安全無線環境下的智能擰緊系統研究

摘要：針對智能擰緊系統無線傳輸難題，本研究成功研發了安全無線擰緊控制系統，攻克了適配器、控制終端和接收模塊設計，建立了與上游系統的通信鏈路，確保任務與數據的安全無線傳輸。這一成果為制造企業帶來新思路和技術支持，提升了生產效率與信息安全水平。

關鍵詞：智能擰緊系統；安全無線環境；安全無線擰緊控制系統

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.08.001

中圖分類號：TP 391" " " " " " " " "文獻標志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2024）08-000-03

Research on Intelligent Tightening System in Secure Wireless Environment

HUANG Jing， CHEN Weihai

（Capital Aerospace Machinery Co.， Ltd.， Beijing 100076， China）

Abstract： In response to the challenge of wireless transmission in intelligent tightening systems， This research successfully developed a safe wireless tightening control system， overcoming the design of adapters， control terminals， and receiving modules， and establishing a communication link with upstream systems to ensure secure wireless transmission of tasks and data. This achievement brings new ideas and technical support to manufacturing enterprises， enhancing production efficiency and information security levels.

Keywords： intelligent tightening system; secure wireless environment; secure wireless tightening control system

0" "引言

無線局域網因其覆蓋廣泛、擴展靈活、接入便捷等優勢，已廣泛應用于各行各業，滿足泛在互聯網的需求[1]。然而，其空口特殊性帶來的數據傳輸和網絡攻擊等安全風險，一定程度上阻礙了各行業的數字化轉型和新型智能化業務的探索[2]。為確保信息安全，制造企業傾向于采用安全無線局域網，作為無線傳輸鏈路的承載網，結合安全設施，保障用戶信息數據傳輸的安全性[3-4]。隨著信息安全需求日益增長，如何在安全無線環境下實現有效作業成為挑戰。本研究旨在探討安全無線環境下智能擰緊系統的構建，分析安全無線通信的重要性與系統構成，討論建設方案，以期提升制造企業在安全無線環境下的作業與管理效率，保障生產質量與數據安全。

1" "現有技術概述

1.1 安全無線通信系統

（1）系統的重要性。管理部門對車間無線局域網建設提出了相關要求，明確了車間工業控制網絡的無線通信需采用安全無線通信技術的工作方針，規范應用場景，推動企業信息化建設向更加安全可靠的方向發展。在信息安全方面，制造企業涉及相關生產作業信息，不應被未經授權的人員獲取。安全無線通信系統可以提供加密傳輸和認證機制，應用安全無線設備，實現對核心設施和設備的控制與監控，防止未經授權的訪問和干擾，保障通信內容的安全性。在生產及管理效率方面，制造企業任務信息與質量信息傳遞往往需要實時的數據傳輸和指揮調度。通過安全無線通信系統，可以實現快速、準確的指令傳達，提高作業與管理效率。

（2）系統組成。安全無線通信系統由安全無線管理系統、訪問控制設備、安全接入網關、安全接入模塊、無線探針構成：一是安全無線管理系統：安全無線系統的核心組成部分之一，用于對整個系統進行安全管理和監控。包含對無線設備的管理、密鑰管理、安全策略的制定和實施等功能，確保系統的安全性和穩定性。二是訪問控制設備：用于控制無線設備的接入權限，根據預先設定的安全策略，對用戶或設備進行身份認證和授權，防止未經授權的設備接入系統，保障系統的安全性。三是安全接入網關：作為無線設備與有線網絡之間的橋梁，用于無線數據與有線數據的轉化，并進行加解密和認證處理，確保數據的安全傳輸和接入。四是安全接入模塊：安裝在無線設備上的安全組件，用于提供數據加解密和認證功能，保護無線通信過程中的數據安全。五是無線探針：用于監測無線信號和網絡環境，收集無線通信中的數據流量、信號強度、設備類型等信息，為網絡安全和穩定保駕護航。

（3）系統數據鏈路。系統配置前置，在安全無線管理系統中對訪問控制設備、安全接入網關、安全接入模塊、無線探針等安全保密設備進行配置，是數據安全交互的基礎。對于數據下行鏈路，用戶終端通過訪問控制設備連通業務應用系統，通過選擇工藝文件相應節點觸發作業指令。作業指令經過安全接入網關轉換為加密無線信號，通過無線傳輸介質傳遞至安全接入模塊。在安全接入模塊解密后傳遞至末端設備執行任務。對于數據上行鏈路，末端設備將任務執行數據傳遞至安全接入模塊，在其中加密后通過無線傳輸介質傳遞至安全接入網關。在安全接入網關解密后傳遞至業務應用系統進行存儲和判讀，用戶終端作為業務應用系統前端可查看任務執行結果及判讀結果。

1.2 無線智能擰緊系統

無線智能擰緊系統一般依靠數字信號/模擬信號進行數據雙向傳導，通過控制器進行程序設置并傳遞給執行機構，在執行作業時，控制器通過無線傳輸介質聯通末端執行機構，后者執行程序并采集傳感器實測數據在無線環境下自動回傳至控制器，高效完成作業與數傳。該系統已廣泛應用于汽車的裝配、機械設備的安裝、能源行業鋼結構連接，為各行業裝配工作提供了高效、精準和可靠的解決方案。

2" "現有技術的局限性

2.1 無線智能擰緊的數據安全問題

傳統的無線智能擰緊設備在數據傳輸過程中，由于其通信方式的開放性，往往容易遭受外部干擾。這種脆弱性導致了數據在傳輸過程中存在泄露或被惡意篡改的風險，進而可能對系統的穩定性和可靠性造成嚴重影響。具體來說，未經授權的人員可能利用技術手段截獲傳輸中的數據，造成信息的泄露，損害企業的信息安全。同時，外部環境中的電磁干擾等因素也可能干擾數據的正常傳輸，導致數據損壞或丟失，影響擰緊作業的準確性和效率。因此，針對傳統無線智能擰緊設備在數據傳輸方面的安全隱患，研發更加安全、可靠的無線傳輸技術顯得尤為迫切，以保障制造過程的連續性和數據的安全性。

2.2 無線智能擰緊的通信干擾問題

在復雜多變的工作環境中，傳統無線智能擰緊設備在進行無線通信時，往往會面臨諸多挑戰。由于其通信機制的局限性，這些設備可能容易受到周圍環境中電磁干擾的影響，導致數據傳輸過程中出現不穩定或中斷的情況。此外，其他無線設備的存在也可能產生信號干擾，進一步影響數據的正常傳輸。這種數據傳輸的不穩定性不僅會降低擰緊作業的效率和準確性，還可能對整體生產流程造成不利影響。因此，在復雜工作環境中，如何確保無線智能擰緊設備的數據傳輸穩定性和可靠性，成為了一個亟待解決的問題，需要尋求更加先進和抗干擾的無線通信技術來加以應對。

2.3 無線智能擰緊的數據完整性問題

傳統無線智能擰緊設備在進行數據傳輸時，面臨的一個顯著挑戰是無法確保數據傳輸過程中的完整性。由于技術限制，這些數據在傳輸途中可能遭遇丟失或被篡改的風險，進而影響到系統對擰緊過程的準確監測和控制。這一問題對于追求高效、準確、安全、可靠數據傳輸的制造領域來說，顯然是一個不容忽視的短板。為了對標這些嚴格的數據傳輸要求，要在傳統無線智能擰緊技術的應用上尋求突破，引入更為先進的安全無線技術。通過這樣的技術升級，可以顯著增強數據傳輸的安全性和可靠性，進而提升整個系統的實用性和適用性。

3" "系統的設計與實現

3.1 系統建設目標

本系統是一個軟硬件深度結合的綜合體系，其核心在于集成了先進的安全無線通信硬件，實現了與智能擰緊扳手、智能擰緊槍這兩類關鍵工具的無縫對接。作為安全無線擰緊控制系統的核心組成部分，該系統不僅需具備接收擰緊調用指令、精準執行擰緊程序，并將執行結果實時上傳的全方位功能，還應確保生產數據與作業任務在傳輸過程中的閉環管理。這一設計旨在為數據安全提供堅實保障，確保現場生產環境在安全性、高效性和智能化水平上都得到顯著提升，進而推動制造過程向更加智能、安全、高效的方向發展。

3.2 系統構建思路

對傳統無線智能擰緊系統進行安全評估，以安全無線系統架構為基礎，將智能擰緊控制部件置于訪問控制設備下游，用于接收、解析與傳遞來自業務系統的擰緊程序調用指令，在安全接入網關中進行安全加密后在安全無線環境下向下游安全接入模塊推送，后者將調用指令解密并傳遞至執行終端開展工作形成擰緊結果。擰緊結果經過安全無線系統加解密后傳遞至智能擰緊控制部件，由后者向上游業務系統歸集。系統基于安全無線框架建設，可確保數據傳輸的保密性與完整性，防止信息泄露和篡改。

3.3 關鍵技術

（1）適配器設計技術。適配器作為智能擰緊控制部件的重要構成元素，扮演著承上啟下的關鍵角色。它不僅需要與上層業務系統建立緊密的聯系，還需要與下層的智能擰緊控制終端保持有效的連接。適配器的核心功能在于接收、解析并準確傳遞擰緊程序的調用指令。為了確保這一過程的順暢進行，適配器必須具備出色的數據解析能力和穩定的數據接收能力。同時，在設計適配器時，還需要充分考慮其與業務系統的通信協議兼容性，以確保整個智能擰緊控制系統能夠高效、穩定地運行，滿足實際生產需求。

（2）智能擰緊控制終端和擰緊接收模塊設計技術。智能擰緊控制終端作為智能擰緊控制部件的核心組成部分，其設計精巧且功能全面。它不僅與下層的安全無線網關緊密相連，還通過擰緊接收模塊與上層的安全接入模塊保持有效通信，同時與執行終端形成緊密的聯系。這兩大組件的共同職責在于接收擰緊程序的調用指令以及處理擰緊作業的結果。為了實現這些功能，它們必須集成先進的擰緊控制算法和商業級的加解密規則，確保數據傳輸的安全性。此外，配備可靠的通信模塊是至關重要的，以確保與上下游部件之間能夠進行高效、穩定的數據交互。

（3）安全實時通信技術。使用安全無線通信系統，包含安全無線管理系統、訪問控制設備、安全接入網關、安全接入模塊、無線探針等以確保數據的安全實時傳輸。在保證系統通信實時性的同時有效防止數據泄露和篡改。通信模塊應采用安全的通信協議，以保障數據傳輸的完整性；應考慮硬件性能和軟件算法優化，以確保擰緊任務能夠及時下達與執行，質量數據能夠及時上傳。

3.4 實驗環境搭建與驗證

在實驗室配置相關硬件，包含服務器、訪問控制設備、交換機、用戶終端、安全接入網關、安全接入模塊、智能擰緊控制部件、擰緊接入裝置、擰緊終端。

服務器部署有業務應用系統數據庫服務與后端應用服務、安全無線管理系統服務；訪問控制設備部署有防火墻相關服務；用戶終端部署有業務應用系統前端應用服務、智能擰緊控制前端應用服務；智能擰緊控制部件由智能擰緊控制終端和適配器構成，部署有智能擰緊控制后端應用服務，包含有智能擰緊設備管理服務、商業加解密程序、擰緊算法和部分接口程序；安全接入網關與安全接入模塊作為安全無線通信執行部件具有無線通信和安全加解密功能；擰緊接入裝置與執行終端作為擰緊控制執行部件用于執行擰緊作業、傳遞指令與擰緊結果。

用戶終端通過訪問智能擰緊控制后端應用服務根據業務需求設置擰緊程序及裝配過程，具體設置扭矩公差范圍、角度公差范圍、執行步驟以控制擰緊策略。業務系統前端相應子工步指令觸發后端指令調用擰緊程序及裝配過程，經過防火墻在智能擰緊控制后端應用解析和商業加密，經過安全接入網關與安全接入模塊進行安全加解密，傳遞至擰緊接入裝置商業解密發往擰緊終端執行，形成包含實測扭矩值、角度值、控制器ID、人員ID、工具使用狀態、執行的擰緊程序、裝配過程及對應時間等執行結果。執行結果經過安全加解密、商業加解密原路返回服務器，經過業務應用系統判讀，在用戶終端前端顯示質量信息及判讀結果。通過智能擰緊控制部件智能擰緊設備管理服務實時監控執行過程，為任務正常執行保駕護航。經過實驗，數據鏈路已打通，技術得到有效驗證。

4" "結束語

本研究建立了安全無線擰緊控制系統，分析了安全無線通信的重要性和現有系統的技術局限性，突破了適配器設計、智能擰緊控制終端設計、擰緊接收模塊設計等技術，提出了系統構建方案，并成功驗證。該研究成果有望提高制造企業在安全無線環境下的作業與管理效率，確保生產質量與數據安全，為制造企業在安全無線環境下的智能擰緊任務執行與質量數據傳遞提供了新思路和技術支持。未來的研究可進一步優化系統性能，拓展應用范圍，并加強實地測試與產業合作，以確保系統的實際有效性與可行性。

參考文獻

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作者簡介：黃" " 晶（1988—），男，漢族，北京人，工程師，碩士，研究方向為智能制造工程。

陳偉海（1986—），男，漢族，山東東營人，工程師，碩士，研究方向為智能裝備開發與驗證。