[发明专利]一种基于边缘计算的纺纱CPS及其实时任务处理方法

说明书

本发明提供了一种基于边缘计算的纺纱CPS，包括物理层和信息层，物理层与信息层通过通信层连接实现交互，所述信息层设于云中心，所述云中心的计算和存储资源以边缘计算结点的形式分散到所述物理层的物理实体；边缘计算结点连接物理实体，边缘计算结点还通过通信层连接云中心；通过边缘计算结点处理物理实体的时序实时任务。本发明还提供了基于边缘计算的纺纱CPS的实时任务处理方法。本发明采用边缘计算模式，将纺纱CPS的云中心的计算和存储等资源分散到物理实体附件，基于“就近处理，就近服务”的原则，可以很好地满足纺纱CPS中的实时性要求和安全性要求，降低了任务传输的安全风险，并能节省带宽，适于大范围推广应用。

技术领域

本发明涉及一种基于边缘计算的纺纱CPS及其实时任务处理方法，属于纺纱技术领域。

背景技术

纺纱是将纤维由杂乱无章的状态变为沿着纵向有序排列的加工过程，是典型的多工序、连续型、大规模生产，呈现高速度和大动态特点。纺纱智能工厂其核心是CPS系统(信息物理系统)，图1所示为纺纱CPS简图。纺纱CPS的物理空间是纺纱生产车间中涉及纱线生产的人、机、料、法和环等要素构成的。信息空间是物理空间的镜像，并对物理空间中各类数据的处理，不断迭代优化成纺纱设计、工艺、制造和检测的知识库，在提高纱线生产效率、追踪纱线质量和降低生产成本等方面有着重要意义。物理空间与信息空间通过各类智能传感器、FRID、Wi-Fi、Tag等构建的工业物联网实现交互。

纺纱过程中任务处理的实时性要求非常高，任务必须及时处理，不然就会造成流程中断，生产停滞，给企业带来巨大损失。

当前的纺纱CPS一般采用是集中计算模式，其架构如图2所示。在该架构下，纺纱CPS的信息空间一般部署在异地的云中心。纺纱CPS的物理实体产生的实时任务经工业互联网传输到云中心，在云中心被处理后不断形成知识，并产生智能控制决策实现对物理实体的控制。

因为云中心具有强大的计算、分析和处理能力，以资源集中的方式解决纺纱CPS中数据的处理和存储问题。但是，随着生产规模的不断扩大或企业的转型升级，纺纱CPS物理空间的生产设备、各种智能传感器、检测器、嵌入式系统或智能对象的数量也会大大增加，纺纱CPS云计算中心也会面临两大挑战：

实时性要求：首先，纺纱CPS的物理空间会在短时间内产生大量的数据，数据以任务的形式传输到云中心去处理，那么整个制造系统海量实时数据就会以大量的实时任务并发式向云中心发出处理请求，容易造成工业网络拥堵，可靠性难以保证；其次，云计算中心远离制造现场，并且用于通信的带宽有限，容易造成实时任务处理延迟，无法满足其实时性需求。

安全性要求：实时任务在生产设备和云中心之间传输的过程中，受到干扰或者泄露的可能性较大，安全性令人担忧。

综上所述，这种集中计算模式的纺纱CPS缺点非常突出，难以应对纱线高速生产环境下的实时任务处理要求，同时安全性也难以保证。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何满足纺纱CPS中的实时性要求和安全性要求。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种基于边缘计算的纺纱CPS，包括物理层和信息层，物理层与信息层通过通信层连接实现交互，所述信息层设于云中心，其特征在于：所述云中心的计算和存储资源以边缘计算结点的形式分散到所述物理层的物理实体；边缘计算结点连接物理实体，边缘计算结点还通过通信层连接云中心；通过边缘计算结点处理物理实体的时序实时任务。

优选地，所述物理层由纺纱生产车间中涉及纱线生产的人、机、料、法、环要素构成。

优选地，所述信息层是物理层的镜像，并对物理层中各类数据进行处理，不断迭代优化成纺纱设计、工艺、制造和检测的知识库。

优选地，所述通信层为工业互联网。

优选地，每个物理实体独有边缘计算结点或多个物理实体共有边缘计算结点。