李佳俊 谷彤坤 李延則 王亮

（機械工業(yè)第九設(shè)計研究院有限公司，長春130062）

1 前言

隨著工業(yè)4.0的發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域的數(shù)字化轉(zhuǎn)型如火如荼。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control and Data Acquisition,SCADA）持續(xù)發(fā)生重要的變化，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)[1（]Industrial Internet of Things,IIoT）技術(shù)等以信息技術(shù)（Information Technology,IT）與運營技術(shù)（Operation Technology,OT）融合為主要使能因素的技術(shù)逐漸滲透到工業(yè)控制領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things,IoT）中的“物”——智能網(wǎng)聯(lián)產(chǎn)品[2（]Smart Connected Product,SCP）突破傳統(tǒng)自動化的概念，使其智能部分跨越多個物理位置而存在。

2 涂裝中控

涂裝工藝比較復(fù)雜，主要包含以下工藝：底漆、中涂、面漆、檢查修飾等。典型的涂裝車間的工藝流程如圖1所示。

圖1 典型的涂裝車間工藝流程

涂裝車間大量的機械化輸送和工藝設(shè)備對SCADA提出了較高的監(jiān)控需求。傳統(tǒng)中央控制室不僅要調(diào)整工藝參數(shù)、開關(guān)設(shè)備、快捷的診斷設(shè)備來提高車間生產(chǎn)及工作效率，而且可以將現(xiàn)場的生產(chǎn)、設(shè)備的各種數(shù)據(jù)收集起來，供車間管理人員及技術(shù)人員參考，目前還要求提供生產(chǎn)計劃及產(chǎn)品質(zhì)量等信息，以支持高效的生產(chǎn)運營管理。

大量智能應(yīng)用如漆膜質(zhì)量預(yù)測、設(shè)備預(yù)測性維護在涂裝車間逐漸普及。

SCADA是在生產(chǎn)制造過程中用于獲取工藝變量和機器狀態(tài)的測量值以及用于在工藝區(qū)域或工作單元中執(zhí)行調(diào)節(jié)或機器控制的系統(tǒng)。

常見的SCADA包括：AVEVA的InTouch HMI（原Wonderware）和Plant SCADA（原Citect SCADA），西門子的SIMATICWinCC，通用電氣的iFIX，Inductive Automation的Ignition。

2.1 SCADA的功能

在涂裝車間中，SCADA系統(tǒng)主要用于監(jiān)視控制，其核心功能和特點如下。

a.本地或遠程監(jiān)視控制制造工藝；

b.提供重要工藝的即時和歷史測量值；

c.提供測量值歷史趨勢；

d.實時報警和歷史報警；

e.發(fā)現(xiàn)并消除瓶頸和低效率；

f.通過少量不需要特別專業(yè)的員工就可以控制龐大、復(fù)雜的流程。

2.2 SCADA的組成

典型的SCADA系統(tǒng)包括用戶操作站、SCADA服務(wù)器系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)、PLC、現(xiàn)場設(shè)備和信號。所有組件都無縫集成到一個完整的系統(tǒng)，提供手自動操作。圖2所示的體系結(jié)構(gòu)按照通過通信網(wǎng)絡(luò)互連的組件說明了一個典型的SCADA系統(tǒng)。

圖2 SCADA系統(tǒng)組成

3 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺

一般來說，物聯(lián)網(wǎng)包括任何可以連接到互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的物體，更具體地，這些物裝備了傳感器、軟件和其他技術(shù)，它們相互之間能夠發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)[3（]Industrial IoT,IIoT）指的是IoT在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用和擴展。

IIoT平臺與傳統(tǒng)OT區(qū)別之處在于，它能夠以經(jīng)濟高效的方式從設(shè)備采集大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通常以很高的頻率生成而且非常復(fù)雜多樣。IIoT平臺能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能。

a.監(jiān)視設(shè)備和事件流；

b.支持多種制造商和行業(yè)專有協(xié)議；

c.分析邊緣和云中的數(shù)據(jù)；

d.集成IT和OT的數(shù)據(jù)進行共享；

e.使能應(yīng)用程序開發(fā)和部署；

f.可以豐富和補充OT功能，改善資產(chǎn)管理生命周期策略和流程。

常見的IIoT平臺有PTC的ThingWorx，日立的Lumada，三一重工的根云，開源的EdgeX Foundry等。阿里巴巴以阿里云工業(yè)數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺支持構(gòu)建IIoT解決方案。

3.1 IIoT解決方案的數(shù)據(jù)流

常見的IIoT數(shù)據(jù)流是從工廠現(xiàn)場工業(yè)信號的產(chǎn)生開始，經(jīng)過PLC、SCADA，然后到開放平臺通信（Open Platform Communications,OPC）服務(wù)器，通過邊緣網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)發(fā)，最后傳遞到云端進行處理。圖3顯示了從現(xiàn)場到云端的數(shù)據(jù)流[4]。

圖3 IIoT解決方案數(shù)據(jù)流

現(xiàn)場設(shè)備通過現(xiàn)場總線進行自動化過程控制，數(shù)據(jù)傳輸可以達到毫秒級，數(shù)據(jù)傳輸可靠性、穩(wěn)定性要求較高，通過控制總線采集到OPC服務(wù)器。SCADA匯集了所有現(xiàn)場信號，通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)絆PC服務(wù)器。制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System,MES）和企業(yè)資源計劃（Enterprise Resource Planning,ERP）直接通過應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface,API）傳輸?shù)皆贫恕?/p>

為了降低網(wǎng)絡(luò)延遲和帶寬占用，通常部署邊緣網(wǎng)關(guān)，它是IIoT的必要設(shè)施。邊緣網(wǎng)關(guān)物理上位于工廠內(nèi)，通過OPC服務(wù)器從一側(cè)連接到工業(yè)數(shù)據(jù)源，從另一側(cè)連接到云端。支持存儲轉(zhuǎn)發(fā)和邊緣分析。

數(shù)據(jù)在云端的處理流程如圖4所示。首先，數(shù)據(jù)要存儲在時序數(shù)據(jù)庫中，同時要進行實時流式分析，其次，對大量歷史數(shù)據(jù)進行高級分析，包括機器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)分析等。

圖4 IIoT云端數(shù)據(jù)流程

3.2 IIoT平臺功能

IIoT平臺由如下技術(shù)功能構(gòu)成[1]。

3.2.1 設(shè)備管理

此功能支持對大量設(shè)備進行創(chuàng)建、分發(fā)、配置、排障和管理。以上任務(wù)支持以遠程的方式安全地操作，可以單個進行，也可以批量執(zhí)行；不但可以手工操作，還能配置自動化任務(wù)來完成。

3.2.2 集成

此功能支持IIoT解決方案對數(shù)據(jù)、過程、企業(yè)應(yīng)用和IIoT生態(tài)跨越云和本地環(huán)境進行端到端的集成，通常涉及IIoT設(shè)備、IIoT網(wǎng)關(guān)、IIoT邊緣和IIoT平臺，需要采用各種通信協(xié)議，API和應(yīng)用適配器的軟件及其他工具和技術(shù)。

3.2.3 數(shù)據(jù)管理

此功能包含以下方面。

a.接入IoT終端和邊緣設(shè)備數(shù)據(jù)；

b.將數(shù)據(jù)從邊緣存儲到企業(yè)平臺；

c.提供數(shù)據(jù)可訪問性（在需要時由設(shè)備、IT和OT系統(tǒng)以及外部方提供）；

d.跟蹤世系和數(shù)據(jù)流；

e.執(zhí)行數(shù)據(jù)和分析治理政策，以確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量、安全性、隱私性和流通性。

3.2.4 分析

此功能支持對設(shè)備、企業(yè)和上下文數(shù)據(jù)進行流式處理，提供對資產(chǎn)的使用監(jiān)控、各種指標，還支持模式分析和資產(chǎn)使用優(yōu)化?？梢詰?yīng)用規(guī)則引擎、事件流處理、數(shù)據(jù)可視化和機器學(xué)習(xí)等各種技術(shù)。

3.2.5 應(yīng)用開發(fā)使能和管理

此功能支持開發(fā)分析數(shù)據(jù)和完成物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)業(yè)務(wù)的應(yīng)用程序，并支持多樣的部署方式。核心功能包括管理操作系統(tǒng)、標準輸入和輸出或文件系統(tǒng)，支持平臺的其他軟件組件。應(yīng)用開發(fā)平臺包括支持應(yīng)用程序的基礎(chǔ)設(shè)施組件、運行時管理和數(shù)字孿生，使用戶能夠?qū)崿F(xiàn)“云規(guī)?！钡目蓴U展性和可靠性，并快速、無縫地部署和交付IIoT解決方案。

3.2.6 安全

此功能提供進行審計和確保合規(guī)性的軟件、工具和流程。此功能還能夠執(zhí)行預(yù)防性、偵測性和糾正控制和操作，以確保整個IIoT解決方案的數(shù)據(jù)的隱私和安全性。

3.3 IIoT與SCADA

IIoT的主要目標是對數(shù)據(jù)收集和聚合機制進行標準化。SCADA是一個自動化和控制的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，主要涉及管理執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)，處于ISA-95層次模型[5]的層級2。而IIoT雖然也可以為SCADA提供數(shù)據(jù)采集，但通常其提供的功能處于層級3，如圖5所示。

圖5 ISA-95層級模型

SCADA生成的數(shù)據(jù)也是IIoT的數(shù)據(jù)源。IIoT專注于分析細粒度設(shè)備數(shù)據(jù)以提高效率，而SCADA則專注于監(jiān)控和調(diào)節(jié)。

IIoT具有SCADA所不具備的集成能力，分析能力和應(yīng)用開發(fā)支持。

IIoT相較于SCADA具有更好的可伸縮性，互操作性，更高的標準化水平和更低的運營成本。

4 容器化的IIoT解決方案

在工業(yè)場景中，使用云端承載全部數(shù)據(jù)和應(yīng)用邏輯功能存在固有的困難。一方面是因為工廠中數(shù)據(jù)源種類繁多（使用各種專有協(xié)議來自不同廠商的設(shè)備），數(shù)量巨大，另一方面是因為網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制和較高的實時性要求，還有就是要考慮網(wǎng)絡(luò)安全以及某些工作流不能暴露在互聯(lián)網(wǎng)上的約束。

4.1 邊緣計算

為了應(yīng)對IIoT解決方案中單個環(huán)路導(dǎo)致的弊端，首先要強化邊緣計算。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）設(shè)備中增加邊緣計算功能，可以就近處理實時數(shù)據(jù)。

邊緣設(shè)備是工業(yè)領(lǐng)域和云中IoT環(huán)境的交匯點。該設(shè)備可分解為3大組件，如圖6所示。

圖6 IIoT邊緣功能架構(gòu)

4.1.1 邊緣工具

提供一個用戶友好的界面，用以分析日志、管理補丁和配置適配器。邊緣工具支持更新證書和授權(quán)或在初始設(shè)置過程中自動注冊。

4.1.2 邊緣網(wǎng)關(guān)

邊緣網(wǎng)關(guān)是邊緣設(shè)備的核心。邊緣網(wǎng)關(guān)的主要職責是連接到工業(yè)數(shù)據(jù)源以收集數(shù)據(jù)，并通過互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議進行分發(fā)。邊緣網(wǎng)關(guān)最重要的組成部分是工業(yè)適配器。工業(yè)適配器通常訂閱來自工業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)并將其在數(shù)據(jù)總線上發(fā)布。邊緣網(wǎng)關(guān)的另一個重要組成部分是存儲和轉(zhuǎn)發(fā)組件。

4.1.3 邊緣計算

由運行在邊緣設(shè)備上用于過濾、聚合和高級異常檢測的分析應(yīng)用和其他應(yīng)用組成。邊緣計算通常從數(shù)據(jù)總線上訂閱數(shù)據(jù)，并對其進行處理。在某些情況下，邊緣計算通過Web service調(diào)用云或本地服務(wù)器來運行高級計算功能。在邊緣開發(fā)應(yīng)用是IIoT解決方案的重要實現(xiàn)方式和發(fā)展方向。

4.2 邊緣應(yīng)用的雙環(huán)路模型

IIoT的重點在于智能化，網(wǎng)絡(luò)連接只是手段。而智能化要從SCP的視角解釋物聯(lián)網(wǎng)之“物”，分析解決方案的整體架構(gòu)。

SCP包含3個核心元素：物理組件、“智能”組件、連接組件。智能組件增強了物理組件的功能和價值，連接組件則增強了智能組件的功能和價值，而且使其一部分可以存在于物理組件之外，如圖7所示。

圖7 智能網(wǎng)聯(lián)產(chǎn)品組件的分布

從組件部署上看，云端和邊緣都有分布，而且難以區(qū)分主次。從要解決的問題領(lǐng)域出發(fā)，采用領(lǐng)域驅(qū)動設(shè)計[6]的方法就會發(fā)現(xiàn)，制造業(yè)等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用場景主要在工廠和車間內(nèi)部，而非互聯(lián)網(wǎng)和云端。

SCP的智能組件主要部署于邊緣側(cè)，物理組件位置的智能功能被弱化，它只需要能夠控制物理組件并且具備邊緣通信能力即可。因而，IIoT解決方案的主體是部署于邊緣計算模塊中的智能應(yīng)用，這些智能應(yīng)用構(gòu)成了SCP智能組件的主體部分?？傊?，IIoT解決方案以現(xiàn)場為中心，充分利用邊緣提供更好的UI體驗，利用云端資源提供更智能的功能。

為了更好地指導(dǎo)邊緣智能應(yīng)用的設(shè)計開發(fā)，不但要深入分析智能應(yīng)用功能在ISA-95層級模型上的分布，還要合理地將其組件部署在跨越云、邊緣、現(xiàn)場的廣泛的環(huán)境上。為此，針對以上2個維度面臨的問題，本文提出了雙環(huán)路模型結(jié)構(gòu)，共有2種模式：1種是在ISA-95模型上跨越了2層的分層結(jié)構(gòu)，即控制環(huán)路和運營環(huán)路（A型），如圖8所示；1種是跨越云邊的雙環(huán)路，即執(zhí)行環(huán)路和演化環(huán)路（B型），如圖9所示。

圖8 A型環(huán)路模型結(jié)構(gòu)

圖9 B型環(huán)路模型結(jié)構(gòu)

4.2.1 A型雙環(huán)路

首先，ISA-95模型的各層描述了領(lǐng)域上完全不同的活動。例如，層級2主要是監(jiān)控活動，層級3主要是制造運營管理活動。

其次，IIoT解決方案需要支持多層的活動，一方面涉及的數(shù)據(jù)跨越多層，包括2層和3層；另一方面，提供的功能要支持各層的業(yè)務(wù)活動。然而，每層的數(shù)據(jù)的粒度、范圍、復(fù)雜度都不盡相同。每層數(shù)據(jù)的差異還表現(xiàn)在其時間特性和典型應(yīng)用的類型，如表1所示。

表1 ISA-95層級2和層級3比較

為了有效實現(xiàn)智能產(chǎn)品功能需求，要將不同的層級的功能分配給不同的組件，這樣，各組件就可以針對不同層級的特點充分利用合適的技術(shù)棧來實現(xiàn)功能。

所以，IIoT解決方案為不同的層級的組件設(shè)計不同的環(huán)路。層級2為控制環(huán)路（下環(huán)路），也就是傳統(tǒng)SCADA的功能領(lǐng)域；層次3為運營環(huán)路（上環(huán)路），也就是MES功能的典型應(yīng)用領(lǐng)域。

分成2個環(huán)路的原因如下。

a.不同環(huán)路要解決的問題是本質(zhì)上不同的，也就是領(lǐng)域不同；

b.不同環(huán)路使用的數(shù)據(jù)的屬性有本質(zhì)的不同，例如粒度、及時性、數(shù)量級；

c.這樣就可以在架構(gòu)設(shè)計和技術(shù)選型及優(yōu)化上針對不同的應(yīng)用采取不同的策略；

d.不同的環(huán)路采用不同的數(shù)據(jù)模型，在各自的領(lǐng)域上下文中獨立演化；

e.便于采用微服務(wù)架構(gòu)和容器化部署。

例如，SCADA系統(tǒng)擴展后，既提供現(xiàn)場設(shè)備的遠程控制，又支持產(chǎn)品的追蹤追溯。這2部分就處于不同的領(lǐng)域：遠程控制處于控制環(huán)路，追蹤追溯處于運營環(huán)路。

利用A型雙環(huán)路，可以應(yīng)對IIoT解決方案的復(fù)雜性，為應(yīng)用設(shè)計提供有力的工具，有助于設(shè)計出高質(zhì)量的應(yīng)用。

4.2.2 B型雙環(huán)路

IIoT解決方案要支持智能工廠的建設(shè)，盡管邊緣計算的能力遠遠超過PLC的處理能力，但仍有很多場景需要借助于云端提供的資源。

在涂裝車間，越來越多的大型設(shè)備需要預(yù)測性維護來保障生產(chǎn)的連續(xù)性和產(chǎn)品質(zhì)量。而這需要依賴云端的計算和大數(shù)據(jù)處理能力以及機器學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練等高級分析功能。設(shè)備維護功能作為設(shè)備的智能部分，其應(yīng)用主要在工廠內(nèi)，但技術(shù)上云端為其提供了重要的組件功能。

為此，從物理部署上將應(yīng)用組件分成雙環(huán)路（如圖9所示），即執(zhí)行環(huán)和演化環(huán)，將分析模型的執(zhí)行與分析功能的演化迭代解耦成不同的領(lǐng)域，后者作為一個獨立組件進行設(shè)計和部署。例如，預(yù)測結(jié)果實時反饋以及報警的生成由執(zhí)行環(huán)路完成；分析的效果數(shù)據(jù)收集、機器學(xué)習(xí)模型的迭代和訓(xùn)練則在演化環(huán)完成。

采用B型雙環(huán)路，一方面可以將領(lǐng)域功能的實現(xiàn)和技術(shù)架構(gòu)的選擇解耦，防止以IT驅(qū)動造成的應(yīng)用功能不滿足需求的問題。另一方面，可以有效地利用云端的計算與存儲能力、模型算法等資源。

4.3 微服務(wù)架構(gòu)

雙環(huán)路模型設(shè)計，將IIoT解決方案的不同領(lǐng)域充分解耦，一方面利于系統(tǒng)的各部分功能的實現(xiàn)和提高系統(tǒng)整體可維護性和演化迭代的能力；另一方面卻導(dǎo)致了大量的系統(tǒng)組件和組件之間的交互需求。幸運的是，微服務(wù)的架構(gòu)設(shè)計和容器技術(shù)有效地解決了這些問題。

4.3.1 微服務(wù)的特性

微服務(wù)[7]是一種軟件開發(fā)的架構(gòu)和組織方法，其中軟件由通過明確定義的API進行通信的小型獨立服務(wù)組成。這些服務(wù)由各個小型獨立團隊負責，其具有以下特性。

a.自主性：可以對微服務(wù)架構(gòu)中的每個組件服務(wù)進行開發(fā)、部署、運營和擴展，而不影響其他服務(wù)的功能。這些服務(wù)不需要與其他服務(wù)共享任何代碼或?qū)嵤?。各個組件之間的任何通信都是通過明確定義的API進行的。例如，對預(yù)測性維護應(yīng)用的機器學(xué)習(xí)模型部署進行更新，不會對采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)的工業(yè)適配器造成影響。

b.專用性：每項服務(wù)都是針對一組功能而設(shè)計的，并專注于解決特定的問題。如果開發(fā)人員逐漸將更多代碼增加到一項服務(wù)中并且這項服務(wù)變得復(fù)雜，那么可以將其拆分成多項更小的服務(wù)。例如，將追蹤追溯功能與設(shè)備監(jiān)控功能區(qū)分開來。

4.3.2 微服務(wù)的優(yōu)勢

微服務(wù)架構(gòu)在開發(fā)涂裝車間IIoT邊緣應(yīng)用中，提供了以下優(yōu)勢。

a.敏捷性：微服務(wù)促進若干小型獨立團隊形成一個組織，這些團隊負責自己的服務(wù)。各團隊在小型且易于理解的環(huán)境中行事，并且可以更獨立、更快速地工作，縮短了開發(fā)周期時間。

b.靈活擴展：通過微服務(wù)，可以獨立擴展各項服務(wù)以滿足其支持的應(yīng)用程序功能的需求。這使團隊能夠適當調(diào)整基礎(chǔ)設(shè)施需求，準確衡量功能成本，并在服務(wù)需求激增時保持可用性。

c.輕松部署：微服務(wù)支持持續(xù)集成和持續(xù)交付，可以輕松嘗試新想法，并可以在無法正常運行時回滾。由于故障成本較低，因此可以大膽試驗，更輕松地更新代碼，并縮短新功能的上市時間。

d.技術(shù)自由：微服務(wù)架構(gòu)不遵循“一刀切”的方法。團隊可以自由選擇最佳工具來解決他們的具體問題。因此，構(gòu)建微服務(wù)的團隊可以為每個組件選擇最佳工具。

e.可重復(fù)使用的代碼：將軟件劃分為小型且明確定義的模塊，讓團隊可以將功能用于多種目的。專為某項功能編寫的服務(wù)可以用作另一項功能的構(gòu)建塊。這樣應(yīng)用程序就可以自行引導(dǎo)，因為開發(fā)人員可以創(chuàng)建新功能，而無需從頭開始編寫代碼。

f.彈性：服務(wù)獨立性增加了應(yīng)用程序應(yīng)對故障的彈性。在整體式架構(gòu)中，如果1個組件出現(xiàn)故障，可能導(dǎo)致整個應(yīng)用程序無法運行。通過微服務(wù)，應(yīng)用程序可以通過降低功能而不導(dǎo)致整個應(yīng)用程序崩潰來處理總體服務(wù)故障。

4.4 容器技術(shù)

容器是1個標準的軟件單元，它打包代碼及其所有依賴項以便應(yīng)用程序從一個計算環(huán)境快速、可靠地運行到另一個計算環(huán)境?，F(xiàn)在已發(fā)展成包括運行時、編排、服務(wù)網(wǎng)格[8]的生態(tài)體系。

4.4.1 容器技術(shù)的優(yōu)勢

a.減少開銷，降低成本：容器使用的系統(tǒng)資源比虛擬機少，這轉(zhuǎn)化為更高效的服務(wù)器利用率，并且沒有額外的操作系統(tǒng)許可成本。

b.提高應(yīng)用在不同操作系統(tǒng)的可移植性和一致性：容器化應(yīng)用可以容易地部署在一系列平臺和操作系統(tǒng)上。無論在PC、Mac、筆記本電腦還是智能手機上，它們將一致地運行。

c.更快的應(yīng)用開發(fā)和更大的敏捷性：通過將單一應(yīng)用劃分為一個容器化、獨立運行的微服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用程序開發(fā)更快、更容易組織。小型團隊可以在應(yīng)用程序的不同部分進行更精細的工作，以開發(fā)最高質(zhì)量的代碼，而不會產(chǎn)生編碼沖突的風(fēng)險。這會導(dǎo)致更快的部署、修補和擴展。

d.更容易采用微服務(wù)架構(gòu)：與其他策略相比，容器已成為采用微服務(wù)架構(gòu)的事實上的選擇，因為它們成本更低，流程更輕量。

e.啟動速度比虛擬機快：容器在幾秒（毫秒）內(nèi)啟動，因為它們避免了虛擬機操作系統(tǒng)的資源需求，更快的容器啟動時間提供了更好的應(yīng)用用戶體驗。

4.4.2 容器化的微服務(wù)

為了提高靈活性的同時降低延遲，通常為在下環(huán)路和左環(huán)路的組件采用本地部署方式，而在上環(huán)路和右環(huán)路中的應(yīng)用采用容器化部署方式。為了更好地應(yīng)用容器化的微服務(wù)，可以權(quán)衡以下3種模式。

每個微服務(wù)都以自己的物理服務(wù)器運行，并采用自己的操作系統(tǒng)實例：這種方法使微服務(wù)彼此隔離，但很可能存在浪費?？紤]到現(xiàn)代服務(wù)器具有處理多個操作系統(tǒng)實例的處理能力，則不需要為每個微服務(wù)提供單獨的物理服務(wù)器。

在同一服務(wù)器上的一個操作系統(tǒng)實例上運行多個微服務(wù)：這是有風(fēng)險的，因為它不能使微服務(wù)相互獨立。由于應(yīng)用程序組件和庫版本相互沖突，導(dǎo)致故障的可能性增加。一個微服務(wù)的問題可能導(dǎo)致故障級聯(lián)，中斷其他服務(wù)的操作。

在同一服務(wù)器上的不同虛擬機上運行多個微服務(wù)：這為每個微服務(wù)提供一個獨特的執(zhí)行環(huán)境，供其自主運行。但是虛擬機會復(fù)制操作系統(tǒng)實例，因此需為每個虛擬機的操作系統(tǒng)授權(quán)單獨付費。此外，運行全新的操作系統(tǒng)對系統(tǒng)資源是額外的負擔。

5 涂裝車間濕度智能控制

涂裝車間是汽車整車制造領(lǐng)域能耗大戶，是所有車間能耗主要部分，其中空調(diào)能耗又占較大比例。

恒定的溫濕度是保證漆膜品質(zhì)的重要條件，因此涂裝車間的溫濕度要求控制精度比較高，且要求持續(xù)穩(wěn)定。

溫濕度的精準控制和能耗節(jié)約是涂裝車間的普遍要求。本文以溫濕度智能控制應(yīng)用（以下簡稱智能應(yīng)用）為例，介紹B型雙環(huán)路模型在整體架構(gòu)設(shè)計上的應(yīng)用及微服務(wù)架構(gòu)和容器技術(shù)的實際應(yīng)用情況。

5.1 溫濕度控制原理

涂裝工藝空調(diào)的組成及流程如圖10所示。傳統(tǒng)的比例積分微分控制器（Proportion Integration Differentiation,PID）通過PLC控制空調(diào)的閥門、變頻器等保障送風(fēng)的溫濕度在工藝范圍內(nèi)。智能溫濕度控制進一步通過選用卡邊控制、多變量綜合控制、模型動態(tài)優(yōu)化等手段達到設(shè)定值最佳、節(jié)能降耗的目的。

圖10 工藝空調(diào)組成原理

5.2 智能應(yīng)用功能架構(gòu)

智能控制器實時采集工藝空調(diào)出風(fēng)溫濕度（TIC3/MIC3）、室外空氣溫濕度（TIC1/MIC1）、冷凍水/冷卻水流量、冷凍水/冷卻水溫度、設(shè)備能耗、系統(tǒng)總能耗結(jié)合溫濕度設(shè)定值，調(diào)用模型服務(wù)提供的模型預(yù)測算法獲取控制輸出，最后通過PLC控制加熱、表冷、加濕泵、調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機構(gòu)，如圖11所示。

圖11 溫濕度控制智能應(yīng)用功能模塊

機器學(xué)習(xí)流水線[9]從網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)總線接入監(jiān)測數(shù)據(jù)、控制信號進行數(shù)據(jù)驗證，然后進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，使用處理后的數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型并進行分析，最后部署到模型服務(wù)。整個過程由流水線編排進行組織調(diào)度。過程的中間結(jié)果存儲到元數(shù)據(jù)存儲。

5.3 智能應(yīng)用組件部署

部署在邊緣組件包括智能控制器、模型管理器、模型服務(wù)等組件。智能控制器負責對PLC信號的實時采集，并通過調(diào)用模型服務(wù)中的模型方法生成實時的執(zhí)行器控制輸出。模型服務(wù)支持模型的部署和版本管理。智能控制器及模型服務(wù)構(gòu)成了B型雙環(huán)路的執(zhí)行環(huán)路。模型管理器收集模型控制的反饋數(shù)據(jù)并觸發(fā)模型的訓(xùn)練和升級。

部署在云端的組件包括流水線編排管理器、機器學(xué)習(xí)流水線、元數(shù)據(jù)存儲、大數(shù)據(jù)存儲。機器學(xué)習(xí)流水線負責整個模型訓(xùn)練的執(zhí)行，元數(shù)據(jù)存儲流水線執(zhí)行的中間數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)。流水線編排在模型管理觸發(fā)模型升級后，啟動流水線并控制整個流水線的執(zhí)行。模型管理器和流水線編排服務(wù)、機器學(xué)習(xí)流水線構(gòu)成了B型雙環(huán)路的演化環(huán)路。

智能應(yīng)用所有組件采用微服務(wù)架構(gòu)，使用容器化部署，每個組件作為自治服務(wù)部署在獨立容器中，如圖12所示。

圖12 溫濕度控制智能應(yīng)用組件部署架構(gòu)

6 結(jié)論

通過合理地設(shè)計IIoT解決方案的應(yīng)用模塊，使其各部分合理地分配到不同的環(huán)路，并采用領(lǐng)域驅(qū)動設(shè)計的方法構(gòu)造微服務(wù)的架構(gòu)，利用容器技術(shù)優(yōu)化部署，可以得到高質(zhì)量，靈活的智能應(yīng)用。

容器化的邊緣是IIoT的未來，但仍需要深入分析IIoT邊緣應(yīng)用在ISA-95模型層次定位及功能特點以及各層數(shù)據(jù)模型的不同。