朱明超，馬臣保，紀(jì)曉婷，李家樂，李宏洲

（北京理工大學(xué) 珠海學(xué)院，廣東珠海 519088）

通過現(xiàn)代信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)可以更加具體地了解當(dāng)前企業(yè)的生產(chǎn)狀態(tài)，決策層面能夠直觀地了解目前以及以后的效益發(fā)展?；贛indSphere 的智慧工廠移動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)可以實(shí)時(shí)保持一個(gè)虛擬與現(xiàn)實(shí)之間的閉環(huán)聯(lián)系。通過“智慧工廠”的數(shù)據(jù)收集功能和機(jī)器控制系統(tǒng)，既實(shí)現(xiàn)了管理者對(duì)包括機(jī)器生產(chǎn)效率、用戶需求變化等數(shù)據(jù)的掌握，通過可視化控制平臺(tái)，還實(shí)現(xiàn)了管理員對(duì)設(shè)備的精準(zhǔn)控制、問題診斷和問題排查等，實(shí)現(xiàn)了智能化的控制工業(yè)生產(chǎn)。

1 當(dāng)前研究現(xiàn)狀以及預(yù)期目標(biāo)實(shí)現(xiàn)

互聯(lián)網(wǎng)引發(fā)了新的生產(chǎn)和商業(yè)模式，企業(yè)更加貼切的服務(wù)成為主要的發(fā)展方向和收入來源。而且環(huán)保節(jié)能的綠色發(fā)展、建設(shè)智慧工廠成為工業(yè)、制造業(yè)的大勢(shì)所趨，是企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的一條途徑。根據(jù)當(dāng)今各行業(yè)對(duì)智慧工廠的熱情，預(yù)計(jì)在未來仍將保持10%以上的年增長(zhǎng)率（圖1）。

圖1 中國智慧工廠市場(chǎng)規(guī)模（億元）

“十五”期間重點(diǎn)提出支持工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線等技術(shù)的發(fā)展和研發(fā)，對(duì)于發(fā)展智慧工廠的建設(shè)和發(fā)展具有巨大的意義，可以更好地結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，解決工業(yè)中由于不確定因素而導(dǎo)致的故障率較高、監(jiān)控水平不足的問題。

MindSphere 平臺(tái)是基于云的開放式物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，借助MindSphere 設(shè)計(jì)智慧工廠移動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的監(jiān)控和管理。本文通過對(duì)當(dāng)前的智慧工廠和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)及MindSphere 在智慧工廠應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)，提出了利用MindSphere 創(chuàng)新開發(fā)一個(gè)全新的、友好的工廠控制人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、快捷、安全、互聯(lián)和智能的監(jiān)控與操作平臺(tái)。

2 MindSphere在智慧工廠中的應(yīng)用與研究

在現(xiàn)代工業(yè)制造的工廠中，智慧工廠中的每一臺(tái)智能設(shè)備都承載著大量的數(shù)據(jù)，智能制造需要有一個(gè)能夠收集數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)的平臺(tái)，更加有利于管理和開創(chuàng)更先進(jìn)的工業(yè)模式。基于云的開放式物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)MindSphere 在這樣的需求下應(yīng)運(yùn)而生。

MindSphere 是西門子推出的基于云的開放式物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，能夠幫助生產(chǎn)制造企業(yè)高效、集中地處理和決策現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的龐大數(shù)據(jù)，從中獲取和分析有價(jià)值的信息和趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)更有利、更快捷的生產(chǎn)規(guī)劃。MindSphere 圍繞物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)，智慧大數(shù)據(jù)協(xié)作，達(dá)成用戶和開發(fā)者之間的產(chǎn)業(yè)共贏。

2.1 MindSphere的功能配置

如圖2 所示，MindSphere 向下提供應(yīng)用程序編程接口，該接口用于采集數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)同步到網(wǎng)關(guān)MindConnect，以連接其他第三方設(shè)備，了解實(shí)時(shí)情況，利用OPC UA 通訊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信。向上支持開發(fā)的應(yīng)用程序編程接口，有助于用戶與合作伙伴可以密切聯(lián)系。

圖2 MindSphere的功能配置

MindSphere 的工作模式主要分為：工廠現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)安全傳輸與記錄、數(shù)據(jù)分析與仿真、數(shù)據(jù)分析和分析結(jié)果的可視化展示?；谶@樣的工作模式，企業(yè)可以掌握和管理設(shè)備的啟動(dòng)率，優(yōu)化能效，增加行業(yè)信息的安全性，有效地提高效率。

其中包含了3個(gè)核心軟件內(nèi)容：

（1）MindConnect：負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)。

（2）MindCloud：為用戶提供數(shù)據(jù)分析，應(yīng)用開發(fā)環(huán)境及應(yīng)用開發(fā)工具。

（3）MindApps：為用戶提供集成行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析結(jié)果的工業(yè)智能應(yīng)用。

通過MindSphere，制造商可以快速高效地收集大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)，挖掘其深層含義，以最小的投資提高生產(chǎn)設(shè)備的可用性和效率。西門子利用其巨大的工業(yè)設(shè)備基礎(chǔ)和包含多個(gè)行業(yè)的專業(yè)技術(shù)為MindSphere 帶來了獨(dú)特的數(shù)據(jù)收集和價(jià)值挖掘優(yōu)勢(shì)。開放MindSphere 不僅提供了多種方式來確保對(duì)第三方設(shè)備的訪問，覆蓋了支持OPC UA 通信技術(shù)的所有設(shè)備或系統(tǒng)，而且還使更多的應(yīng)用程序開發(fā)人員和最終用戶能夠使用該平臺(tái)開發(fā)或使用各種應(yīng)用程序。

2.2 MindSphere的開放性應(yīng)用

MindSphere 提供了設(shè)備與企業(yè)系統(tǒng)連接協(xié)議、工業(yè)應(yīng)用、高級(jí)分析及專用開發(fā)環(huán)境，利用開放式平臺(tái)服務(wù)（PaaS）功能以及阿里巴巴云服務(wù)，將實(shí)際物體連接到數(shù)字化環(huán)境，并提供功能強(qiáng)大的工業(yè)應(yīng)用和數(shù)字化服務(wù)以幫助推動(dòng)業(yè)務(wù)成功實(shí)現(xiàn)。MindSphere不僅具有公用和私有功能，也能夠進(jìn)行本地的部署，能對(duì)西門子自有應(yīng)用程序（MindApps）和為客戶開發(fā)的個(gè)性化App 開放，建立工業(yè)場(chǎng)景的新業(yè)務(wù)模式。

3 基于MindSphere智慧工廠的方案設(shè)計(jì)

基于MindSphere 智慧工廠的方案設(shè)計(jì)包括的內(nèi)容：①利用逐漸成熟的工業(yè)無線通信技術(shù)和5G 通信技術(shù)的發(fā)展，增加傳感器和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備（如有限傳感器、RFID、帶Lora 或者ZigBee 功能的無線傳感器），對(duì)進(jìn)入控制網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)和信息進(jìn)行采集依托；②MindConnect 集成靈活的方式把多個(gè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)連接到MindSphere，通過工業(yè)網(wǎng)關(guān)MindConnect Nano和MindConnect IOT2040 實(shí)現(xiàn)MindSphere 的硬件連接，通過采用TIA Portal STEP 7 庫，還可以利用西門子公司的Siemens s7-1500可編程控制器直接連接到MindSphere；③建立系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用程序和數(shù)字服務(wù)；④搭建智慧工廠移動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)；⑤通過對(duì)于MindSphere，MindConnect，MindCloud，MindApps的協(xié)同作用，結(jié)合Java 語言開發(fā)基于MindSphere 的可視化軟件平臺(tái)，將處理好的數(shù)據(jù)整合在監(jiān)視器上，達(dá)到監(jiān)控和控制的功能目的。

4 MindSphere平臺(tái)構(gòu)建過程中的難點(diǎn)與優(yōu)化

（1）消除網(wǎng)絡(luò)中的非確定性排隊(duì)延遲是實(shí)現(xiàn)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的確定性網(wǎng)絡(luò)延遲和抖動(dòng)的基本要求。時(shí)間敏感型的軟件定義網(wǎng)絡(luò)（TSSDN）的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)具有確定性的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和抖動(dòng)，以支持實(shí)時(shí)通信。因此是確定性的，并且非常?。ㄒ詎s 為單位），且處理延遲也可以被認(rèn)為是確定性的。TSSDN 通過調(diào)度在源主機(jī)上屬于時(shí)間觸發(fā)流的數(shù)據(jù)包的傳輸來限制排隊(duì)延遲，使得它們總是在沿著它們的路徑的每個(gè)交換機(jī)上找到空隊(duì)列，也就是在空間或時(shí)間上隔離時(shí)間觸發(fā)的流。對(duì)時(shí)間觸發(fā)的流進(jìn)行調(diào)度和路由，以避免網(wǎng)絡(luò)隊(duì)列發(fā)生排隊(duì)，可以為數(shù)據(jù)的傳輸提供實(shí)時(shí)保障。

（2）基于MindSphere 在云端數(shù)據(jù)和線下設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)或者寬帶以及其他因素的影響，同時(shí)由于在智能制造工廠中的設(shè)備實(shí)時(shí)性要求比較高，基于設(shè)備之間極大的關(guān)聯(lián)性和互通性，將在智慧工廠的數(shù)據(jù)采集過程中結(jié)合5G 上下行的傳輸技術(shù)，提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩裕_保數(shù)據(jù)的時(shí)效性。

5 對(duì)平臺(tái)海量數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

為了建立更好的安全性，從網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中最小的代碼開始，加強(qiáng)測(cè)試和重新測(cè)試，同時(shí)關(guān)注不熟訪問控制，修補(bǔ)資產(chǎn)控制所有的明確性、扁平化的網(wǎng)絡(luò)問題和低效的修補(bǔ)程序管理，保持ITOT 中的IT、OT 的協(xié)同工作。其中關(guān)于針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)，在SSL（Secure Socket Layer，安全套接層）協(xié)議的基礎(chǔ)上，使用更加輕量級(jí)的高性能數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)姆椒↙SSL。其中SSL 協(xié)議的性能應(yīng)用主要在以下方面。

（1）交換會(huì)話密鑰時(shí)的公鑰加密操作以及建立新的會(huì)話時(shí)候的性能應(yīng)用。LSSL 的設(shè)計(jì)是根據(jù)SSL 協(xié)議的性能分析對(duì)SSL 的協(xié)議進(jìn)行針對(duì)性的性能優(yōu)化該設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在公鑰加密算法原則中的ECC 加密算法與經(jīng)典的RSA、DSA 等公鑰密碼體制相比安全性、處理速度、占用存儲(chǔ)空間上具有優(yōu)勢(shì)。

（2）減少密鑰協(xié)商時(shí)的信息量，提出使用安全散列算法，被認(rèn)為是最安全的散列算法之一，具有不可逆，防沖突的良好特點(diǎn)。

輕量級(jí)的LSSL 的具體流程如圖3所示。

圖3 LSSL的流程

通過查找實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在服務(wù)器上部署LSSL 的程序，節(jié)點(diǎn)模擬環(huán)境內(nèi)存為256M，WINXP 系統(tǒng)，對(duì)照環(huán)境為WIN2003的服務(wù)器部署SSL，性能結(jié)果的對(duì)比分析如表1所示。

表1 LSSL和SSL的性能對(duì)比

通過更新LSSL 作為高性能的數(shù)據(jù)傳輸方法，可以滿足智慧工廠中的海量節(jié)點(diǎn)，大量數(shù)據(jù)，高性能要求的特點(diǎn)，提升了MindSphere 軟件和云平臺(tái)鏈接時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸能力。

6 結(jié)束語

智慧工廠采用MindSphere 實(shí)現(xiàn)工廠的信息化、數(shù)字化，將生產(chǎn)廠商、生產(chǎn)物、操作系統(tǒng)和操作設(shè)備安全、高效、快速地連接在一起，通過大數(shù)據(jù)和云平臺(tái)的計(jì)算算法來挖掘數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值，通過信息平臺(tái)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦I(yè)應(yīng)用中，并進(jìn)行智能化深度分析，成為一種高效安全智能化的工業(yè)端應(yīng)用解決方案。