張憲民，薛棟棟，鄭家和，李 海

（華南理工大學(xué)廣東省精密裝備與制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510641）

0 引言

隨著“工業(yè)4.0”與“中國(guó)制造2025規(guī)劃”的提出，制造業(yè)開始向智能制造轉(zhuǎn)型[1-2]。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是第四次工業(yè)革命的表現(xiàn)形式[3]，一個(gè)完整的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)從下至上可以分為智能感知層、互聯(lián)互通層與智能決策層3 個(gè)層級(jí)[4]。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在各種不同的設(shè)備，除了用于加工制造過程，還提供了豐富的數(shù)據(jù)；但這些設(shè)備通信方式多樣，語義信息不一，因此產(chǎn)生的多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)無法得到利用，形成了“信息孤島”[5]?；ヂ?lián)互通層的作用正是提供統(tǒng)一語義的通信方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)多元異構(gòu)數(shù)據(jù)的傳輸與解析，打通數(shù)據(jù)鏈，從而實(shí)現(xiàn)制造資源向智能化轉(zhuǎn)變，使制造過程中的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)得到有效利用[6-7]。只有實(shí)現(xiàn)了各設(shè)備與各系統(tǒng)的互聯(lián)互通，使接口標(biāo)準(zhǔn)化，信息交互簡(jiǎn)便化，才能進(jìn)一步地運(yùn)用孿生車間[8]、深度學(xué)習(xí)[9]、邊緣計(jì)算[10]等技術(shù)實(shí)現(xiàn)物理世界數(shù)字化、制造數(shù)據(jù)信息化、制造過程智能化，最終實(shí)現(xiàn)智能制造。

OPC UA（Object Linking and Embedding for Pro?cess Control Unified Architecture）是用于實(shí)現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通的一種標(biāo)準(zhǔn)化的、完全開放的通訊協(xié)議，已經(jīng)被德國(guó)機(jī)械及制造商協(xié)會(huì)（VDMA）指定為工業(yè)4.0通信的推薦規(guī)范[11]。OPC UA為多元異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集和傳輸提供了技術(shù)方案。對(duì)應(yīng)ISO/OSI七層模型，如圖1 所示，OPC UA 為應(yīng)用于應(yīng)用層的通訊協(xié)議，其余層次的通訊協(xié)議可以如圖所示。

本文以智能制造互聯(lián)互通研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)OPC UA 為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)OPC UA 技術(shù)進(jìn)行了介紹，包括OPC UA 的發(fā)展歷程及其技術(shù)特點(diǎn)；其次講述了OPC UA 信息建模和OPC UA 應(yīng)用的開發(fā)流程，介紹了現(xiàn)階段OPC UA技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用情況；然后分析了應(yīng)用OPC UA技術(shù)時(shí)存在的問題；最后展望了OPC UA 技術(shù)相關(guān)研究的進(jìn)展。本文為OPC UA 技術(shù)的應(yīng)用和研究提供了參考。

圖1 ISO/OSI七層模型

1 OPC UA介紹

1.1 OPC UA技術(shù)發(fā)展歷程

1995 年，OPC（Object Linking and Embedding for Process Control）技術(shù)由OPC 基金會(huì)提出[12]，是微軟公司OLE技術(shù)在過程控制中的應(yīng)用，提供了3個(gè)OPC規(guī)范：數(shù)據(jù)訪問（DA）、報(bào)警和事件（A&E）、歷史數(shù)據(jù)訪問（HDA），廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化行業(yè)中。但OPC 技術(shù)存在一系列的問題，如對(duì)Windows 的依賴性、安全性不足、各服務(wù)器相互獨(dú)立等問題[13]。隨后，推出的OPC 可擴(kuò)展標(biāo)記語言-數(shù)據(jù)訪問（XML-DA）是平臺(tái)無關(guān)的OPC 規(guī)范，可用于網(wǎng)絡(luò)通信，但高資源消耗帶來有限的性能提升，實(shí)時(shí)性較差，且安全性方面的問題未能解決[14]。2006年，又推出了OPC UA（Unified Architecture）通信規(guī)范[15]，是對(duì)OPC 的繼承與升級(jí)，解決了OPC 技術(shù)在跨平臺(tái)、安全性、建模能力方面的不足[16]。由于OPC UA 強(qiáng)大的信息建模能力，OPC UA技術(shù)得到了眾多行業(yè)應(yīng)用的關(guān)注，出現(xiàn)了許多伴隨行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如PLCopen發(fā)布了OPC UA相關(guān)的技術(shù)規(guī)范用于運(yùn)動(dòng)控制[17]。

1.2 OPC UA技術(shù)特點(diǎn)

（1）訪問的統(tǒng)一性。OPC UA 將OPC 技術(shù)中的DA、A&E、HDA 及各種命令集合在一起，形成地址空間，客戶端只需要一次訪問，即可獲得所有的信息[18]。

（2）面向服務(wù)架構(gòu)（SOA）。應(yīng)用程序通過標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)進(jìn)行聯(lián)系，服務(wù)是中立的，獨(dú)立于硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)和編程語言[19]。因此，OPC UA 可以使用C++、C#、java 等各種語言開發(fā)，并可以在Win?dows、Linux、Unix 等平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)[20]。另外，OPC UA 標(biāo)準(zhǔn)定義了10 類37 種標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)，如建立會(huì)話、瀏覽、調(diào)用方法等。

（3）高性能通信。通過單一的端口進(jìn)行通信，減少了配置的時(shí)間，通過通信棧進(jìn)行數(shù)據(jù)的編碼、加密和傳輸，通信速度較快。

（4）安全性。OPC UA使用標(biāo)準(zhǔn)安全模型保證安全性，底層提供加密和安全通道，主要通過非對(duì)稱加密方式和X.509證書保證安全性[21]，其身份認(rèn)證機(jī)制能有效地防御網(wǎng)絡(luò)中的惡意攻擊[22]，保證安全可靠的通信。

（5）可靠性與冗余性。采用冗余校驗(yàn)技術(shù)，具備對(duì)錯(cuò)誤的自動(dòng)檢查與糾正能力。

（6）C/S與Pub/Sub實(shí)現(xiàn)機(jī)制。OPC UA提供了兩種不同的實(shí)現(xiàn)機(jī)制：一種為主要基于TCP 的客戶端/服務(wù)器模型（C/S），一種為主要基于UDP 的發(fā)布者/訂閱者模型（Pub/Sub）。不同的實(shí)現(xiàn)機(jī)制應(yīng)用于不用的場(chǎng)景。

（7）面向?qū)ο蠼?。OPC UA具備強(qiáng)大的建模能力[23]，采用面向?qū)ο笏枷脒M(jìn)行信息建模，在元模型的基礎(chǔ)上可以建立靈活的信息模型。

對(duì)于制造過程中的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，使用具有眾多優(yōu)越性的OPC UA技術(shù)進(jìn)行傳輸和解析，可以使多元異構(gòu)數(shù)據(jù)得到利用，有利于設(shè)備及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。

2 OPC UA應(yīng)用和研究

2.1 信息建模

信息建模是工業(yè)4.0中的一個(gè)關(guān)鍵因素，代表數(shù)據(jù)的意義與對(duì)數(shù)據(jù)的描述，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的關(guān)鍵即為建立標(biāo)準(zhǔn)化的信息模型[24]。在建立信息模型方面有多種體系，如OPC UA、UML、CIM-OSA[25]等。王民等[26]對(duì)幾種信息建模方式進(jìn)行了對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)基于OPC UA的信息建模具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

在OPC UA 技術(shù)中，信息模型包含在OPC UA 服務(wù)器的地址空間中，完全互聯(lián)并以圖拓?fù)涑尸F(xiàn)，有利用實(shí)現(xiàn)訪問的統(tǒng)一性。在地址空間中，節(jié)點(diǎn)為基本單位，而節(jié)點(diǎn)是由屬性和引用兩部分組成，屬性用于描述特定節(jié)點(diǎn)，引用代表兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)，通過引用形成了地址空間的層次結(jié)構(gòu)。在OPC UA 的地址空間中，總共有8 種類型的節(jié)點(diǎn)，分別為數(shù)據(jù)類型節(jié)點(diǎn)、變量節(jié)點(diǎn)、變量類型節(jié)點(diǎn)、對(duì)象節(jié)點(diǎn)、對(duì)象類型節(jié)點(diǎn)、方法節(jié)點(diǎn)、視圖節(jié)點(diǎn)、參考類型節(jié)點(diǎn)，各種類型節(jié)點(diǎn)的語義及關(guān)系如圖2 所示。OPC UA 標(biāo)準(zhǔn)元模型預(yù)定義了很多標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)類型、變量類型、對(duì)象類型與參考類型，如表示屬性的變量類型PropertyType、表示基本事件類型的對(duì)象類型BaseEventType、表示組織層次結(jié)構(gòu)的參考類型Orga?nizes等。另外，OPC UA還提供了對(duì)元模型進(jìn)行擴(kuò)展的自由度，客戶端可以可以自動(dòng)識(shí)別自定義類型的語義，如自定義枚舉數(shù)據(jù)類型MachineStatus 表示系統(tǒng)狀態(tài)、自定義對(duì)象類型SCARAType 表示對(duì)SCARA設(shè)備的抽象等，通過這些操作可以豐富語義，更加靈活地建立信息模型。OPC UA信息建模是面向?qū)ο筮M(jìn)行建模的，對(duì)象類型節(jié)點(diǎn)與對(duì)象節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于類與類的實(shí)例化，部分參考類型也可以以面向?qū)ο蟮乃枷肜斫猓鏗asSubType 參考類型相當(dāng)于繼承，Has?Component相當(dāng)于類中的變量與方法等。此外，事件是處理信息鴻溝的重要方法之一[27]，事件提供了相比一般數(shù)據(jù)更多的信息，代表特定事件發(fā)生，可用于設(shè)置通知和報(bào)警。最后，OPC 基金會(huì)定義了各種節(jié)點(diǎn)類型及參考類型的圖形化表示方法[28]，可以使用代表特定語義的圖形畫出人類易讀信息模型圖。

圖2 OPC UA地址空間中8種類型節(jié)點(diǎn)

基于OPC UA的信息建模對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合與解析具有非常重要的意義。因此，在制造工廠對(duì)各種設(shè)備與系統(tǒng)建立合理且完整的信息模型，使同一種類型的設(shè)備與系統(tǒng)對(duì)外呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的接口，實(shí)現(xiàn)語義的統(tǒng)一，是實(shí)現(xiàn)智能制造互聯(lián)互通的首要工作。

2.2 應(yīng)用開發(fā)

首先，對(duì)目標(biāo)將應(yīng)用OPC UA功能的設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行分析。觀察設(shè)備或系統(tǒng)的使用場(chǎng)景，看其是應(yīng)用于設(shè)備級(jí)、車間級(jí)或企業(yè)級(jí)，分析其組成元素和包含的異構(gòu)數(shù)據(jù)，確定需要實(shí)現(xiàn)的功能。

其次，建立設(shè)備或系統(tǒng)的信息模型。查看是否存在適用的行業(yè)伴隨模型，如建立車間機(jī)床信息模型可以參考我國(guó)于2019年發(fā)布的《數(shù)字化車間機(jī)床制造信息模型》（GB/T 37928-2019）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[29]。如果沒有行業(yè)伴隨模型參考，則需要對(duì)實(shí)際的設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行抽象，建立標(biāo)準(zhǔn)化的信息模型，實(shí)現(xiàn)從物理空間到虛擬空間的映射。信息模型可以輸出為XML文件以便重復(fù)使用。

然后，選擇使用的OPC UA開發(fā)庫(kù)。當(dāng)開發(fā)OPC UA服務(wù)器或客戶端時(shí)，一般不會(huì)從標(biāo)準(zhǔn)讀起，從零開始進(jìn)行自主研發(fā)，而是會(huì)使用開源庫(kù)或者商業(yè)庫(kù)進(jìn)行開發(fā)。常用的OPC UA 開源庫(kù)有open62541 庫(kù)，商業(yè)庫(kù)有Unified Automation、Prosys 等公司提供的OPC UA SDK[28]。一些工業(yè)軟件也實(shí)現(xiàn)了OPC UA 功能，可以直接創(chuàng)建OPC UA服務(wù)器和客戶端，如Lab?view[30]、Kepware[31]。選擇一個(gè)合適的開發(fā)方式能大大地節(jié)省工作量，可以根據(jù)開發(fā)語言、操作系統(tǒng)、所需要的功能、性能等各方面的因素選擇合適的OPC UA開發(fā)包。

最后，在設(shè)備或系統(tǒng)中開發(fā)OPC UA服務(wù)器實(shí)現(xiàn)信息模型的實(shí)例化。通過節(jié)點(diǎn)映射關(guān)系、數(shù)據(jù)采集策略、數(shù)據(jù)緩存策略實(shí)現(xiàn)對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)源的綁定，并綁定方法，設(shè)置事件與報(bào)警、歷史訪問、訪問安全[32]等功能，運(yùn)行OPC UA 服務(wù)器。對(duì)于缺乏軟件接口而又需要獲取的數(shù)據(jù)，可以通過增加傳感器以采集數(shù)據(jù)。對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)眾多的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議及私有協(xié)議，進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為OPC UA通訊協(xié)議，使對(duì)外呈現(xiàn)統(tǒng)一的接口如圖3 所示。搭建完OPC UA 服務(wù)器后，在需要使用數(shù)據(jù)的位置建立OPC UA 客戶端，通過OPC UA的編碼格式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

圖3 協(xié)議轉(zhuǎn)換

2.3 應(yīng)用案例

OPC UA作為具有巨大優(yōu)越性的通訊協(xié)議，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。德國(guó)倍福公司于2010 年5 月開發(fā)了支持OPC UA 的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)，是OPC UA 在工控領(lǐng)域的第一次成功應(yīng)用[33]，西門子，艾默生等公司的產(chǎn)品也開始支持OPC UA通訊[28]。

在我國(guó)，2017 年9 月GB/T 33863.1～.8-2017《OPC統(tǒng)一架構(gòu)》前8個(gè)部分發(fā)布，OPC UA技術(shù)在我國(guó)也得到越來越廣泛的應(yīng)用，包括針織領(lǐng)域[34]、發(fā)酵行業(yè)[35]、船舶集成平臺(tái)[36]、盾構(gòu)機(jī)[37]、煤礦監(jiān)控[38]、地鐵監(jiān)控[39]等各種領(lǐng)域。在制造車間的應(yīng)用與研究是最多的，包括染整車間[40]、印刷車間[41]、模具裝備制造車間[42]等。制造車間中最重要的兩個(gè)部分即為機(jī)床與機(jī)器人，在機(jī)床方面，對(duì)西門子數(shù)控機(jī)床[43-44]、國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床[45]、塑性成形機(jī)床[46]，軋輥磨床[47]等有對(duì)OPC UA接口的應(yīng)用與開發(fā)研究；機(jī)器人方面，有應(yīng)用OPC UA技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS上開發(fā)機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)的研究[48]，也有針對(duì)特定類型的機(jī)器人如SCARA[49]及特定公司的機(jī)器人如FANUC 機(jī)器人[50]上監(jiān)控系統(tǒng)的研究。

3 存在的問題

OPC UA已經(jīng)得到充足的應(yīng)用，但當(dāng)前仍存在一些問題需要解決，主要包括以下幾個(gè)方面。

（1）設(shè)備與系統(tǒng)的升級(jí)。使用OPC UA技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與系統(tǒng)的互聯(lián)互通能帶來巨大的優(yōu)勢(shì)，但各種制造工廠已經(jīng)存在大量設(shè)備與產(chǎn)線，新的數(shù)字化車間、智能設(shè)備在制造業(yè)中所占的比例較小?，F(xiàn)有的設(shè)備不可能完全舍棄，只能在維護(hù)現(xiàn)有設(shè)備與系統(tǒng)的同時(shí)進(jìn)行逐步的改造與升級(jí)。然而，現(xiàn)實(shí)中的設(shè)備的壽命周期較長(zhǎng)，如美國(guó)生產(chǎn)線的平均壽命程度為22年[51]，而不同行業(yè)的設(shè)備的壽命也不盡相同[52]。因此，對(duì)所有的設(shè)備與系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)換代，使得制造工廠中的所有設(shè)備與系統(tǒng)均支持OPC UA通訊協(xié)議是一項(xiàng)任重而道遠(yuǎn)的工作。

（2）標(biāo)準(zhǔn)化信息模型的建立。只有建立了各行各業(yè)中標(biāo)準(zhǔn)化的信息模型，實(shí)現(xiàn)語義的統(tǒng)一，才能實(shí)現(xiàn)真正的即插即用。但目前大部分自動(dòng)化行業(yè)尚未建立標(biāo)準(zhǔn)化的OPC UA信息模型供設(shè)備制造商參考與使用，不同的設(shè)備制造商對(duì)相同的設(shè)備使用不同的信息模型顯然與建立信息模型的初衷相悖。

（3）實(shí)時(shí)性問題。目前OPC UA相關(guān)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)機(jī)制基本采用了客戶端/服務(wù)器（C/S）架構(gòu)。該架構(gòu)在傳輸層的基本通訊協(xié)議主要為TCP 通訊協(xié)議，因此，具備序列號(hào)、確認(rèn)應(yīng)答機(jī)制、超時(shí)重傳等保證可靠性的機(jī)制，同時(shí)這些機(jī)制也導(dǎo)致了無法保證實(shí)時(shí)性。另外，制造現(xiàn)場(chǎng)所需要傳輸與解析的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)成倍增加，OPC UA服務(wù)器中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量在不斷增多，當(dāng)多個(gè)OPC UA 客戶端同時(shí)連接OPC UA 服務(wù)器傳輸大量數(shù)據(jù)時(shí)，資源開銷巨大，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求增高，實(shí)時(shí)性愈加無法保證。

（4）跨網(wǎng)絡(luò)問題?，F(xiàn)今，自動(dòng)化金字塔的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代智能制造的需求，設(shè)備及系統(tǒng)不僅需要縱向的上位機(jī)與下位機(jī)間的通信，還需要設(shè)備與設(shè)備、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互，即橫向的通信；另外，云計(jì)算、孿生車間等技術(shù)需要云平臺(tái)直接連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，即跨層級(jí)的任意的聯(lián)通。當(dāng)前大部分的研究應(yīng)用都是基于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)下的互聯(lián)，而不同的設(shè)備或系統(tǒng)可能位于不同網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用OPC UA技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨局域網(wǎng)的安全可靠且實(shí)時(shí)性較高的互聯(lián)互通仍是需要解決的問題。

（5）嵌入式系統(tǒng)中的OPC UA。生活中嵌入式系統(tǒng)無處不在，家用電器如咖啡機(jī)及生活用品如智能手表均為嵌入式系統(tǒng)，在工業(yè)制造中常用的傳感器也為嵌入式系統(tǒng)。嵌入式平臺(tái)可以認(rèn)為是用于實(shí)現(xiàn)某特定系統(tǒng)的控制與調(diào)節(jié)的計(jì)算平臺(tái)，且大部分嵌入式系統(tǒng)計(jì)算能力相對(duì)較弱[53]。當(dāng)前制造車間中，控制器與嵌入式系統(tǒng)之間需要更加頻繁的通信，系統(tǒng)可能需要與云平臺(tái)直接通信，系統(tǒng)需要開放更多的功能，而新的技術(shù)如物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算的出現(xiàn)為嵌入式系統(tǒng)的多邊通信提供了可能性[54-55]，但仍需要解決最重要的通信問題。OPC UA即為解決嵌入式系統(tǒng)通信問題的合適的技術(shù)，但當(dāng)嵌入式平臺(tái)的代碼容量很小時(shí)，OPC UA技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用就變得很困難[56]。在國(guó)外，小型設(shè)備及傳感器的嵌入式系統(tǒng)上開發(fā)OPC UA服務(wù)已經(jīng)有了大量的研究[57]，Unified Automa?tion 公司已經(jīng)提供了針對(duì)小型設(shè)備的OPC UA 軟件解決方案[28]，而國(guó)內(nèi)相關(guān)的研究極少。

4 OPC UA研究展望

4.1 發(fā)布者/訂閱者架構(gòu)

為了解決傳統(tǒng)的C/S實(shí)現(xiàn)機(jī)制因?yàn)閷?shí)時(shí)性、資源受限而導(dǎo)致的OPC UA 通訊效率收到制約的問題[58]，OPC 基金會(huì)于2018 年發(fā)布了發(fā)布者/訂閱者（Pub/Sub）規(guī)范[59]。C/S 架構(gòu)與Pub/Sub 架構(gòu)的對(duì)比如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)相比C/S 架構(gòu)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊方式，Pub/Sub 采用組播式通訊，信息的傳遞通過消息中間件（MOM）完成[60]，發(fā)布者按照一定規(guī)則發(fā)布數(shù)據(jù)，訂閱者接收數(shù)據(jù)。發(fā)布者與訂閱者之間互為透明，可以動(dòng)態(tài)地改變發(fā)布者和訂閱者的數(shù)量。另外，發(fā)布者發(fā)布消息時(shí)，即使訂閱者斷開連接也能完成消息發(fā)布，從而實(shí)現(xiàn)了發(fā)布者與訂閱者之間的解耦。

圖4 C/S架構(gòu)與Pub/Sub架構(gòu)

為了使信息在來自不同廠商的發(fā)布者和訂閱者之間的自由傳遞，在MOM模型的基礎(chǔ)上開發(fā)了多種協(xié)議，其中使用最為廣泛的方案是高級(jí)消息隊(duì)列協(xié)議（AMQP）和消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（MQTT）。其中，AMQP 提供了更多安全方面的功能[61-62]，MQTT 則需要消耗的資源更少，適用于硬件資源受限的情況[63-64]。

Pub/Sub 的OPC UA 實(shí)現(xiàn)機(jī)制可用于制造車間中實(shí)現(xiàn)橫向的互聯(lián)互通，同一產(chǎn)線中不同設(shè)備間的互相通信對(duì)工序協(xié)同、故障避免等具有重要意義。另外，Pub/Sub 結(jié)合AMQP 與MQTT 技術(shù)，為設(shè)備上云提供了支持。作為OPC UA 較新內(nèi)容，Pub/Sub 未來將會(huì)得到更多的研究與更廣泛的應(yīng)用。

4.2 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)

OPC UA無法保證數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的實(shí)時(shí)性，限制了OPC UA 的使用場(chǎng)合，由此，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）結(jié)合OPC UA 應(yīng)運(yùn)而生[65]。TSN 是對(duì)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展，工作在ISO/OSI七層模型中的數(shù)據(jù)鏈路層，提供了3 個(gè)核心功能：時(shí)間同步、流量調(diào)度以及系統(tǒng)配置[66]。OPC UA 與TSN 結(jié)合可以顯著提升實(shí)時(shí)性，設(shè)備或系統(tǒng)響應(yīng)更加迅速；對(duì)底層的大量數(shù)據(jù)，TSN能有效減輕傳輸時(shí)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。目前，針對(duì)OPC UA與TSN相結(jié)合的研究與應(yīng)用已經(jīng)得到了一定的進(jìn)展，各芯片制造商與設(shè)備制造商紛紛提出TSN 解決方案[67]，Julius P 等[68]提出了一種基于open62541 的OPC UA Pub/Sub 結(jié)合TSN 的方法，多家國(guó)際組織和知名廠商聯(lián)合發(fā)布了OPC UA TSN 智能制造測(cè)試床[69]。TSN 與OPC UA組合應(yīng)用具有很好的應(yīng)用前景。

4.3 其他方面研究展望

針對(duì)上文中提到的當(dāng)前OPC UA應(yīng)用時(shí)存在的問題，未來將會(huì)不斷地有相關(guān)的研究，如不斷地建立應(yīng)用于各行各業(yè)中的基于OPC UA的信息模型、在各種嵌入式系統(tǒng)加入OPC UA通訊功能等。其次，當(dāng)前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)存在大量的通訊協(xié)議，協(xié)議轉(zhuǎn)換中間件的開發(fā)具有一定的必要性，如ModbusTCP 協(xié)議的OPC UA 中間件[70]。數(shù)據(jù)的安全問題是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的巨大隱患，對(duì)OPC UA安全機(jī)制的進(jìn)一步研究，如應(yīng)用于移動(dòng)終端的身份認(rèn)證方法[71]、更加優(yōu)越的加密方法[72]等具有很強(qiáng)的研究?jī)r(jià)值。最后，如今各種新的技術(shù)不斷出現(xiàn)，云架構(gòu)[73]、5G[74]與OPC UA 技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行應(yīng)用也應(yīng)該得到關(guān)注。

5 結(jié)束語

隨著信息時(shí)代的到來，人們對(duì)信息共享的需求越來越高，也促使著制造工廠向智能制造的方向發(fā)展。OPC UA技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)智能制造中互聯(lián)互通的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)制造現(xiàn)場(chǎng)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，其不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高效的傳輸，還能通過信息建模實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)語義的統(tǒng)一，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的解析。通過OPC UA技術(shù)，來自不同廠家的設(shè)備可以通過標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)入口直接相互聯(lián)通，實(shí)現(xiàn)即插即用。OPC UA是一種面向未來的工業(yè)通信技術(shù)，面對(duì)當(dāng)前制造業(yè)轉(zhuǎn)型的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，應(yīng)該對(duì)OPC UA 技術(shù)予以高度重視，關(guān)注其應(yīng)用與發(fā)展。