应用于工业领域数字化升级的模块化平台及方法与流程

本发明属于工业技术领域，具体涉及应用于工业领域数字化升级的模块化平台及方法。

背景技术：

目前传统的工业企业虽然没有大量的软件或it知识储备，但依然需要实现数字化转型。物联网是工业4.0的重要组成部分。由于工业4.0生产流程强互联的基本特征，不同工业4.0的软件应用开发需要很强的灵活性。现有实现传统工业的数字化转型的软件技术主要包括以下3种：

1)传统的mes系统开发。mes系统主要采用基于集中控制和深度严格集成的模式，其要求组成部分必须顺序集成，并形成一个适应特定任务的刚性系统。只有在资源支出较高时，才能做出改变，相当于一个整体。如今，制造业企业也迫于市场压力，不得不从工业2.0和3.0转型到适应复杂而灵活的工业4.0。产品变得越来越复杂，包含越来越多的数字化组件，需要越来越灵活地进行生产。因此，生产和软件都必须分散式地执行(类似于互联网)，传统mes系统由于其设计而无法满足这些要求。

2)客户特定和非云原生解决方案。客户特定和非云原生解决方案为从头开始重写或需要重写超过一半代码的客户特定的软件解决方案。对于中小企业而言，由于中小企业缺乏开发新软件的经验，这直接导致延误和预算超支，所以无论是财务上还是软件需求方面，中小企业都无法承担。

3)现有云原生解决方案。由于当今的本地部署解决方案(openshift、kubernetes等)要么太重量级(太重量级是指因为公司对于该解决方案需要高度敬业的员工或资源)，要么自由度过大，使工业用户不堪重负。所以中小型企业不得不和不熟悉的软件世界打交道。另外一般只有大型系统(如mindsphere和predix)与工业行业打交道。mindsphere中外部组件需要认证，提高了组件的质量，但会导致数字化项目失败。例如，对于不关键的系统，如果系统使用成本更低、使用速度更快，则可以接受更高的错误率。predix比mindsphere更开放、更现代。但是该方案太重量级，且需要昂贵的费用。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种应用于工业领域数字化升级的模块化平台及方法，为传统工业企业提供灵活、强大的软件解决方案，有效的帮助中小型工业企业实现数字化转型。

第一方面，应用于工业领域数字化升级的模块化平台，包括：

基础设施：供工业企业中的工作人员部署应用程序，并运行所述应用程序；

软件设备：用于实现所述基础设施；软件设备还用于提供基本功能和网络用户界面。

优选地，所述基础设施包括：

域服务层：根据工业企业内部生产业务的场景部署应用程序的抽象级别；

业务服务层：部署与域软件稳定性相关的应用程序；

核心服务层：部署在应用层上，运行工业企业中车间管理系统包含的应用程序，实现开源、开放平台的分发；

容器管理器层：用于设置所述各个应用程序的生命周期；

主机系统：运行所述各个应用程序。

优选地，所述域服务层中应用程序的抽象级别包括：可视化应用程序、人机接口和/或机器学习应用程序。

优选地，所述车间管理系统包含的应用程序为注册表应用、监控应用、路由应用、日志记录应用和/或跟踪应用。

优选地，所述软件设备包括：

域软件层：实现所述基础设施中的应用程序，所述应用程序作为域软件实现；所述域软件由不同软件供应商的不同容器组成，并通过容器与其他软件隔离；

平台连接软件层：通过容器实现所述软件设备与基础设施的协调、通信转换、以及应用程序和基础设施之间的元数据交换和主数据交换；

路由软件容器：管理所有用户和数据请求，计算应用程序在其边界之外进行通信所需的访问权限和内部路由。

第二方面，一种应用于工业领域数字化升级的方法，包括以下步骤：

在基础设施上部署应用程序；

基础设施运行所述应用程序；

所述基础设施通过软件设备实现，所述软件设备还提供基本功能和网络用户界面。

优选地，在域服务层根据工业企业内部生产业务的场景部署应用程序的抽象级别；

在业务服务层部署与域软件稳定性相关的应用程序；

核心服务层运行工业企业中车间管理系统包含的应用程序，实现开源、开放平台的分发；

通过容器管理器层设置所述各个应用程序的生命周期；

通过主机系统运行所述各个应用程序。

优选地，所述域服务层中应用程序的抽象级别包括：可视化应用程序、人机接口和/或机器学习应用程序。

优选地，所述车间管理系统包含的应用程序为注册表应用、监控应用、路由应用、日志记录应用和/或跟踪应用。

优选地，所述基础设施通过软件设备实现具体包括：

在域软件层实现所述基础设施中的应用程序，所述应用程序作为域软件实现；所述域软件由不同软件供应商的不同容器组成，并通过容器与其他软件隔离；

在平台连接软件层上，通过容器实现所述软件设备与基础设施的协调、通信转换、以及应用程序和基础设施之间的元数据交换和主数据交换；

通过路由软件容器管理所有用户和数据请求，计算应用程序在其边界之外进行通信所需的访问权限和内部路由。

由上述技术方案可知，本发明提供的应用于工业领域数字化升级的模块化平台及方法，具有以下有益效果：

1、本发明可以采用最小可执行产品作为单个应用程序运行，工业企业可以立即在运行该最小可执行产品时，就能产生数字化生产带来的附加值，有助于工业企业从内部和小步骤进行数字化转型的发展。

2、本发明旨在将灵活而强大的软件解决方案与工业领域的特异性相结合，使复杂的、独立的软件能够由不同方开发，并可在工业企业中广泛使用，从而既避免了对供应商的锁定，也成为创新的驱动力。

3、本发明相对于现有云原生系统，从生产型中小企业的角度和对技术状况的延伸理解而开发。该解决方案是分布式的，与工业/制造业的概念范式一致。

4、本发明可以将整个操作软件系统(mes和其他任务)转变为一个工具箱，通过高度模块化为中小企业提供合适的解决方案。工具箱的基础设施有助于使公司的数字化更加灵活和高效。

5、包含了与工业企业中生产所有相关软件的创建和结构，具体包括用户界面、逻辑、数据管理、接口、通信、其他基础结构、治理和抽象体系结构。该平台代表一种混合的本地/云部署平台，通过软件/硬件共同设计实现工业4.0。

6、基础设施必须以特定、特定于域的方式在内部构建，并在整个体系结构中作为适当抽象级别使用。基础设施的体系结构与域保持一致。域是具有生产、技术位于工业2.0和工业3.0之间、希望推进其数字化的企业。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明实施例一提供的基础设施的结构图。

图2为本发明实施例一提供的软件设备的结构图。

图3为本发明实施例二提供的生产传感和场景的结构图。

图4为本发明实施例二提供的工业软件平台盒中软件内容的结构图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

实施例一：

一种应用于工业领域的模块化平台，包括：

基础设施：供工业企业中的工作人员部署应用程序，并运行所述应用程序；

具体地，该模块化平台将工业企业需要的应用程序划分为四个层级(s1～s4)，这些应用程序都运行在工业行业通用的硬件(s5)上。基础设施的架构图参见图1，基础设施的细分一方面服务于开发人员，另一方面服务于工业企业的工作人员。基础设施涵盖了硬件(s5)和域服务层(s1)之间的整个频谱。基础设施的细分，与经典层体系结构一样，服务访问下层级系统(包括更改)。只有平台和集成特定信息允许向上传达，平台和集成特定信息包括有关应用程序名称、ip地址、dns名称、运行时环境统计信息等元数据。

对于工业企业的工作人员而言，图1中细分的层级起到在企业中划分责任和分离流程环境的作用。例如，it流程位于核心服务层，跨公司流程位于业务服务层，各个部门的应用程序位于域服务层，业务服务层为工业4.0中所需的应用程序提供了更高的接受度和更好的理解。

所述基础设施可以独立安装在硬件盒里，并控制工业企业中应用程序的整个生命周期。一个工业企业可以连接多个基础设施，且多个基础设施并行运行。

所述基础设施具体包括：

域服务层(s1)：根据工业企业内部生产业务的场景部署应用程序的抽象级别；抽象级别包括：可视化应用程序、人机接口和/或机器学习应用程序。

具体地，域服务层用于实现业务案例(即工业企业内部生产业务的场景)的应用程序及其抽象级别。例如供工业企业中的(生产)流程经理安装应用程序，以支持业务流程，或者是供工业企业中的员工安装日常工作中接触到的应用程序，或者是供工业企业中的车间it工程师部署内部应用程序。该平台可以通过在域服务层中添加或更新应用程序，来实现工业企业中车间管理的软件创新。

业务服务层(s2)：部署与域软件稳定性相关的应用程序；

具体地，业务服务层s2包含与域软件的稳定性相关的应用程序。业务服务层用于供工业企业的it团队维护其备份解决方案、审核日志通信或集中数据存储。业务服务层还包括saas解决方案。

核心服务层(s3)：部署在应用层上，运行工业企业中车间管理系统包含的应用程序，实现开源、开放平台的分发；

具体地，核心服务层s3部署在应用层上，运行工业企业中车间管理系统包含的应用程序，包括注册表应用、监控应用、路由应用、日志记录应用和/或跟踪应用。由于核心服务层构成开源、开放平台分发，所以工业企业不需要执行软件生命周期特定任务。工业企业可以通过web(网络)界面进行配置，调整核心服务层上的应用，这也可以由提供操作系统的第三方公司进行远程管理。

容器管理器层(s4)：用于设置所述各个应用程序的生命周期；

具体地，容器管理器层s4负责设置应用程序的生命周期(例如启动、停止、重新启动、更新、复制等等)，并在容器级别提供车间管理生态系统的概述。该容器管理器层可以使用iaas域(如kubernetes)的技术实现。

主机系统(s5)：运行所述各个应用程序。

具体地，主机系统s5主要包括在硬件上运行的操作系统，运行部署的应用程序。主机系统包括容器管理器层运行时的引擎(例如docker)。所有后续应用程序从下到上作为容器安装。由于所有应用程序都在容器内运行，因此主机系统可以设置在工业企业中车间所处位置处，也可以设置在工业企业或公共云的某处。主机系统可能是类似树莓派(raspberrypi)的设备，只运行容器管理器。

综上所述，该基础设施采用基于web的微服务、持续交付、容器化、以基础架构作为代码和devops文化，工业企业可以自行构建iot(物联网)解决方案，并借助其不断发展的业务进行扩展。

软件设备：用于实现所述基础设施；

具体地，上述基础结构层级(s1～s4)由软件设备实现。每个层级可以通信运行n个应用程序。s2～s5是该平台作为服务解决方案的特征层级。

软件设备还用于提供基本功能和网络用户界面。软件设备的结构参见图2，包括：

域软件层(s6)：实现所述基础设施中的应用程序，所述应用程序作为域软件实现；所述域软件由不同软件供应商的不同容器组成，并通过容器与其他软件隔离；

具体地，在域软件层s6中，任何与业务相关的应用程序都将作为域软件实现。域软件层通过容器与其余应用程序隔离。域软件本身可能由来自不同软件供应商的不同软件容器组成，其中封装了所有必要的功能，例如数据存储等。

平台连接软件层(s7)：通过容器实现所述软件设备与基础设施的协调、通信转换、以及应用程序和基础设施之间的元数据交换和主数据交换；

具体地，应用程序的功能随着服务的增加而扩展。这些功能可以由平台提供，并使用平台连接软件层s7中的组件连接到应用程序。平台连接软件层s7实现应用程序和平台基础设施之间的协调、通信转换、元(主)数据交换。平台连接软件层依赖于域，对工业企业而言是透明的。

路由软件容器(s8)：管理所有用户和数据请求，计算应用程序在其边界之外进行通信所需的访问权限和内部路由。

具体地，路由软件容器s8可确保平台能够实现更高质量的服务(如审核日志或安全性)。路由软件容器s8管理所有用户和数据请求，计算应用程序在其边界之外进行通信所需的访问权限、内部路由或其他功能。路由容器包括：1)模板；2)域软件细分(ui、逻辑、数据库)；3)平台连接分解(ui、逻辑、数据库、接口)；4)平台独立由侧车机制实现。

综上所述，本发明中的模块化平台可以采用最小可执行产品作为单个应用程序运行，工业企业可以立即在运行该最小可执行产品时，就能产生数字化生产带来的附加值，有助于工业企业从内部和小步骤进行数字化转型的发展。

本发明旨在将灵活而强大的软件解决方案与工业领域的特异性相结合，使复杂的、独立于平台的软件能够由不同方开发，并可在工业企业中广泛使用，从而既避免了对供应商的锁定，也成为创新的驱动力。

本发明相对于现有云原生系统，从生产型中小企业的角度和对技术状况的延伸理解而开发。该解决方案是分布式的，与工业/制造业的概念范式一致。

本发明可以将整个操作软件系统(mes和其他任务)转变为一个工具箱，通过高度模块化为中小企业提供合适的解决方案。工具箱的基础设施有助于使公司的数字化更加灵活和高效。

该平台包含了与工业企业中生产所有相关软件的创建和结构，具体包括用户界面、逻辑、数据管理、接口、通信、其他基础结构、治理和抽象体系结构。该平台代表一种混合的本地/云部署平台，通过软件/硬件共同设计实现工业4.0。

该平台中的基础设施必须以特定、特定于域的方式在内部构建，并在整个体系结构中作为适当抽象级别使用。基础设施的体系结构与域保持一致。域是具有生产、技术位于工业2.0和工业3.0之间、希望推进其数字化的企业。

实施例二：

实施例二在实施例一的基础上，提供了一种实现生产传感和场景，帮助工业企业获得生产(传感器和机器)的实时概况，参见图3。

在工业企业中工厂的数字地图上显示所有物理资产及其数字数据(应用程序)。例如，传感器映射应用(e1)向操作员(e2)提供生产地图上的信息。操作员可以从应用商店中下载新应用，例如通过数字孪生传感器应用程序连接新传感器。

图3中，e1为传感器映射应用通过触摸屏显示车间数据，例如显示车间中传感器1、传感器2、机器1、机器2等设备数据。e2为操作员，操作员使用工厂的数字地图应用程序与传感器和机器交互，从车间查看数据。e3为可扩展的工业软件平台盒(即基础设施)。该工业软件平台盒包括一个或多个。e4为车间的机器和传感器，e4通过工业软件平台盒子连接在一起。e5包括工业软件平台盒的软件内容，参见图4。

域软件层s6实现用户界面和数据库，用于供车间和应用程序管理员传入数据。域软件层中的组件专门与域对齐。

平台连接软件层s7部署注册侧车，注册侧车(sidecar)是向工业软件平台盒子注册应用程序的基础结构。这样，用户就可以查看平台中安装和运行的应用。这也是传感器和机器可以注册并显示在使用mapapp的车间数字地图的机制。

路由软件容器s8将管理所有传入用户和数据请求，以计算应用程序在其边界之外进行通信所需的访问权限、内部路由或其他功能。kong是中间件网关的开源实现，在这里用于将流量发送到正确的软件容器以及处理请求的身份验证。

通过该平台开发的应用程序涵盖了工业4.0实时监控生产设备资产的要求。工业企业不需要触摸代码，工业企业可以在应用商店里根据相应的传感器和机器生产商下载应用程序到可扩展的工业软件平台盒。

本发明实施例所提供的平台，为简要描述，实施例部分未提及之处，可参考前述平台实施例中相应内容。

实施例三：

一种应用于工业领域数字化升级的方法，包括以下步骤：

在基础设施上部署应用程序；

基础设施运行所述应用程序；

所述基础设施通过软件设备实现，所述软件设备还提供基本功能和网络用户界面。

优选地，所述在基础设施上部署应用程序具体包括：

在域服务层根据工业企业内部生产业务的场景部署应用程序的抽象级别；

在业务服务层部署与域软件稳定性相关的应用程序；

核心服务层运行工业企业中车间管理系统包含的应用程序，实现开源、开放平台的分发；

通过容器管理器层设置所述各个应用程序的生命周期；

通过主机系统运行所述各个应用程序。

优选地，所述域服务层中应用程序的抽象级别包括：可视化应用程序、人机接口和/或机器学习应用程序。

优选地，所述车间管理系统包含的应用程序为注册表应用、监控应用、路由应用、日志记录应用和/或跟踪应用。

优选地，所述基础设施通过软件设备实现具体包括：

在域软件层实现所述基础设施中的应用程序，所述应用程序作为域软件实现；所述域软件由不同软件供应商的不同容器组成，并通过容器与其他软件隔离；

在平台连接软件层上，通过容器实现所述软件设备与基础设施的协调、通信转换、以及应用程序和基础设施之间的元数据交换和主数据交换；

通过路由软件容器管理所有用户和数据请求，计算应用程序在其边界之外进行通信所需的访问权限和内部路由。

综上所述，本发明中的方法可以采用最小可执行产品作为单个应用程序运行，工业企业可以立即在运行该最小可执行产品时，就能产生数字化生产带来的附加值，有助于工业企业从内部和小步骤进行数字化转型的发展。

本发明旨在将灵活而强大的软件解决方案与工业领域的特异性相结合，使复杂的、独立的软件能够由不同方开发，并可在工业企业中广泛使用，从而既避免了对供应商的锁定，也成为创新的驱动力。

本发明相对于现有云原生系统，从生产型中小企业的角度和对技术状况的延伸理解而开发。该解决方案是分布式的，与工业/制造业的概念范式一致。

本发明可以将整个操作软件系统(mes和其他任务)转变为一个工具箱，通过高度模块化为中小企业提供合适的解决方案。工具箱的基础设施有助于使公司的数字化更加灵活和高效。

该方法包含了与工业企业中生产所有相关软件的创建和结构，具体包括用户界面、逻辑、数据管理、接口、通信、其他基础结构、治理和抽象体系结构，代表一种混合的本地/云部署方法，通过软件/硬件共同设计实现工业4.0。

该方法中的基础设施必须以特定、特定于域的方式在内部构建，并在整个体系结构中作为适当抽象级别使用。基础设施的体系结构与域保持一致。域是具有生产、技术位于工业2.0和工业3.0之间、希望推进其数字化的企业。

本发明实施例所提供的方法，为简要描述，实施例部分未提及之处，可参考前述平台实施例中相应内容。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。