CN118034675A - 一种基于资产管理壳的工业边缘服务器构建方法、系统及介质 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于资产管理壳的工业边缘服务器构建方法、系统及介质，方法包括在工业边缘设备上构建所述基于资产管理壳的服务器应用程序；针对工业场景中IT侧与OT侧的软硬件资产，分别构建其资产管理壳模型；在所述资产管理壳模型与资产管理壳服务器应用程序的基础上，实现基于资产管理壳的边缘服务器架构。本申请用户能够实现对工业边缘服务器所在系统的数据采集与监控，使能IT层应用对OT层的服务调用，加速工业互联网架构下的IOT融合进程。
Description
技术领域
本申请属于智能制造领域，具体涉及一种基于资产管理壳的工业边缘服务器构建方法、系统及介质。
背景技术
在工业4.0中，“资产”的概念至关重要，其几乎可以采取任何形式，例如，生产系统、产品、软件安装、知识产权甚至是人力资源。在工业4.0的架构下，每个资产都需要进行数字化演化，从而使生产环境中的真实物理对象具备联网交互的能力，进而构建工业互联网系统。这种数字化演化的过程通常基于信息物理系统(Cyber-Physical Systems,CPS)来进行，而资产通过自身在CPS中的虚拟对象来实现通信、推理、决策等完整功能，传递控制信息与业务信息。资产管理壳(Asset Administration Shell,AAS)用于描述该虚拟对象的详细特性，其与资产本身一起，构成了工业4.0基本元件。可以说，资产管理壳就是资产的数字孪生，其数据主体由三部分构成：资产识别码、管理壳识别码与用于描述资产不同方面的多个子模型。
资产管理壳的数据交换涉及资源生命周期的不同阶段，也涉及新一代工业互联网架构中不同层级的技术。因此，资产管理壳的数据交换格式倾向于采用通用的技术，如OPCUA通信技术与REST风格的HTTP技术，如此有利于实现跨厂商、跨层级的信息交换与互操作。
基于AAS技术构建的工业边缘服务器，在沟通IT与OT方面有其独到的优势，其可以作为实现新一代工业互联网架构的关键技术。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种基于资产管理壳的工业边缘服务器构建方法、系统及介质，用户能够实现对工业边缘服务器所在系统的数据采集与监控，使能IT层应用对OT层的服务调用，加速工业互联网架构下的IOT融合进程。
为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
第一方面，本申请实施例提供一种基于资产管理壳的工业边缘服务器构建方法，包括以下具体步骤：
在工业边缘设备上构建所述基于资产管理壳的服务器应用程序；
针对工业场景中IT侧与OT侧的软硬件资产，分别构建其资产管理壳模型；
在所述资产管理壳模型与资产管理壳服务器应用程序的基础上，实现基于资产管理壳的边缘服务器架构。
所述服务器应用程序包括实例化数据模块、序列化/反序列化模块、OPC UA节点规范模块、OPC UA客户端模块、HTTP节点(规范模块、REST服务器模块、Web用户界面模块，
所述实例化数据模块维护管理壳模型的实例化数据，其中包含AAS实例化数据与其子模型实例化数据；
所述序列化/反序列化模块技术实现实例化数据与应用程序内存数据的相互转换；
所述OPC UA节点规范模块识别需要通过OPC UA通信采集的数据，并维护相关的OPC UA节点信息；
所述OPC UA客户端模块基于OPC UA通信架构实现运行数据的实时采集与更新；
所述HTTP节点规范模块对所有的REST API进行了定义与实现；
所述REST服务器模块在所述HTTP API规范模块的基础上，启动一个Web服务器与外部建立HTTP链接，以REST风格处理所有接收到的外部请求；
所述Web用户界面模块允许用户通过Web界面对系统进行状态与数据监控。
所述所述AAS实例化数据与其子模型实例化数据之间使用引用关系进行链接。
所述资产管理壳模型包括铭牌子模型与控制组件实例子模型，铭牌子模型中描述厂商的各类信息与该软/硬件本身的标识信息；控制组件实例子模型描述资产的接口端点与所提供的服务信息。
所述基于资产管理壳的边缘服务器架构包括用户、IT应用、边缘服务器、OT设备，所述边缘服务器与OT设备构成工业系统，用户和IT应用与工业系统进行交互。
所述用户和IT应用与工业系统进行交互中，
用户与工业系统的交互流程包括：用户建立资产管理壳模型；所述用户通过REST接口将模型上传至所述边缘服务器中；所述边缘服务器根据模型中的信息与OT设备建立通信；所述OT设备将运行时数据周期性地返回给所述边缘服务器；用户通过所述边缘服务器中集成的Web界面实现数据监控；
所述IT应用与工业系统的交互流程包括：所述IT应用通过REST接口调用服务或进行数据操作；所述边缘服务器收到请求后，通过OPC UA方法调用通知所述OT设备执行请求；所述OT设备执行调用；所述OT设备将调用结果与数据返回给所述边缘服务器；所述边缘服务器将结果通过REST接口返回给上层应用。
第二方面，本申请实施例提供一种基于资产管理壳的工业边缘服务器构建系统，包括：
至少一个处理器；以及
与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现如上所述的基于资产管理壳的工业边缘服务器构建方法。
第三方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有程序代码，所述程序代码被处理器执行时，实现如上所述的基于资产管理壳的工业边缘服务器构建方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本申请基于AAS技术构建工业边缘服务器，可以成为工业互联网架构的重要组成部分。首先，工业边缘服务器中维护所有底层软硬件资源的AAS信息模型，以数字孪生的形式描述整个系统的构成，有利于工业互联网系统的构建与维护；当系统需要进行修改或升级时，只需要相应地更新AAS模型，即可实现数据与API随资产的同步迭代。其次，基于AAS的边缘服务器可以通过OPC UA的形式统一采集OT侧的运行时数据，实现厂商无关的高性能数据采集、数据聚合与数据处理；并根据采集到的数据提供人机界面，实现设备状态监测与预测性维护等功能。最后，基于AAS的边缘服务器能够提供统一的API供外部访问。在理想情况下，IT应用可以对OT设备提供的服务进行编排与调用，以此实现更大范围的互操作。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1所示是本文基于资产管理壳构建工业边缘服务器构建的过程；
图2所示是本文实施例中基于AAS的服务器应用程序架构图；
图3所示是本文实施例构建AAS模型时的铭牌子模型示意图；
图4所示是本文实施例构建AAS模型时的控制组件实例子模型示意图；
图5所示是用户与基于AAS的边缘服务器系统交互流程的示意图；
图6所示是IT应用与基于AAS的边缘服务器系统交互流程的示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。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。
术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
术语“第一”、“第二”等仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
在新一代工业互联网体系架构中，边缘设备正扮演着越来越重要的角色，其作为打通OT与IT的桥梁，起到承上启下的作用。基于此，本发明借助资产管理壳(AssetAdministration Shell,AAS)、OPC统一架构(Open Platform Communications UnifiedArchitecture,OPC UA)等通用技术，构建了一种基于资产管理壳的边缘服务器，用于统一管理设备资产、IIOT数据透传以及生成标准化的应用程序接口(Application ProgrammingInterface,API)，从而使能工业互联网系统的快速构建。
下面结合附图，通过具体的实施例对本申请实施例及其应用场景提供的基于资产管理壳的工业边缘服务器构建方法进行详细地说明。
如图1所示，为本申请实施例及其应用场景提供的基于资产管理壳的工业边缘服务器构建方法包括：
步骤101：基于AAS、OPC UA、REST API等技术，在工业边缘设备上构建所述基于AAS的服务器应用程序；
步骤102：针对工业场景中IT侧与OT侧的软硬件资产，使用所述方式分别构建其AAS模型；
步骤103：在所述AAS模型与AAS服务器应用程序的基础上，使用所述方法实现基于AAS的边缘服务器架构，用户与IT层的应用通过所述交互流程与系统实现交互。
针对步骤101，所述基于AAS的服务器应用程序如图2所示。在边缘侧运行时环境下，AAS服务器应用程序包括实例化数据模块、序列化/反序列化模块、OPC UA节点(OPC UAAPI)规范模块、OPC UA客户端模块、HTTP节点(HTTP API)规范模块、REST服务器模块与Web用户界面模块。
示例性地，实例化数据模块用于维护所有用户上传AAS模型文件，以AASX文件包的形式维护实例化数据。具体的，实例化数据能够以JSON、XML等多种格式完整描述资源信息，允许数据格式转化，易于兼容不同系统与扩展功能。其中，资产管理壳的实例化数据与其子模型实例化数据之间使用引用关系进行链接，简化数据的索引。
示例性地，序列化/反序列化模块用于实例化数据与内存数据的互相转化。只有将实例化数据加载到内存中，才能进一步对其进行实时处理与API操作，这是基于AAS的边缘服务器得以正常运行的基础。
示例性地，OPC UA节点(OPC UA API)规范模块基于内存数据与信息模型，识别需要通过OPC UA通信采集的数据，并维护相关的OPC UA节点信息。具体的，包括每个节点所在的服务器地址，节点命名空间索引与节点标识符信息。同时，该模块将底层OPC UA客户端获取的数据动态加载到AAS内存数据中，实现运行数据的实时采集与更新。
在现有的工业场景下，数据的现场交互需要得到可靠性保证。因此，该边缘服务器选用客户端/服务器的OPC UA通信架构以保证安全链接的建立。OPC UA客户端模块根据OPCUA节点(OPC UA API)规范模块中维护的信息，生成相应的OPC UA客户端子应用与外部的OPC UA服务器进行通信，获取现场设备的运行数据。
示例性地，HTTP节点(HTTP API)规范模块对所有的REST API进行了定义与实现，允许对AAS信息模型在一致性的规范下进行增删改查操作。具体来说，AAS实例化数据中的管理壳信息、子模型信息、语义信息、资产信息等描述，均可以通过此模块定义的HTTP接口进行被允许的数据操作。外部IT侧应用，如MES系统、生产编排应用等，其发出的请求最终都会借由该模块的处理作用到边缘服务器维护的AAS数字孪生模型中，最终再借助OPC UA通信作用到底层的实际物理硬件上。
示例性地，REST服务器模块在HTTP API规范模块的基础上，启动一个Web服务器与外部建立HTTP链接，以REST风格处理所有接收到的外部请求，并根据请求发出相应的应答。
示例性地，Web用户界面模块允许用户直接通过Web端访问结构化的AAS模型信息。Web界面以树状图的形式，层级化地显示边缘服务器维护的所有AAS模型。用户不仅能够通过该UI了解整个工业互联网系统的信息，还能够实时观测运行时数据，对整个系统进行运行时状态监测。此外，用户能够通过UI直接下载AAS包，并基于原有AAS模型进行更新。该方式有利于整个边缘系统的优化迭代。
针对步骤102，所述AAS模型的构建方式中，以服务的形式对OT侧与IT侧的软硬件资产进行统一的描述。具体的，使用两个子模型分别描述资产的厂商铭牌信息与服务接口信息。
如图3所示，铭牌(Nameplate)子模型中包含了厂商的各类信息与该软/硬件本身的标识信息，其中多为静态数据，供工业互联网系统的所有利益攸关者查阅使用。
如图4所示，控制组件实例(ControlComponentInstance)子模型中对资产的接口端点与所提供的服务进行详细描述。具体的，针对OT侧设备，可以描述其OPC UA接口信息或其支持的其它接口，并指明其向上层应用提供的服务；针对IT侧应用或软件系统，可以描述其标准的HTTP/REST接口，并标识其与OT侧交互时提供的软件能力，如流程编排、数据监测等。此外，针对服务中涉及的运行时数据，可以使用修饰符的形式统一描述其信息以使能数据采集。如针对OPC UA数据节点，可以通过描述其所在OPC UA服务器的URL、节点命名空间索引与节点标识符来唯一确定，边缘服务器通过解析AAS模型中的标识符信息与OT侧的运行时设备建立通信，实现实时数据采集与监控。
上述的两个子模型提供了跨厂商、设备无关的资产信息模型与控制模型。统一的信息格式使能了工业互联网系统中跨越IT与OT的互操作，为整个系统的构建提供支持。
针对步骤103，本申请为用户与边缘服务器架构的交互方式提供了具体指导，如图5所示，用户首先建立相关资产的AAS模型，并通过标准REST接口将模型上传至边缘服务器中；边缘服务器会维护所有已上传的AAS模型，并根据模型中的信息与OT侧设备建立通信。OT设备将被请求的运行时数据周期性地返回给边缘服务器，用户通过边缘服务器中集成的Web界面实现数据监控。
进一步地，本申请也为IT应用与边缘服务器架构的交互方式提供了具体指导，如图6所示，IT应用统一通过REST接口调用服务或进行数据操作；边缘服务器收到请求后，通过OPC UA方法调用通知OT设备执行请求。执行调用完成后，OT侧设备会将调用结果与相应数据返回给边缘服务器，最终通过REST接口返回给上层应用。
本申请实施例提供一种基于资产管理壳的工业边缘服务器构建系统，包括：
至少一个处理器；以及
与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现如上所述的基于资产管理壳的工业边缘服务器构建方法。
本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有程序代码，所述程序代码被处理器执行时，实现如上所述的基于资产管理壳的工业边缘服务器构建方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于资产管理壳的工业边缘服务器构建方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
在工业边缘设备上构建所述基于资产管理壳的服务器应用程序；
针对工业场景中IT侧与OT侧的软硬件资产，分别构建其资产管理壳模型；
在所述资产管理壳模型与资产管理壳服务器应用程序的基础上，实现基于资产管理壳的边缘服务器架构。
2.根据权利要求1所述的一种基于资产管理壳的工业边缘服务器构建方法，其特征在于，所述服务器应用程序包括实例化数据模块、序列化/反序列化模块、OPC UA节点规范模块、OPC UA客户端模块、HTTP节点(规范模块、REST服务器模块、Web用户界面模块，
所述实例化数据模块维护管理壳模型的实例化数据，其中包含AAS实例化数据与其子模型实例化数据；
所述序列化/反序列化模块技术实现实例化数据与应用程序内存数据的相互转换；
所述OPC UA节点规范模块识别需要通过OPC UA通信采集的数据，并维护相关的OPC UA节点信息；
所述OPC UA客户端模块基于OPC UA通信架构实现运行数据的实时采集与更新；
所述HTTP节点规范模块对所有的REST API进行了定义与实现；
所述REST服务器模块在所述HTTP API规范模块的基础上，启动一个Web服务器与外部建立HTTP链接，以REST风格处理所有接收到的外部请求；
所述Web用户界面模块允许用户通过Web界面对系统进行状态与数据监控。
3.根据权利要求2所述的一种基于资产管理壳的工业边缘服务器构建方法，其特征在于，所述所述AAS实例化数据与其子模型实例化数据之间使用引用关系进行链接。
4.根据权利要求1所述的一种基于资产管理壳的工业边缘服务器构建方法，其特征在于，所述资产管理壳模型包括铭牌子模型与控制组件实例子模型，铭牌子模型中描述厂商的各类信息与该软/硬件本身的标识信息；控制组件实例子模型描述资产的接口端点与所提供的服务信息。
5.根据权利要求1所述的一种基于资产管理壳的工业边缘服务器构建方法，其特征在于，所述基于资产管理壳的边缘服务器架构包括用户、IT应用、边缘服务器、OT设备，所述边缘服务器与OT设备构成工业系统，用户和IT应用与工业系统进行交互。
6.根据权利要求5所述的一种基于资产管理壳的工业边缘服务器构建方法，其特征在于，所述用户和IT应用与工业系统进行交互中，
用户与工业系统的交互流程包括：用户建立资产管理壳模型；所述用户通过REST接口将模型上传至所述边缘服务器中；所述边缘服务器根据模型中的信息与OT设备建立通信；所述OT设备将运行时数据周期性地返回给所述边缘服务器；用户通过所述边缘服务器中集成的Web界面实现数据监控；
所述IT应用与工业系统的交互流程包括：所述IT应用通过REST接口调用服务或进行数据操作；所述边缘服务器收到请求后，通过OPC UA方法调用通知所述OT设备执行请求；所述OT设备执行调用；所述OT设备将调用结果与数据返回给所述边缘服务器；所述边缘服务器将结果通过REST接口返回给上层应用。
7.一种基于资产管理壳的工业边缘服务器构建系统，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及
与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现权利要求1-6任一项所述的基于资产管理壳的工业边缘服务器构建方法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有程序代码，所述程序代码被处理器执行时，实现如权利要求1至6任一项所述的基于资产管理壳的工业边缘服务器构建方法的步骤。
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