工業互聯網平臺邊緣網關自適應接入的方法

林詩美　段茹茹　陳超　陳志列

摘? 要：當前，接入工業互聯網平臺的工業設備和系統種類復雜，涉及多種工業協議類型，為平臺的數據處理分析過程帶來了挑戰性。因此，如何利用邊緣網關提高設備端的數據規約能力，解決不同設備和系統的數據異構問題，實現底層網關的集中式統一管理是當務之急。文章針對工業互聯網平臺邊緣網關數據異構問題，提出一種實現工業互聯網平臺邊緣網關自適應接入的方法，構建邊緣網關管理架構，提出數據模板轉換機制，通過MQTT協議傳輸工業數據，經過測試驗證，文章提出的方法可以及時響應上百臺底層網關并發訪問，實現工業互聯網平臺邊緣異構數據網關的集中式管理。

關鍵詞：工業互聯網；異構數據；模板轉換機制；網關管理；MQTT協議

中圖分類號：TP391.4；TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）20-0032-06

Adaptive Access Method for Edge Gateway of Industrial Internet Platform

LIN Shimei1，2， DUAN Ruru1，2， CHEN Chao1，2， CHEN Zhilie1，2

（1.Guangdong Province Industrial Edge Intelligent Innovation Center， Shenzhen? 518057， China;

2.EVOC Intelligent technology Co.， Ltd.， Shenzhen? 518057， China）

Abstract： At present， the types of industrial equipment and systems connected to the Industrial Internet platform are complex， involving a variety of industrial protocol types， which brings challenges to the data processing and analysis process of the platform. Therefore， how to use the edge gateway to improve the data protocol capability of the device end， solve the data heterogeneity problem of different devices and systems， and realize the centralized and unified management of the underlying gateway is an urgent matter. Aiming at the data heterogeneity problem of the edge gateway of the Industrial Internet platform， this paper proposes a method to realize the adaptive access method of the edge gateway of the Industrial Internet platform， constructs the edge gateway management architecture， proposes the data template conversion mechanism， and transmits industrial data through the MOTT protocol. After testing and verification， the method proposed in this paper can respond to the concurrent access of hundreds of underlying gateways in time， realize the centralized management of heterogeneous data gateways at the edge of the Industrial Internet platform.

Keywords： Industrial Internet; heterogeneous data; template conversion mechanism; gateway management; MQTT protocol

0? 引? 言

工業互聯網是新一代信息通信技術與工業經濟深度融合的新型基礎設施，通過對人、機、物、系統等的全面連接，構建起覆蓋全產業鏈、全價值鏈的全新制造和服務體系，為工業乃至產業數字化、網絡化、智能化發展提供了實現途徑[1]。國內高度重視并積極推進工業互聯網發展，2021年1月，工業和信息化部明確指出將推進工業互聯網發展作為近期發展目標，逐一完善國內新型基礎設施建設，健全產業發展生態和增強安全保障能力[2]。工業互聯網目前在各行各業得到廣泛應用[3]，工業設備的數據采集是其中一項重要的內容，所采集到的數據是各工業互聯網平臺上應用的重要支撐，目前主要通過部署的邊緣網關進行數據采集。

現有工業互聯網平臺應用大部分通過邊緣網關對終端設備進行數據采集。在工業設備數據采集過程中，對于不同的終端設備，邊緣網關需要配置不同的采集協議、數據指令、設備點位等配置信息，因此不同邊緣網關轉發的數據格式存在較大的差異性。另外，由于邊緣網關自身的廠商、類型、協議、數據等定義的不同，網關無法快速接入工業互聯網平臺，網關接入不同的工業互聯網平臺時需要進行二次開發，增加開發復雜度。為了解決以上問題，本文提出一種實現工業互聯網平臺邊緣網關自適應接入的方法，構建邊緣網關設備管理架構，提出數據模板轉換機制，通過MQTT協議實現工業數據高效可靠性傳輸，提高工業互聯網平臺接入網關的兼容性，實現不同邊緣網關的集中式管理。

1? 相關工作

工業互聯網產業作為戰略性新興產業之一，是未來工業發展的主要趨勢。工業互聯網作為5G重要的應用場景之一，正在推動生產效率和生產力達到前所未有的高度，已廣泛應用于各工業領域[4]。工業互聯網實現了物、設備、計算機、人等萬物互聯，利用數據分析處理技術，提供智能化決策模型，優化生產流程，激發出新型商業模式[5]。

工業互聯網體系架構主要包括邊緣層、平臺層和應用層。邊緣網關設備作為工業互聯網架構中的基礎層，受到越來越多研究人員的關注。邊緣網關是一種涉及多學科高度交叉的軟硬件結合的技術[6]，該技術覆蓋了人工智能技術、嵌入式計算技術、數據建模分析處理、分布式信息處理等多種知識領域[7]，廣泛應用于工業控制領域，為實現邊緣計算的完整云邊協同提供了底層的基礎硬件設施。

工業互聯網為萬物互聯的實現提供了有效途徑[8]，但隨著接入工業互聯網的設備種類越來越復雜，設備數量越來越多，數據類型越來越多樣化，如何在保障數據安全上平臺的情況下，實現邊緣網關對底層工業設備的統計集中式管理，提高邊緣網關接入設備的自適應能力和數據規約能力，是制造企業急需解決的難題。基于此，本文提出一種工業互聯網平臺邊緣網關自適應接入的方法，此外考慮到工業環境中的網絡資源和存儲資源往往會受到限制，為了克服工業環境資源的不足，本文采用MQTT協議為設備提供實時可靠的消息服務。

2? 方法描述

2.1? 總體架構

邊緣網關管理架構主要包括平臺工業軟件應用層、邊緣連接管理軟件層、邊緣網關層。平臺工業軟件應用層通過平臺側MQTT服務下發北向配置信息到邊緣連接管理軟件，經邊緣連接管理軟件轉換配置信息后將配置信息下發到邊緣網關。邊緣網關采集的設備數據上傳至邊緣連接管理軟件，經邊緣連接管理軟件轉換設備數據后將采集數據上傳至平臺側。邊緣網關管理架構如圖1所示。

在整個邊緣網關設備管理中，數據流分為配置信息和設備信息，配置信息主要包含對下層網關接入平臺的下發配置信息，設備信息主要包含網關設備的關鍵參數運行數據。平臺工業軟件通過平臺側MQTT服務下發北向配置信息，北向控制命令，接收北向心跳信息，北向點表信息，北向告警和日志；邊緣連接管理軟件實現網關與工業軟件的連接管理，實現信息轉發下發和上傳；邊緣網關通過邊緣連接管理軟件MQTT服務接受南向配置信息，南向控制命令，并進行相應處理，同時通過邊緣連接管理軟件MQTT服務把南向心跳信息，南向點表信息，南向告警日志信息上報到邊緣連接管理軟件。

2.2? 邊緣管理軟件

邊緣連接管理軟件用于連通工業互聯網平臺和邊緣網關，包括網絡連接管理模塊、MQTT服務模塊、配置信息轉換模板、控制命令轉換模板、心跳信息轉換模板、點表信息轉換模板、告警日志轉換模板以及自定義轉換模板。

網絡連接管理模塊，包括網關注冊和平臺軟件注冊。網關注冊包括注冊網關ID、網關SN、生產廠家、主要參數、MQTT通信通道等信息；平臺軟件注冊包括注冊工業軟件的ID、生產廠家、主要參數、MQTT通信通道等信息。

通過配置信息轉換模板實現配置信息轉發下發，通過控制命令轉換模板實現控制命令轉發下發，通過心跳信息轉換模板實現心跳數據轉發上傳，通過點表信息轉換模板實現現場時序數據轉發上傳，通過告警日志轉換模板實現告警日志轉發上傳，通過自定義轉換接口實現其他信息轉發上傳和下發。通過各轉換模板可實現輸入信息和輸出信息的映射，實現二進制消息到json格式的映射，二進制消息到二進制消息的映射，json格式到json格式的映射，json到xml的映射，xml到json的映射等。

邊緣連接管理軟件既可以提供MQTT服務端，接受南向網關的連接，也可以客戶端的身份連接邊緣網關的MQTT服務，提供數據處理和轉發功能，并且支持1對1、1對多、多對1、多對多等多種轉發對應關系。

2.3? 模板轉換機制

模板轉換機制通過采用模板引擎，將配置信息和設備信息進行模板轉化。在模板轉化過程中，主要包含將平臺下發配置信息模板化和網關上傳設備信息模板化兩大過程。在平臺下發配置信息模板化過程中，需要將平臺的網關配置信息轉化為網關識別的格式。在網關上傳設備信息模板化過程中，需要將邊緣網關的MQTT消息內容、Topic主題中的內容、邊緣連接管理軟件注冊的網關等信息格式進行轉換，以適配平臺的數據格式，無須對網關軟件進行二次開發即可實現網關與平臺的對接。平臺下發配置信息模板化過程和網關上傳設備信息模板化過程示意圖如圖2所示。

具體步驟如下：

1）在邊緣連接管理軟件注冊網關，訂閱平臺MQTT服務，與平臺建立MQTT連接。

2）在平臺端同步注冊網關信息，獲取網關ID、網關身份識別SN號、生產廠家等主要參數。

3）平臺端下發以網關SN號為主題的配置信息。

4）邊緣網關訂閱邊緣連接管理軟件的MQTT服務，以網關SN號為主題。

5）在邊緣連接管理軟件啟動配置信息轉換任務，將平臺下發的配置信息按照配置信息模板進行轉換。

6）在邊緣連接管理軟件信息轉換任務內根據邊緣網關的現有MQTT心跳消息格式、網關基本信息、通道信息，以及平臺的MQTT心跳消息格式編輯消息轉換模板。

7）邊緣連接管理軟件上啟動此消息轉換任務即完成了此邊緣網關心跳信息并上傳到平臺。示例如表1所示。

3? 測試分析

本文采用Node.js和Java語言實現工業互聯網平臺邊緣網關自適應接入的搭建，本節對搭建完成的平臺進行一系列測試，包括功能測試和性能測試。首先，簡要介紹平臺的測試環境；然后對平臺整體功能模塊功能進行驗證，具體分為邊緣網關管理軟件模塊功能測試和平臺端功能測試；最后，對平臺的整體性能進行測試，驗證了采用基于工業互聯網邊緣網關自適應接入的整體架構后，可支持上百臺網關統一管理，平均響應時間為0.73 s，錯誤率為0。

3.1? 測試環境

測試環境使用兩臺虛擬機，一臺作為Nginx服務器和數據接入服務器，一臺作為主節點數據服務器和從節點數據服務器，服務器詳細配置如表2所示。

3.2? 功能測試

測試用例的目的主要是驗證邊緣網關管理軟件和平臺端各個功能模塊是否正常工作，通過在制造車間中實際部署網關采集工業設備數據上傳到邊緣網關，核對測試結果是否與預結果一致。邊緣網關管理軟件模塊功能測試和平臺端功能測試結果分別如表3、表4所示。

3.3? 性能測試

使用測試工具JMeter自動化測試平臺性能，JMeter是Apache組織開發的基于Java的壓力測試工具，用于對軟件做壓力測試，它最初被設計用于Web應用測試但后來擴展到其他測試領域。它可以用于測試靜態和動態資源例如靜態文件、Java小服務程序、CGI腳本、Java對象、數據庫，FTP服務器，等等。JMeter可以用于對服務器、網絡或對象模擬巨大的負載，來自不同壓力類別下測試它們的強度和分析整體性能。

在性能測試過程中，實際接入車間15臺網關數據，采用模擬發送程序模擬100臺網關并發訪問平臺，經過測試，115臺網關并發平均響應時間為0.73 s，錯誤率為0。腳本執行部分界面如圖3所示。

經過測試，可以看出服務器讀寫速度較快，且穩定性較好。服務器資源測試界面如圖4至圖6所示。

4? 結? 論

如何實現網關設備的安全接入，以及后續如何實現網關的統一集中式管理是工業互聯網領域重要的組成部分。本文提出了一種實現工業互聯網平臺邊緣網關自適應接入的方法，一方面，通過MQTT協議實現工業數據高效可靠性傳輸，提高工業互聯網平臺接入網關的兼容性的同事，實現不同邊緣網關的集中式管理。另一方面，區塊鏈技術在設備安全接入方面具有巨大的潛力，是構建可信身份和設備數據安全接入的關鍵技術之一。未來，將進一步研究基于設備安全接入的征信體系，實現設備數據的可控共享、流轉和交換。

參考文獻：

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[8] 張銀利.基于區塊鏈的工業互聯網平臺體系架構設計 [J].電子技術與軟件工程，2021（3）：195-196.

作者簡介：林詩美（1975—），女，漢族，廣東深圳人，高級工程師，碩士研究生，研究方向：工業控制計算機。

收稿日期：2023-03-21