基于云计算的工业互联网平台分析与设计

丰圣林

（青岛大学 计算机科学技术学院，山东 青岛 266071）

0 引 言

随着经济的快速发展与各类信息技术的研发，目前工业信息化也进入了需要进行变革发展的时期，传统工业生产过程中单一的管理方式已经不能满足企业高质量发展的需求，因此关于工业互联网平台及信息化技术的研究与应用已经成为热点。其中典型的应用就是物联网技术、云计算技术等，借助物联网技术对各类数据信息进行采集与存储，通过云计算技术进行重点分析与处理，从而获取数据信息的价值，更高效地为工业领域提供信息化服务。

工业互联网平台集成了多种先进的信息化发展技术，包括物联网技术、云计算技术以及机器学习技术等。针对不同的工业生产环境部署各类传感设备与网络传输设备，利用各类传感节点实现图像、温湿度及其他生产参数的快速采集，通过网络设备发送采集的数据信息，后续通过云计算技术的使用对工业现场进行预警与决策分析等。在整个系统的应用过程中，通过无线感知设备将这些数据信息发送到工业互联网平台，后台能够根据各类采集的数据信息对整个工业生产环境进行异常监测、生产设备远程控制等，以此来对整个工业制造流程进行调整与控制，促进工业生产信息化、智能化水平的提升，降低企业管理成本。信息化与智能化工业生产中，云计算、传感器、传输网络是重要组成部分，能够对整个工业生产环境与生产全流程进行感知，有效监测流程各个阶段。

云计算是分布式计算的一种，通过网络云将巨大的数据计算处理程序分解成无数个小程序，然后通过多部服务器组成的系统处理和分析这些小程序，得到结果后返回给用户。云计算技术能够对众多计算机资源进行协调与管理，突破空间与时间的限制，实现大数据量的并发处理。云计算主要采用虚拟化技术实现，能够高效地完成各类工业数据的备份、扩展及迁移操作，可靠性与性价比较高。在工业互联网平台的研发与设计中，重点管理对象为各生产环境中的业务数据，这些数据通过各类物联网设备进行采集。物联网设备由不同类型的传感器组成，管理人员能够对这些传感器进行状态设置与管理，从而完成工业现场业务数据信息的采集、处理与分析工作[1]。在整个工业互联网平台建模分析过程中，统一建模语言（Unified Modeling Language，UML）的作用是提供可视化的软件开发过程管理。通过各类UML可视化图形与符号快速对各类用户的需求、系统设计与实现过程进行建模分析，引导客户了解系统的开发内容，完成整个系统原型的开发[2]。通过UML语言的应用，技术人员能够根据业务处理的需求生成相应的数据库表格。

1 工业互联业务分析

通过确定整个系统中包括的用户类型和这些用户对应的操作流程，以此来完成整个系统功能的建模。在整个工业互联网平台应用中，通过物联网技术完成对各类环境参数信息与视频数据的采集，后续采用云计算技术对这些数据信息进行记录、分析与管理[3]。传感器记录整个工业生产环境中的温度、湿度等参数信息，监控摄像头实时记录整个工业制造流程。通过专门的图像识别算法发现工业生产过程中存在的异常状况，根据处理需要及时进行报警操作。在工业场景的处理中，根据需求及时进行远程控制、云计算分析等，提升工业生产效率的同时降低人工管理成本。工业互联网平台业务用例如图1所示。

根据工业互联网平台业务用例建模分析，系统实现的功能有参数采集、状态采集、数据传输、确定协议、实时显示、远程控制以及云计算分析。通过对业务功能的建模分析，能够为制造型企业打造信息化处理流程。在系统需求分析中，需要明确系统处理的功能。

为了实现系统顺利开发，还需要进行非功能需求分析。在非功能需求的分析中，核心考虑因素包括响应时间与用户并发性。在数据传输、流程控制、云计算分析中，响应时间是影响用户使用体验的重要因素。对此需要对各个功能进行充分测试，最大响应时间不超过3 s，整个系统的平均响应时间不能超过2 s。对于响应时间超过3 s的功能，需要通过业务逻辑程序的优化来提升整体响应速度[4]。工业互联网平台在网络中进行部署，由于系统存在多部门的用户进行管理与操作，因此需要对大用户量访问系统时的处理效果进行测试与记录，以此来判断系统的稳定性。当并发访问量最大达到500用户时，整个系统需要能够稳定地对外提供Web访问服务。

2 工业互联网平台研究与设计

2.1 系统设计原则

（1）安全性。在整个工业互联网平台中，安全性主要涉及采集端与平台应用端。采集端需要通过数据加密的方式来保障数据安全性，平台端主要通过权限设置、杀毒软件安装等方式提升整个系统的安全性。

（2）界面使用友好性。此原则涉及用户使用的友好度，根据整个平台处理需求，界面信息提示应简洁大方，不同类型的用户操作之后及时进行跳转，系统业务功能能够快速响应与处理。

（3）可维护性。在整个工业互联网平台的研发中，根据使用的效果进行升级维护。在软件平台开发时，需要根据技术特点来降低各个功能模块的耦合度，后续对这些程序升级时能够快速操作[5]。

2.2 系统体系架构设计

工业互联网平台设计中，采用Java Web、物联网、云计算技术进行实现。整个平台的技术架构分为3层，如图2所示。Java Web基于模型视图控制器（Model-View-Controller，MVC）的体系进行开发，可扩展性高，整个业务逻辑程序之间的耦合度低。

在整个基于MVC模式实现的工业互联网平台中，每一层的工作目标与处理内容不同。在此基础上，需要完成核心主营业务的设计。

2.2.1 用户层

用户层主要的设计目标是为用户提供良好的操作性。围绕工业互联网各类现场用户的处理需要，对整个数据采集、数据传输、实时显示等多模块进行操作与处理，满足用户的操作需求。

2.2.2 业务逻辑层

在整个系统的分析交互中，根据整个前端用户的操作需要来完成业务逻辑处理的实现与管理。具体针对数据采集、数据传输、实时显示等业务功能进行实时处理，每一次的处理结果需要在用户层进行展示，整个操作过程的数据信息存储到数据库中。

2.2.3 数据层

在整个系统的不同架构设计中，数据层的核心工作目标是为业务逻辑层与用户层提供数据的存储与管理。这些内容存储到不同的数据库表格中，业务处理的同时需要实时对数据进行更新与存储。各个数据库表格通过持久化对象的方式完成更新，根据不同工业场景处理的需要选择MySQL、MongDB等类型的数据库。

2.3 平台功能设计

在整个平台端业务的处理中，对各类数据信息进行监控，及时对出现的异常情况进行报警，方便人员对这些异常情况进行处理。同时系统提供数据应用方面的功能，方便技术人员定期对工业品生产相关的数据信息进行分析与统计。具体数据传输示意如图3所示。

用户登录系统后，根据业务处理需要进行参数显示、流程控制、云计算分析等操作。传感器的各类数据信息通过消息队列遥测传输协议（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）传输到服务器端，由服务器端的业务程序进行处理，处理完成后传输到数据库，后续利用云计算技术对这些数据进行实时查看、分析处理。

3 结 论

应用云原生思想，采用微服务架构、Java Web等技术构建轻量化的云原生应用。系统具备云端部署、可远程访问、弹性、共享、按需自助服务、高可用以及与位置无关等特征，使得整个工业互联网平台易于迁移到云环境中部署运行。与此同时，其兼容私有云、公有云、混合云的运行环境，有利于企业后期总体优化与升级。