許知博，劉 釗

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

1 研究背景

隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，現(xiàn)代化的管理開始應(yīng)用于工廠的各個(gè)部門，工廠對(duì)設(shè)備信息的監(jiān)測(cè)成為工廠管理的一個(gè)重要組成部分。工廠生產(chǎn)中設(shè)備的檢測(cè)活動(dòng)直接涉及產(chǎn)品的質(zhì)量與工廠的運(yùn)行安全，是工廠現(xiàn)代化管理的重要內(nèi)容。目前，工廠的設(shè)備信息監(jiān)測(cè)依然使用落后的紙質(zhì)表格，紙質(zhì)表格可擴(kuò)展性差，不能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，管理人員不能及時(shí)獲得檢測(cè)數(shù)據(jù)。同時(shí)紙張不具有重復(fù)使用性，而且在一些精密化高的工廠中需要使用價(jià)格高昂的特殊紙張，這樣造成人力和物力資源的浪費(fèi)。

文中將云計(jì)算概念引入工廠信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)在不改變現(xiàn)有設(shè)備的情況下，通過建立工廠內(nèi)部的云計(jì)算平臺(tái)，充分整合信息監(jiān)測(cè)體系，提高工廠信息監(jiān)測(cè)以及管理效率，構(gòu)建一個(gè)低成本的工廠信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。運(yùn)用云計(jì)算的方式實(shí)現(xiàn)資源的統(tǒng)一調(diào)度，使管理者可以從全局的高度掌握工廠的實(shí)時(shí)狀況，保證生產(chǎn)高效、安全、有序地進(jìn)行。

2 云計(jì)算概述

2.1 云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)

云計(jì)算平臺(tái)是一個(gè)強(qiáng)大的“云”網(wǎng)絡(luò)，連接了大量并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算和服務(wù)，并可利用虛擬化技術(shù)擴(kuò)展每個(gè)服務(wù)器的能力，將各自的資源通過云計(jì)算平臺(tái)結(jié)合起來，提供超級(jí)計(jì)算和存儲(chǔ)能力。通用的云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)

其中云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)中各部分的主要功能如下:

(1)云用戶端。為云用戶提供請(qǐng)求服務(wù)的交互界面，也是用戶使用云的入口。用戶通過Web瀏覽器可以注冊(cè)、登錄及定制服務(wù)、配置和管理用戶。打開應(yīng)用實(shí)例與本地操作桌面系統(tǒng)一樣。

(2)服務(wù)目錄。云用戶在取得相應(yīng)權(quán)限后可以選擇或定制的服務(wù)列表，也可以對(duì)已有服務(wù)進(jìn)行退訂的操作，在云用戶端界面生成相應(yīng)的圖標(biāo)或列表的形式展示相關(guān)的服務(wù)。

(3)管理系統(tǒng)和部署工具。提供管理和服務(wù)。能管理云用戶，能對(duì)用戶授權(quán)、認(rèn)證、登錄進(jìn)行管理，并可以管理可用計(jì)算資源和服務(wù)，接收用戶發(fā)送的請(qǐng)求，根據(jù)用戶請(qǐng)求并轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的程序，調(diào)度資源，智能地部署資源和應(yīng)用，動(dòng)態(tài)地部署、配置和回收資源。

2.1 饑餓對(duì)按蚊吸血的影響 稱重法繪制吸血率曲線顯示，饑餓處理能提高按蚊的吸血率，二者差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。在吸血5 min時(shí)，饑餓組按蚊的吸血率達(dá)到21.4%，顯著高于對(duì)照組的15.6%。饑餓處理組按蚊經(jīng)15 min的吸血即可達(dá)到最高吸血率（69.5%），而對(duì)照組按蚊則需要20 min才能達(dá)到最高吸血率（32.5%），見圖1A。目視法繪制結(jié)果顯示吸血率的結(jié)果與稱重法結(jié)果一致，見圖1B。然而對(duì)照組和饑餓組按蚊的最大吸血量差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），平均為1.43 mg/只和1.37 mg/只，見圖1C。

(4)監(jiān)控。監(jiān)控和計(jì)量云系統(tǒng)資源的使用情況，以便做出迅速反應(yīng)，完成節(jié)點(diǎn)同步配置、負(fù)載均衡配置和資源監(jiān)控，確保資源能順利分配給合適的用戶。

(5)服務(wù)器集群。虛擬的或物理的服務(wù)器，由管理系統(tǒng)管理，負(fù)責(zé)高并發(fā)量的用戶請(qǐng)求處理、大運(yùn)算量計(jì)算處理、用戶Web應(yīng)用服務(wù)，云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)采用相應(yīng)數(shù)據(jù)切割算法，采用并行方式上傳和下載大容量數(shù)據(jù)［4］。

用戶可通過云用戶端從列表中選擇所需的服務(wù)，其請(qǐng)求通過管理系統(tǒng)調(diào)度相應(yīng)的資源，并通過部署工具分發(fā)請(qǐng)求、配置Web應(yīng)用。

2.2 云計(jì)算的實(shí)現(xiàn)

2.2.1 MapReduce算法

MapReduce是一種由 Google開發(fā)的基于 Java、Python、C++的編程工具和編程模型，用于大規(guī)模數(shù)據(jù)集的并行運(yùn)算，是云計(jì)算的核心技術(shù)。它是一種分布式運(yùn)算技術(shù)，也是簡(jiǎn)化的分布式編程模式，適合用來處理大量數(shù)據(jù)的分布式運(yùn)算，并用于解決問題的程序開發(fā)模型。

它的概念“Map(映射)”和“Reduce(化簡(jiǎn))”，和他們的主要思想，都是從函數(shù)式編程語(yǔ)言里借鑒來，具有從矢量編程語(yǔ)言里的特性。它方便了編程人員在不熟悉分布式并行編程的情況下，可將自己的程序運(yùn)行在分布式系統(tǒng)上。當(dāng)前的軟件實(shí)現(xiàn)是指定一個(gè)Map(映射)函數(shù)，用來把一組鍵值對(duì)映射成一組新的鍵值對(duì)，指定并發(fā)的Reduce函數(shù)，用來保證所有映射的鍵值對(duì)中的每一個(gè)共享相同的鍵組。

2.2.2 Hadoop架構(gòu)

在Google發(fā)表MapReduce后，2004年開源社群用Java搭建出一套Hadoop框架，用于實(shí)現(xiàn)MapReduce算法。該框架能夠把應(yīng)用程序分割成許多很小的工作單元，每個(gè)單元可以在任何集群節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行或重復(fù)執(zhí)行。此外，Hadoop還提供一個(gè)分布式文件系統(tǒng)GFS(Google File System)，是一個(gè)可擴(kuò)展、結(jié)構(gòu)化、具備日志的分布式文件系統(tǒng)，支持大型、分布式大數(shù)據(jù)量的讀寫操作，其容錯(cuò)性較強(qiáng)。而分布式數(shù)據(jù)庫(kù)(BigTable)是一個(gè)有序、稀疏、多維度的映射表，有良好的伸縮性和高可用性，用來將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或部署到各個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)上。Hadoop框架具有高容錯(cuò)性及對(duì)數(shù)據(jù)讀寫的高吞吐率，能自動(dòng)處理失敗節(jié)點(diǎn)，圖2所示為Google Hadoop架構(gòu)。

圖2 Hadoop架構(gòu)

運(yùn)用以上技術(shù)可以在大量廉價(jià)的硬件設(shè)備組成的集群上運(yùn)行應(yīng)用程序，為應(yīng)用程序提供一種可靠的接口，構(gòu)建了一個(gè)高可靠性、高效率以及良好擴(kuò)展性的分布式平臺(tái)。

2.2.3 Android系統(tǒng)

Android系統(tǒng)是Google于2007年11月5日宣布的基于Linux平臺(tái)的開源手機(jī)操作系統(tǒng)的名稱。Android是一個(gè)開放、自由的移動(dòng)終端平臺(tái)。Android平臺(tái)由操作系統(tǒng)、中間件、用戶界面、應(yīng)用軟件組成。開發(fā)人員在該平臺(tái)開發(fā)的應(yīng)用程序，是使用Java語(yǔ)言編寫的在Dalvik虛擬機(jī)上運(yùn)行的。Android平臺(tái)的架構(gòu)從上到下包含5個(gè)部分:應(yīng)用程序、應(yīng)用框架、開發(fā)庫(kù)、Android運(yùn)行時(shí)環(huán)境以及Linux內(nèi)核。編程人員可以利用Android的開源特性以極低的成本，便捷快速地開發(fā)出高效的移動(dòng)平臺(tái)客戶端。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工廠信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要向信息化、智能化、功能化的方向發(fā)展，現(xiàn)有的工廠信息監(jiān)測(cè)模式不能適應(yīng)工廠的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的紙質(zhì)表格不僅增加了使用成本、消耗了資源、降低了效率較低。而且增加了問題的響應(yīng)時(shí)間，導(dǎo)致管理人員不能及時(shí)了解工廠設(shè)備的實(shí)時(shí)信息。云計(jì)算的使用，使得工廠信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)向先進(jìn)的方向發(fā)展，各種儀器設(shè)備的海量數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)進(jìn)行處理分析，同時(shí)管理人員也可以根據(jù)工廠的實(shí)際需要變更客戶端的功能，及時(shí)與客戶端進(jìn)行信息傳遞，極大地提高了工作效率，提升了工廠的現(xiàn)代化水平。系統(tǒng)的擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)也便于日后進(jìn)行升級(jí)，有效避免了資源與投資的浪費(fèi)。

3.1 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

工廠信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般分為3層:第一層為整個(gè)廠區(qū)主站系統(tǒng)，為所有車間提供相關(guān)的管理服務(wù);第二層為各個(gè)車間的主站系統(tǒng)，對(duì)收集到的各車間現(xiàn)場(chǎng)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)管理檢測(cè)服務(wù);第三層為監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的點(diǎn)檢系統(tǒng)，為整個(gè)系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)管理檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的視頻及監(jiān)控設(shè)備，提供檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的圖像和環(huán)境信息，記錄各生產(chǎn)設(shè)備的各種儀表數(shù)據(jù)等。管理人員在監(jiān)控工作站，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工作現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)、圖像及檢測(cè)內(nèi)容的監(jiān)控及管理。總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 工廠信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 實(shí)現(xiàn)服務(wù)

軟件平臺(tái)的核心是通過分布式云計(jì)算的計(jì)算方式，使數(shù)據(jù)監(jiān)控更簡(jiǎn)單、直觀、智能，提高工廠管理效率、降低成本、提升產(chǎn)品質(zhì)量?；谠朴?jì)算服務(wù)器端使用Linux操作系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)采用開源的Hadoop軟件框架，使用并行計(jì)算編程模型，實(shí)現(xiàn)海量工廠數(shù)據(jù)的記錄、智能分析、實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能［5］。

圖4 云計(jì)算實(shí)現(xiàn)機(jī)制

通過云計(jì)算的體系結(jié)構(gòu)，主要實(shí)現(xiàn)以下幾種服務(wù):

(1)管理服務(wù)。系統(tǒng)的管理者可以通過系統(tǒng)的管理模塊管理和分配任務(wù)給用戶端，合理安排工作，便于管理。用戶通過Android平板上的應(yīng)用訪問云，獲取任務(wù)。

(2)交互服務(wù)。允許用戶從菜單中選擇并調(diào)用一個(gè)功能，請(qǐng)求會(huì)傳遞到云端，云端會(huì)為用戶分配需要的功能及資源，同時(shí)獲取用戶的使用情況。

(3)信息監(jiān)測(cè)服務(wù)。用戶通過Android平板上的應(yīng)用進(jìn)行工廠信息檢測(cè)收集，完成后將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)、圖像、視頻等上傳到云端，云端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分析保存。

(4)信息管理。云端可以對(duì)監(jiān)測(cè)到的信息進(jìn)行智能分析處理，制作圖表，使管理者可以系統(tǒng)性的了解工廠的各條生產(chǎn)線各個(gè)機(jī)器的狀態(tài)，合理分配資源，制定生產(chǎn)計(jì)劃。

管理者通過Web服務(wù)的方式在外部登錄系統(tǒng)，可以在定制的界面中，實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠數(shù)據(jù)及設(shè)備狀態(tài)的檢測(cè)，各類圖像圖表的查閱以及獲得系統(tǒng)智能數(shù)據(jù)分析的結(jié)果。

4 結(jié)論及展望

對(duì)云計(jì)算在工廠管理中的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了論述，設(shè)計(jì)了一種基于云計(jì)算的工廠信息監(jiān)控系統(tǒng)。文中從云計(jì)算的架構(gòu)開始分析，結(jié)合工廠實(shí)際情況闡述了系統(tǒng)的架構(gòu)以及業(yè)務(wù)流程。通過比較分析，進(jìn)一步證明該系統(tǒng)具有一定優(yōu)勢(shì)。在今后的研究中將進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與資源管理方式。通過對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，可以結(jié)合云計(jì)算的各種優(yōu)點(diǎn)推廣到各個(gè)行業(yè)，開拓云計(jì)算的應(yīng)用范圍。

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