工业互联网平台边缘网关自适应接入的方法

林诗美　段茹茹　陈超　陈志列

摘  要：当前，接入工业互联网平台的工业设备和系统种类复杂，涉及多种工业协议类型，为平台的数据处理分析过程带来了挑战性。因此，如何利用边缘网关提高设备端的数据规约能力，解决不同设备和系统的数据异构问题，实现底层网关的集中式统一管理是当务之急。文章针对工业互联网平台边缘网关数据异构问题，提出一种实现工业互联网平台边缘网关自适应接入的方法，构建边缘网关管理架构，提出数据模板转换机制，通過MQTT协议传输工业数据，经过测试验证，文章提出的方法可以及时响应上百台底层网关并发访问，实现工业互联网平台边缘异构数据网关的集中式管理。

关键词：工业互联网；异构数据；模板转换机制；网关管理；MQTT协议

中图分类号：TP391.4；TN929.5 文献标识码：A 文章编号：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

工业互联网是新一代信息通信技术与工业经济深度融合的新型基础设施，通过对人、机、物、系统等的全面连接，构建起覆盖全产业链、全价值链的全新制造和服务体系，为工业乃至产业数字化、网络化、智能化发展提供了实现途径[1]。国内高度重视并积极推进工业互联网发展，2021年1月，工业和信息化部明确指出将推进工业互联网发展作为近期发展目标，逐一完善国内新型基础设施建设，健全产业发展生态和增强安全保障能力[2]。工业互联网目前在各行各业得到广泛应用[3]，工业设备的数据采集是其中一项重要的内容，所采集到的数据是各工业互联网平台上应用的重要支撑，目前主要通过部署的边缘网关进行数据采集。

现有工业互联网平台应用大部分通过边缘网关对终端设备进行数据采集。在工业设备数据采集过程中，对于不同的终端设备，边缘网关需要配置不同的采集协议、数据指令、设备点位等配置信息，因此不同边缘网关转发的数据格式存在较大的差异性。另外，由于边缘网关自身的厂商、类型、协议、数据等定义的不同，网关无法快速接入工业互联网平台，网关接入不同的工业互联网平台时需要进行二次开发，增加开发复杂度。为了解决以上问题，本文提出一种实现工业互联网平台边缘网关自适应接入的方法，构建边缘网关设备管理架构，提出数据模板转换机制，通过MQTT协议实现工业数据高效可靠性传输，提高工业互联网平台接入网关的兼容性，实现不同边缘网关的集中式管理。

1  相关工作

工业互联网产业作为战略性新兴产业之一，是未来工业发展的主要趋势。工业互联网作为5G重要的应用场景之一，正在推动生产效率和生产力达到前所未有的高度，已广泛应用于各工业领域[4]。工业互联网实现了物、设备、计算机、人等万物互联，利用数据分析处理技术，提供智能化决策模型，优化生产流程，激发出新型商业模式[5]。

工业互联网体系架构主要包括边缘层、平台层和应用层。边缘网关设备作为工业互联网架构中的基础层，受到越来越多研究人员的关注。边缘网关是一种涉及多学科高度交叉的软硬件结合的技术[6]，该技术覆盖了人工智能技术、嵌入式计算技术、数据建模分析处理、分布式信息处理等多种知识领域[7]，广泛应用于工业控制领域，为实现边缘计算的完整云边协同提供了底层的基础硬件设施。

工业互联网为万物互联的实现提供了有效途径[8]，但随着接入工业互联网的设备种类越来越复杂，设备数量越来越多，数据类型越来越多样化，如何在保障数据安全上平台的情况下，实现边缘网关对底层工业设备的统计集中式管理，提高边缘网关接入设备的自适应能力和数据规约能力，是制造企业急需解决的难题。基于此，本文提出一种工业互联网平台边缘网关自适应接入的方法，此外考虑到工业环境中的网络资源和存储资源往往会受到限制，为了克服工业环境资源的不足，本文采用MQTT协议为设备提供实时可靠的消息服务。

2  方法描述

2.1  总体架构

边缘网关管理架构主要包括平台工业软件应用层、边缘连接管理软件层、边缘网关层。平台工业软件应用层通过平台侧MQTT服务下发北向配置信息到边缘连接管理软件，经边缘连接管理软件转换配置信息后将配置信息下发到边缘网关。边缘网关采集的设备数据上传至边缘连接管理软件，经边缘连接管理软件转换设备数据后将采集数据上传至平台侧。边缘网关管理架构如图1所示。

在整个边缘网关设备管理中，数据流分为配置信息和设备信息，配置信息主要包含对下层网关接入平台的下发配置信息，设备信息主要包含网关设备的关键参数运行数据。平台工业软件通过平台侧MQTT服务下发北向配置信息，北向控制命令，接收北向心跳信息，北向点表信息，北向告警和日志；边缘连接管理软件实现网关与工业软件的连接管理，实现信息转发下发和上传；边缘网关通过边缘连接管理软件MQTT服务接受南向配置信息，南向控制命令，并进行相应处理，同时通过边缘连接管理软件MQTT服务把南向心跳信息，南向点表信息，南向告警日志信息上报到边缘连接管理软件。

2.2  边缘管理软件

边缘连接管理软件用于连通工业互联网平台和边缘网关，包括网络连接管理模块、MQTT服务模块、配置信息转换模板、控制命令转换模板、心跳信息转换模板、点表信息转换模板、告警日志转换模板以及自定义转换模板。

网络连接管理模块，包括网关注册和平台软件注册。网关注册包括注册网关ID、网关SN、生产厂家、主要参数、MQTT通信通道等信息；平台软件注册包括注册工业软件的ID、生产厂家、主要参数、MQTT通信通道等信息。

通过配置信息转换模板实现配置信息转发下发，通过控制命令转换模板实现控制命令转发下发，通过心跳信息转换模板实现心跳数据转发上传，通过点表信息转换模板实现现场时序数据转发上传，通过告警日志转换模板实现告警日志转发上传，通过自定义转换接口实现其他信息转发上传和下发。通过各转换模板可实现输入信息和输出信息的映射，实现二进制消息到json格式的映射，二进制消息到二进制消息的映射，json格式到json格式的映射，json到xml的映射，xml到json的映射等。

边缘连接管理软件既可以提供MQTT服务端，接受南向网关的连接，也可以客户端的身份连接边缘网关的MQTT服务，提供数据处理和转发功能，并且支持1对1、1对多、多对1、多对多等多种转发对应关系。

2.3  模板转换机制

模板转换机制通过采用模板引擎，将配置信息和设备信息进行模板转化。在模板转化过程中，主要包含将平台下发配置信息模板化和网关上传设备信息模板化两大过程。在平台下发配置信息模板化过程中，需要将平台的网关配置信息转化为网关识别的格式。在网关上传设备信息模板化过程中，需要将边缘网关的MQTT消息内容、Topic主题中的内容、边缘连接管理软件注册的网关等信息格式进行转换，以适配平台的数据格式，无须对网关软件进行二次开发即可实现网关与平台的对接。平台下发配置信息模板化过程和网关上传设备信息模板化过程示意图如图2所示。

具体步骤如下：

1）在边缘连接管理软件注册网关，订阅平台MQTT服务，与平台建立MQTT连接。

2）在平台端同步注册网关信息，获取网关ID、网关身份识别SN号、生产厂家等主要参数。

3）平台端下发以网关SN号为主题的配置信息。

4）边缘网关订阅边缘连接管理软件的MQTT服务，以网关SN号为主题。

5）在边缘连接管理软件启动配置信息转换任务，将平台下发的配置信息按照配置信息模板进行转换。

6）在边缘连接管理软件信息转换任务内根据边缘网关的现有MQTT心跳消息格式、网关基本信息、通道信息，以及平台的MQTT心跳消息格式编辑消息转换模板。

7）边缘连接管理软件上启动此消息转换任务即完成了此边缘网关心跳信息并上传到平台。示例如表1所示。

3  測试分析

本文采用Node.js和Java语言实现工业互联网平台边缘网关自适应接入的搭建，本节对搭建完成的平台进行一系列测试，包括功能测试和性能测试。首先，简要介绍平台的测试环境；然后对平台整体功能模块功能进行验证，具体分为边缘网关管理软件模块功能测试和平台端功能测试；最后，对平台的整体性能进行测试，验证了采用基于工业互联网边缘网关自适应接入的整体架构后，可支持上百台网关统一管理，平均响应时间为0.73 s，错误率为0。

3.1  测试环境

测试环境使用两台虚拟机，一台作为Nginx服务器和数据接入服务器，一台作为主节点数据服务器和从节点数据服务器，服务器详细配置如表2所示。

3.2  功能测试

测试用例的目的主要是验证边缘网关管理软件和平台端各个功能模块是否正常工作，通过在制造车间中实际部署网关采集工业设备数据上传到边缘网关，核对测试结果是否与预结果一致。边缘网关管理软件模块功能测试和平台端功能测试结果分别如表3、表4所示。

3.3  性能测试

使用测试工具JMeter自动化测试平台性能，JMeter是Apache组织开发的基于Java的压力测试工具，用于对软件做压力测试，它最初被设计用于Web应用测试但后来扩展到其他测试领域。它可以用于测试静态和动态资源例如静态文件、Java小服务程序、CGI脚本、Java对象、数据库，FTP服务器，等等。JMeter可以用于对服务器、网络或对象模拟巨大的负载，来自不同压力类别下测试它们的强度和分析整体性能。

在性能测试过程中，实际接入车间15台网关数据，采用模拟发送程序模拟100台网关并发访问平台，经过测试，115臺网关并发平均响应时间为0.73 s，错误率为0。脚本执行部分界面如图3所示。

经过测试，可以看出服务器读写速度较快，且稳定性较好。服务器资源测试界面如图4至图6所示。

4  结  论

如何实现网关设备的安全接入，以及后续如何实现网关的统一集中式管理是工业互联网领域重要的组成部分。本文提出了一种实现工业互联网平台边缘网关自适应接入的方法，一方面，通过MQTT协议实现工业数据高效可靠性传输，提高工业互联网平台接入网关的兼容性的同事，实现不同边缘网关的集中式管理。另一方面，区块链技术在设备安全接入方面具有巨大的潜力，是构建可信身份和设备数据安全接入的关键技术之一。未来，将进一步研究基于设备安全接入的征信体系，实现设备数据的可控共享、流转和交换。

参考文献：

[1] 许雪荷.我国工业互联网技术路线与发展趋势研究 [J].中国工业和信息化，2021（4）：58-64.

[2] 中华人民共和国工业和信息化部信息通信管理局.《工业互联网创新发展行动计划（2021—2023年）》解读 [J].中国信息化，2021（3）：10-14.

[3] 付宇涵，马冬妍，唐旖浓，等.工业互联网平台赋能流程制造行业转型升级场景分析 [J].科技导报，2022，40（10）：129-136.

[4] LI G C，ZHAO Q L，ZHANG D B，et al. GT-Chain： A Fair Blockchain for Intelligent Industrial IoT Applications [J].IEEE Transactions on Network Science and Engineering，2022，9（5）：3244-3257.

[5] 李林哲，周佩雷，程鹏，等.边缘计算的架构、挑战与应用 [J].大数据，2019，5（2）：3-16.

[6] ALJAWARNEH S，MASADEH S，ALKHATEEB F. A Secure Wi-Fi System for Wireless Networks： Anexperimental Evaluation [J].Network Security，2010（6）：6-12 .

[7] ESA H，INKINEN T. Industrial Applications of Big Data in Disruptive Innovations Supporting Environmental Reporting [J/OL].Journal of Industrial Information Integration，2019，16：100105[2023-02-21].https：//www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2452414X19300044？via%3Dihub.

[8] 张银利.基于区块链的工业互联网平台体系架构设计 [J].电子技术与软件工程，2021（3）：195-196.

作者简介：林诗美（1975—），女，汉族，广东深圳人，高级工程师，硕士研究生，研究方向：工业控制计算机。

收稿日期：2023-03-21