田詩韻,孫雪媛,徐千淞

(1 重慶信息通信研究院 重慶 401336) (2 中國電信股份有限公司研究院 北京 102200)

0 引言

近年來,隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)的發(fā)展和普及,工業(yè)智能化建設(shè)已成為制造業(yè)升級和轉(zhuǎn)型的必由之路。其中,工廠級工業(yè)App運(yùn)管平臺作為工業(yè)智能化建設(shè)的重要組成部分,已經(jīng)成為越來越多企業(yè)在實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化生產(chǎn)的過程中不可或缺的支撐。然而,現(xiàn)有工業(yè)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和技術(shù)設(shè)施往往難以滿足復(fù)雜、多樣化的生產(chǎn)需求,同時在5G網(wǎng)絡(luò)普及的背景下,企業(yè)迫切需要一個更為高效、智能、安全的工廠級工業(yè)App運(yùn)管平臺,以應(yīng)對不斷變化的市場和生產(chǎn)環(huán)境。

本文通過從工業(yè)應(yīng)用的實際使用場景和業(yè)務(wù)需求出發(fā),結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)架構(gòu),綜合運(yùn)用應(yīng)用服務(wù)編排、云原生、故障診斷等相關(guān)技術(shù),設(shè)計并優(yōu)化基于5G網(wǎng)絡(luò)的工廠級工業(yè)App運(yùn)管平臺,以滿足企業(yè)在數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型中的需求,提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量,降低生產(chǎn)成本。具體內(nèi)容包括:首先,從工業(yè)應(yīng)用的實際場景出發(fā),結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)架構(gòu),梳理架構(gòu)中各個環(huán)節(jié)的相關(guān)應(yīng)用和設(shè)備,利用拓?fù)鋱D的形式展示出層級關(guān)系;其次,綜合應(yīng)用服務(wù)編排、云原生以及故障診斷等相關(guān)技術(shù),實現(xiàn)工廠級工業(yè)App運(yùn)管平臺服務(wù)編排和優(yōu)化,保障多樣化應(yīng)用節(jié)點智能有效協(xié)同和智能定位;再次,利用邊緣計算、云網(wǎng)融合等技術(shù)實現(xiàn)在5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下保障平臺的可靠性;最后,基于5G的OT/IT融合網(wǎng)絡(luò)設(shè)施,采用分布式微服務(wù)架構(gòu)搭建數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的5G+工廠級工業(yè)App運(yùn)管平臺,以保障柔性制造和智能制造的需求。

1 相關(guān)技術(shù)與理論

介紹5G網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)架構(gòu)、應(yīng)用服務(wù)編排、云原生、故障診斷、邊緣計算、云網(wǎng)融合等相關(guān)技術(shù)和理論,為后續(xù)的平臺設(shè)計提供技術(shù)支持。

1.1 5G網(wǎng)絡(luò)

5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特點是高速率、低延遲、大容量和靈活性[1],這些特點為工業(yè)應(yīng)用提供了更廣闊的空間和更多的可能性。在工廠級工業(yè)App運(yùn)管平臺的設(shè)計與優(yōu)化中,5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用將有助于提高平臺的可靠性、響應(yīng)速度和靈活性,從而為工業(yè)制造提供更好的支持和服務(wù)[2]。

1.2 工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)架構(gòu)

在基于5G網(wǎng)絡(luò)的工廠級工業(yè)App運(yùn)管平臺的設(shè)計與優(yōu)化研究中,工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)架構(gòu)技術(shù)理論是非常重要的一部分,需要針對實際應(yīng)用場景進(jìn)行分析和應(yīng)用[3]。通過對工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的架構(gòu)進(jìn)行深入研究和理解,才能實現(xiàn)工業(yè)App運(yùn)管平臺的優(yōu)化設(shè)計和實現(xiàn)。常見的分層架構(gòu)包括三層結(jié)構(gòu)和五層結(jié)構(gòu),每一層次之間通過接口進(jìn)行連接,實現(xiàn)信息傳遞和控制命令傳輸[4]。

1.3 應(yīng)用服務(wù)編排

在工廠級工業(yè)App運(yùn)管平臺中,應(yīng)用服務(wù)編排是實現(xiàn)多樣化應(yīng)用節(jié)點智能協(xié)同的重要技術(shù)。應(yīng)用服務(wù)編排技術(shù)可以將不同的應(yīng)用服務(wù)組合在一起,以實現(xiàn)復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯和業(yè)務(wù)流程[5]。其主要目的是將不同的應(yīng)用服務(wù)連接起來,并將它們組織成一個工作流程。應(yīng)用服務(wù)編排技術(shù)主要包括兩個方面的內(nèi)容:應(yīng)用服務(wù)的建模和應(yīng)用服務(wù)的編排。應(yīng)用服務(wù)建模是指將工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)邏輯抽象成一個可重用的模塊化的應(yīng)用服務(wù),以便于應(yīng)用服務(wù)編排時的調(diào)用[6]。應(yīng)用服務(wù)編排是指將不同的應(yīng)用服務(wù)組合在一起,并通過編排工具將它們組織成一個工作流程。

1.4 云原生

云原生是一種新興的軟件開發(fā)和部署方式,是基于云計算、容器化和微服務(wù)等技術(shù)理念,旨在提高應(yīng)用程序的可伸縮性、彈性和可靠性。云原生應(yīng)用程序的部署單元是容器,每個容器都包含應(yīng)用程序所需的所有組件和庫。與傳統(tǒng)的單體應(yīng)用程序不同,云原生應(yīng)用程序是由微服務(wù)組成的,這些微服務(wù)是獨立部署、升級和擴(kuò)展的,可以相互協(xié)作,實現(xiàn)整個應(yīng)用程序的功能[7]。云原生技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用,可以幫助企業(yè)構(gòu)建高可用、高可靠、高擴(kuò)展的工業(yè)應(yīng)用程序。它可以使企業(yè)將應(yīng)用程序輕松地部署到多個環(huán)境中,例如本地服務(wù)器、公有云、私有云和混合云等,提高了應(yīng)用程序的靈活性和可移植性[8]。同時,云原生技術(shù)還可以提高應(yīng)用程序的安全性和可管理性,幫助企業(yè)更好地管理應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)。

1.5 故障診斷

在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中,設(shè)備的故障可能會嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率和質(zhì)量。因此,故障診斷技術(shù)是工業(yè)App運(yùn)管平臺設(shè)計中的重要組成部分。故障診斷技術(shù)可以幫助工廠實現(xiàn)對設(shè)備的快速故障定位和排除,提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量[9-10]。

1.6 邊緣計算

邊緣計算是指在靠近數(shù)據(jù)源頭的位置進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計算的一種技術(shù),通過將數(shù)據(jù)處理和計算推向網(wǎng)絡(luò)邊緣,可以降低數(shù)據(jù)傳輸時延和網(wǎng)絡(luò)擁塞情況,提高數(shù)據(jù)的安全性和可靠性[11]。在工業(yè)領(lǐng)域中,邊緣計算技術(shù)可以用于工業(yè)數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸,以提高工業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。邊緣計算技術(shù)結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以實現(xiàn)更快速、可靠、低時延的數(shù)據(jù)傳輸和處理[12]。

1.7 云網(wǎng)融合

云網(wǎng)融合技術(shù)的主要目的是將傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)和云計算資源整合起來,提供一個統(tǒng)一的、可擴(kuò)展的服務(wù)平臺。這種技術(shù)可以通過各種方式實現(xiàn),例如將云計算資源分配到網(wǎng)絡(luò)邊緣,以提高服務(wù)響應(yīng)速度和性能,同時確?？煽啃院桶踩訹13]。此外,云網(wǎng)融合技術(shù)還可以通過網(wǎng)絡(luò)虛擬化、軟件定義網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化等技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的靈活配置和管理。這可以使網(wǎng)絡(luò)更加智能和高效,并支持動態(tài)的應(yīng)用需求。在工廠級工業(yè)App運(yùn)管平臺的設(shè)計和優(yōu)化中,云網(wǎng)融合技術(shù)可以實現(xiàn)工業(yè)數(shù)據(jù)的收集、處理和存儲,以及將工業(yè)應(yīng)用程序部署到云端,提高工業(yè)應(yīng)用程序的靈活性和可擴(kuò)展性[14]。此外,云網(wǎng)融合技術(shù)還可以提高工業(yè)應(yīng)用程序的安全性和可靠性,確保工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 工廠級工業(yè)App運(yùn)管平臺設(shè)計

從工業(yè)應(yīng)用的實際使用場景和業(yè)務(wù)需求出發(fā),結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)架構(gòu),梳理架構(gòu)中各個環(huán)節(jié)的相關(guān)應(yīng)用、設(shè)備,并利用拓?fù)鋱D的形式展示出層級關(guān)系。詳細(xì)介紹工廠級工業(yè)App運(yùn)管平臺的設(shè)計思路、架構(gòu)、功能和特點,包括服務(wù)編排、節(jié)點協(xié)同、故障診斷等方面。

平臺的設(shè)計要求考慮實際使用場景和業(yè)務(wù)需求,并綜合應(yīng)用服務(wù)編排、云原生、故障診斷、邊緣計算、云網(wǎng)融合等相關(guān)技術(shù),以保障在5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下平臺的可靠性。設(shè)計工廠級工業(yè)App運(yùn)管平臺需要考慮架構(gòu)設(shè)計,基于工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)架構(gòu),設(shè)計一個數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的平臺架構(gòu),將各個應(yīng)用、設(shè)備及節(jié)點連接起來,實現(xiàn)信息共享和協(xié)同。服務(wù)編排:采用應(yīng)用服務(wù)編排技術(shù),將多個應(yīng)用服務(wù)組合成一個完整的業(yè)務(wù)流程,提高平臺的靈活性和可擴(kuò)展性。云原生:采用云原生架構(gòu),實現(xiàn)平臺的可移植性、可伸縮性和可靠性。故障診斷:利用故障診斷技術(shù),及時發(fā)現(xiàn)和解決應(yīng)用節(jié)點的故障,提高平臺的穩(wěn)定性和可靠性。邊緣計算:采用邊緣計算技術(shù),將部分計算任務(wù)放在邊緣節(jié)點上處理,減少數(shù)據(jù)傳輸延遲和網(wǎng)絡(luò)帶寬占用,提高平臺的實時性和可靠性。云網(wǎng)融合:采用云網(wǎng)融合技術(shù),實現(xiàn)云和邊緣計算的協(xié)同工作,提高平臺的可用性和可靠性。

基于此,設(shè)計工廠級工業(yè)App運(yùn)管平臺時需要考慮的主要問題包括:如何實現(xiàn)服務(wù)編排,如何保障多樣化應(yīng)用節(jié)點的智能有效協(xié)同,如何實現(xiàn)故障診斷,以及如何利用邊緣計算和云網(wǎng)融合技術(shù)保障平臺的可靠性等。

在設(shè)計思路方面,首先需要確定平臺的總體架構(gòu),包括前端、后端和存儲等方面。其次需要對平臺進(jìn)行功能劃分,包括服務(wù)編排、節(jié)點協(xié)同、故障診斷等方面。最后需要確定平臺的特點,例如可擴(kuò)展性、靈活性和安全性等。

在架構(gòu)方面,工廠級工業(yè)App運(yùn)管平臺需要采用分布式微服務(wù)架構(gòu),以便實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的目標(biāo)。同時需要考慮數(shù)據(jù)的實時性和可靠性,以確保數(shù)據(jù)傳輸過程中不會發(fā)生延遲或丟失。

在功能方面,工廠級工業(yè)App運(yùn)管平臺需要實現(xiàn)服務(wù)編排、節(jié)點協(xié)同和故障診斷等功能。服務(wù)編排是指將不同的應(yīng)用節(jié)點按照特定的規(guī)則組織成服務(wù)流,以便實現(xiàn)任務(wù)的自動化。節(jié)點協(xié)同是指各個應(yīng)用節(jié)點之間的協(xié)同工作,以便實現(xiàn)任務(wù)的高效完成。故障診斷則是指對平臺中出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析和處理,以確保平臺的可靠性。

在特點方面,工廠級工業(yè)App運(yùn)管平臺需要具備可擴(kuò)展性、靈活性和安全性等特點?？蓴U(kuò)展性是指平臺可以隨著業(yè)務(wù)需求的變化而擴(kuò)展,以便支持更多的應(yīng)用節(jié)點和服務(wù)流。靈活性是指平臺可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化,以便滿足不同的業(yè)務(wù)需求。安全性是指平臺需要采取各種措施來保護(hù)平臺中的數(shù)據(jù)和應(yīng)用節(jié)點,以確保平臺的安全性。

3 工廠級工業(yè)App運(yùn)管平臺優(yōu)化

針對現(xiàn)有工廠級工業(yè)App運(yùn)管平臺存在的問題,提出優(yōu)化策略和方法。包括節(jié)點智能協(xié)同、智能定位、故障分析等方面,并結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的特點,提出保障平臺可靠性的解決方案。

3.1 節(jié)點智能協(xié)同

在生產(chǎn)過程中,不同節(jié)點之間需要進(jìn)行信息傳遞和協(xié)調(diào),現(xiàn)有的工廠級工業(yè)App運(yùn)管平臺可以通過節(jié)點智能協(xié)同來提高協(xié)調(diào)效率。通過引入人工智能技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法,平臺可以對不同節(jié)點的運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析和預(yù)測,從而實現(xiàn)智能調(diào)度和協(xié)同。針對節(jié)點智能協(xié)同的問題,可以通過引入邊緣計算技術(shù),將計算和數(shù)據(jù)處理能力下放到節(jié)點端,實現(xiàn)節(jié)點之間的智能協(xié)同。此外,還可以利用云原生技術(shù),將應(yīng)用服務(wù)拆分成微服務(wù),以實現(xiàn)更加靈活和高效的節(jié)點協(xié)同。

3.2 智能定位

工廠中的各種設(shè)備和物料需要進(jìn)行定位和追蹤,以便實現(xiàn)更精確的管理和控制?，F(xiàn)有的工廠級工業(yè)App運(yùn)管平臺可以通過引入定位技術(shù),如基于5G網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位系統(tǒng),實現(xiàn)設(shè)備和物料的實時定位和追蹤,從而提高生產(chǎn)效率和安全性。針對智能定位的問題,可以利用5G網(wǎng)絡(luò)的高帶寬、低延遲和大連接數(shù)等特點,實現(xiàn)精準(zhǔn)定位和實時監(jiān)控。同時,結(jié)合云網(wǎng)融合技術(shù),將定位數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)源進(jìn)行融合,提高定位的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.3 故障分析

故障是生產(chǎn)過程中常見的問題,現(xiàn)有的工廠級工業(yè)App運(yùn)管平臺可以通過引入故障分析技術(shù)來提高故障處理效率。通過對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,平臺可以提前預(yù)測故障的可能性,并給出相應(yīng)的處理建議,從而實現(xiàn)快速的故障診斷和處理。對于故障分析的問題,可以結(jié)合邊緣計算和云原生技術(shù),實現(xiàn)故障數(shù)據(jù)的快速采集、分析和處理,提高故障定位和修復(fù)的效率。同時,可以利用5G網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù),實現(xiàn)對不同類型的應(yīng)用服務(wù)進(jìn)行分割和隔離,提高平臺的可靠性和穩(wěn)定性。

3.4 保障可靠性

在5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,保障工廠級工業(yè)App運(yùn)管平臺的可靠性是至關(guān)重要的。為了實現(xiàn)平臺的高可靠性,可以采用多重備份和容錯技術(shù),確保平臺的穩(wěn)定運(yùn)行。此外,還可以采用安全加密技術(shù),保障平臺的數(shù)據(jù)安全性和隱私保護(hù)。

4 平臺實現(xiàn)與應(yīng)用

基于5G的OT/IT融合網(wǎng)絡(luò)設(shè)施,采用分布式微服務(wù)架構(gòu),實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的工廠級工業(yè)App運(yùn)管平臺。通過實驗驗證和應(yīng)用案例,證明平臺的可行性和有效性,以保障柔性制造和智能制造。

4.1 架構(gòu)設(shè)計

平臺的架構(gòu)設(shè)計采用分布式微服務(wù)架構(gòu),分為前端、后端、存儲、分析等模塊。前端主要是用戶界面,包括應(yīng)用界面、設(shè)備界面等;后端負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯處理,包括應(yīng)用管理、設(shè)備管理、故障管理等;存儲負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲和管理,包括原始數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù);分析負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,包括數(shù)據(jù)挖掘和大數(shù)據(jù)分析等。平臺還采用了邊緣計算和云原生技術(shù),使其更加智能和高效。

4.2 實現(xiàn)過程

平臺的實現(xiàn)涉及多種關(guān)鍵技術(shù),包括5G網(wǎng)絡(luò)、云原生、邊緣計算、應(yīng)用服務(wù)編排、故障診斷等。其中,5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供高速、低延遲的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,為平臺提供了可靠的數(shù)據(jù)傳輸和通信支持;云原生技術(shù)保證了平臺的可擴(kuò)展性和高可用性;邊緣計算技術(shù)利用邊緣設(shè)備的計算和存儲能力,提高了平臺的響應(yīng)速度和實時性;應(yīng)用服務(wù)編排技術(shù)實現(xiàn)了應(yīng)用的自動化部署和管理;故障診斷技術(shù)提供了故障預(yù)測和排除的支持。

平臺的應(yīng)用場景主要包括工業(yè)生產(chǎn)管理和智能制造。在工業(yè)生產(chǎn)管理方面,平臺可以實現(xiàn)設(shè)備監(jiān)測、故障管理、生產(chǎn)調(diào)度等功能,提高生產(chǎn)效率和管理水平;在智能制造方面,平臺可以實現(xiàn)柔性制造和個性化生產(chǎn),提高產(chǎn)品質(zhì)量和市場競爭力。

4.3 應(yīng)用案例

工廠生產(chǎn)計劃管理是制造業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分。利用工廠級工業(yè)App運(yùn)管平臺,可以實現(xiàn)實時監(jiān)測生產(chǎn)線狀態(tài)、生產(chǎn)進(jìn)度和生產(chǎn)任務(wù),通過數(shù)據(jù)分析提供決策支持,自動優(yōu)化生產(chǎn)計劃,最大化生產(chǎn)效率。利用工廠級工業(yè)App運(yùn)管平臺的質(zhì)量管理功能,可以實時監(jiān)測生產(chǎn)過程中的質(zhì)量指標(biāo),及時發(fā)現(xiàn)和處理異常情況,提高產(chǎn)品質(zhì)量。同時,平臺也可以自動記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù),建立生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)檔案,為后續(xù)質(zhì)量追溯和分析提供支持。工廠級工業(yè)App運(yùn)管平臺的設(shè)備維護(hù)管理功能可以實現(xiàn)對設(shè)備的實時監(jiān)測和預(yù)測性維護(hù),通過數(shù)據(jù)分析和預(yù)測算法,提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障,進(jìn)行維護(hù),最大程度減少停機(jī)時間和維修成本。

例如某汽車制造廠引入了平臺進(jìn)行生產(chǎn)管理,通過平臺實時監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行情況、故障預(yù)測和排除,實現(xiàn)了生產(chǎn)效率的提高和生產(chǎn)成本的降低。同時,平臺還提供了生產(chǎn)調(diào)度和質(zhì)量檢測等功能,保證了生產(chǎn)過程的順暢和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。此外,實際應(yīng)用中還有許多其他應(yīng)用場景。通過平臺的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化特點,可以提高生產(chǎn)效率、降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提升生產(chǎn)安全等方面的綜合競爭力。

5 結(jié)語

文章從5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)理論、工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)架構(gòu)技術(shù)理論、應(yīng)用服務(wù)編排技術(shù)理論、云原生技術(shù)理論、故障診斷技術(shù)理論、邊緣計算技術(shù)理論和云網(wǎng)融合技術(shù)理論七個方面進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。針對工業(yè)制造領(lǐng)域中數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展趨勢,探討了基于5G網(wǎng)絡(luò)的工廠級工業(yè)App運(yùn)管平臺的設(shè)計與優(yōu)化問題。