摘要：針對智能擰緊系統(tǒng)無線傳輸難題，本研究成功研發(fā)了安全無線擰緊控制系統(tǒng)，攻克了適配器、控制終端和接收模塊設(shè)計(jì)，建立了與上游系統(tǒng)的通信鏈路，確保任務(wù)與數(shù)據(jù)的安全無線傳輸。這一成果為制造企業(yè)帶來新思路和技術(shù)支持，提升了生產(chǎn)效率與信息安全水平。

關(guān)鍵詞：智能擰緊系統(tǒng)；安全無線環(huán)境；安全無線擰緊控制系統(tǒng)

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.08.001

中圖分類號：TP 391" " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2024）08-000-03

Research on Intelligent Tightening System in Secure Wireless Environment

HUANG Jing， CHEN Weihai

（Capital Aerospace Machinery Co.， Ltd.， Beijing 100076， China）

Abstract： In response to the challenge of wireless transmission in intelligent tightening systems， This research successfully developed a safe wireless tightening control system， overcoming the design of adapters， control terminals， and receiving modules， and establishing a communication link with upstream systems to ensure secure wireless transmission of tasks and data. This achievement brings new ideas and technical support to manufacturing enterprises， enhancing production efficiency and information security levels.

Keywords： intelligent tightening system; secure wireless environment; secure wireless tightening control system

0" "引言

無線局域網(wǎng)因其覆蓋廣泛、擴(kuò)展靈活、接入便捷等優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，滿足泛在互聯(lián)網(wǎng)的需求[1]。然而，其空口特殊性帶來的數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)攻擊等安全風(fēng)險(xiǎn)，一定程度上阻礙了各行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和新型智能化業(yè)務(wù)的探索[2]。為確保信息安全，制造企業(yè)傾向于采用安全無線局域網(wǎng)，作為無線傳輸鏈路的承載網(wǎng)，結(jié)合安全設(shè)施，保障用戶信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩訹3-4]。隨著信息安全需求日益增長，如何在安全無線環(huán)境下實(shí)現(xiàn)有效作業(yè)成為挑戰(zhàn)。本研究旨在探討安全無線環(huán)境下智能擰緊系統(tǒng)的構(gòu)建，分析安全無線通信的重要性與系統(tǒng)構(gòu)成，討論建設(shè)方案，以期提升制造企業(yè)在安全無線環(huán)境下的作業(yè)與管理效率，保障生產(chǎn)質(zhì)量與數(shù)據(jù)安全。

1" "現(xiàn)有技術(shù)概述

1.1 安全無線通信系統(tǒng)

（1）系統(tǒng)的重要性。管理部門對車間無線局域網(wǎng)建設(shè)提出了相關(guān)要求，明確了車間工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的無線通信需采用安全無線通信技術(shù)的工作方針，規(guī)范應(yīng)用場景，推動(dòng)企業(yè)信息化建設(shè)向更加安全可靠的方向發(fā)展。在信息安全方面，制造企業(yè)涉及相關(guān)生產(chǎn)作業(yè)信息，不應(yīng)被未經(jīng)授權(quán)的人員獲取。安全無線通信系統(tǒng)可以提供加密傳輸和認(rèn)證機(jī)制，應(yīng)用安全無線設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對核心設(shè)施和設(shè)備的控制與監(jiān)控，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問和干擾，保障通信內(nèi)容的安全性。在生產(chǎn)及管理效率方面，制造企業(yè)任務(wù)信息與質(zhì)量信息傳遞往往需要實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸和指揮調(diào)度。通過安全無線通信系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的指令傳達(dá)，提高作業(yè)與管理效率。

（2）系統(tǒng)組成。安全無線通信系統(tǒng)由安全無線管理系統(tǒng)、訪問控制設(shè)備、安全接入網(wǎng)關(guān)、安全接入模塊、無線探針構(gòu)成：一是安全無線管理系統(tǒng)：安全無線系統(tǒng)的核心組成部分之一，用于對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行安全管理和監(jiān)控。包含對無線設(shè)備的管理、密鑰管理、安全策略的制定和實(shí)施等功能，確保系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。二是訪問控制設(shè)備：用于控制無線設(shè)備的接入權(quán)限，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的安全策略，對用戶或設(shè)備進(jìn)行身份認(rèn)證和授權(quán)，防止未經(jīng)授權(quán)的設(shè)備接入系統(tǒng)，保障系統(tǒng)的安全性。三是安全接入網(wǎng)關(guān)：作為無線設(shè)備與有線網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁，用于無線數(shù)據(jù)與有線數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，并進(jìn)行加解密和認(rèn)證處理，確保數(shù)據(jù)的安全傳輸和接入。四是安全接入模塊：安裝在無線設(shè)備上的安全組件，用于提供數(shù)據(jù)加解密和認(rèn)證功能，保護(hù)無線通信過程中的數(shù)據(jù)安全。五是無線探針：用于監(jiān)測無線信號和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，收集無線通信中的數(shù)據(jù)流量、信號強(qiáng)度、設(shè)備類型等信息，為網(wǎng)絡(luò)安全和穩(wěn)定保駕護(hù)航。

（3）系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路。系統(tǒng)配置前置，在安全無線管理系統(tǒng)中對訪問控制設(shè)備、安全接入網(wǎng)關(guān)、安全接入模塊、無線探針等安全保密設(shè)備進(jìn)行配置，是數(shù)據(jù)安全交互的基礎(chǔ)。對于數(shù)據(jù)下行鏈路，用戶終端通過訪問控制設(shè)備連通業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，通過選擇工藝文件相應(yīng)節(jié)點(diǎn)觸發(fā)作業(yè)指令。作業(yè)指令經(jīng)過安全接入網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換為加密無線信號，通過無線傳輸介質(zhì)傳遞至安全接入模塊。在安全接入模塊解密后傳遞至末端設(shè)備執(zhí)行任務(wù)。對于數(shù)據(jù)上行鏈路，末端設(shè)備將任務(wù)執(zhí)行數(shù)據(jù)傳遞至安全接入模塊，在其中加密后通過無線傳輸介質(zhì)傳遞至安全接入網(wǎng)關(guān)。在安全接入網(wǎng)關(guān)解密后傳遞至業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行存儲和判讀，用戶終端作為業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)前端可查看任務(wù)執(zhí)行結(jié)果及判讀結(jié)果。

1.2 無線智能擰緊系統(tǒng)

無線智能擰緊系統(tǒng)一般依靠數(shù)字信號/模擬信號進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向傳導(dǎo)，通過控制器進(jìn)行程序設(shè)置并傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在執(zhí)行作業(yè)時(shí)，控制器通過無線傳輸介質(zhì)聯(lián)通末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，后者執(zhí)行程序并采集傳感器實(shí)測數(shù)據(jù)在無線環(huán)境下自動(dòng)回傳至控制器，高效完成作業(yè)與數(shù)傳。該系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于汽車的裝配、機(jī)械設(shè)備的安裝、能源行業(yè)鋼結(jié)構(gòu)連接，為各行業(yè)裝配工作提供了高效、精準(zhǔn)和可靠的解決方案。

2" "現(xiàn)有技術(shù)的局限性

2.1 無線智能擰緊的數(shù)據(jù)安全問題

傳統(tǒng)的無線智能擰緊設(shè)備在數(shù)據(jù)傳輸過程中，由于其通信方式的開放性，往往容易遭受外部干擾。這種脆弱性導(dǎo)致了數(shù)據(jù)在傳輸過程中存在泄露或被惡意篡改的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而可能對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性造成嚴(yán)重影響。具體來說，未經(jīng)授權(quán)的人員可能利用技術(shù)手段截獲傳輸中的數(shù)據(jù)，造成信息的泄露，損害企業(yè)的信息安全。同時(shí)，外部環(huán)境中的電磁干擾等因素也可能干擾數(shù)據(jù)的正常傳輸，導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞或丟失，影響擰緊作業(yè)的準(zhǔn)確性和效率。因此，針對傳統(tǒng)無線智能擰緊設(shè)備在數(shù)據(jù)傳輸方面的安全隱患，研發(fā)更加安全、可靠的無線傳輸技術(shù)顯得尤為迫切，以保障制造過程的連續(xù)性和數(shù)據(jù)的安全性。

2.2 無線智能擰緊的通信干擾問題

在復(fù)雜多變的工作環(huán)境中，傳統(tǒng)無線智能擰緊設(shè)備在進(jìn)行無線通信時(shí)，往往會面臨諸多挑戰(zhàn)。由于其通信機(jī)制的局限性，這些設(shè)備可能容易受到周圍環(huán)境中電磁干擾的影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)不穩(wěn)定或中斷的情況。此外，其他無線設(shè)備的存在也可能產(chǎn)生信號干擾，進(jìn)一步影響數(shù)據(jù)的正常傳輸。這種數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟环€(wěn)定性不僅會降低擰緊作業(yè)的效率和準(zhǔn)確性，還可能對整體生產(chǎn)流程造成不利影響。因此，在復(fù)雜工作環(huán)境中，如何確保無線智能擰緊設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性和可靠性，成為了一個(gè)亟待解決的問題，需要尋求更加先進(jìn)和抗干擾的無線通信技術(shù)來加以應(yīng)對。

2.3 無線智能擰緊的數(shù)據(jù)完整性問題

傳統(tǒng)無線智能擰緊設(shè)備在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，面臨的一個(gè)顯著挑戰(zhàn)是無法確保數(shù)據(jù)傳輸過程中的完整性。由于技術(shù)限制，這些數(shù)據(jù)在傳輸途中可能遭遇丟失或被篡改的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而影響到系統(tǒng)對擰緊過程的準(zhǔn)確監(jiān)測和控制。這一問題對于追求高效、準(zhǔn)確、安全、可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹圃祛I(lǐng)域來說，顯然是一個(gè)不容忽視的短板。為了對標(biāo)這些嚴(yán)格的數(shù)據(jù)傳輸要求，要在傳統(tǒng)無線智能擰緊技術(shù)的應(yīng)用上尋求突破，引入更為先進(jìn)的安全無線技術(shù)。通過這樣的技術(shù)升級，可以顯著增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃裕M(jìn)而提升整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)用性和適用性。

3" "系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

本系統(tǒng)是一個(gè)軟硬件深度結(jié)合的綜合體系，其核心在于集成了先進(jìn)的安全無線通信硬件，實(shí)現(xiàn)了與智能擰緊扳手、智能擰緊槍這兩類關(guān)鍵工具的無縫對接。作為安全無線擰緊控制系統(tǒng)的核心組成部分，該系統(tǒng)不僅需具備接收擰緊調(diào)用指令、精準(zhǔn)執(zhí)行擰緊程序，并將執(zhí)行結(jié)果實(shí)時(shí)上傳的全方位功能，還應(yīng)確保生產(chǎn)數(shù)據(jù)與作業(yè)任務(wù)在傳輸過程中的閉環(huán)管理。這一設(shè)計(jì)旨在為數(shù)據(jù)安全提供堅(jiān)實(shí)保障，確保現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境在安全性、高效性和智能化水平上都得到顯著提升，進(jìn)而推動(dòng)制造過程向更加智能、安全、高效的方向發(fā)展。

3.2 系統(tǒng)構(gòu)建思路

對傳統(tǒng)無線智能擰緊系統(tǒng)進(jìn)行安全評估，以安全無線系統(tǒng)架構(gòu)為基礎(chǔ)，將智能擰緊控制部件置于訪問控制設(shè)備下游，用于接收、解析與傳遞來自業(yè)務(wù)系統(tǒng)的擰緊程序調(diào)用指令，在安全接入網(wǎng)關(guān)中進(jìn)行安全加密后在安全無線環(huán)境下向下游安全接入模塊推送，后者將調(diào)用指令解密并傳遞至執(zhí)行終端開展工作形成擰緊結(jié)果。擰緊結(jié)果經(jīng)過安全無線系統(tǒng)加解密后傳遞至智能擰緊控制部件，由后者向上游業(yè)務(wù)系統(tǒng)歸集。系統(tǒng)基于安全無線框架建設(shè)，可確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｃ苄耘c完整性，防止信息泄露和篡改。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)

（1）適配器設(shè)計(jì)技術(shù)。適配器作為智能擰緊控制部件的重要構(gòu)成元素，扮演著承上啟下的關(guān)鍵角色。它不僅需要與上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)建立緊密的聯(lián)系，還需要與下層的智能擰緊控制終端保持有效的連接。適配器的核心功能在于接收、解析并準(zhǔn)確傳遞擰緊程序的調(diào)用指令。為了確保這一過程的順暢進(jìn)行，適配器必須具備出色的數(shù)據(jù)解析能力和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)接收能力。同時(shí)，在設(shè)計(jì)適配器時(shí)，還需要充分考慮其與業(yè)務(wù)系統(tǒng)的通信協(xié)議兼容性，以確保整個(gè)智能擰緊控制系統(tǒng)能夠高效、穩(wěn)定地運(yùn)行，滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

（2）智能擰緊控制終端和擰緊接收模塊設(shè)計(jì)技術(shù)。智能擰緊控制終端作為智能擰緊控制部件的核心組成部分，其設(shè)計(jì)精巧且功能全面。它不僅與下層的安全無線網(wǎng)關(guān)緊密相連，還通過擰緊接收模塊與上層的安全接入模塊保持有效通信，同時(shí)與執(zhí)行終端形成緊密的聯(lián)系。這兩大組件的共同職責(zé)在于接收擰緊程序的調(diào)用指令以及處理擰緊作業(yè)的結(jié)果。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，它們必須集成先進(jìn)的擰緊控制算法和商業(yè)級的加解密規(guī)則，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴４送?，配備可靠的通信模塊是至關(guān)重要的，以確保與上下游部件之間能夠進(jìn)行高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)交互。

（3）安全實(shí)時(shí)通信技術(shù)。使用安全無線通信系統(tǒng)，包含安全無線管理系統(tǒng)、訪問控制設(shè)備、安全接入網(wǎng)關(guān)、安全接入模塊、無線探針等以確保數(shù)據(jù)的安全實(shí)時(shí)傳輸。在保證系統(tǒng)通信實(shí)時(shí)性的同時(shí)有效防止數(shù)據(jù)泄露和篡改。通信模塊應(yīng)采用安全的通信協(xié)議，以保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?；?yīng)考慮硬件性能和軟件算法優(yōu)化，以確保擰緊任務(wù)能夠及時(shí)下達(dá)與執(zhí)行，質(zhì)量數(shù)據(jù)能夠及時(shí)上傳。

3.4 實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建與驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室配置相關(guān)硬件，包含服務(wù)器、訪問控制設(shè)備、交換機(jī)、用戶終端、安全接入網(wǎng)關(guān)、安全接入模塊、智能擰緊控制部件、擰緊接入裝置、擰緊終端。

服務(wù)器部署有業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)與后端應(yīng)用服務(wù)、安全無線管理系統(tǒng)服務(wù)；訪問控制設(shè)備部署有防火墻相關(guān)服務(wù)；用戶終端部署有業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)前端應(yīng)用服務(wù)、智能擰緊控制前端應(yīng)用服務(wù)；智能擰緊控制部件由智能擰緊控制終端和適配器構(gòu)成，部署有智能擰緊控制后端應(yīng)用服務(wù)，包含有智能擰緊設(shè)備管理服務(wù)、商業(yè)加解密程序、擰緊算法和部分接口程序；安全接入網(wǎng)關(guān)與安全接入模塊作為安全無線通信執(zhí)行部件具有無線通信和安全加解密功能；擰緊接入裝置與執(zhí)行終端作為擰緊控制執(zhí)行部件用于執(zhí)行擰緊作業(yè)、傳遞指令與擰緊結(jié)果。

用戶終端通過訪問智能擰緊控制后端應(yīng)用服務(wù)根據(jù)業(yè)務(wù)需求設(shè)置擰緊程序及裝配過程，具體設(shè)置扭矩公差范圍、角度公差范圍、執(zhí)行步驟以控制擰緊策略。業(yè)務(wù)系統(tǒng)前端相應(yīng)子工步指令觸發(fā)后端指令調(diào)用擰緊程序及裝配過程，經(jīng)過防火墻在智能擰緊控制后端應(yīng)用解析和商業(yè)加密，經(jīng)過安全接入網(wǎng)關(guān)與安全接入模塊進(jìn)行安全加解密，傳遞至擰緊接入裝置商業(yè)解密發(fā)往擰緊終端執(zhí)行，形成包含實(shí)測扭矩值、角度值、控制器ID、人員ID、工具使用狀態(tài)、執(zhí)行的擰緊程序、裝配過程及對應(yīng)時(shí)間等執(zhí)行結(jié)果。執(zhí)行結(jié)果經(jīng)過安全加解密、商業(yè)加解密原路返回服務(wù)器，經(jīng)過業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)判讀，在用戶終端前端顯示質(zhì)量信息及判讀結(jié)果。通過智能擰緊控制部件智能擰緊設(shè)備管理服務(wù)實(shí)時(shí)監(jiān)控執(zhí)行過程，為任務(wù)正常執(zhí)行保駕護(hù)航。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)鏈路已打通，技術(shù)得到有效驗(yàn)證。

4" "結(jié)束語

本研究建立了安全無線擰緊控制系統(tǒng)，分析了安全無線通信的重要性和現(xiàn)有系統(tǒng)的技術(shù)局限性，突破了適配器設(shè)計(jì)、智能擰緊控制終端設(shè)計(jì)、擰緊接收模塊設(shè)計(jì)等技術(shù)，提出了系統(tǒng)構(gòu)建方案，并成功驗(yàn)證。該研究成果有望提高制造企業(yè)在安全無線環(huán)境下的作業(yè)與管理效率，確保生產(chǎn)質(zhì)量與數(shù)據(jù)安全，為制造企業(yè)在安全無線環(huán)境下的智能擰緊任務(wù)執(zhí)行與質(zhì)量數(shù)據(jù)傳遞提供了新思路和技術(shù)支持。未來的研究可進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能，拓展應(yīng)用范圍，并加強(qiáng)實(shí)地測試與產(chǎn)業(yè)合作，以確保系統(tǒng)的實(shí)際有效性與可行性。

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作者簡介：黃" " 晶（1988—），男，漢族，北京人，工程師，碩士，研究方向?yàn)橹悄苤圃旃こ獭?/p>

陳偉海（1986—），男，漢族，山東東營人，工程師，碩士，研究方向?yàn)橹悄苎b備開發(fā)與驗(yàn)證。