CN115167292B - 基于工业互联网架构的智能工厂操作系统 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种基于工业互联网架构的智能工厂操作系统，包括：一体化部署的IaaS层、PaaS层和SaaS层，IaaS层用于根据用户的请求为用户提供用于信息计算的基础设施服务，PaaS层用于根据用户的请求接入至对应的服务系统，SaaS层用于根据用户的需求为用户提供对应的软件服务；IaaS层、PaaS层和SaaS层的操作系统组件和应用软件的部署环境基于Kubernetes和/或Docker构建；智能网关，支持异构设备连接、协议解析和数据采集，用于实现工厂设备与智能工厂操作系统的连接，以将工厂设备中的数据采集并存储；轻量级数据湖组件，用于进行数据的存储和分析应用，轻量级数据湖组件基于MongoDB、Kafka和MySQL构建。该系统具有软件功能易扩展、软件易开发和易升级、信息系统与业务需求协同融合的优点。

Description

基于工业互联网架构的智能工厂操作系统
本申请属于分案申请，其母案的申请号为：202110391467.3，申请日为：2021年04月12日，发明名称为：基于工业互联网架构的智能工厂操作系统。
技术领域
本公开属于数字化系统集成技术领域，涉及一种基于工业互联网架构的智能工厂操作系统。
背景技术
全球范围的制造业企业在向数字化、智能化迈进。我国很多大型企业已经实现了高度自动化和信息化，良好的数字化集成，已经实现工业3.0，并且处于向工业4.0迈进的路上。面对日益加速的数字化、智能化进程，制造业企业的数字化建设、智能工厂建设有了越来越多的技术和方案可供选择。但中小企业也面临着问题和挑战，数字化建设周期和投入的巨大性、软件部署的复杂性、应用App开发拓展的缺乏灵活性；同时企业对于数字化建设也有越来越高的需求。上述问题和挑战，使得“搞数字化找死，不搞数字化等死”成为大量中小企业的两难选择。
目前我国大量中小企业还停留在工业1.0、工业2.0的层面，大量中小企业的数字化基础薄弱。当下的科技和产业发展，制造业企业的大致发展思路是开发某个软件(如ERP、MES、CRM)，或者构建数字化企业、智能化工厂，然而对于中小企业而言单纯开发适合不同业务的软件不可行，存在研发周期长、投入巨大且缺乏灵活性的问题。还缺乏能够支撑企业智能工厂建设、数字化实现的轻量级、自主可控的系统化建设和开发方案。
因此有必要提出一种能够解决生产、经营问题，且能够持续发展和创新的数字化、智能化系统/平台。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种基于工业互联网架构的智能工厂操作系统，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
本公开的一个方面提供了一种基于工业互联网架构的智能工厂操作系统，适用于中小企业的工业生产制造，包括：一体化部署的IaaS层、PaaS层和SaaS层，IaaS层用于根据用户的请求为用户提供用于信息计算的基础设施服务，PaaS层用于根据用户的请求接入至对应的服务系统，SaaS层用于根据用户的需求为用户提供对应的软件服务；IaaS层、PaaS层和SaaS层的操作系统组件和应用软件的部署环境基于Kubernetes和/或Docker构建；其中，IaaS层、PaaS层和SaaS层的操作系统组件和应用软件的部署环境基于Kubernetes和/或Docker构建包括：Kubernetes管理多个Docker容器的创建和高可用性，控制Docker容器连接以从多个微服务容器构建相应的应用程序；以及Kubernetes和Docker构建DevOps工具落地的基础架构，以提供应用软件的部署环境；智能网关，智能网关支持异构设备连接、协议解析和数据采集，用于实现工厂设备与智能工厂操作系统的连接，以将工厂设备中的数据采集并存储；轻量级数据湖组件，用于对接轻量级数据湖进行数据的存储和分析应用，其中，轻量级数据湖组件和轻量级数据湖以MongoDB为核心，结合Kafka和结构化数据库MySQL构建。
根据本公开的实施例，IaaS层、PaaS层和SaaS层的操作系统组件和应用软件的部署环境基于Kubernetes和/或Docker构建，还包括：基于Kubernetes和/或Docker，结合历史工业数据和工业经验，构建工业机理模型，并将工业机理模型代码化及软件化，以支撑应用软件的开发。
根据本公开的实施例，轻量级数据湖组件包括：大数据层，用于存储用户的生产制造、经营的多元异构数据，以消除信息孤岛；数据管理层，用于对存储的数据实施分类、生成目录或批量处理中的至少一种管理操作；查询组件，用于根据用户的搜索条件为用户提供实时数据查询。
根据本公开的实施例，PaaS层用于根据用户的请求以API接口、网络服务接入至对应的服务系统。
根据本公开的实施例，PaaS层还支持用于生产和/或运营的开发工具的部署，开发工具包括：生产排程模块，生产排程模块用于根据订单系统中的数据生成工厂的生产计划，并根据生产计划和生产数据分配执行生产计划的产线和设备。
根据本公开的实施例，智能网关基于以太网、WiFi、4G或5G进行数据传输，用于将工业OT数据转换为工业IT数据。
根据本公开的实施例，工厂设备包括具有通用标准协议的异构设备、自动化系统、信息化系统中的至少一种。
根据本公开的实施例，服务系统包括以下服务系统的至少一种：大数据服务系统、物联网服务系统、云计算服务系统、区块链服务系统以及产业链的生态信息服务系统。
根据本公开的实施例，智能工厂操作系统还包括：超融合服务器，用于根据用户需求部署关于用户涉密数据的私有云和部署用于多个用户共享的数据中心；智能网关还用于实现智能工厂操作系统与超融合服务器的连接。
根据本公开的实施例，SaaS层用于基于高度精简的方式支持业务应用程序或手机应用程序的开发和落地。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的基于工业互联网架构的智能工厂操作系统，具有以下有益效果：
针对中小企业数字化人才不足和资金投入有限的特点，本公开提供的智能工厂操作系统通过设置一体化部署的PaaS层、SaaS层和IaaS层，能够采集工厂设备的数据并将上述数据进行存储和分析应用，同时还可以根据用户的请求接入至对应的服务系统以及根据用户的需求为用户提供对应的软件服务，如此一来，实现工厂设备的全面互联互通，消除数据孤岛，实现IT硬件资源的弹性应用，具有软件功能易扩展、软件易开发和易升级、信息系统与业务需求协同融合的综合优点。
附图说明
图1为根据本公开一实施例所示的用于智能工厂操作系统的系统架构。
图2为根据本公开一实施例所示的基于工业互联网架构的智能工厂操作系统的结构框图。
图3为根据本公开一实施例所示的服务系统的组成示意图。
图4为根据本公开一实施例所示的轻量级数据湖组件的组成示意图。
图5为根据本公开一实施例所示的数据管理层的组成示意图。
图6为根据本公开另一实施例所示的基于工业互联网架构的智能工厂操作系统的系统架构。
图7为根据本公开一实施例所示的基于工业互联网架构的智能工厂操作系统的具体实例。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开的第一个示例性实施例提供了一种基于工业互联网架构的智能工厂操作系统。
图1为根据本公开一实施例所示的用于智能工厂操作系统的系统架构。
参照图1所示，本公开的用于智能工厂操作系统的系统架构100包括：工厂设备110、智能工厂操作系统120、服务系统130、轻量级数据湖140和超融合服务器150。
工厂设备110为用于工业生产制造的设备。工厂设备110与智能工厂操作系统120通过互联网进行通信连接，能够实现数据交互。示例性的，工厂设备110可以包括设备A111、设备B 112、设备C 113、设备D 114和设备E 115，上述设备包括核心生产设备/装备，还可以包括：能源管理、安全消防等辅助支撑设备。
智能工厂操作系统120为本公开提供的基于工业互联网架构的智能工厂操作系统，该智能工厂操作系统120可以安装于企业的服务器或者终端设备上，用于实现工业数字化和智能化，尤其可以适用于中小型企业。应该理解的是，本公开提供的基于工业互联网架构的智能工厂操作系统也可以被大型企业使用。
服务系统130用于为工厂的生产和经营提供各种服务，包括但不限于：大数据服务、云计算服务、物联网服务、区块链服务、金融服务、交易服务等。
智能工厂操作系统120可以通过其内部的组件：轻量级数据湖组件125实现与轻量级数据湖140的对接，该轻量级数据湖140能够实现数据的存储和分析应用。
超融合服务器150用于根据用户需求部署关于用户涉密数据的私有云和部署用于多个用户共享的数据中心。
图2为根据本公开一实施例所示的基于工业互联网架构的智能工厂操作系统的结构框图。
参照图1和图2所示，本公开实施例提供的基于工业互联网架构的智能工厂操作系统120，包括：一体化部署的IaaS层121、PaaS层122和SaaS层123，智能网关124，以及轻量级数据湖组件125。
上述IaaS层121用于根据用户的请求为用户提供用于信息计算的基础设施服务。
上述PaaS层122用于根据用户的请求接入至对应的服务系统130。
上述SaaS层123用于根据用户的需求为用户提供对应的软件服务。
根据本公开的实施例，基于Kubernetes和Docker构建上述IaaS层121、上述PaaS层122和上述SaaS层123的操作系统组件和应用软件的部署环境。
图3为根据本公开一实施例所示的服务系统的组成示意图。
参照图3所示，根据本公开的实施例，上述服务系统130包括以下服务系统的至少一种：大数据服务系统131、物联网服务系统132、云计算服务系统133、区块链服务系统134以及产业链的生态信息服务系统135。
参照图3所示，上述生态信息服务系统135包括以下系统至少之一：工业电商系统135a、政府产业信息系统135b、产业链或供应链系统135c、以及金融服务系统135d。
例如，在一实施例中，上述PaaS层122可以根据用户的请求以API接口、网络服务(webservice)等形式对接大数据服务系统131、物联网服务系统132、云计算服务系统133、区块链服务系统134或产业链的生态信息服务系统135。
上述SaaS层123用于根据用户的需求为用户提供对应的软件服务。通过高度精简的方式构建企业的生产经营的软件系统，最大程度的实现应用软件部署的平台无依赖性，低成本、更加灵活和柔性的开发应用App，优化工艺与流程，有效应对工况的调整和变化优化工艺与流程，有效应对工况的调整和变化，最大程度推进工厂的核心资产和业务的优化。
上述智能网关124支持异构设备连接、协议解析和数据采集，用于实现工厂设备与上述智能工厂操作系统的连接，以将工厂设备110中的数据采集并存储。
上述智能网关124基于以太网、WiFi、4G或5G进行数据传输，用于将工业OT数据转换为工业IT数据。
上述轻量级数据湖组件125用于进行数据的存储和分析应用。参照图1所示，轻量级数据湖组件125通过对接轻量级数据湖140实现数据的存储和分析应用。
该轻量级数据湖140支撑企业生产、经营全面数据采集与存储，消除数据孤岛，构建数据孤岛间的连接，有益于数据孤岛间数据协同应用，从而为实现制造业企业的数据驱动创新与发展提供基本保障。实现以业务为导向的数据流通，通过数据与业务应用的集成，保证准确获取工件生产数量、生产装备运转情况、设备产能利用效率和效能、科学制定生产计划以及高效生产管理协同等。
图4为根据本公开一实施例所示的轻量级数据湖组件的组成示意图。
参照图4所示，根据本公开的实施例，上述轻量级数据湖组件125包括：大数据层125a，用于存储用户的生产制造、经营的多元异构数据，以消除信息孤岛；以及数据管理层125b，用于对存储的数据实施分类、生成目录或批量处理中的至少一种管理操作。
参照图4所示，上述轻量级数据湖组件125还包括：查询组件125c，用于根据用户的搜索条件为用户提供实时数据查询。
图5为根据本公开一实施例所示的数据管理层的组成示意图。
参照图5所示，根据本公开的实施例，上述数据管理层125b包括以下模块中的至少一个：物料管理模块1251b、订单管理模块1252b、物流管理模块1253b、客户管理模块1254b、质量管理模块1255b、设备管理模块1256b以及能源管理模块1257b。
本公开提供的智能工厂操作系统支持具有通用标准协议的异构设备、自动化系统、信息化系统等的快速和弹性接入，能够实现新数字技术的快速落地，包括大数据、云计算、区块链、5G、AI的接入和场景化应用，实现数字技术与企业业务和企业资源的充分融合与对接。
大量中小企业在数字化人才和资金方面存在不足，导致的数字化建设停滞不前，本公开提供的智能工厂操作系统至少能够解决企业在数字建设中长期存在的建设周期长、重复建设、定期淘汰的弊端和痛点，加快了企业从自动化、到信息化、再到数字化的进程。对于具有分布在不同区域的多个厂房的企业，实现对多个区域工厂的运营支撑，基于本公开实施例提供的智能工厂操作系统能够实现跨地域的同步管理。同时将工业互联网的资源与工厂业务对接，支撑企业将自己的资源和能力有效的与产业链上下游的需求对接起来，将工厂的资源对外形成输出，实现了资源的有效利用。
图6为根据本公开另一实施例所示的基于工业互联网架构的智能工厂操作系统的系统架构。
根据本公开的实施例，参照图6所示，PaaS层122还支持用于生产和/或运营的开发工具160的部署，上述开发工具160包括：生产排程模块161，上述生产排程模块161用于根据订单系统中的数据生成工厂的生产计划，并根据上述生产计划和生产数据分配执行上述生产计划的产线和设备。
图7为根据本公开一实施例所示的基于工业互联网架构的智能工厂操作系统的具体实例。
参照图7所示，在一具体实例中，上述PaaS层122支持大数据系统、物联网系统、云计算系统、产业链等外部服务系统的便捷接入，支持开发工具的快速部署。SaaS层123支持业务应用程序或手机APP的开发和落地。该智能工厂操作系统通过API、webservice对接工业电商、地方政府数据/产业信息平台、产业链/供应链平台、金融服务系统等产业生态信息系统。上述智能网关124支持异构设备连接、协议解析和数据采集，用于实现工厂设备与上述智能工厂操作系统的连接，使得该智能工厂操作系统支持多源异构自动化设备弹性接入(可以是不同区域的不同类型的设备)，能够优化生产工艺、使得物流智能化，将订单系统与生产排程进行结合，还可以实现：物料调配、生产计划全自动化、订单自动转化为工厂内的生产需求、分解成具体产线的生产任务、生产和运营数据的实时全局可视化、全流程的质量可监控和可追溯等功能。
参照图7所示，通过Kubernetes和Docker构建工厂操作系统组件和工具的生态系统平台，快速部署、扩展和管理应用程序。Kubernetes管理多个Docker容器的创建和高可用性，控制Docker容器连接以从多个微服务容器构建相应的应用程序。Kubernetes和Docker构建DevOps工具落地的基础架构，为灵活、弹性、轻量化的IT应用落地提供基础环境。Kubernetes下的持续集成或持续交付(CI/CD)流水线，提升开发到交付的效率。Kubernetes、Docker、结合工厂积淀下来的数据和工业经验，构建工业机理模型，并将模型代码化、软件化，提高工厂内知识到软件复用的效能，推进制造业企业工业软件的自主开发。
根据本公开的实施例，上述智能网关124还用于实现上述智能工厂操作系统120与超融合服务器150的连接。上述超融合服务器150用于根据用户需求部署关于用户涉密数据的私有云和部署用于多个用户共享的数据中心。基于超融合服务器，支持计算、网络、存储形成统一的资源池，能够进行集中化管理，依据企业发展和业务变化需求，弹性和快捷部署不同数据的虚拟机，能够弹性承载工厂的业务系统。
智能网关实现数据采集。采用支持异构设备连接、数据采集、协议解析全流程管理的智能网关，实现支持几十种主流工业协议/设备的数据采集。工业智能网关工业将OT数据转换为IT数据，通过TCP/IP、MQTT等通讯协议，利用以太网、Wifi、4G/5G等接入工业云平台或超融合服务器。
中小企业常面临企业内外部快速变化的生产和经营环境，将云原生(基于分布部署和统一运营的云端服务器)应用到中小企业中，实现数据的全面管理与充分流动，实现企业数字化资产、APP、业务之间松耦合、但高效融合和快速创新。云原生已经形成了覆盖IaaS、PaaS层面的庞大开源技术体系，具有众多可选择的应用成熟、运行稳定的开源组件和技术方案。通过微服务将App依据企业的业务场景、功能需求弹性开发和部署，充分的将IT、OT、业务融合起来，克服三者相互之间协同不充分的问题，将边缘层的传感器、现场层的设备直接与云端交互，简化了现场感知、数据获取、存储与分析、运营洞察与决策的流程。
数据湖过去一直被大型企业采用，中小型企业几乎很少会采用数据湖方案来进行数据的存储和应用。但随着数字经济的到来，中小企业也更加充分融入到产业生态中，将面临多源异构海量数据接入的机遇和挑战。本公开通过以MongoDB为核心，结合Kafka和结构化数据库MySQL等组件，构建中小制造业企业的轻量级数据湖140及其对应的轻量级数据湖组件125。将企业的多源异构数据统一存储到大数据层，确保数据唯一、共享，消除信息孤岛。实现把计算和数据的存储分开，相同的数据能够进行不同的分析和应用，对存储大小和计算规模进行不同的缩放，实现各种数据资产的自助集成、数据的管理和目录的生成、实时访问和批处理。通过数据湖实现数据以业务需求为导向的流动，支持企业移动APP、小程序、电商服务、SaaS应用、物联网、实时分析和展示等应用落地。
综上所述，本公开提供了一种基于工业互联网架构的智能工厂操作系统，针对中小企业数字化人才不足和资金投入有限的特点，本公开提供的智能工厂操作系统通过设置一体化部署的PaaS层、SaaS层和IaaS层，能够采集工厂设备的数据并将上述数据进行存储和分析应用，同时还可以根据用户的请求接入至对应的服务系统以及根据用户的需求为用户提供对应的软件服务，如此一来，实现工厂设备的全面互联互通，消除数据孤岛，实现IT硬件资源的弹性应用，具有软件功能易扩展、软件易开发和易升级、信息系统与业务需求协同融合的综合优点。
本公开可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。本公开的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本公开实施例的相关设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本公开还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本公开的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于工业互联网架构的智能工厂操作系统，其特征在于，适用于中小企业的工业生产制造，包括：
一体化部署的IaaS层、PaaS层和SaaS层，所述IaaS层用于根据用户的请求为用户提供用于信息计算的基础设施服务，所述PaaS层用于根据用户的请求接入至对应的服务系统，所述SaaS层用于根据用户的需求为用户提供对应的软件服务；所述IaaS层、所述PaaS层和所述SaaS层的操作系统组件和应用软件的部署环境基于Kubernetes和/或Docker构建；其中，所述IaaS层、所述PaaS层和所述SaaS层的操作系统组件和应用软件的部署环境基于Kubernetes和/或Docker构建包括：Kubernetes管理多个Docker容器的创建和高可用性，控制Docker容器连接以从多个微服务容器构建相应的应用程序；Kubernetes和Docker构建DevOps工具落地的基础架构，以提供所述应用软件的部署环境；
智能网关，所述智能网关支持异构设备连接、协议解析和数据采集，用于实现工厂设备与所述智能工厂操作系统的连接，以将工厂设备中的数据采集并存储；以及
轻量级数据湖组件，用于对接轻量级数据湖进行数据的存储和分析应用，其中，所述轻量级数据湖组件和所述轻量级数据湖以MongoDB为核心，结合Kafka和结构化数据库MySQL构建；所述轻量级数据湖组件包括：大数据层，用于存储用户的生产制造、经营的多元异构数据，以消除信息孤岛；数据管理层，用于对存储的数据实施分类、生成目录或批量处理中的至少一种管理操作；查询组件，用于根据用户的搜索条件为用户提供实时数据查询。
2.根据权利要求1所述的智能工厂操作系统，其特征在于，所述IaaS层、所述PaaS层和所述SaaS层的操作系统组件和应用软件的部署环境基于Kubernetes和/或Docker构建，还包括：
基于Kubernetes和/或Docker，结合历史工业数据和工业经验，构建工业机理模型，并将所述工业机理模型代码化及软件化，以支撑所述应用软件的开发。
3.根据权利要求1所述的智能工厂操作系统，其特征在于，所述PaaS层用于根据用户的请求以API接口、网络服务接入至对应的服务系统。
4.根据权利要求1所述的智能工厂操作系统，其特征在于，所述PaaS层还支持用于生产和/或运营的开发工具的部署，所述开发工具包括：生产排程模块，所述生产排程模块用于根据订单系统中的数据生成工厂的生产计划，并根据所述生产计划和生产数据分配执行所述生产计划的产线和设备。
5.根据权利要求1所述的智能工厂操作系统，其特征在于，所述智能网关基于以太网、WiFi、4G或5G进行数据传输，用于将工业OT数据转换为工业IT数据。
6.根据权利要求1所述的智能工厂操作系统，其特征在于，所述智能工厂操作系统与具有通用标准协议的异构设备、自动化系统、信息化系统中的至少一种相连接。
7.根据权利要求1所述的智能工厂操作系统，其特征在于，所述服务系统包括以下服务系统的至少一种：大数据服务系统、物联网服务系统、云计算服务系统、区块链服务系统以及产业链的生态信息服务系统。
8.根据权利要求1所述的智能工厂操作系统，其特征在于，所述智能工厂操作系统还包括：
超融合服务器，用于根据用户需求部署关于用户涉密数据的私有云和部署用于多个用户共享的数据中心；
所述智能网关还用于实现所述智能工厂操作系统与超融合服务器的连接。
9.根据权利要求1所述的智能工厂操作系统，其特征在于，所述SaaS层用于基于高度精简的方式支持业务应用程序或手机应用程序的开发和落地。
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