及其连接的物理实体和虚拟资源的标识批量注册、更新、删除，不同资源的数据可通过网关的标识在工业互联网中被解析出来，实现了物理实体与虚拟资源数据融合。
进一步地，所述工业数据根据保密性分为身份属性数据和应用属性数据。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、工业设备、传感器、物联网网关等设备作为物理实体上云，通过边缘标识网关接入的物理实体在工业互联网中具有唯一、确认的身份，可实现物理实体信息追溯及全生命周期管理；
2、将物理实体和虚拟资源的信息分为身份属性信息和应用属性信息，通过上云策略以及安全策略保障工业数据信息安全。
附图说明
图1示出了根据本发明的实施例的基于主动标识的工业边缘网关数据管理方法的流程示意图；
图2示出了根据本发明的实施例的边缘标识网关的功能架构的结构示意框图；
图3示出了根据本发明的实施例的边缘标识网关软件架构的结构示意框图；
图4示出了根据本发明的实施例的基于工业标识实现物理实体与虚拟资源数据融合的结构示意框图；
图5示出了根据本发明的实施例的边缘标识网关的数据上云策略的结构示意框图；
图6示出了根据本发明的一个实施例的边缘标识架构的结构示意框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义以及实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的说明。
如图1所示，一种基于主动标识的工业边缘网关数据管理方法包括：
步骤101，获取所述数据汇聚模块采集到的工业数据，其中，工业数据包括工业设备、传感器及物联网卡的工作数据、或数据模型与边缘算法的虚拟资源数据；
步骤102，将所述工业数据进行协议转换后通过设置有主动标识载体的所述网络接入模块传输至工业互联网平台或云存储平台；
步骤103，基于所述主动表示载体预设的编码规则控制所述云存储平台将经过所述主动标识载体标识后的所述工业数据进行解析，并发送至目标应用；
其中，所述编码规则包括：所述边缘标识网关的编码为CPU芯片ID，其中，通过网络连接的工业设备和传感器的编码为物理实体的MAC地址，所述物联网卡编码为物理实体的物联网卡卡号；通过串口连接的物理实体编码为：网关CPU芯片ID+R+三位数字序号；数据模型和边缘算法的虚拟资源数据的编码为：网关CPU芯片ID+V+三位数字序号；
其中，所述边缘标识网关还包括工业标识模块，该工业标识模块在硬件驱动和安全组件等通用功能层实现，用于根据所述编码规则对工业互联网中各种物理实体和虚拟资源数据提供标识注册、标识更新、标识删除服务。
如图2所示，基于主动标识的工业边缘网关数据管理方法的边缘标识网关包括主控模块、网络汇聚模块、网络接入模块和电源管理模块，其中，所述主控模块用于实现标识注册、协议转换、逻辑控制、设备管理的数据处理和存储；所述数据汇聚模块连接于所述主控模块，用于将工业数据通过工业以太网、串口、数字I/O接口、模拟数据接口或无线设备进行数据交互，完成数据采集及远程控制；所述网络接入模块连接于所述数据汇聚模块，用于采用有线或无线的方式将边缘标识网关接入基于标识解析的工业互联网平台或云存储平台，为平台提供数据传输，有线接入方式包括全光网络、工业以太网，无线传输方式包括4G、WiFi，所述网络接入模块内嵌入式设置有主动标识载体，所述主动表示载体包括具有工业互联网标识编码及其相关信息的SIM卡芯片、移动通信模组或MCU芯片；所述电源模块分别连接于所述主控模块、所述数据汇聚模块和所述网络接入模块，用于进行系统供电及节能管理，供电方式为9~27VDC宽压输入；
上述边缘标识网关的软件设计基于Linux操作系统，部分硬件驱动和安全组件包括：标识注册驱动、信息安全组件、网口驱动及调用接口、串口驱动及调用接口、4G驱动及调用接口。应用层实现主流工业协议转换，如OPC UA（OPC UA是一种工业标准、包括一整套接口、属性和方法的标准集，用于过程控制和制造业自动化系统）、Modbus（Modbus是一种串行通信协议）等；
如图3所示，所述边缘标识网关基于网关软件架构运行，所述网关软件架构包括协议转换、边缘计算、工业标识、安全策略、管理策略，其中工业标识包括编码软件、标识接口、上云策略、元数据管理；安全策略包括认证授权、加密传输、网络打洞；管理策略包括网络配置、断电续传、异常报警、数据缓存；进一步地，上述元数据管理的对象为编码对象，编码对象包括边缘标识网关，边缘标识网关连接的传感器、工业设备、物联网卡等物理实体，以及边缘算法、协议转换后的数据模型等虚拟资源数据；
其中，边缘标识网关的元数据字段：对象名称、对象编码、对象标识、节点类型、应用场景、功能、云平台ID、自定义字段；
物联网卡的元数据字段：对象名称、对象编码、对象标识、节点类型、自定义字段；
工业设备、传感器、数据模型、算法模型的元数据字段：对象名称、对象编码、对象标识、节点类型、应用场景、功能、自定义字段。
如图4所示，进一步地，所述边缘标识网关为父节点，网关连接的工业设备、传感器、物联网卡、数据模型、边缘算法为子节点，所述父节点关联所述子节点；
其中，根据工业设备、算法模型等资源的编码，通过工业互联网标识解析平台提供的API接口（应用程序接口），可向标识解析二级节点或标识解析企业节点注册、更新、删除指定资源的标识，资源相关的数据通过标识可在工业互联网中被解析出来；
边缘标识网关为数据融合的父节点，关联各子节点编码信息，根据边缘标识网关的编码，可实现网关及其连接的物理实体和虚拟资源的标识批量注册、更新、删除，不同资源的数据可通过网关的标识在工业互联网中被解析出来，实现了物理实体与虚拟资源数据融合。
如图3所示，所述云存储平台具体包括标识解析二级节点、标识解析企业节点、公有云和私有云，其中，所述标识解析二级节点是一个行业或区域内部的标识解析公共服务节点，能够面向行业或区域提供标识编码注册和标识解析服务，以及完成相关的标识业务管理、标识应用对接等；所述标识解析企业节点是一个企业内部的标识解析服务节点，能够面向特定企业提供标识编码注册和标识解析服务；
其中，所述工业数据根据保密性分为身份属性数据和应用属性数据，具体地，物理实体和虚拟资源数据的身份属性数据和应用属性数据上云策略如图5所示：
网关的身份属性数据描述如下：
必选字段：对象名称、对象标识、子节点名称；
可选字段：供应商、自定义字段；
工业设备、传感器、物联网卡、数据模型、算法模型的身份属性数据描述如下：
必选字段：对象名称、对象标识、父节点名称；
可选字段：供应商、自定义字段；
网关的应用属性数据：对象名称、对象标识、对象描述、启用状态、自定义字段；
工业设备、传感器的应用属性数据：对象名称、对象标识、对象描述、父节点名称、启用状态、自定义字段；
物联网卡的应用属性数据：对象名称、对象标识、卡号、父节点名称、自定义字段；
数据模型的应用属性数据：对象名称、对象标识、父节点名称、模型描述、模型协议、自定义字段；
算法模型的应用属性数据：对象名称、对象标识、父节点名称、模型描述、应用场景、模型功能、自定义字段；
具体地，如图6所示，边缘标识网关采用4G网络进行通信，网关硬件层中的4G物联网卡作为主动标识载体，向云端上报数据。边缘标识网关下行通过网口连接西门子PLC，通过串口连接报警器，将工业profinet协议和Modbus（串行通信协议）转换为MQTT协议（MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议），实现数据采集、边缘计算、数据上传。
此实施案例中，被标识的物体实体有：边缘标识网关、4G物联网卡、西门子PLC、报警器；被标识的虚拟资产有：PLC数据模型、报警算法。边缘标识网关为父节点，网关连接的西门子PLC、报警器、4G物联网卡、PLC数据模型、报警算法为子节点，父节点关联子节点。
由于边缘标识网关为数据融合的父节点，关联各子节点编码信息，根据边缘标识网关的编码，通过工业互联网标识解析平台提供的API接口可向标识解析二级节点注册，可实现网关及其子节点的标识批量注册，通过网关的标识在工业互联网中可批量解析子节点的数据，实现了物理实体与虚拟资产数据融合。
此实施案例中，被标识的物体实体有：边缘标识网关、4G物联网卡、西门子PLC、报警器；被标识的虚拟资产有：PLC数据模型、报警算法。上述物理实体和虚拟资源的编码、身份属性数据、应用属性数据如下所示。
边缘标识网关编码为CPU芯片ID；
身份属性数据包括：
对象名称：边缘标识网关_01，对象标识，子节点1名称：西门子PLC_01，子节点2名称：物联网卡_01,子节点3名称：报警器_01,子节点4名称：PLC数据模型_01,子节点5名称：报警算法_01。应用属性数据包括，对象名称：边缘标识网关_01，对象标识，对象描述：网关，启用状态：开启，子节点1名称：西门子PLC_01，子节点2名称：物联网卡_01,子节点3名称：报警器_01,子节点4名称：PLC数据模型_01,子节点5名称：报警算法_01。
西门子PLC：MAC地址；
身份属性数据包括：对象名称：西门子PLC_01，对象标识，父节点名称：边缘标识网关_01。应用属性数据包括，对象名称：西门子PLC_01，对象标识，对象描述：PLC，启用状态：开启，父节点名称：边缘标识网关_01。
物联网卡：物联网卡卡号；
身份属性数据包括：对象名称：物联网卡_01，对象标识，父节点名称：边缘标识网关_01。应用属性数据包括，对象名称：物联网卡_01，对象标识，卡号，父节点名称：边缘标识网关_01。
报警器：网关CPU芯片ID+R+三位数字序号（001）；
身份属性数据包括：
对象名称：报警器_01，对象标识，父节点名称：边缘标识网关_01。应用属性数据包括，对象名称：报警器_01，对象标识，对象描述：报警器，启用状态：开启，父节点名称：边缘标识网关_01。
PLC数据模型：网关CPU芯片ID+V+三位数字序号（001）；
身份属性数据包括：对象名称：PLC_data_01，对象标识，父节点名称：边缘标识网关_01。应用属性数据包括，对象名称：PLC_data_01，对象标识，模型描述：PLC_data_01.csv，模型协议：profinet，父节点名称：边缘标识网关_01。
报警算法：网关CPU芯片ID+V+三位数字序号（002）；
身份属性数据包括：对象名称：Alarm_01，对象标识，父节点名称：边缘标识网关_01。应用属性数据包括，对象名称：Alarm_01，对象标识，模型描述：Alarm_01.csv，应用场景：工业现场，模型功能：速度异常报警，父节点名称：边缘标识网关_01。
上述物理实体和虚拟资源的的身份属性数据上传到标识解析二级节点，应用属性数据上传到阿里云。
边缘标识网关的元数据字段：对象名称、对象编码、对象标识、节点类型、应用场景、功能、云平台ID。4G物联网卡的元数据字段：对象名称、对象编码、对象标识、节点类型、自定义字段。西门子PLC元数据字段：对象名称、对象编码、对象标识、节点类型、应用场景、功能、自定义字段。报警器元数据字段：对象名称、对象编码、对象标识、节点类型、应用场景、功能、自定义字段。PLC数据模型元数据字段：对象名称、对象编码、对象标识、节点类型、应用场景、功能、自定义字段。报警算法元数据字段：对象名称、对象编码、对象标识、节点类型、应用场景、功能、自定义字段。
以上结合附图详细说明了本发明的技术方案，本发明的技术方案提出了一种新的基于主动标识的工业边缘网关数据管理方法，有益效果如：
1、工业设备、传感器、物联网网关等设备作为物理实体上云，通过边缘标识网关接入的物理实体在工业互联网中具有唯一、确认的身份，可实现物理实体信息追溯及全生命周期管理；
2、通过边缘标识网关实现工业中物理实体和虚拟资源数据的数据融合，使得数据、算法、物理实体在远端产生关联、融合，采集到的数据被更有效的利用，促进了传统工业企业向以工业互联网为基础的智能制造企业转变；
3、将物理实体和虚拟资源的信息分为身份属性信息和应用属性信息，通过上云策略以及安全策略保障工业数据信息安全。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于主动标识的工业边缘网关数据管理方法，其特征在于，包括边缘标识网关，所述边缘标识网关包括主控模块、网络汇聚模块、网络接入模块和电源管理模块，其中，
所述主控模块：用于实现标识注册、协议转换、逻辑控制、设备管理的数据处理和存储；
所述数据汇聚模块：连接于所述主控模块，用于将工业数据通过工业以太网、串口、数字I/O接口、模拟数据接口或无线设备进行数据交互，完成数据采集及远程控制；
所述网络接入模块：连接于所述数据汇聚模块，用于采用有线或无线的方式将边缘标识网关接入基于标识解析的工业互联网平台或云存储平台，为平台提供数据传输，有线接入方式包括全光网络、工业以太网，无线传输方式包括4G、WiFi，所述网络接入模块内嵌入式设置有主动标识载体，所述主动表示载体包括具有工业互联网标识编码及其相关信息的SIM卡芯片、移动通信模组或MCU芯片；
所述电源模块：分别连接于所述主控模块、所述数据汇聚模块和所述网络接入模块，用于进行系统供电及节能管理，供电方式为9~27VDC宽压输入；
其中所述边缘标识网关基于网关软件架构运行，所述网关软件架构包括协议转换、边缘计算、工业标识、安全策略、管理策略；
所述数据管理方法包括：
获取所述数据汇聚模块采集到的工业数据，其中，工业数据包括工业设备、传感器及物联网卡的工作数据、或数据模型与边缘算法的虚拟资源数据；
将所述工业数据进行协议转换后通过设置有主动标识载体的所述网络接入模块传输至工业互联网平台或云存储平台；
基于所述主动表示载体预设的编码规则控制所述云存储平台将经过所述主动标识载体标识后的所述工业数据进行解析，并发送至目标应用。
2.根据权利要求1所述的基于主动标识的工业边缘网关数据管理方法，其特征在于，所述编码规则包括：
所述边缘标识网关的编码为CPU芯片ID，其中，通过网络连接的工业设备和传感器的编码为物理实体的MAC地址，所述物联网卡编码为物理实体的物联网卡卡号；
通过串口连接的物理实体编码为：网关CPU芯片ID+R+三位数字序号；
数据模型和边缘算法的虚拟资源数据的编码为：网关CPU芯片ID+V+三位数字序号。
3.根据权利要求1所述的基于主动标识的工业边缘网关数据管理方法，其特征在于，所述云存储平台具体包括标识解析二级节点、标识解析企业节点、公有云和私有云，其中，所述标识解析二级节点是一个行业或区域内部的标识解析公共服务节点，所述标识解析企业节点是一个企业内部的标识解析服务节点。
4.根据权利要求2所述的基于主动标识的工业边缘网关数据管理方法，其特征在于，所述边缘标识网关还包括工业标识模块，用于根据所述编码规则对工业互联网中各种物理实体和虚拟资源数据提供标识注册、标识更新、标识删除服务。
5.根据权利要求4所述的基于主动标识的工业边缘网关数据管理方法，其特征在于，所述边缘标识网关为父节点，网关连接的工业设备、传感器、物联网卡、数据模型、边缘算法为子节点，所述父节点关联所述子节点。
6.根据权利要求5所述的基于主动标识的工业边缘网关数据管理方法，其特征在于，所述工业数据根据保密性分为身份属性数据和应用属性数据。
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