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1　目標(biāo)和概述

在離散制造業(yè)的機(jī)加工企業(yè)中，普遍存在：機(jī)床數(shù)量龐大、機(jī)床部件多樣、現(xiàn)場(chǎng)工況復(fù)雜、數(shù)據(jù)多源異構(gòu)且協(xié)同管理困難、數(shù)據(jù)應(yīng)用需求經(jīng)常變化的情況，因此亟需一種平臺(tái)能力強(qiáng)、配置靈活、穩(wěn)定可靠的邊緣計(jì)算解決方案解決企業(yè)的上述問(wèn)題。為解決某汽車零部件制造企業(yè)的某類臥式加工中心的電主軸、換刀機(jī)構(gòu)的故障預(yù)測(cè)性維護(hù)需求，本方案采用CNC+Sensor+Client+ Server模式的軟硬件一體的邊緣架構(gòu)，對(duì)其高頻的電機(jī)電流數(shù)據(jù)和低頻的CNC控制信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議解析和采集，通過(guò)邊緣Client功能進(jìn)行實(shí)時(shí)的高低頻數(shù)據(jù)融合、工況切割、特征提取，最終數(shù)據(jù)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)上傳Server層，通過(guò)Server功能實(shí)現(xiàn)邊緣設(shè)備遠(yuǎn)程配置、狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)歷史回放，整個(gè)過(guò)程基本無(wú)定制軟件開(kāi)發(fā)，完全依賴邊緣計(jì)算平臺(tái)的軟件功能實(shí)現(xiàn)。

2　解決方案介紹

2.1　邊緣計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用

本方案通過(guò)邊緣計(jì)算設(shè)備直接和設(shè)備控制器通訊采集加工設(shè)備已有數(shù)據(jù)（如主軸轉(zhuǎn)速），并通過(guò)加裝傳感器方式采集加工設(shè)備原本沒(méi)有的數(shù)據(jù)（如主軸電機(jī)電流），這些數(shù)據(jù)前者屬于低頻數(shù)據(jù)，后者屬于高頻數(shù)據(jù)。

其中低頻數(shù)據(jù)由邊緣計(jì)算設(shè)備簡(jiǎn)單處理后直接通過(guò)4G網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)焦性贫耍哳l數(shù)據(jù)由邊緣計(jì)算設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)分析建模提取數(shù)據(jù)特征值后上傳云端。

2.2　系統(tǒng)架構(gòu)（如圖1所示）

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.3　硬件平臺(tái)

邊緣計(jì)算設(shè)備采用天澤iEC系列邊緣智能硬件，是面向關(guān)鍵設(shè)備、高價(jià)值資產(chǎn)工業(yè)智能應(yīng)用的邊緣計(jì)算單元，基于高性能ARM或Intel處理器平臺(tái)，可在邊緣端一站式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、協(xié)議解析、信號(hào)處理、特征提取、機(jī)器學(xué)習(xí)等多種功能。結(jié)合天澤智云在工業(yè)智能應(yīng)用算法領(lǐng)域的十多年積累，為用戶打造軟硬算一體化的整體解決方案，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、異常檢測(cè)、健康管理、壽命預(yù)測(cè)等功能。

本方案中使用的iEC-1001產(chǎn)品特性及應(yīng)用場(chǎng)景：

（1）四通道51.2kS/s同步采樣，能夠兼容包括振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、電流等多種信號(hào)的高速數(shù)據(jù)采集；

（2）內(nèi)置64位四核ARM Cortex-A53 CPU，兼容Python模型的快速部署；

（3）內(nèi)部存儲(chǔ)空間為4GB，支持大容量高頻振動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；

（4）支持以太網(wǎng)口、串口、USB等端口，可以快速完成多終端的互聯(lián)組網(wǎng)。

（5）面向智能工廠設(shè)備批量部署應(yīng)用等。

2.4　軟件平臺(tái)

邊緣計(jì)算解決方案中的軟件平臺(tái)采用了天澤智云自主研發(fā)的產(chǎn)品EdgePro，EdgePro是一款支持快速實(shí)現(xiàn)工業(yè)數(shù)據(jù)采集和邊緣計(jì)算的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與邊緣智能系統(tǒng)，通過(guò)將物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算、特征工程與機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)融于一體，可直接將機(jī)器學(xué)習(xí)模型與特征工程算法一鍵部署到邊緣硬件，真正打通工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與邊緣智能的最后一公里，實(shí)現(xiàn)工業(yè)邊緣計(jì)算、邊緣智能與邊緣決策。EdgePro的核心服務(wù)如圖2所示。

圖2 EdgePro核心服務(wù)

（1）EdgePro核心價(jià)值

• 加速實(shí)現(xiàn)工業(yè)多源混合數(shù)據(jù)采集、特征提取及邊緣計(jì)算

EdgePro創(chuàng)新性地將工業(yè)數(shù)據(jù)采集、硬件配置下發(fā)、狀態(tài)監(jiān)控與模型部署四類功能標(biāo)準(zhǔn)化，通過(guò)開(kāi)放接口可滿足大部分工業(yè)設(shè)備數(shù)字化與智能化的多樣化需求。不論是實(shí)時(shí)獲取原始波形亦或是獲取特征數(shù)據(jù)，均可通過(guò)配置輕松實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)字化映射與特征信息提取。目前EdgePro可接入、配置和管理各類嵌入式狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CMS）、工控機(jī)（IPC）、工業(yè)網(wǎng)關(guān)、PLC與嵌入式系統(tǒng)等，助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)全面智能化改造、大規(guī)模關(guān)鍵資產(chǎn)與輔助資產(chǎn)統(tǒng)一監(jiān)控。

• 支持快速規(guī)模化設(shè)備接入

EdgePro可為用戶提供諸如軸承、齒輪箱、泵、電機(jī)等現(xiàn)成可用的數(shù)據(jù)采集和傳感器參數(shù)模板。并可針對(duì)設(shè)備工況設(shè)置進(jìn)入/退出機(jī)制，靈活地實(shí)現(xiàn)按需采集、靈活觸發(fā)、采樣率可調(diào)和波形長(zhǎng)短可配的監(jiān)控策略，以解決客戶在制定設(shè)備監(jiān)測(cè)方案、傳感器選型和信號(hào)處理等方面遇到的挑戰(zhàn)。同時(shí)，還可支持批量化的設(shè)備添加和配置。

• 輕松打通機(jī)器學(xué)習(xí)模型云端到邊緣端一鍵部署

EdgePro可為旋轉(zhuǎn)機(jī)械類設(shè)備、電氣設(shè)備、結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)等相關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景提供現(xiàn)成可用的特征參數(shù)列表以及自定義特征接口，通過(guò)不斷豐富特征列表大大降低工業(yè)設(shè)備在健康管理、能耗優(yōu)化以及其他智能應(yīng)用場(chǎng)景特征提取的需求門檻。同時(shí)可提供云端機(jī)器學(xué)習(xí)模型部署到邊緣智能終端的接口，有機(jī)實(shí)現(xiàn)云端與邊緣端的協(xié)同配合。

（2）EdgePro關(guān)鍵特性（如圖3所示）

圖3 EdgePro關(guān)鍵特性

2.5　數(shù)據(jù)通信

由于邊緣計(jì)算應(yīng)用在邊緣側(cè)，有著天生的優(yōu)勢(shì)，使得數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)的源頭直接進(jìn)行處理，降低數(shù)據(jù)處理的時(shí)延性；同時(shí)，邊緣計(jì)算對(duì)原始的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取、信號(hào)處理等數(shù)據(jù)加工，使數(shù)據(jù)降維，去除無(wú)效數(shù)據(jù)，有效地降低數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)量大小。

（1）低延時(shí)

相比傳統(tǒng)的云計(jì)算，因?yàn)樵朴?jì)算架構(gòu)中的數(shù)據(jù)鏈路通常都比較長(zhǎng)，會(huì)經(jīng)過(guò)本地控制網(wǎng)、本地管理網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、云機(jī)房、云服務(wù)器，若實(shí)時(shí)性要求很高的計(jì)算放在云平臺(tái)進(jìn)行，由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溌愤^(guò)程，通常延遲會(huì)很高，達(dá)到至少上百ms級(jí)乃至秒級(jí)以上的延遲，這樣的情況通常滿足不了實(shí)時(shí)性的要求。而邊緣計(jì)算天生就在數(shù)據(jù)的源頭，不需要經(jīng)過(guò)龐大的數(shù)據(jù)鏈路，直接進(jìn)行運(yùn)算和分析，大大降低數(shù)據(jù)處理的時(shí)延性。

（2）減少數(shù)據(jù)傳輸

在設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)與健康管理的解決方案中，通常需要采集高采樣率的振動(dòng)信號(hào)，常用的采樣率有12.8k、25.6k、51.2k等，這時(shí)每個(gè)設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是龐大的，通常1秒能產(chǎn)生4~5MB的振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)，這樣的數(shù)據(jù)量基本就占用了百兆級(jí)網(wǎng)絡(luò)的50%的帶寬，而通常一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)會(huì)有幾十臺(tái)乃至上百臺(tái)的設(shè)備需要監(jiān)控和管理，這時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸就會(huì)是瓶頸，即使是采用光纖網(wǎng)絡(luò)也滿足不了要求。所以采用邊緣計(jì)算方案可以有效地解決數(shù)據(jù)傳輸所需的帶寬問(wèn)題，邊緣計(jì)算通過(guò)信號(hào)處理與特征提取技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，提取有效數(shù)據(jù)，通過(guò)邊緣計(jì)算可以將原始數(shù)據(jù)的大小壓縮幾十倍，甚至幾百倍，從MB級(jí)別的數(shù)據(jù)壓縮至kB級(jí)別的數(shù)據(jù)，大大壓縮了數(shù)據(jù)傳輸量，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捫枨蟆?/p>

（3）數(shù)據(jù)壓縮傳輸

在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，使用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮后傳輸，這樣降低數(shù)據(jù)包體的大小。采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，通常可以將數(shù)據(jù)壓縮到3~5倍，這樣加速數(shù)據(jù)的傳輸，提升傳輸效率。

2.6　安全措施

EdgePro提供健全的安全管理機(jī)制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全，主要安全機(jī)制如下：

（1）身份認(rèn)證與鑒權(quán)

因?yàn)檫吘売?jì)算是一個(gè)多實(shí)體的計(jì)算范式，其中包含了很多功能實(shí)體，其復(fù)雜的異構(gòu)特征帶來(lái)了很多的挑戰(zhàn)，所以邊緣計(jì)算中不僅每個(gè)實(shí)體都需要經(jīng)過(guò)身份認(rèn)證，而且實(shí)體之間都需要進(jìn)行身份相互驗(yàn)證。同時(shí)，系統(tǒng)能對(duì)每個(gè)身份進(jìn)行權(quán)限的鑒別與分配。

（2）訪問(wèn)控制

對(duì)資源的訪問(wèn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，提升邊緣計(jì)算中系統(tǒng)安全性和保護(hù)用戶隱私，系統(tǒng)提供基于屬性的訪問(wèn)控制和基于角色的訪問(wèn)控制。

（3）數(shù)據(jù)傳輸安全

根據(jù)實(shí)際環(huán)境的需要，可以提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?jí)別，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密傳輸，保護(hù)邊緣實(shí)體的數(shù)據(jù)隱私。

（4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全

對(duì)關(guān)鍵敏感數(shù)據(jù)進(jìn)行加密存儲(chǔ)，對(duì)數(shù)據(jù)提取需經(jīng)過(guò)身份認(rèn)證，保護(hù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)安全。

（5）運(yùn)行安全

平臺(tái)整體以及邊緣計(jì)算模型都運(yùn)行在獨(dú)立的容器之中，使系統(tǒng)及模型運(yùn)行在沙盒之中，保護(hù)系統(tǒng)和模型在運(yùn)行時(shí)不受入侵的威脅，保護(hù)系統(tǒng)及模型的運(yùn)行安全。

（6）協(xié)議安全

平臺(tái)提供多種主流的工業(yè)協(xié)議的集成配置，支持Modbus、OPC-UA、HTTP、MQTT、AMQP等主流協(xié)議，屏蔽其他非主流協(xié)議，提升系統(tǒng)集成的安全。

（7）安全審計(jì)

平臺(tái)提供用戶的操作日志記錄，使用戶在平臺(tái)上的操作步步留痕，行為可追溯，提供安全審計(jì)數(shù)據(jù)，提升系統(tǒng)安全。

（8）容災(zāi)和恢復(fù)

平臺(tái)提供分布式部署能力，依托于分布式架構(gòu)天生的特性，避免出現(xiàn)單點(diǎn)故障，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。同時(shí)，系統(tǒng)支持主備式部署，當(dāng)主服務(wù)器發(fā)生異常時(shí)，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)切換至備用服務(wù)器，使服務(wù)無(wú)間斷運(yùn)行，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3　代表性及推廣價(jià)值

面向臥式加工中心的邊緣計(jì)算軟硬件解決方案，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)穩(wěn)定、合規(guī)、協(xié)同、靈活的采集、融合、預(yù)處理、傳輸和持久化。在Client端進(jìn)行數(shù)據(jù)融合工況切割，只讓有效數(shù)據(jù)到達(dá)Server層，減少4G流量消耗的同時(shí)有效降低了服務(wù)器性能的需求，對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的管理和對(duì)不同類型數(shù)采設(shè)備的遠(yuǎn)程配置減低了開(kāi)發(fā)部署和管理維護(hù)的難度，“零開(kāi)發(fā)”的部署模式能夠大幅度降低工業(yè)智能落地的門檻。

這套解決方案能夠有效地針對(duì)機(jī)加工行業(yè)的特點(diǎn)，在技術(shù)成熟度和經(jīng)濟(jì)成本方面具備業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平。在如今大規(guī)模離散制造業(yè)進(jìn)行下一代工業(yè)物聯(lián)與智能制造的升級(jí)過(guò)程中，此方案短期具有面向產(chǎn)線、車間、廠區(qū)推廣的價(jià)值，長(zhǎng)期具有推廣至同行業(yè)其他企業(yè)的基礎(chǔ)條件。

摘自《自動(dòng)化博覽》2020年11月刊