一种基于边缘计算的工业控制系统的制作方法

1.本发明涉及边缘计算技术领域，具体是一种基于边缘计算的工业控制系统。


背景技术：

2.边缘计算是在靠近物或数据源头的网络边缘侧，融合网络、计算、存储、应用核心能力的分布式开放平台，就近提供边缘智能服务，满足行业数字化在敏捷连接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求。它可以作为连接物理和数字世界的桥梁，实现智能资产、智能网关、智能系统和智能服务；
3.随着大数据时代的来临，企业的数据量越来越大，时效性要求越来越高；将大量数据上传到服务器端进行处理，再返回结果给设备，这个大闭环数据响应时延高，设备端数据无法及时处理，网络拥塞对其影响大，同时在网络安全和管理维护上都存在安全隐患；基于以上不足，本发明提出一种基于边缘计算的工业控制系统。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于边缘计算的工业控制系统。
5.为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例提出一种基于边缘计算的工业控制系统，包括数据采集模块、协议转换模块、fpga主控、数据分析模块、数据加密模块、特征采集模块、节点分析模块以及信号验证模块；
6.所述数据采集模块用于采集若干个边缘节点接收到的设备数据，并将采集的设备数据进行数据封装处理；通过协议转换模块把封装好的数据进行协议转换，转换为统一固定格式的数据协议；
7.fpga主控与协议转换模块控制连接，用于获取协议转换模块转换后的数据协议，通过数据分析模块对转换后的数据协议进行算法分析和处理，并将分析处理完的数据打包成数据包通过5g通信模块传输至服务器；
8.所述特征采集模块用于采集每个边缘节点接收到的设备数据的特征信息并将采集的特征信息传输至节点分析模块进行运优系数ys分析；
9.所述节点分析模块用于根据运优系数ys对边缘节点进行分类，若运优系数ys大于设定值，则将对应边缘节点标记为核心节点；
10.在数据分析模块将分析处理完的数据包传输至服务器之前，所述数据分析模块还用于获取所述数据包对应的边缘节点，若为核心节点，则利用数据加密模块对所述数据包进行加密传输；
11.所述信号验证模块用于实时验证边缘节点的通信状态，计算得到极限偏离系数gf；若gf大于偏离系数阈值，则判定边缘节点通信异常，生成通信异常信号；以提醒管理人员对所述边缘节点进行维修保养。
12.进一步地，所述节点分析模块的具体分析步骤为：
13.针对某个边缘节点，获取所述边缘节点接收到的设备数据的特征信息；在预设时间段内，统计边缘节点的运算总次数为c1；
14.将特征信息中对应的设备数据量、设备数据传输距离和设备数据传输带宽依次标记为li、di以及wi；获取特征信息中的设备数据类型，设定每个数据类型均有一个对应的预设类型值，将设备数据类型与所有的数据类型进行匹配获取得到对应的预设类型值并标记为cyi；
15.利用公式yi＝(cyi
×
a1+li
×
a2+di
×
a3)/(wi
×
a4)计算得到边缘节点处理每个设备数据所需的运算值yi；其中a1、a2、a3、a4均为系数因子；
16.将运算值yi与预设运算阈值相比较；统计yi＞预设运算阈值的次数为p1；当yi＞预设运算阈值时，获取yi与预设运算阈值的差值并求和得到超算总值cz；利用公式ys＝(p1
×
g1+cz
×
g2)/c1计算得到运优系数ys，其中g1、g2均为预设系数因子。
17.进一步地，所述数据加密模块用于对接收到的数据包进行分布式多层加密，并将加密密文传输至服务器；具体加密步骤为：
18.将数据包随机拆分成若干数量的数据块；产生一个aes128加密密钥，并将该加密密钥按照预定规则生成若干组子密钥；
19.对获取的子密钥进行md5处理，得到处理子密钥；其中子密钥的数量等于数据块的数量；通过处理子密钥对拆分后的若干个数据块进行多层加密处理，生成信息加密识别码和第1层密钥；将信息加密识别码和第1层密钥打上时间戳融合形成加密密文。
20.进一步地，所述服务器用于将接收到的数据进行解密后通过用户端输入的自行编写的模型算法进行分析，判断对应数据是否出现异常，为用户提供数据预警通知；所述模型算法为用户自行编写，包括各类数据的安全范围，用于判断数据是否出现异常；所述安全范围由用户预设。
21.进一步地，所述信号验证模块的具体验证步骤为：
22.信号验证模块按照预设验证周期发送验证配置消息至边缘节点，其中验证配置消息中包括第一信号质量门限；响应于接收到由信号验证模块发送的验证配置消息，边缘节点发送第二同步信号至信号验证模块；
23.由信号验证模块确定第二同步信号的信号质量；将第二同步信号的信号质量与第一信号质量门限进行对比，得到对应的质量差值zc；
24.将信号验证模块发送验证配置消息的时刻与信号验证模块再次监听到第二同步信号的时刻进行时间差计算得到响应时长xt；
25.利用公式sh＝zc
×
g4+xt
×
g5计算得到所述边缘节点的信号损耗指数sh，其中g4、g5为系数因子；建立信号损耗指数sh随时间变化的曲线图；
26.统计信号损耗指数sh达到预设损耗阈值g1所需的时长为通信极限时长gn；其中g1为预设值；获取所述边缘节点每次运行的通信极限时长，取gn及其前x1组通信极限时长的值，并按照时间顺序依次标记为gs1、gs2、
…
、gsn；当gsm≤gs(m-1)时，将gs(m-1)标记第一极限值；
27.统计第一极限值的出现次数为极限频次p1；当gsm≤gs(m-1)时，获取gs(m-1)与gsm的差值并求和得到极限差值px；利用公式gf＝p1
×
k3+px
×
k4计算得到极限偏离系数gf，其中k3、k4为系数因子。
28.进一步地，其中加密模块的每一层加密处理即为一组处理子密钥对其中一个数据块进行加密处理，相互不重叠。
29.进一步地，其中第1层密钥用于识别出信息加密识别码中的第1层加密信息，并生成第2层密钥，第2层密钥于识别出信息加密识别码中的第2层加密信息，并生成第3层密钥，以此类推。
30.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
31.1、本发明中数据采集模块用于采集若干个边缘节点接收到的设备数据，并将采集的设备数据进行数据封装处理；通过协议转换模块把封装好的数据进行协议转换，转换为统一固定格式的数据协议；通过数据分析模块对转换后的数据协议进行算法分析和处理，并将分析处理完的数据打包成数据包通过5g通信模块传输至服务器；服务器用于将接收到的数据进行解密后通过用户端输入的自行编写的模型算法进行分析，判断对应数据是否出现异常；实现了多通道不同边缘节点数据并时采集，提高了边缘节点的实时性和及时性，同时对不同边缘节点数据进行了数据关联性分析，为后续数据处理分析预警提供参考依据，提高数据处理效率；
32.2、本发明中特征采集模块用于采集每个边缘节点接收到的设备数据的特征信息并将采集的特征信息传输至节点分析模块进行运优系数ys分析，并根据运优系数ys对边缘节点进行分类；若为核心节点，在数据分析模块将分析处理完的数据包传输至服务器之前，则利用数据加密模块对数据包进行加密传输，提高数据传输安全；信号验证模块用于实时验证边缘节点的通信状态，若极限偏离系数gf大于偏离系数阈值，则判定边缘节点通信异常，生成通信异常信号；以提醒管理人员及时进行对该边缘节点进行维修保养，减少干扰信号的影响，保证数据监测的准确性。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为本发明一种基于边缘计算的工业控制系统的系统框图。
具体实施方式
35.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
36.如图1所示，一种基于边缘计算的工业控制系统，包括数据采集模块、协议转换模块、fpga主控、数据分析模块、5g通信模块、服务器、数据加密模块、特征采集模块、节点分析模块以及信号验证模块；
37.数据采集模块用于采集若干个边缘节点接收到的设备数据，并将采集的设备数据进行数据封装处理；通过协议转换模块把封装好的数据进行协议转换，转换为统一固定格
式的数据协议；
38.fpga主控与协议转换模块控制连接，用于获取协议转换模块转换后的数据协议，通过数据分析模块对转换后的数据协议进行算法分析和处理，并将分析处理完的数据打包成数据包通过5g通信模块传输至服务器；其中算法分析和处理表现为剔除明显错误、缺失的数据；
39.在本实施例中，本发明实现了多通道不同边缘节点数据并时采集，提高了边缘节点的实时性和及时性，同时对不同边缘节点数据进行了数据关联性分析，为后续数据处理分析预警提供参考依据；
40.在本实施例中，在数据分析模块将分析处理完的数据包传输至服务器之前，数据分析模块还用于获取数据包对应的边缘节点，若为核心节点，则利用数据加密模块对数据包进行加密传输；
41.数据加密模块用于对接收到的数据包进行分布式多层加密，并将加密密文传输至服务器；具体加密步骤为：
42.将数据包随机拆分成若干数量的数据块；产生一个aes128加密密钥，并将该加密密钥按照预定规则生成若干组子密钥；其中子密钥的数量等于数据块的数量；
43.对获取的子密钥进行md5处理，得到处理子密钥；通过处理子密钥对拆分后的若干个数据块进行多层加密处理，生成信息加密识别码和第1层密钥；将信息加密识别码和第1层密钥打上时间戳融合形成加密密文；
44.其中加密模块的每一层加密处理即为一组处理子密钥对其中一个数据块进行加密处理，相互不重叠；
45.其中第1层密钥用于识别出信息加密识别码中的第1层加密信息，并生成第2层密钥，第2层密钥于识别出信息加密识别码中的第2层加密信息，并生成第3层密钥，以此类推；
46.服务器用于将接收到的数据进行解密后通过用户端输入的自行编写的模型算法进行分析，判断对应数据是否出现异常，为用户提供数据预警通知；模型算法为用户自行编写，包括各类数据的安全范围，用于判断数据是否出现异常；安全范围由用户预设；
47.特征采集模块用于采集每个边缘节点接收到的设备数据的特征信息并将采集的特征信息传输至节点分析模块；特征信息包括设备数据类型、设备数据量、设备数据传输距离和设备数据传输带宽；
48.节点分析模块用于根据接收到的特征信息对每个边缘节点进行运优系数ys分析，并根据运优系数ys对边缘节点进行分类，具体为：
49.针对某个边缘节点，获取边缘节点接收到的设备数据的特征信息；在预设时间段内，统计边缘节点的运算总次数为c1；
50.将特征信息中对应的设备数据量、设备数据传输距离和设备数据传输带宽依次标记为li、di以及wi；获取特征信息中的设备数据类型，设定每个数据类型均有一个对应的预设类型值，将设备数据类型与所有的数据类型进行匹配获取得到对应的预设类型值并标记为cyi；
51.利用公式yi＝(cyi
×
a1+li
×
a2+di
×
a3)/(wi
×
a4)计算得到边缘节点处理每个设备数据所需的运算值yi；其中a1、a2、a3、a4均为系数因子；
52.将运算值yi与预设运算阈值相比较；统计yi＞预设运算阈值的次数为p1；当yi＞
预设运算阈值时，获取yi与预设运算阈值的差值并求和得到超算总值cz；利用公式ys＝(p1
×
g1+cz
×
g2)/c1计算得到运优系数ys，其中g1、g2均为预设系数因子；
53.将运优系数ys与设定值相比较；若运优系数ys大于设定值，则将对应边缘节点标记为核心节点；否则，将对应边缘节点标记为普通节点；
54.在一种可选实施方式中，为了减少干扰信号的影响，保证数据监测的准确性；边缘节点连接有信号验证模块，信号验证模块用于实时验证边缘节点的通信状态；具体验证步骤为：
55.信号验证模块按照预设验证周期发送验证配置消息至边缘节点，其中验证配置消息中包括第一信号质量门限；响应于接收到由信号验证模块发送的验证配置消息，边缘节点发送第二同步信号至信号验证模块；
56.响应于监听到第二同步信号，由信号验证模块确定第二同步信号的信号质量；将第二同步信号的信号质量与第一信号质量门限进行对比，得到对应的质量差值zc，其中本领域技术人员应该理解，任意本领域公知的度量都能够用于表征信号质量，例如rsrq、rsrp、rssi等等；此处的质量差值可以反映出信号在传输过程中的衰减；
57.将信号验证模块发送验证配置消息的时刻与信号验证模块再次监听到第二同步信号的时刻进行时间差计算得到响应时长xt；利用公式sh＝zc
×
g4+xt
×
g5计算得到边缘节点的信号损耗指数sh，其中g4、g5为系数因子；
58.建立信号损耗指数sh随时间变化的曲线图，统计信号损耗指数sh达到预设损耗阈值g1所需的时长为通信极限时长gn；其中g1为预设值；
59.获取边缘节点每次运行的通信极限时长，取gn及其前x1组通信极限时长的值，并按照时间顺序依次标记为gs1、gs2、
…
、gsn；
60.当gsm≤gs(m-1)时，将gs(m-1)标记第一极限值；统计第一极限值的出现次数为极限频次p1；当gsm≤gs(m-1)时，获取gs(m-1)与gsm的差值并求和得到极限差值px；利用公式gf＝p1
×
k3+px
×
k4计算得到极限偏离系数gf，其中k3、k4为系数因子；
61.将极限偏离系数gf与偏离系数阈值相比较；若gf大于偏离系数阈值，则判定边缘节点通信异常，生成通信异常信号；
62.信号验证模块用于将通信异常信号上传至服务器，以提醒管理人员及时进行对该边缘节点进行维修保养，提高数据监测效率。
63.上述公式均是去除量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最接近真实情况的一个公式，公式中的预设参数和预设阈值由本领域的技术人员根据实际情况设定或者大量数据模拟获得。
64.本发明的工作原理：
65.一种基于边缘计算的工业控制系统，在工作时，数据采集模块用于采集若干个边缘节点接收到的设备数据，并将采集的设备数据进行数据封装处理；通过协议转换模块把封装好的数据进行协议转换，转换为统一固定格式的数据协议；通过数据分析模块对转换后的数据协议进行算法分析和处理，并将分析处理完的数据打包成数据包通过5g通信模块传输至服务器；服务器用于将接收到的数据进行解密后通过用户端输入的自行编写的模型算法进行分析，判断对应数据是否出现异常；实现了多通道不同边缘节点数据并时采集，提高了边缘节点的实时性和及时性，同时对不同边缘节点数据进行了数据关联性分析，为后
续数据处理分析预警提供参考依据，提高数据处理效率；
66.特征采集模块用于采集每个边缘节点接收到的设备数据的特征信息并将采集的特征信息传输至节点分析模块；节点分析模块用于根据接收到的特征信息对每个边缘节点进行运优系数ys分析，并根据运优系数ys对边缘节点进行分类；若为核心节点，在数据分析模块将分析处理完的数据包传输至服务器之前，则利用数据加密模块对数据包进行加密传输，提高数据传输安全；信号验证模块用于实时验证边缘节点的通信状态，若极限偏离系数gf大于偏离系数阈值，则判定边缘节点通信异常，生成通信异常信号；以提醒管理人员及时进行对该边缘节点进行维修保养，减少干扰信号的影响，保证数据监测的准确性。
67.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
68.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

技术特征：
1.一种基于边缘计算的工业控制系统，其特征在于，包括数据采集模块、协议转换模块、fpga主控、数据分析模块、数据加密模块、特征采集模块、节点分析模块以及信号验证模块；所述数据采集模块用于采集若干个边缘节点接收到的设备数据，并将采集的设备数据进行数据封装处理；通过协议转换模块把封装好的数据进行协议转换，转换为统一固定格式的数据协议；所述fpga主控与协议转换模块控制连接，用于获取协议转换模块转换后的数据协议，通过数据分析模块对转换后的数据协议进行算法分析和处理，并将分析处理完的数据打包成数据包通过5g通信模块传输至服务器；所述特征采集模块用于采集每个边缘节点接收到的设备数据的特征信息并将采集的特征信息传输至节点分析模块进行运优系数ys分析；所述节点分析模块用于根据运优系数ys对边缘节点进行分类，若运优系数ys大于设定值，则将对应边缘节点标记为核心节点；在数据分析模块将分析处理完的数据包传输至服务器之前，所述数据分析模块还用于获取所述数据包对应的边缘节点，若为核心节点，则利用数据加密模块对所述数据包进行加密传输；所述信号验证模块用于实时验证边缘节点的通信状态，计算得到极限偏离系数gf；若gf大于偏离系数阈值，则判定边缘节点通信异常，生成通信异常信号；以提醒管理人员对所述边缘节点进行维修保养。2.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的工业控制系统，其特征在于，所述节点分析模块的具体分析步骤为：针对某个边缘节点，获取所述边缘节点接收到的设备数据的特征信息；在预设时间段内，统计边缘节点的运算总次数为c1；将特征信息中对应的设备数据量、设备数据传输距离和设备数据传输带宽依次标记为li、di以及wi；获取特征信息中的设备数据类型，设定每个数据类型均有一个对应的预设类型值，将设备数据类型与所有的数据类型进行匹配获取得到对应的预设类型值并标记为cyi；利用公式yi＝(cyi
×
a1+li
×
a2+di
×
a3)/(wi
×
a4)计算得到边缘节点处理每个设备数据所需的运算值yi；其中a1、a2、a3、a4均为系数因子；将运算值yi与预设运算阈值相比较；统计yi＞预设运算阈值的次数为p1；当yi＞预设运算阈值时，获取yi与预设运算阈值的差值并求和得到超算总值cz；利用公式ys＝(p1
×
g1+cz
×
g2)/c1计算得到运优系数ys，其中g1、g2均为预设系数因子。3.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的工业控制系统，其特征在于，所述数据加密模块用于对接收到的数据包进行分布式多层加密，并将加密密文传输至服务器；具体加密步骤为：将数据包随机拆分成若干数量的数据块；产生一个aes128加密密钥，并将该加密密钥按照预定规则生成若干组子密钥；对获取的子密钥进行md5处理，得到处理子密钥；其中子密钥的数量等于数据块的数量；通过处理子密钥对拆分后的若干个数据块进行多层加密处理，生成信息加密识别码和
第1层密钥；将信息加密识别码和第1层密钥打上时间戳融合形成加密密文。4.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的工业控制系统，其特征在于，所述服务器用于将接收到的数据进行解密后通过用户端输入的自行编写的模型算法进行分析，判断对应数据是否出现异常，为用户提供数据预警通知；所述模型算法为用户自行编写，包括各类数据的安全范围，用于判断数据是否出现异常；所述安全范围由用户预设。5.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的工业控制系统，其特征在于，所述信号验证模块的具体验证步骤为：信号验证模块按照预设验证周期发送验证配置消息至边缘节点，其中验证配置消息中包括第一信号质量门限；响应于接收到由信号验证模块发送的验证配置消息，边缘节点发送第二同步信号至信号验证模块；由信号验证模块确定第二同步信号的信号质量；将第二同步信号的信号质量与第一信号质量门限进行对比，得到对应的质量差值zc；将信号验证模块发送验证配置消息的时刻与信号验证模块再次监听到第二同步信号的时刻进行时间差计算得到响应时长xt；利用公式sh＝zc
×
g4+xt
×
g5计算得到所述边缘节点的信号损耗指数sh，其中g4、g5为系数因子；建立信号损耗指数sh随时间变化的曲线图；统计信号损耗指数sh达到预设损耗阈值g1所需的时长为通信极限时长gn；其中g1为预设值；获取所述边缘节点每次运行的通信极限时长，取gn及其前x1组通信极限时长的值，并按照时间顺序依次标记为gs1、gs2、
…
、gsn；当gsm≤gs(m-1)时，将gs(m-1)标记第一极限值；统计第一极限值的出现次数为极限频次p1；当gsm≤gs(m-1)时，获取gs(m-1)与gsm的差值并求和得到极限差值px；利用公式gf＝p1
×
k3+px
×
k4计算得到极限偏离系数gf，其中k3、k4为系数因子。6.根据权利要求3所述的一种基于边缘计算的工业控制系统，其特征在于，其中加密模块的每一层加密处理即为一组处理子密钥对其中一个数据块进行加密处理，相互不重叠。7.根据权利要求3所述的一种基于边缘计算的工业控制系统，其特征在于，其中第1层密钥用于识别出信息加密识别码中的第1层加密信息，并生成第2层密钥，第2层密钥于识别出信息加密识别码中的第2层加密信息，并生成第3层密钥，以此类推。

技术总结
本发明公开了一种基于边缘计算的工业控制系统，涉及边缘计算技术领域，包括数据采集模块、数据加密模块以及信号验证模块；数据采集模块用于采集若干个边缘节点接收到的设备数据并进行数据封装处理；通过协议转换模块把封装好的数据进行协议转换，转换为统一固定格式的数据协议；通过数据分析模块对转换后的数据协议进行算法分析和处理，并将分析处理完的数据打包成数据包传输至服务器；其中，若为核心节点，则利用数据加密模块对数据包进行加密传输；信号验证模块用于实时验证边缘节点的通信状态，计算得到极限偏离系数GF；若GF大于偏离系数阈值，则生成通信异常信号；以提醒管理人员对边缘节点进行维修保养，保证数据监测的准确性。准确性。准确性。


技术研发人员：向吉喆
受保护的技术使用者：广州特纳信息科技有限公司
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/8/4