基于云边协同的制造资源接入平台与方法

1.本发明属于智能制造领域，涉及一种基于云边协同的制造资源接入平台与方法。


背景技术：

2.现有的制造资源和制造能力接入的方法有多种方式，比如通过为设备或者人设置适配器、rfid、条形码、二维码等，然后通过扫描设备、照片拍摄、视频监控的技术等实现设备的实时感知，最后通过3g、4g、wifi等网络技术对数据进行实时采集和分析。在现有的物联网平台上，可以构建物联网设备的设备影子，然后通过modbus、opc ua等协议实现设备与软件平台的通信。其中modbus通信协议遵守主从设备的通信步骤，通过边缘网关驱动并主动询问的方式，实现网关与设备的消息通信；opc ua协议通过构建设备的opc ua server与client实现设备与软件平台的通信。
3.智能制造的工业领域在生产的过程中，有许多制造设备需要集中接入到软件平台进行管理。由于设备种类与数量繁多，且设备之间互相异构，制造设备接入成本高，缺乏统一的协作平台，同时传统的基于云服务的制造模式存在计算、存储、通信、接入设备的安全和隐私等方面的问题。并且单一的运行在云端的工业互联网平台很难满足海量物联场景下的需求。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于云边协同的制造资源接入平台与方法，结合opc ua、agent、云边协同技术和区块链技术，解决了传统制造资源接入平台的流量大、时延高的问题，满足海量设备接入的需求。另一方面，将区块链融入基于云边协同的制造资源接入平台，一定程度上能解决制造设备、车间工人等资源整合和使用过程中的安全和信任问题，通过边缘计算和区块链的有效结合，企业获得了更多的可控制权和信任以及信息追溯等方面的能力。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于云边协同的制造资源接入平台，包括工业现场层、边缘层、云端服务中心三个部分，其中：所述工业现场层对应于云—边—端三层架构的设备层，包括多种制造设备和各个执行人员，其中：工业现场层利用opc ua建模技术，为每一类设备建立基于标准opc ua信息模型，并且将信息模型与制造设备的数据源绑定，构建制造设备的opc ua server，将制造设备和执行人员agent化，实现工业现场层到边缘层的连接，使云端服务中心的任务可以下发到实际的制造设备，并对制造设备进行控制，也将制造设备和执行人员进行绑定，形成制造单元对外提供服务；所述边缘层对应于企业的工厂车间，边缘层将工业现场层和云端服务中心连接起来，一方面可以获取各制造设备的数据并同步到云端服务中心，另一方面可以将云端服务中心的指令下发到制造设备上，同时边缘层也提供了边缘计算的功能，当工业现场层的海
量设备接入时，边缘层可以对这些设备直接进行处理，避免大量设备直接连接云端，其功能主要包括（1）制造设备的注册与配置，与制造设备的opc ua server 对应的client配置与管理；（2）制造设备的数据项与制造设备数据的浏览、检索；（3）制造设备数据日期、制造设备功能项的浏览；（4）制造设备的控制与制造设备的状态数据查询；（5）制造设备agent的创建与退出；（6）制造设备操作人员agent的创建与退出；（7）各类agent与opc ua client的交互；（8）agent基本参数配置，任务管理；（9）使用区块链技术保障物联网设备资产的数据安全；所述云端服务中心包括针对轨道交通装备特定客户与总装企业和中下游企业的接入与协同，包括承接客户的制造或服务订单，感知边缘接入的制造资源，进行资源的调度与任务的下发，以及使用区块链技术为关键业务提供可信保证，云端服务中心通过边缘层获取工业现场层的制造数据，根据这些数据，生成合理的任务安排，并将任务下发到边缘层，对于支持opc ua的制造设备，工人在边缘层中通过opc ua service控制设备完成任务，对于不支持opc ua的制造设备，执行人员在边缘层中领取任务并在线下完成。
6.一种利用上述制造资源接入平台实现基于云边协同的制造资源接入方法，包括如下步骤：步骤一、制造设备属于接入平台架构的工业现场层，考虑制造设备对象的基本属性，从定义和描述出发，基于opc ua的信息模型的各类建模规则对制造设备进行建模，形成信息模型xml描述文件，将信息模型xml描述文件作为信息对象与属性数据在opc ua地址空间的表达，并将信息模型与制造设备产生的数据进行绑定，可以将工业现场层的制造设备以信息模型的形式连接到平台上；步骤二、通过信息模型加载器完成信息模型xml描述文件到opc ua地址空间的映射，形成opc ua服务器，每个opc ua服务器对应一个opc ua客户端，opc ua客户端通过设备的ip和端口号与opc ua服务器进行连接，opc ua客户端读取opc ua服务器的地址空间，获取信息模型的全部内容，其中地址空间被定义为“在opc ua客户端能显示opc ua 服务器收集的信息”；步骤三、对制造设备和执行人员agent化，在制造系统中设计并开发制造设备与执行人员的agent，即实现制造设备和执行人员从物理世界到信息空间的映射，需要利用数据库将制造设备和执行人员的静态信息、制造设备的加工任务信息存储起来；制造设备agent可以反映制造设备的运行状态、能通过指令控制设备、并能与操作人员和其他agent进行交互，执行人员agent可以反映执行人员的工作状态、保存与管理执行人员和制造设备共同完成的加工任务信息，制造设备agent利用opc ua获得到agent的实时状态数据，代替制造设备在系统中运行；从云端服务中心下达到边缘层agent的任务通过opc ua下发指令落实到制造设备执行，并且制造设备agent可以利用opc ua客户端读取、写入以及订阅设备的数据，根据工种将制造设备与执行人员进行绑定，形成制造单元对外提供服务，至此完成接入平台中的工业现场层到边缘层之间的连接，使制造设备和执行人员可以连入到接入平台中。
7.相比于现有技术，本发明具有如下优点：1、利用本发明可以减少云端对数据的处理，从而使海量设备都能接入到云端，并且对每个接入的设备都能快速处理、下发指令，可以适用于一些对时延要求较高的物联网
应用场景。尽管有海量设备连接到平台，但多数都在边缘处理，可以减少大量的流量成本和云端存储成本，解决了传统制造资源接入平台的流量大、时延高的问题。
8.2、本发明利用边缘计算处理数据，不需要将全部数据连接入云，并且利用了区块链技术，保证数据的安全性，一定程度上能解决制造设备、车间工人等资源整合和使用过程中的安全和信任问题。
9.3、通过本发明，企业可以获得更多的可控制权和信任以及信息追溯等方面的能力。
附图说明
10.图1为基于opc ua和agent技术的制造资源接入方法图；图2为基于云边协同的制造资源接入平台架构图；图3为云边协同过程图。
具体实施方式
11.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
12.本发明提供了一种基于云边协同的制造资源接入方法与平台，具体包括如下内容：1、基于opc ua和agent技术的制造资源接入方法：对于工业现场的制造设备，考虑设备对象的基本属性，从定义和描述出发，基于opc ua的信息模型的各类建模规则对制造设备进行建模形成xml描述文件，作为信息对象与属性数据在opc ua地址空间的表达，并将模型与设备产生的数据进行绑定，然后通过信息模型加载器完成信息模型描述文件到opc ua地址空间的映射，形成opc ua服务器，每个opc ua服务器对应一个opc ua客户端，客户端通过设备的ip和端口号与服务器进行连接，客户端读取服务器的地址空间，获取信息模型的全部内容。其中地址空间被定义为“在客户端能显示opc ua 服务器收集的信息”。
13.对制造系统中的设备和工作人员agent化，在降低制造系统的复杂程度的基础上，能够提高制造系统对外交互与合作的能力。在制造系统中设计并开发制造设备与执行人员的agent，需要利用数据库将制造设备和执行人员的静态信息、制造设备的加工任务信息存储起来。制造设备agent可以反映制造设备的运行状态、能通过指令控制设备、并能与操作人员和其他agent进行交互。执行人员agent可以反映执行人员的工作状态、保存与管理执行人员和制造设备共同完成的加工任务信息。并且制造设备agent可以利用opc ua客户端读取、写入以及订阅设备的数据，根据工种将制造设备与执行人员进行绑定，形成制造单元对外提供服务。
14.2、基于云边协同的制造资源接入平台从整个平台的整体架构看，基于云边协同的制造资源接入与任务调度平台主要包括工业现场层、边缘层、云端服务中心三个部分。
15.工业现场层：对应于三层架构的设备层，包括运输设备、加工设备等多种制造设
备；这一层使用opc ua建模技术，从系统架构、应用场景和特定领域规范提取opc ua建模需要的设备类型信息和属性，采用面向对象的思想，依据opc ua规范和类型定义、扩展类型和实例化类型信息，为每一类设备建立基于标准opc ua信息模型，并且将信息模型与设备的数据源绑定，构建设备的opc ua server。
16.边缘层：对应于企业的工厂车间，主要包括设备的注册与配置，与设备的opc ua server 对应的client配置与管理；设备的数据项与设备数据的浏览、检索；设备数据日期、设备功能项的浏览；设备的控制与设备的状态数据查询；设备agent的创建与退出；设备操作人员agent的创建与退出；各类agent与opc ua client的交互；agent基本参数配置，任务管理；使用区块链技术保障物联网设备资产的数据安全。
17.云端服务中心：包括针对轨道交通装备特定客户与总装企业和中下游企业的接入与协同，包括承接客户的制造或服务订单，感知边缘接入的制造资源，进行资源的调度与任务的下发，以及使用区块链技术为关键业务提供可信保证。
18.3、云边协同过程对于工业现场的设备，如车床、刨床等，以及相对应的工人，在边缘层注册其agent，在边缘层的数据库中可以读取agent的基本信息。然后云端服务中心通过rest方式（基于http协议）同步边缘接入的资源数据，存储在云端服务中心的数据库中。边缘层可以直接 对接入的制造设备和执行人员进行操作，下达到工业现场层的制造设备和执行人员，同时将边缘层的数据同步到云端服务中心。
19.云端服务中心的任务经过计算调度后通过rest的方式下达到边缘层，边缘层同步更新下达的任务，并将任务再次下达到工业现场层的设备和工人。本发明中的设备分为支持opc ua的设备和不支持opc ua的设备，对于支持opc ua的设备，工人在平台中通过opc ua service控制设备完成任务，否则执行人员在边缘平台中领取任务并在线下完成。
20.在整个工作流程中，按照用户指定的计划进行数据的上送，即数据的按需取用。
21.在智能制造的工业领域在生产的过程中，有许多制造设备需要集中接入到软件平台进行管理，有些制造设备可以联网，有些制造设备不能联网，但都可以接入到本发明的平台上，将制造设备和执行人员都进行代理化，并根据执行人员的工种和制造设备的类型进行绑定，接入到平台上。企业可以通过本发明的平台清晰地了解到具体的制造设备和执行人员对应的绑定关系，便于管理，可以更加有效的整合制造资源，提高制造资源的开发效率，有助于其设计链/供应链/营销-服务链协同工作。应用本发明的平台，满足工业iot的要求，可以克服传统基于云的制造平台的实时性、数据传输成本高的问题，支持海量设备接入，企业可以通过本发明的平台管理大量接入的制造设备。在生产过程中，会产生大量的工业数据，但应用本发明的平台会保证数据的安全性。