《云制造服务平台边缘智能网关架构gbt 41724-2022》详细解读

《云制造服务平台边缘智能网关架构gb/t41724-2022》详细解读contents目录1范围2规范性引用文件3术语、定义和缩略语3.1术语和定义3.2缩略语4边缘智能网关功能架构及组件要求4.1功能架构要求4.2通信与驱动功能组件要求contents目录4.3配置工具要求4.4边缘数据应用要求4.5接口协议要求5基本架构要求5.1用于接入传感器数据时的基本架构5.2用于接入设备数据时的基本架构5.3用于进行边缘计算时的基本架构6基本数据类型要求contents目录7数据接口要求7.1采集点数据格式7.2采集点上传的打包方式7.3数据上传的频率7.4实时数据采集接口规范7.5运行状态数据采集接口规范8数据交换规范附录A(资料性)IOT调用接口传参示例011范围术语和定义详细阐述了云制造、边缘计算、智能网关等核心概念，为后续内容提供基础。架构组成明确了云制造服务平台边缘智能网关的主要组成部分，包括数据采集层、数据处理层、应用服务层等。功能要求对边缘智能网关应具备的功能进行了详细说明，如数据采集、处理、存储、转发等。性能要求提出了边缘智能网关的性能指标，包括处理速度、吞吐量、并发连接数等，确保其满足实际应用需求。安全保障强调了边缘智能网关在安全保障方面的要求，包括数据加密、访问控制、安全审计等措施，以确保数据和系统的安全性。本标准规定了云制造服务平台边缘智能网关架构的术语和定义、架构组成、功能要求、性能要求以及安全保障等方面0102030405022规范性引用文件标准化工作指南第1部分：标准的结构和编写规则。该标准规定了标准的结构、起草表述规则、编排格式和字体字号，适用于国家标准的编写、审查、出版和发行。GB/T20000.1-2014标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则。该标准给出了标准化文件的结构、起草规则以及特定内容的起草等，适用于需要统一和简化的标准化对象形成条款并编制成为标准化文件。GB/T1.1-2020基础通用标准GB/T31865-2015信息技术云计算术语和定义。该标准规定了云计算相关的术语和定义，适用于云计算领域的研究、开发、应用和管理等方面。GB/T37700-2019信息技术大数据术语。该标准规定了大数据的基本概念和术语，以及数据集成融合、数据计算分析、数据建模、大数据治理、数据安全保护、数据服务质量等技术类术语。术语和定义VS信息技术云计算参考架构。该标准规定了云计算的参考架构，包括云计算的角色、活动、功能组件及其之间的关系，为各类云计算系统的设计和规划提供参考。GB/T32400-2015信息技术云计算服务级别协议参考框架。该标准规定了云计算服务级别协议的参考框架，包括服务级别目标、服务级别要求和服务级别指标等，为云计算服务提供者和消费者之间协商和制定服务级别协议提供参考。GB/T32399-2015技术参考033术语、定义和缩略语制造资源制造业中可用于生产活动的各种物理和信息资源，如设备、工艺、物料、数据等。云制造服务平台基于云计算技术，为制造业提供生产、设计、管理、服务等各类资源和能力的服务平台。边缘智能网关部署在制造现场，具备数据采集、处理、存储和转发等功能，实现与云制造服务平台互联互通的智能设备。3.1术语3.2定义网关架构指边缘智能网关的硬件和软件组成结构，以及各部分之间的相互关系和通信协议等。边缘计算在靠近物或数据源头的一侧，采用网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台，就近提供最近端服务。其应用程序在边缘侧发起，产生更快的网络服务响应，满足行业在实时业务、应用智能、安全与隐私保护等方面的基本需求。云制造服务通过云制造服务平台提供的各类制造服务，包括但不限于生产设计、加工制造、物流配送、运维服务等。EdgeIntelligentGateway，边缘智能网关。EIGInternetofThings，物联网。IoT01020304CloudManufacturingServicePlatform，云制造服务平台。CMSSMachinetoMachine，机器对机器通信。M2M3.3缩略语043.1术语和定义3.1.1云制造服务平台功能云制造服务平台能够实现制造资源的优化配置、制造过程的协同管理以及制造服务的个性化定制。定义云制造服务平台是一种基于云计算、物联网、大数据等技术的先进制造服务模式，通过整合和共享制造资源与能力，为制造全生命周期提供可随时获取的、按需使用的、安全便捷的服务。边缘智能网关是部署在网络边缘，具备智能感知、计算、存储、网络通信和应用能力的一种设备或系统。定义边缘智能网关能够实现对设备数据的采集、处理和分析，以及与云制造服务平台的通信和数据交互，从而提供实时的、高效的、安全的边缘计算服务。功能3.1.2边缘智能网关定义架构是指系统的组织结构，包括各个组成部分以及它们之间的关系和交互方式。内容云制造服务平台边缘智能网关架构包括硬件层、操作系统层、平台层和应用层四个层次，以及各层次之间的接口和交互协议。该架构能够实现设备接入、数据处理、应用托管和安全管理等功能。3.1.3架构3.1.4相关技术物联网物联网是指通过信息传感设备，按照约定的协议，将任何物体与网络相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。大数据大数据是指无法在可承受的时间范围内用常规软件工具进行捕捉、管理和处理的数据集合，它具有4V特点，即大量(Volume)、高速(Velocity)、多样(Variety)、价值(Value)。云计算云计算是一种基于互联网的计算方式，通过共享软硬件资源和信息，能够按需提供给计算机和其他设备。030201053.2缩略语API应用程序接口（ApplicationProgrammingInterface），是一组定义、编程协议和用于构建应用软件的工具，是软件组件或软件系统间的通信方法。IoT物联网（InternetofThings），是指通过信息传感设备，按约定的协议，对任何物体进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一个网络。MQTT消息队列遥测传输（MessageQueuingTelemetryTransport），是一种基于发布/订阅模式的“轻量级”消息协议，用于在网络环境中进行消息传输，常用在物联网中。REST表述性状态转移（RepresentationalStateTransfer），是一种针对网络应用的设计和开发方式，可以降低开发的复杂性，提高系统的可伸缩性。常见缩略语解释01020304在本标准中，API主要用于描述网关与外部系统或服务进行交互的接口规范。MQTT协议在本标准中被用作网关与设备之间的主要通信协议，保证消息的可靠传输。IoT被用于描述网关连接和管理的各种智能设备，形成一个互联互通的网络环境。REST架构被用于设计网关的对外服务接口，提供统一的资源访问方式。缩略语在标准中的应用064边缘智能网关功能架构及组件要求数据采集与传输负责从各种传感器和设备中收集数据，并将其传输到云端或本地服务器进行处理。本地数据处理对收集到的数据进行预处理、分析和存储，以提供实时的数据反馈和控制指令。边缘计算与决策利用边缘计算能力，对本地数据进行处理并做出决策，以实现对设备的实时监控和控制。安全与隐私保护确保数据传输和存储的安全性，同时保护用户隐私不被泄露。4.1边缘智能网关功能架构4.2边缘智能网关组件要求硬件设备要求具备高性能、低功耗的硬件设备，以支持边缘计算和数据处理需求。操作系统要求采用稳定、可靠的操作系统，以支持各种应用软件的运行和管理。数据管理要求具备高效的数据管理能力，包括数据采集、存储、处理和传输等功能。通信接口要求支持多种通信协议和接口，以实现与各种设备和云端的互联互通。074.1功能架构要求负责采集现场设备的数据，并将其传输到云平台，同时接收云平台下发的控制指令。支持多种工业通信协议，实现不同设备之间的数据交互。在网关端进行实时数据处理、分析和优化，降低数据传输延迟，提高响应速度。确保数据传输的安全性，防止非法访问和恶意攻击，同时实现不同安全等级的网络隔离。4.1.1边缘智能网关功能架构组成数据采集与传输协议转换与适配边缘计算与优化安全防护与隔离4.1.2功能架构特点模块化设计采用模块化设计理念，便于功能的扩展和维护。高可靠性通过冗余设计、故障自恢复等技术手段，确保网关的高可靠性。开放性支持多种标准和开放接口，便于与其他系统的集成。智能化引入人工智能技术，实现数据的智能分析和优化。084.2通信与驱动功能组件要求应遵循国际通用的通信协议和标准，确保与各种设备和系统的兼容性。标准化接口支持高速数据传输，以满足实时性要求较高的应用场景。高速传输通信接口应具备加密和认证功能，确保数据传输的安全性。安全性4.2.1通信接口要求010203应支持多种工业设备的驱动程序，以实现设备的即插即用。设备驱动能够实时采集设备的运行数据，为上层应用提供数据支持。数据采集支持对设备的远程控制功能，便于用户进行远程操作和维护。远程控制4.2.2驱动功能要求通信与驱动功能组件应具有高稳定性，确保长时间运行的可靠性。稳定性容错性可维护性在出现故障时，应具有一定的容错能力，避免系统崩溃或数据丢失。提供完善的日志记录和故障诊断功能，便于排查问题和进行系统维护。4.2.3组件可靠性要求扩展性通信与驱动功能组件应具有良好的扩展性，以适应未来设备和系统的升级需求。兼容性应兼容多种操作系统和开发环境，降低用户的开发和维护成本。4.2.4扩展性与兼容性要求094.3配置工具要求配置工具的功能可视化操作界面提供直观、易用的图形化操作界面，方便用户进行配置操作。配置备份与恢复提供配置备份和恢复功能，确保在出现问题时可以快速恢复配置。配置参数管理支持对网关的各种参数进行配置和管理，包括网络参数、安全参数、数据采集参数等。远程配置功能支持远程对网关进行配置，方便用户随时随地进行配置操作。稳定性配置工具应具有高稳定性，确保在长时间运行过程中不会出现崩溃或数据丢失等问题。安全性配置工具应采取多种安全措施，确保用户数据和配置信息的安全性。容错性配置工具应具有一定的容错能力，能够在出现异常情况时给出提示并允许用户进行恢复操作。配置工具的可靠性界面设计应简洁明了，易于理解和操作。简洁明了的界面设计提供详细的帮助文档，方便用户随时查看和使用。详细的帮助文档提供在线技术支持，解答用户在使用过程中遇到的问题。在线技术支持配置工具的易用性104.4边缘数据应用要求4.4.1数据采集与处理数据压缩与加密为减少传输成本和提高安全性，边缘智能网关应具备数据压缩与加密功能。数据预处理对采集到的原始数据进行清洗、去噪、归一化等预处理操作，以提高数据质量和可用性。数据采集边缘智能网关应具备实时、高效、准确地从各类传感器、设备、系统等数据源采集数据的能力。本地存储为确保数据安全，应支持数据的定期备份和异常情况下的数据恢复功能。数据备份与恢复数据管理提供有效的数据管理机制，方便用户对数据进行查询、修改、删除等操作。边缘智能网关应具备一定容量的本地存储空间，用于暂时存储采集到的数据。4.4.2数据存储与管理4.4.3数据分析与挖掘010203实时分析边缘智能网关应具备对采集到的数据进行实时分析的能力，以支持实时监控和预警。数据挖掘通过运用机器学习、深度学习等技术，对存储的数据进行挖掘，发现潜在的价值和规律。结果可视化将分析和挖掘的结果以直观、易懂的方式展示给用户，便于用户理解和决策。访问控制实施严格的访问控制策略，确保只有授权的用户才能访问敏感数据。数据加密传输在数据传输过程中采用加密技术，防止数据被窃取或篡改。隐私保护遵循相关法律法规，确保用户隐私不被泄露，如采用匿名化、脱敏等技术手段。4.4.4数据安全与隐私保护114.5接口协议要求为确保不同系统间的数据交互顺畅，边缘智能网关应采用标准化的数据格式，如JSON、XML等，以便于数据的解析和处理。数据格式标准化接口协议应支持数据加密和身份验证机制，确保数据传输过程中的安全性和完整性。数据传输安全性4.5.1数据接口协议远程控制功能控制接口应支持远程对边缘智能网关进行配置、管理和监控，确保网关设备的可维护性和可控性。实时性要求4.5.2控制接口协议控制接口应具备低延迟、高可靠性的特点，以满足实时控制的需求。0102服务接口应支持服务的动态注册与发现机制，便于服务的接入和使用。服务注册与发现接口协议应对服务质量进行定义和保障，包括服务的可用性、响应时间和吞吐量等指标。服务质量保障4.5.3服务接口协议管理接口应支持对边缘智能网关设备的远程管理功能，包括设备的状态监测、故障诊断和配置更新等操作。设备管理接口协议应支持日志的采集、存储和分析功能，以便于对网关设备的运行情况进行监控和故障排除。日志管理4.5.4管理接口协议125基本架构要求负责数据采集、处理、存储与转发，支持多种工业协议及数据格式的转换。边缘智能网关设备实现与云制造服务平台的连接，上传边缘智能网关采集的数据，并接收云服务平台下发的控制指令。云服务接口在边缘侧提供计算、存储和网络资源，对采集的数据进行处理分析，实现实时响应和决策优化。边缘计算服务5.1架构组成模块化设计采用模块化设计理念，方便系统的扩展与维护，提高系统的灵活性和可配置性。高可靠性开放性5.2架构特点通过冗余设计、故障检测和恢复机制等手段，确保系统的稳定运行和数据安全。支持多种工业协议和数据格式，方便与不同厂商的设备进行互联互通，降低集成成本。采用加密技术对传输和存储的数据进行保护，防止数据泄露和非法访问。数据安全5.3安全性要求建立完善的用户认证和授权机制，确保只有经过授权的用户才能访问敏感数据和操作关键设备。访问控制记录系统操作日志和安全事件，便于事后追溯和审计，提高系统的安全可溯源性。安全审计135.1用于接入传感器数据时的基本架构传感器数据接入方式间接接入传感器数据先传输到中间设备，再由中间设备转发到边缘智能网关。直接接入传感器数据通过有线或无线方式直接传输到边缘智能网关。数据采集边缘智能网关接收来自传感器的原始数据。数据特征提取从预处理后的数据中提取出有用的特征信息，以供后续分析使用。数据预处理对原始数据进行清洗、去噪、归一化等处理，以提高数据质量。数据处理流程数据传输处理后的数据通过边缘智能网关传输到云制造服务平台或本地存储系统。01数据传输与存储数据存储数据以结构化或非结构化的形式存储在云制造服务平台或本地存储系统中，以便后续查询和分析。02数据加密在数据传输和存储过程中，采用加密算法对数据进行加密，以确保数据的安全性。数据备份与恢复建立数据备份机制，以防止数据丢失，并确保在发生故障时能够及时恢复数据。安全性与可靠性保障145.2用于接入设备数据时的基本架构数据接入层负责从各类设备中采集数据，包括传感器数据、设备状态数据等，并将其转化为统一的格式供上层应用使用。采用分布式存储技术，对处理后的数据进行高效存储，并提供数据备份和恢复功能，确保数据的安全性和可靠性。对接入的数据进行清洗、去重、压缩等预处理操作，同时提供数据分析和挖掘功能，以发现数据中的潜在价值。基于存储的数据，对外提供数据查询、数据可视化、数据下载等服务，以满足不同用户的需求。5.2.1架构组成数据处理层数据存储层数据服务层灵活性可扩展性5.2.2架构特点通过优化数据处理流程和采用高性能存储技术，提高数据处理和存储的效率。04该架构支持多种类型设备的接入，能够适应不同场景下的数据采集需求。01在数据传输、存储和处理过程中，采用多种加密技术和安全措施，确保数据的安全性。03架构采用模块化设计，便于根据实际需求进行功能扩展和升级。02安全性高效性155.3用于进行边缘计算时的基本架构架构组成边缘计算节点负责在边缘侧执行计算任务，具备数据处理、存储和转发功能。网关管理层对边缘计算节点进行统一管理，包括节点的发现、配置、监控和调度等。云服务平台接口实现与云服务平台的数据交互，将边缘计算节点的数据上传至云平台，并接收云平台下发的控制指令。01边缘计算技术在靠近用户侧进行数据处理和分析，降低数据传输延迟，提高响应速度。关键技术02数据融合与处理技术对来自不同数据源的数据进行融合和处理，提取有价值的信息。03网络安全技术保障边缘计算节点的网络安全、数据安全和信息安全，防止恶意攻击和数据泄露。实时性高由于数据处理在边缘侧进行，因此可以实时响应和处理数据，提高系统的实时性。可扩展性强架构支持横向和纵向的扩展，可以根据实际需求增加或减少边缘计算节点。分布式部署边缘计算节点可以分布式部署在不同地理位置，实现数据的就近处理和分析。架构特点166基本数据类型要求数据类型定义指边缘智能网关在数据处理过程中所支持的数据种类和格式。数据类型重要性确保数据的准确性、一致性和互操作性，提高系统的稳定性和效率。6.1数据类型概述包括字符串、字符数组等，用于表示文本信息和标识符。字符型数据表示逻辑值，如真/假、是/否等，用于条件判断和逻辑运算。布尔型数据包括整数、浮点数等，用于表示各种测量值和计算结果。数值型数据6.2常见数据类型设备数据采集边缘智能网关需要采集各种设备的数据，包括传感器数据、设备状态数据等，这些数据类型多样，需要网关支持相应的数据类型。6.3数据类型应用场景数据处理与存储网关需要对采集到的数据进行处理，如数据清洗、数据聚合等，并将处理后的数据存储到本地或云端，这要求网关支持高效的数据处理和存储机制。数据交互与通信边缘智能网关需要与其他设备或系统进行数据交互和通信，如向云端发送数据、接收云端指令等，这要求网关支持标准的数据交互格式和通信协议。标准化要求为实现数据的互操作性和一致性，边缘智能网关应遵循相关的数据类型标准，如使用统一的数据格式和编码规范。可扩展性要求随着技术的发展和业务需求的变化，边缘智能网关可能需要支持更多的数据类型，因此要求网关架构具有良好的可扩展性，能够方便地添加新的数据类型支持。6.4数据类型要求与实现177数据接口要求7.1数据接口概述数据接口定义明确边缘智能网关与云制造服务平台、设备层、应用层之间的数据交互方式和规范。数据接口类型根据数据传输需求，支持不同类型的数据接口，如RESTfulAPI、MQTT、CoAP等。7.2数据接入要求设备数据接入支持多种工业设备的数据接入，包括传感器、执行器、控制器等，实现设备数据的实时采集和传输。数据格式转换数据传输安全对不同来源和格式的数据进行统一处理，转换为边缘智能网关可识别的数据格式。保障数据传输过程中的安全性和完整性，采用加密、签名等安全措施。030201数据输出格式根据应用需求，支持多种数据输出格式，如JSON、XML等，便于后续数据处理和分析。数据输出接口提供标准的数据输出接口，支持与其他系统或平台的数据共享和交换。数据输出频率根据业务需求和数据特点，设置合理的数据输出频率，确保数据的实时性和有效性。7.3数据输出要求测试环境搭建搭建符合实际应用场景的测试环境，包括硬件设备、网络环境和软件系统等。测试用例设计针对数据接口的各项功能和性能指标，设计合理的测试用例和测试方案。测试执行与结果分析按照测试用例执行测试，并对测试结果进行详细分析和评估，确保数据接口的稳定性和可靠性。7.4数据接口测试与验证187.1采集点数据格式数据类型定义了采集点支持的数据类型，如整数、浮点数、字符串等，以满足不同设备和传感器的数据格式需求。数据结构规定了数据的组织方式，包括数据头、数据体和数据尾等部分，确保数据的完整性和可读性。编码方式明确了数据的编码格式，如UTF-8、GBK等，以保证数据在传输和存储过程中的一致性。数据格式定义采集频率根据实际需求，设定合理的数据采集频率，以确保数据的实时性和准确性。数据过滤在采集过程中，对数据进行必要的过滤处理，以去除噪声和异常值，提高数据质量。数据压缩采用适当的压缩算法，对采集到的数据进行压缩处理，以减少存储空间和传输成本。030201数据采集规范传输方式支持多种传输方式，如有线传输、无线传输等，以适应不同场景下的数据传输需求。传输协议采用标准的传输协议，如MQTT、HTTP等，以确保数据的可靠传输和互联互通。数据安全在传输过程中，采用加密、签名等安全措施，确保数据的机密性、完整性和真实性。数据传输协议197.2采集点上传的打包方式实时打包对每个采集点的数据进行实时处理，立即打包并上传，适用于对实时性要求高的场景。批量打包将多个采集点的数据积累到一定量后，进行统一打包并上传，适用于数据量大且对实时性要求不高的场景。打包方式选择数据格式统一打包的数据应遵循统一的数据格式规范，便于后续的数据解析和处理。压缩与加密在打包过程中，可对数据进行压缩以减小传输体积，同时也可进行加密处理以确保数据传输的安全性。打包格式规范采集点数据采集首先由各个采集点进行数据的实时采集。数据预处理对采集到的原始数据进行必要的预处理，如数据清洗、格式转换等。打包处理根据选择的打包方式，对预处理后的数据进行打包处理。上传至云端将打包好的数据通过边缘智能网关上传至云端服务器进行存储和分析。打包上传流程207.3数据上传的频率即数据一旦产生或达到某个条件，立即上传到云制造服务平台。实时上传按照设定的时间间隔，定期将累积的数据批量上传到云制造服务平台。定时上传数据上传频率的定义关键或实时性要求高的数据可能需要更频繁的上传。数据类型与重要性网络环境的好坏和带宽的大小会直接影响数据上传的速度和频率。网络环境与带宽网关的计算和存储能力越强，处理数据并上传的速度就越快。边缘智能网关的处理能力影响数据上传频率的因素010203例如，在生产高峰期可以增加上传频率以确保数据的实时性。根据业务需求动态调整当数据量较大时，可以适当降低上传频率以减少网络负担。基于数据量的自适应调整在不影响业务的前提下，可以通过调整上传频率来平衡网关的能耗与性能。考虑节能与性能平衡数据上传频率的调整策略217.4实时数据采集接口规范数据采集方式传感器数据采集通过各类传感器实时采集生产现场的温度、湿度、压力、流量等数据。采集生产设备的运行状态、工作时长、故障信息等数据。设备状态数据采集对生产线上的生产流程、产品质量、产量等数据进行实时采集。生产过程数据采集一种基于REST架构的应用层协议，适用于物联网中的受限设备和低功耗广域网。CoAP协议根据实际应用场景和需求，可以自定义TCP或UDP协议进行数据传输。自定义TCP/UDP协议基于发布/订阅模式的消息传输协议，适用于低带宽、高延迟或不稳定的网络环境。MQTT协议数据传输协议对传输的数据进行加密处理，确保数据在传输过程中的安全性。数据加密对数据采集接口进行访问控制，只允许授权的设备或系统接入。访问控制通过数据校验码等方式，确保采集到的数据完整且未被篡改。数据完整性校验数据采集安全数据备份与恢复建立数据备份机制，确保在数据丢失或损坏时能够及时恢复。数据预处理对采集到的原始数据进行清洗、去噪、归一化等预处理操作。数据存储将处理后的数据存储到数据库或数据仓库中，以便后续的数据分析和挖掘。数据处理与存储227.5运行状态数据采集接口规范数据采集方式触发式采集在特定事件触发时进行数据采集，如设备故障、异常等情况。定时采集按照设定的时间间隔进行数据采集，适用于对实时性要求不高，但需要持续监控的场景。实时采集通过传感器等实时采集设备的运行状态数据，确保数据的时效性和准确性。设备状态数据如温度、湿度、气压等环境参数，有助于分析设备运行环境对设备性能的影响。环境数据能耗数据采集设备的能耗数据，为节能减排和优化能源管理提供依据。包括设备的运行状态、工作模式、故障信息等。数据采集内容数据传输采用标准通信协议，确保数据的可靠传输和安全性。数据存储采用分布式存储技术，确保海量数据的高效存储和可扩展性。数据传输与存储数据预处理对采集的原始数据进行清洗、去噪、归一化等处理，提高数据质量。数据分析运用数据挖掘、机器学习等技术对处理后的数据进行分析，提取有价值的信息。数据处理与分析238数据交换规范JSON格式采用轻量级的数据交换格式，易于阅读和编写，同时也易于机器解析和生成。XML格式8.1数据交换格式可扩展标记语言，被设计为具有自我描述性，是存储和传输数