CN116708084A - 一种基于工业互联网的边缘计算网关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于工业互联网的边缘计算网关，所述边缘计算网关对下与各种设备建立数据通信，对上与工业互联网平台进行数据通信，其特征在于，所述边缘计算网关包括：通讯机制自定义模块；协议转换模块，进一步包括设备协议转换单元以及平台协议转换单元；机理算法配置模块；边缘网关模型动态训练模块。本发明可以通过工业互联网平台远程对网关设备进行设置，在网关中对不同厂家的设备数据点表进行解析、将数据转换为统一格式上报平台，同时，通过平台实现边缘侧网关的机理模型管理，并在网关上实现模型动态训练等功能。

Description

一种基于工业互联网的边缘计算网关

技术领域

本发明涉及一种基于模型动态训练的边缘计算网关技术，属于工业互联网设备数据采集技术领域。

背景技术

在工业互联网各场景应用中，现场有大量数据需要采集，如配用电系统中，需采集电参量数据、环境数据、安防数据等；在企业生产制造领域，需采集生产设备数据、用能数据、环境及监控数据等。这些应用中，采集的原始数据中很多都是过程数据，直接使用对用户价值意义不大，需要经运算处理后才能带来价值，如果这些数据直接上传到平台会产生大量的“垃圾”数据，影响平台的性能。同时，由于采集的设备种类繁多，即使同一类型的设备，各厂家的协议及数据点表也可能不同，这给设备数据采集带来很多不便。另外，许多行业中，如能源、制造业等，当运行中的设备出现故障或需要维护时，可能需要即时响应，如果通过网关将故障信息传输至平台、由平台判断处理后并下发指令、通过网关传输给设备进行执行，由于网络传输时延无法保持实时性，故障无法及时处理将造成故障面扩大，甚至带来致命风险。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：

1)现有网关大多是透传网关，数据不经过处理直接上传到平台，产生大量的垃圾数据。平台对这些数据进行存储或处理，将大大影响平台性能；

2)海量数据大量占用通信带宽，对于采样频率高的大量原始数据，带宽占用显著，容易造成网络堵塞、数据刷新慢；

3)基于机理模型的过程计算放在云端，由于网络传输带来的明显响应延迟，不能满足现场设备对高实时性的要求，对故障/报警等信息的处理不及时、可能会造成现场事故扩大化；

4)同类型、不同厂家的设备，其协议及数据点表，不同厂家各自分别定义，采集后的数据要进行解析，如果在平台进行解析，效率低、通用性差。另外，每个项目都需要重新单独配置，造成项目实施效率低，出错概率高，对调试人员要求较高；

5)下发至边缘侧的机理模型，缺少在线数据的实时训练，模型准确度不高。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种基于工业互联网的边缘计算网关，所述边缘计算网关对下与各种设备建立数据通信，对上与工业互联网平台进行数据通信，其特征在于，所述边缘计算网关包括：

通讯机制自定义模块，用于通过工业互联网平台对与设备进行通讯的设备通讯协议进行远程自配置，用户通过通讯机制自定义模块在工业互联网平台上对设备通讯协议进行在线配置；

协议转换模块，用于利用协议转换功能将各设备厂家自定义的、相互间有差别的协议/数据点表转换为统一的模板，并在边缘计算网关中完成协议解析及转换，实现在不同设备厂家中定义的不同形式但实质是相同的故障/报警信息以相同的故障码、报警/告警码上传给工业互联网平台，进一步包括设备协议转换单元以及平台协议转换单元：

设备协议转换单元，根据不同设备厂家针对同一故障/报警信息在协议/数据点表中的描述，建立各设备厂家的协议/数据点表与统一模板之间不同的映射关系，新设备接入后，基于当前设备厂家的协议/数据点表获得对应的映射关系；

平台协议转换单元，基于设备协议转换单元所获得的映射关系将实时采集的状态位信息转换为统一模板的状态位信息，并利用统一模板的状态位信息获得对应的报警信息，平台协议转换单元将该报警信息上传至工业互联网平台；

机理算法配置模块，用于通过工业互联网平台远程配置设备边缘计算的机理算法，配置后的机理算法下发到边缘计算网关上，边缘计算网关根据指定的算法规则对通过设备采集的数据进行相应的控制逻辑及运算需求处理，边缘计算网关将处理后的数据再上传到工业互联网平台；

边缘网关模型动态训练模块，用于在运行过程中基于实时处理结果不断对边缘计算网关上的机理算法模型进行动态训练。

优选地，所述通讯机制自定义模块向用户提供可视化的文本编辑工具，用户通过该可视化的文本编辑工具对所述设备通讯协议进行编辑。

优选地，还包括位于工业互联网平台的通讯协议模板数据库，通讯协议模板数据库中存储有通讯协议模板；用户通过所述通讯机制自定义模块调用通讯协议模板数据库中的通讯协议模板后，能够对通讯协议模板进行在线编辑，将编辑后的通讯协议模板配置为所述边缘计算网关与目标设备的通信协议。

优选地，用户通过远程将预先设置好的设备通讯协议直接下载到工业互联网平台，并作为所述通讯协议模板存储在所述通讯协议模板数据库中；用户还能够针对目标设备自定义设备通讯协议模板，将该自定义的设备通讯协议模板下载到工业互联网平台，并作为所述通讯协议模板存储在所述通讯协议模板数据库中；用户还能够将修改后的设备通讯协议模板另存为所述通讯协议模板数据库中的新模板。

优选地，采用Docker容器技术对所述边缘计算网关的软网关功能进行部署，根据需要部署多个容器，每个容器运行不同的软网关程序，以实现不同的软网关功能。

优选地，所述工业互联网平台能够根据需要通过所述机理算法配置模块随时对网关计算规则进行修改。

本发明可以通过工业互联网平台远程对网关设备进行设置，在网关中对不同厂家的设备数据点表进行解析、将数据转换为统一格式上报平台，同时，通过平台实现边缘侧网关的机理模型管理，并在网关上实现模型动态训练等功能。本发明提供的一种能够实现以下功能：

1)通过工业互联网平台对网关进行远程管理，配置设备接入协议；

2)通过工业互联网平台下发机理模型，在边缘计算网关上对数据进行预处理；

3)通过工业互联网平台对网关算法进行配置，对边缘计算网关上的模型进行动态训练；

4)在边缘计算网关上实现协议转换功能，网关按接入设备的类型自动解析不同厂商设备的信息(如故障报警信息)，上传至平台。

附图说明

图1为协议转换框图；

图2为协议转换模型图；

图3为网关硬件框图；

图4示意了配电系统网关协议转换实施方式；

图5为网关中模型动态训练流程图(以图像识别为例)。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本发明所附权利要求书所限定的范围。

如图3所示，本发明公开的一种基于工业互联网的边缘计算网关的硬件中集成了CPU以及内存，该边缘计算网关对下可以是有线、无线Wifi、蓝牙等通讯方式，可以通过Modbus、CAN、DL645等协议对边缘计算网关所连接的设备进行数据采集，对上可以通过Wifi、4G、以太网等方式与工业互联网平台进行上行数据通讯，也可以采用更高性能的5G通讯方式。

本实施例中，在边缘计算网关的硬件平台上运行Linux系统，实现对所有硬件资源的管理，并提供二次开发的相关基础工具，通过软件技术实现软网关功能，并采用Docker容器技术进行部署，可实现项目应用场景中根据需要部署多个容器，每个容器运行不同的软网关程序，以实现不同的软网关功。

边缘计算网关具有通讯协议配置功能。通过与工业互联网平台配合，用户能够在工业互联网平台上进行在线配置。在串口服务器、通讯管理机等设备中，这个功能一般通过本地化的软件实现。

用户可以通过工业互联网平台利用可视化的文本编辑工具，编辑Modbus、CAN、DL645等通信协议，对其进行远程自配置。用户也可通过远程将预先设置好的设备通讯协议直接下载到工业互联网平台，并作为通讯协议模板存储在工业互联网平台上。本发明针对不同类型的设备预制大量设备通讯协议模板，用户可以基于设备通讯协议模板快速配置设备通讯协议。用户还可以针对特殊设备自定义设备通讯协议模板，将该自定义的设备通讯协议模板存储在工业互联网平台上。存储在在工业互联网平台上的设备通讯协议模板可以直接调用使用，减轻设备接入环节的协议配置工作量，也可以对设备通讯协议模板进行修改后另存为新模板，以供新接入的设备使用。

针对同一类型、不同厂家的设备，本发明将各厂家自定义的、相互间有差别的协议/数据点表转换为统一的模板，并将该协议转换功能下发至边缘计算网关，在边缘计算网关中完成协议解析及转换(将同类设备不同厂家自定义的协议转换为同一协议模板)，实现同一故障/报警信息(在不同厂家中的定义不同)上传给平台的为相同的故障码、报警/告警码，平台不用去区分设备类型及设备生产厂家。以配电场景中的断路器产品接入为例，不同厂家的塑壳断路器对同一故障/报警信息，在数据点表中的定义/描述不同。在本发明公开的边缘计算网关中，事先预置好故障/报警信息的统一模板并建立各厂家故障/报警数据点表与该统一模板的映射关系，固化在边缘计算网关的程序中。这样不论采用哪个厂家的产品，只要是发生的是同一种故障/报警，采集到的原始数据可能不同，但经边缘计算网关转换为统一模板，在该模板中解析到的就是同一种故障/报警，只需将发生的这种特定的故障/报警信息传输给平台，平台就可以直接获知发生了何种故障/报警，而不用去了解采用的是哪家的设备、并解析该厂家的具体协议。另外，该统一模板的信息是在平台进行维护，可以根据需要进行扩充、删减、修改等升级。

结合图1及图2，边缘计算网关采集到故障/报警等信息，需要经过协议转换，再上报工业互联网平台。协议转换分为两步，分别是设备协议转换及平台协议转换。

第一步、设备协议转换：

针对不同厂家自定义的协议及数据点表，通过设备协议转换，在边缘计算网关中映射为统一的模板。结合图4，如厂家A定义的寄存器的bit2位对应“过载保护”、厂家N定义的寄存器的bit1为“过载保护”，转换后，在统一模板中定义bit15为“过载保护”，这样不管采用哪家的设备，只要发生了“过载保护”，可能由于各自定义不同会采样到不同的值，但都转换为bit15置位，存储发生了“过载保护”这个信息。这样就不用为各个项目中采用不同厂家的设备而单独进行配置，减轻了工作量，降低了出错的几率。在边缘计算网关中实现时，是提前将各厂家的数据点表与统一模板的映射关系建立好，下发至网关。如果有新设备接入时，如果未建立这种映射关系，可以添加，同时可以在工业互联网平台上维护设备协议转换所需的这个具体的映射关系。

第二步、平台协议转换

平台协议转换是将设备协议转换后的数据转换为对应的告警信息，直接上传至工业互联网平台，也分为2个步骤：

步骤1、将采集后并经设备协议转换的各状态位信息，转换为对应的报警信息；

步骤2、将实际发生的报警上报至工业互联网平台。

这样，工业互联网平台将仅收到确定的报警信息，而不再是一个16位的、包含报警信息的数据值，这样，工业互联网平台不需要再进行解析。

通过上述设备协议转换、平台协议转换两个步骤，可以实现，在项目中，不论接哪个厂家的设备，不需要在平台逐一去手动配置厂家协议、并对采集上来的数据进行解析才能获知是发生了何种故障/报警。在实际使用中，维护好边缘计算网关中的设备协议转换映射关系，可以直接接入不同厂家的设备，大幅提高项目实施效率、减少人员施工中出错的概率；发生各类故障/保护时，网关直接将所发生的具体故障的报警信息发送给平台，不通过平台来解析，大大提高了响应速度。

在本发明所公开的技术方案中，配合工业互联网平台，可以通过平台远程配置设备边缘计算的机理算法，这些算法由工业互联网平台下发到边缘计算网关上，边缘计算网关根据指定的算法规则对采集的数据进行清洗、存储、预处理、诊断以及不同的控制逻辑及运算需求，将处理后的数据再上传到工业互联网平台。工业互联网平台可以根据需要，随时对网关计算规则进行修改。例如，在配电场景中，可以通过设备采集到实时用电量数据，但某个时间段的统计数据(如一天/一周/一个月的用电量数值)无法直接从设备采集到，需要进行运算才能得出。因而，通过工业互联网平台直接这些算法下发至边缘计算网关，对采集到的初始数据进行运算，可以得出所需的用电量统计数据，再上传至工业互联网平台。

另外，可以通过工业互联网平台对网关算法进行配置，对边缘计算网关上的模型进行动态训练，优化模型、提高模型的准确性。例如商家可以通过边缘计算网关，直接利用来自传感器的数据，如停车场传感器、购物车标签和商店摄像头等，在边缘计算网关中对从这些设备收集的数据，通过配置好的机理模型进行计算，为用户提供个性化服务，如车牌识别、停车计时收费等。在系统运行过程中，对模型不断动态训练、优化，提高模型的准确性，例如通过长期运行、不断训练模型，提高不同车速、不同角度、不同车牌安装位置下，车牌识别的准确度。

如图5所示，以车牌图像识别应用场景为例，本实施例中的边缘计算网关的模型动态训练方法包括以下步骤：在边缘网关中已预置好模型，在接收到待识别的信息时，基于已有模型对输入信息进行识别。如果识别成功，自动标注输入信息及识别结果，并将标注结果作为追加的训练输入，对模型进行训练、优化。这样在实际应用中，不断接收到新的数据、不断地动态训练，该过程可以逐步提高识别的准确度。另外，由于训练不需要通过工业互联网平台来完成，无需上传、下载，提高了训练的速度。同时，边缘计算网关可以基于优化后的模型识别车辆并计算停车时长，直接给出需缴费金额上传至缴费系统，这样，大大节省了处理、上传时间，提高了用户的体验感。

基于本发明提供的模型动态训练边缘计算网关，可以将平台上的机理模型下发至网关中、通过模型的动态训练对模型进行优化，然后在边缘侧网关对现场采集的数据进行预处理，包括协议转换、数据点表统一化、根据网关中配置的优化后的模型进行运算，再将经数据清洗、数值运算处理后的有价值的数据上传到平台，不但减少了平台数据存储量，还减少了对平台运算的需求、减少对平台性能的影响；另外，由于无需通过平台进行集中数据计算，可以更快地在网关处识别故障并处理、下发设备进行执行，将大大提高响应的速度。

Claims (6)

1.一种基于工业互联网的边缘计算网关，所述边缘计算网关对下与各种设备建立数据通信，对上与工业互联网平台进行数据通信，其特征在于，所述边缘计算网关包括：

通讯机制自定义模块，用于通过工业互联网平台对与设备进行通讯的设备通讯协议进行远程自配置，用户通过通讯机制自定义模块在工业互联网平台上对设备通讯协议进行在线配置；

协议转换模块，用于利用协议转换功能将各设备厂家自定义的、相互间有差别的协议/数据点表转换为统一的模板，并在边缘计算网关中完成协议解析及转换，实现在不同设备厂家中定义的不同形式但实质是相同的故障/报警信息以相同的故障码、报警/告警码上传给工业互联网平台，进一步包括设备协议转换单元以及平台协议转换单元：

设备协议转换单元，根据不同设备厂家针对同一故障/报警信息在协议/数据点表中的描述，建立各设备厂家的协议/数据点表与统一模板之间不同的映射关系，新设备接入后，基于当前设备厂家的协议/数据点表获得对应的映射关系；

平台协议转换单元，基于设备协议转换单元所获得的映射关系将实时采集的状态位信息转换为统一模板的状态位信息，并利用统一模板的状态位信息获得对应的报警信息，平台协议转换单元将该报警信息上传至工业互联网平台；

机理算法配置模块，用于通过工业互联网平台远程配置设备边缘计算的机理算法，配置后的机理算法下发到边缘计算网关上，边缘计算网关根据指定的算法规则对通过设备采集的数据进行相应的控制逻辑及运算需求处理，边缘计算网关将处理后的数据再上传到工业互联网平台；

边缘网关模型动态训练模块，用于在运行过程中基于实时处理结果不断对边缘计算网关上的机理算法模型进行动态训练。

2.如权利要求1所述的一种基于工业互联网的边缘计算网关，其特征在于，所述通讯机制自定义模块向用户提供可视化的文本编辑工具，用户通过该可视化的文本编辑工具对所述设备通讯协议进行编辑。

3.如权利要求1所述的一种基于工业互联网的边缘计算网关，其特征在于，还包括位于工业互联网平台的通讯协议模板数据库，通讯协议模板数据库中存储有通讯协议模板；用户通过所述通讯机制自定义模块调用通讯协议模板数据库中的通讯协议模板后，能够对通讯协议模板进行在线编辑，将编辑后的通讯协议模板配置为所述边缘计算网关与目标设备的通信协议。

4.如权利要求3所述的一种基于工业互联网的边缘计算网关，其特征在于，用户通过远程将预先设置好的设备通讯协议直接下载到工业互联网平台，并作为所述通讯协议模板存储在所述通讯协议模板数据库中；用户还能够针对目标设备自定义设备通讯协议模板，将该自定义的设备通讯协议模板下载到工业互联网平台，并作为所述通讯协议模板存储在所述通讯协议模板数据库中；用户还能够将修改后的设备通讯协议模板另存为所述通讯协议模板数据库中的新模板。

5.如权利要求1所述的一种基于工业互联网的边缘计算网关，其特征在于，采用Docker容器技术对所述边缘计算网关的软网关功能进行部署，根据需要部署多个容器，每个容器运行不同的软网关程序，以实现不同的软网关功能。

6.如权利要求1所述的一种基于工业互联网的边缘计算网关，其特征在于，所述工业互联网平台能够根据需要通过所述机理算法配置模块随时对网关计算规则进行修改。