基于云計算的工廠信息監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

摘要 制造業(yè)中工廠需要高效的監(jiān)測手段來保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全，而傳統(tǒng)的分散式模式無法進(jìn)行高效的管理，不能滿足日益增長的生產(chǎn)需求針對這一狀況，文中將云計算技術(shù)應(yīng)用于工廠信息監(jiān)測中，提出了一種基于云計算的現(xiàn)代化工廠信息監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。該設(shè)計充分利用云計算在管理、服務(wù)等方面的優(yōu)點(diǎn)，提高了工廠的管理效率，節(jié)省了工廠的運(yùn)營成本。
關(guān)鍵詞 云計算；監(jiān)測系統(tǒng)；Android系統(tǒng)

    云計算(Cloud Computing)是一種基于網(wǎng)絡(luò)的計算方式。通過這種方式，共享的軟硬件資源和信息可以按需提供給計算機(jī)和其他設(shè)備。云計算是網(wǎng)格計算(Crid Computing)、分布式計算(Distributed Computing)、并行計算(Parallel Computing)、效用計算(UtilityComputing)網(wǎng)絡(luò)存儲(Network Storage Technologies)、虛擬化(Virtualization)、負(fù)載均衡(Load Balance)等傳統(tǒng)計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展融合的產(chǎn)物。它旨在通過網(wǎng)絡(luò)把多個成本相對較低的計算實(shí)體整合成一個具有強(qiáng)大計算能力的系統(tǒng)，并借助基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(IaaS)，平臺即服務(wù)PaaS)和軟件即服務(wù)(SaaS)等先進(jìn)的商業(yè)模式，把強(qiáng)大的計算能力分布到終端用戶手中。文中將提出一種基于云計算，客戶端基于Android平臺的，通過無線局域網(wǎng)連接云端服務(wù)器的工廠信息監(jiān)測系統(tǒng)。

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)用于工廠的各個部門，工廠對設(shè)備信息的監(jiān)測成為工廠管理的一個重要組成部分。工廠生產(chǎn)中設(shè)備的檢測活動直接涉及產(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)時監(jiān)控，管理人員不能及時獲得檢測數(shù)據(jù)。同時紙張不具有重復(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)。
    文中將云計算概念引入工廠信息監(jiān)測系統(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)部的云計算平臺，充分整合信息監(jiān)測體系，提高工廠信息監(jiān)測以及管理效率，構(gòu)建一個低成本的工廠信息監(jiān)測系統(tǒng)。運(yùn)用云計算的方式實(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)時狀況，保證生產(chǎn)高效、安全、有序地進(jìn)行。

2 云計算概述
2．1 云計算體系結(jié)構(gòu)
    云計算平臺是一個強(qiáng)大的“云”網(wǎng)絡(luò)，連接了大量并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)計算和服務(wù)，并可利用虛擬化技術(shù)擴(kuò)展每個服務(wù)器的能力，將各自的資源通過云計算平臺結(jié)合起來，提供超級計算和存儲能力。通用的云計算體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    其中云計算體系結(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、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)的岡標(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，能對用戶授權(quán)、認(rèn)證、登錄進(jìn)行管理，并可以管理可用計算資源和服務(wù)，接收用戶發(fā)送的請求，根據(jù)用戶請求并轉(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，動態(tài)地部署、配置和回收資源。
    (4)監(jiān)控。監(jiān)控和計量云系統(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)量的用戶請求處理、大運(yùn)算量計算處理、用戶Web應(yīng)用服務(wù)，云數(shù)據(jù)存儲時采用相應(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)。
    用戶可通過云用戶端從列表中選擇所需的服務(wù)，其請求通過管理系統(tǒng)調(diào)度相應(yīng)的資源，并通過部署工具分發(fā)請求、配置Web應(yīng)用。
2．2 云計算的實(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，是云計算的核心技術(shù)。它是一種分布式運(yùn)算技術(shù)，也是簡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)”，和他們的主要思想，都是從函數(shù)式編程語言里借鑒來，具有從欠量編程語言里的特性。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Map(映射)函數(shù)，用來把一組鍵值對映射成一組新的鍵值對，指定并發(fā)的Reduce函數(shù)，用來保證所有映射的鍵值對中的每一個共享相同的鍵組。
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還提供一個分布式文件系統(tǒng)GFS(Google File System)，是一個可擴(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，其容錯性較強(qiáng)。而分布式數(shù)據(jù)庫(BigTable)是一個有序、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)存儲或部署到各個計算節(jié)點(diǎn)上。Hadoop框架具有高容錯性及對數(shù)據(jù)讀寫的高吞吐率，能自動處理失敗節(jié)點(diǎn)，圖2所示為Google Hadoop架構(gòu)。

    運(yùn)用以上技術(shù)可以在大量廉價的硬件設(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)建了一個高可靠性、高效率以及良好擴(kuò)展性的分布式平臺。[!--empirenews.page--]
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平臺的開源手機(jī)操作系統(tǒng)的名稱。Androld是一個開放、自由的移動終端平臺。Android平臺由操作系統(tǒng)、中間件、用戶界面、應(yīng)用軟件組成。開發(fā)人員在該平臺開發(fā)的應(yīng)用程序，是使用Java語言編寫的在Dalvik虛擬機(jī)上運(yùn)行的。Android平臺的架構(gòu)從上到下包含5個部分：應(yīng)用程序、應(yīng)用框架、開發(fā)庫、Android運(yùn)行時環(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)出高效的移動平臺客戶端。

3 系統(tǒng)設(shè)計
    工廠信息監(jiān)測系統(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)時間，導(dǎo)致管理人員不能及時了解工廠設(shè)備的實(shí)時信息。云計算的使用，使得工廠信息監(jiān)測系統(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)時進(jìn)行處理分析，同時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，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)測系統(tǒng)一般分為3層：第一層為整個廠區(qū)主站系統(tǒng)，為所有車間提供相關(guān)的管理服務(wù)；第二層為各個車間的主站系統(tǒng)，對收集到的各車間現(xiàn)場信息進(jìn)行實(shí)時管理檢測服務(wù)；第三層為監(jiān)測現(xiàn)場的點(diǎn)檢系統(tǒng)，為整個系統(tǒng)提供實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)管理檢測現(xiàn)場的視頻及監(jiān)控設(shè)備，提供檢測現(xiàn)場的圖像和環(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)對工作現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)、圖像及檢測內(nèi)容的監(jiān)控及管理?？傮w結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3．2 實(shí)現(xiàn)服務(wù)
    軟件平臺的核心是通過分布式云計算的計算方式，使數(shù)據(jù)監(jiān)控更簡單、直觀、智能，提高工廠管理效率、降低成本、提升產(chǎn)品質(zhì)量?；谠朴嬎惴?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)時監(jiān)控等功能。

    通過云計算的體系結(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)用一個功能，請求會傳遞到云端，云端會為用戶分配需要的功能及資源，同時獲取用戶的使用情況。
    (3)信息監(jiān)測服務(wù)。用戶通過Android平板上的應(yīng)用進(jìn)行工廠信息檢測收集，完成后將監(jiān)測到的數(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。云端可以對監(jiān)測到的信息進(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)線各個機(jī)器的狀態(tài)，合理分配資源，制定生產(chǎn)計劃。
    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)對工廠數(shù)據(jù)及設(shè)備狀態(tài)的檢測，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
    對云計算在工廠管理中的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了論述，設(shè)計了一種基于云計算的工廠信息監(jiān)控系統(tǒng)。文中從云計算的架構(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。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。通過對系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行總結(jié)，可以結(jié)合云計算的各種優(yōu)點(diǎn)推廣到各個行業(yè)，開拓云計算的應(yīng)用范圍。