2T/BIAIMXXXXX—20XX企業研發制造資源共享第3部分：科學儀器接入本文件規定了科學儀器的接入方法、接入架構、硬件資源接入、數據信息接入和微服務化。本文件適用于指導儀器資源在工業互聯網平臺中的接入。2規范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T23031.1-2022工業互聯網平臺應用實施指南第1部分:總則GB/T32847-2016科技平臺大型科學儀器設備分類與代碼3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。3.1科學儀器scientificinstrument科學儀器是根據科學的原理和先進的技術，經過精心設計和制作而成的工具，其目的是高效地運用物理原理、物理關系和先進技術進行科學實驗和探測，以探尋、獲取、轉換和存儲關于物理量、性質、現象、作用力及材料方面的信息和數據。3.2工業互聯網平臺industrialinternetplatform工業全要素匯聚和工業資源配置的樞紐，是面向制造業數字化網絡化智能化需求,構建基于海量數據采集、匯聚、分析的服務體系,是支撐制造資源泛在連接、彈性供給、高效配置和協同創新的載體。4縮略語下列縮略語適用于本文件。IaaS:基礎設施即服務（Infrastructure-as-a-Service）API：應用程序接口（ApplicationProgrammingInterface）VMH：虛擬機器監視器（VirtualMachineMonitor）VM：虛擬機（VirtualMachine）IA：儀器代理（InstrumentAgent）IM：儀器管理器（InstrumentManager）IRM：儀器資源管理系統（InstrumentResourceManager）CC：云控制器（CloudController）CLC：集群控制器（ClusterController）NC：節點控制器（NodeController）OWL：Web本體語言（WebOntologyLanguage）XML：可擴展標記語言（ExtensibleMarkupLanguage）WSMO：Web服務建模本體（WebServiceModelingOntology）SEI：服務端點接口（ServiceEndpointInterface）SOAP：簡單對象訪問協議（SimpleObjectAccessProtocol）WSDL：Web服務描述語言（WebServiceDescriptionLanguage）3T/BIAIMXXXXX—20XX5接入方法工業互聯網中科學儀器信息感知及云端接入方法如圖7所示，各層結構如下：a)數據感知層。負責通過各類傳感器，高效和可靠地采集數據，包括本地代理和通信協議。數據感知層是整個框架的基礎，確保從科學儀器中收集到的數據與信息能夠被準確地捕獲和傳輸；b)信息融合層。在傳感網絡對儀器設備多源信息進行采集后，需要進一步對數據進行預處理及融合分析，包括涉及異常數據的剔除以及數據的自適應加權融合。通過對初始數據的融合處理，最終可獲得更加準確的儀器設備資源實時動態信息，從而為工業生產優化運行提供穩定可靠的數據支撐；c)多源信息層。主要解決領域信息交互的問題，使各個系統的組成元素細化。涉及不同來源和類型的數據的整合，以形成一個統一的數據視圖，便于進一步的處理和分析；d)信息描述層。主要負責定義和組織數據的語義，確保數據的一致性和可理解性。信息描述層可能包括數據模型的構建、元數據的管理以及數據格式的標準化，以便于數據在不同系統和平臺之間的交換和互操作；e)適配接入層。提供底層接入技術與上層協議棧之間的傳輸適配功能。適配層接收上層發送的數據包，區分待發送數據包所使用的底層接入技術，并將相應數據包遞交到符合對應接入技術的底層進行傳輸；或接收來自底層的數據包，區分相應數據包所屬的上層協議類型，并將數據包遞交給指定的上層協議棧。圖1接入實現方法6接入架構工業互聯網平臺的科學儀器接入架構如圖2所示，架構包括資源層、接入層和平臺層。資源層包括科學儀器的硬件資源以及儀器產生的多源信息數據資源。在接入層,借助專用網絡、物聯網、傳感網絡、以太網等傳輸網絡，以各自的接入方法將科學儀器以及儀器數據集成接入到工業互聯網平臺。4T/BIAIMXXXXX—20XX圖2工業互聯網平臺科學儀器接入總體架構7硬件資源接入7.1硬件資源根據中小企業工業互聯網的實際應用需求，在工業互聯網平臺中接入的科學儀器硬件資源包括：a)IT基礎資源：包括云計算中心、數據中心、計算設備等，可實現云端IT資源的管理和調用，如資源的使用情況查看、資源的分配等；b)用于研究、觀測、試驗、檢驗、檢測、計量等各類科技活動和教學活動的重要儀器和設備，包括分析儀器、物理性能測試儀器、計量儀器、電子測量儀器等類別。7.2科學儀器虛擬化7.2.1數據采集與信息感知工業互聯網環境下科學儀器的信息感知與數據采集流程可以分為以下幾個關鍵步驟：a)部署智能傳感設備。在科學儀器上安裝RFID、無線傳感裝置等智能傳感設備，形成儀器設備傳感網絡。這些設備負責在硬件層面上采集科學儀器在使用過程中的多維信息；b)多維信息采集。通過實際觀察與傳感網絡等方式實時采集科學儀器的基本信息、功能數據等；c)數據預處理。對智能傳感設備采集的原始數據進行清洗、去噪、歸一化等預處理操作，以提高數據的質量和可用性；d)數據融合分析。將預處理后的數據進行融合分析，通過算法整合來自不同傳感器的數據，提取有用的信息，形成更加全面和準確的儀器設備狀態描述；e)故障狀態感知。對儀器運行狀態中的故障狀態進行感知，需要布置傳感網絡對電機定子線圈短路、斷路、接地、電機軸承磨損等信息進行采集，以此判斷科學儀器是否處于故障狀態；f)數據集成管理。將傳感網絡和數控系統采集的數據集成統一管理和分析，以便于監控和管理整個儀器使用過程。7.2.2數據融合多傳感器數據融合如圖3所示。多傳感器數據融合方法包括：——貝葉斯估計法；——基于神經網絡的數據融合方法；——D-S證據理論；——加權融合算法。5T/BIAIMXXXXX—20XX圖3多傳感器數據融合示意圖7.2.3數據傳輸科學儀器在工業互聯網中的數據傳輸需滿足實時性、穩定性和安全性要求。根據不同應用場景，數據傳輸機制包括：——統一數據傳輸架構：利用分布式架構實現數據的采集、處理和傳輸，確保異構網絡環境中的儀器能夠高效聯通和數據共享。采用消息隊列技術（如Kafka或RabbitMQ）提高數據吞吐能力；——多樣化的數據傳輸方式：.以太網傳輸：通過有線網絡連接實現高帶寬數據傳輸。適合實驗室和工業現場環境；.無線傳輸：包括Wi-Fi、5G和LoRa等，滿足遠程儀器的連接需求；.光纖通信：用于大規模儀器部署或需超高帶寬的場景?！獢祿鬏敯踩裕豪眉用芗夹g（如TLS/SSL協議）保護數據傳輸過程中的機密性，并對傳輸鏈路中的身份進行認證以確保數據來源可信。7.2.4協議解析協議解析流程如下：a)協議抽象與標準化。借助Web服務技術，通過WSDL定義儀器功能接口，使不同語言、平臺開發的服務能夠互操作；b)協議映射與適配。利用動態映射技術將底層數據協議（如Modbus或GPIB）轉化為標準化的數據表示形式（如XML或JSON），并提供應用層協議（如SOAP或REST）的支持，確保儀器能夠與工業互聯網平臺交互；c)數據幀處理與校驗。幀解析包括提取幀頭、幀尾及有效載荷，確保傳輸數據的結構化。校驗機制為采用CRC校驗等算法驗證數據完整性，并對丟包和錯誤數據進行補償；d)多協議并行支持。支持常見協議，如OPCUA、MQTT和自定義協議，以滿足不同類型儀器的需求。通過服務適配層動態加載所需協議模塊，支持儀器的實時接入和靈活擴展；e)數據壓縮。使用壓縮算法（如Gzip）減少傳輸數據量，適用于低帶寬網絡場景；f)邊緣計算。在邊緣節點完成數據預處理（如去噪和融合），減少云端數據處理壓力。7.2.5儀器虛擬化建?？茖W儀器虛擬化建模過程包含建模、編程、測試和集成等多個步驟，目的是在虛擬環境中模擬科學儀器的硬件功能，使儀器資源可以被遠程訪問和使用。科學儀器的虛擬化建模流程如圖4所示，具體過程如下：a)儀器功能建模，確定儀器的核心功能和性能指標，建立功能模型；b)儀器控件建模，設計儀器的用戶界面和控制元素，建立控件模型；c)模型算法開發，根據功能和控件模型，開發相應的算法來模擬儀器的工作原理；d)庫程序編程，將算法轉化為可執行的庫程序，這些程序將構成虛擬儀器的功能核心；e)軟功能組庫構建，將庫程序整合到軟功能組庫中，形成一個模塊化的軟件組件集合；f)軟控件庫構建，將控件模型轉化為軟控件庫，提供虛擬儀器的用戶界面組件；g)功能賦予與測試，在軟功能組庫的基礎上，進行功能賦予，確保每個功能模塊都能正確執行其任務；h)測試融合框架開發，開發測試融合框架，用于集成和測試虛擬儀器的各個組件；i)協議集成，確保虛擬儀器的通信協議能夠與外部系統或網絡環境兼容；6T/BIAIMXXXXX—20XXj)控件成品庫構建，將經過測試的軟控件整合到控件成品庫中，供最終用戶界面構建使用；k)儀器拼搭。使用控件成品庫中的組件，用戶可以構建自己的虛擬儀器界面，實現硬件資源的虛擬化；l)系統集成與部署，將所有組件和庫集成到一個完整的虛擬儀器系統中，并進行部署，使其可以在工業互聯網平臺上運行。圖4科學儀器虛擬化過程7.2.6儀器虛擬化建模平臺儀器虛擬化建模平臺是用于創建和設計虛擬儀器應用程序的軟件環境。儀器虛擬化建模平臺包括：——LabVIEW；——LabWindows/CVI；——VEE(VisualEngineeringEnvironment)；——MeasurementStudio；——Tang。儀器虛擬化建模平臺提供與硬件設備的接口，允許用戶通過編寫程序來控制儀器和處理數據，支持：——儀器驅動：支持多種儀器和接口，如GPIB、USB、Ethernet等；——數據處理和分析：提供數據處理和分析的工具，如信號處理、統計分析等；——用戶界面設計：允許用戶設計自定義的用戶界面，以顯示數據和控制儀器；——模塊化和可重用性：鼓勵模塊化編程，使得代碼可以重用，便于維護和升級；——調試和測試：提供調試工具，幫助用戶識別和修復程序中的問題。7.3科學儀器接入7.3.1應用場景在實現硬件虛擬化、建立虛擬儀器后，還需針對工業互聯場景進行優化，便于科學儀器的接入，工業互聯應用場景包括：——將遠程程序部署到云中，以降低硬件投入，同時便于對儀器的遠程監控；——依托平臺，進行儀器的在線協同開發和測試；——分布式儀器的集成，便于大規模儀器系統的管理和使用；——計算和存儲資源的彈性擴展，便于數據信息的高效存儲和分析。7.3.2接入方式科學儀器的遠程虛擬化和網絡化可以根據具體的應用需求和環境條件選擇最合適的方式實現工業互聯網的接入?？茖W儀器接入方式包括：——串口、并口接入方式。串口（如RS-232）和并口（如ParallelPort）是傳統的儀器接入方式，通過特定的接口和電纜直接連接儀器和計算機；——PCI、PCIe總線接入方式。PCI和PCIe是用于連接計算機內部硬件設備的總線標準。提供高速的數據傳輸能力，適用于需要大量數據交換的儀器；——VMH支持的總線接入方式。VMH（虛擬機管理程序）支持的總線接入方式允許儀器通過虛擬化技術接入云平臺，實現遠程虛擬化和資源管理；——USB接口接入。USB是一種通用的串行總線，支持即插即用，廣泛應用于各種外部設備和儀器的連接；——以太網接入。提供通過網絡電纜或無線網絡連接儀器和計算機的方式，適用于遠程數據傳輸和網絡化儀器系統；7T/BIAIMXXXXX—20XX——無線通信接入。包括Wi-Fi、藍牙、Zigbee等無線技術，允許儀器在沒有物理連接的情況下進行數據傳輸；——GPIB接入。用于連接測試和測量設備的并行總線，常用于實驗室和工業自動化環境中；——PXI接入。適用于自動化測試和測量系統，提供高帶寬和同步能力；——PXIe接入。PXIe是PXI的升級版，利用PCIExpress技術提供更高的帶寬和靈活性，適用于高速數據傳輸和復雜測量同步的應用；——VXI接入?；赩ME總線的插卡式模塊化設計，適用于高性能測試和測量系統。7.3.3直接接入設備、控制計算機或智能采集終端通過現場總線、工業以太網、工業無線等方法接入內置了API的工業互聯網網關，將科學儀器的集成信息直接接入工業互聯網平臺，如圖5所示。圖5儀器設備直接接入方法7.3.4間接接入科學儀器/儀器組合在本地組成網絡后，通過現場總線、工業以太網、工業無線等方法接入企業工業生產管理系統，并可從企業其他信息系統（如ERP等）獲取信息支撐，然后通過WebService集成方法將儀器設備/設備組合的集成信息間接接入工業互聯網平臺，如圖6所示。圖6儀器設備間接接入方法8T/BIAIMXXXXX—20XX8數據信息接入8.1數據信息根據中小企業工業互聯網的實際應用需求，在工業互聯網平臺中接入的科學儀器數據信息包括：a)科學儀器基礎信息，包括科學儀器的名稱、序列號、制造商、名稱、版本等信息等；b)科學儀器相關數據，包括儀器功能、信號能力、端口、驅動等。8.2科學儀器數據信息本體構建8.2.1本體構建流程科學儀器的本體構建過程如圖7所示。具體過程如下：a)確定本體建模目的及領域范圍。用科學規范的模型來描述科學儀器資源的多維信息構成，如工業數據信息、技術支持信息、物能供應信息、機床基礎信息、人員配置信息以及環境配套信息等，從而為科學儀器資源的精準檢索及科學儀器資源領域本體間的共享奠定的基礎；b)列舉科學儀器資源領域術語。首先確定科學儀器資源本體建模中的最核心術語，即“科學儀器”和六大基礎信息維，然后圍繞六大基礎信息維對核心術語下的相關術語進行逐層分析和列舉，最終形成科學儀器資源領域范圍內的完整術語清單；c)是否重用已有本體。考慮是否重用現有可用的科學儀器資源本體，通過復用現有本體，并在此基礎上對本體進行精煉、修改以及擴展，提升本體開發效率；d)定義科學儀器資源本體概念及相關關系。根據科學儀器資源領域術語，定義科學儀器資源本體概念，在形成相應的概念集合后，基于高內聚、低耦合的思想將概念類之間的最基本關系分為繼承關系（isa）、整體與部分關系（ispartof）、屬性關系（isattributeof）、實例關系（isinstanceof）四種；e)定義科學儀器資源本體類、屬性、公理及推理規則。根據形成的概念集合定義科學儀器資源領域本體類，對科學儀器資源本體模型涉及的公理及推理規則進行定義，比如屬性類型及屬性取值的約束規則；f)科學儀器資源本體編輯及描述。選擇Protégé開發科學儀器資源領域本體，對類、屬性、公理以及推理規則等內容進行編輯，并通過網絡本體語言OWL對科學儀器資源本體模型進行編碼；g)本體評價。需要基于一致性、可擴展性等檢驗原則對科學儀器資源本體進行評價，在滿足標準的情況下，科學儀器資源本體模型構建完成；反之，需要重新構建科學儀器資源本體模型，直到滿足為止。9T/BIAIMXXXXX—20XX圖7科學儀器資源本體構建流程8.2.2本體描述科學儀器的通用本體結構如圖7所示。圖8科學儀器通用本體結構科學儀器的類元素定義見表1。表1科學儀器本體類定義EnvironmentalRequire儀器的物理端口，用于描述儀器的引腳、通道、連T/BIAIMXXXXX—20XX8.2.3本體映射科學儀器資源領域本體映射方法包含本體概念、實例以及屬性，如圖9所示。圖9科學儀器資源本體映射模型8.2.4領域本體語義描述本體語義描述語言包括：——XML；——OWL。8.3科學儀器資源適配接入科學儀器資源的適配接入的組成部分包括：——SEI。定義客戶端與服務端的交互接口；——SOAP。定義客戶端與服務端之間的交互協議；——WSDL。定義服務的訪問細節（端口、方法參數等）。科學儀器資源的適配接入以一種標準化接口的方式將異地分散的科學儀器資源聚集到工業互聯網平臺中，并實現服務接口與科學儀器資源的動態綁定，用戶通過訪問相應的服務接口便能實現對遠程科學儀器資源的調用。如圖10所示，具體實現過程如下：a)獲取科學儀器資源OWL語義描述文檔。結合上述構建的科學儀器資源本體模型，根據科學儀器資源物理狀態對各屬性進行相應的賦值，并通過Protégé將本體模型自動轉換為科學儀器資源OWL語義描述文檔，作為科學儀器資源服務化封裝代碼實現的輸入信息；b)科學儀器資源服務化封裝代碼實現。首先運用Jena工具對OWL文檔進行編譯解析，生成包含科學儀器資源實體類的mt.java文件；其次，基于@WebService及@WebMethod等注解創建JAX-WS服務端點接口；最后，編寫相應的服務端點接口實現類；c)Web服務的注冊及發布。在編寫完JAX-WS服務端接口及實現類后，通過Endpoint的publish方法將制造服務注冊發布到工業互聯網平臺的虛擬資源池中，同時生成相應的WSDL文檔。對T/BIAIMXXXXX—20XX于已注冊發布的科學儀器資源，客戶端可根據WSDL文檔通過wsimport指令生成SEI代理類，最后通過SEI代理類與實體資源類的交互完成對科學儀器資源的遠程調用。圖10科學儀器資源適配接入方法9微服務化9.1概述科學儀器微服務化應遵循以下基本要求：——模塊化設計：將儀器功能模塊劃分為獨立的微服務單元，每個微服務專注于單一功能；——標準化接口：通過統一的服務接口規范（如RESTfulAPI或SOAP）實現服務調用的互操作性；——高可用性：微服務應具備負載均衡和容錯能力，以保障服務的穩定性；——動態擴展性：微服務應支持動態加載和更新，滿足儀器功能的靈活擴展需求；——安全性：采用認證、授權和加密技術確保微服務調用的安全性。9.2儀器模型封裝9.2.1功能模塊化科學儀器的功能包括：——數據采集模塊：完成傳感器數據的采集與初步處理；——數據解析模塊：包括協議解析與數據幀處理；——儀器狀態監控模塊：提供儀器運行狀態的實時反饋；——任務管理模塊：支持任務創建、查詢、更新和刪除等操作。9.2.2模型設計原則儀器模型設計應遵循以下原則：——高內聚低耦合：功能模塊內部緊密關聯，模塊之間通過接口解耦；——服務復用：通用功能模塊可被多個儀器共享；——資源優化：減少模型冗余，提升資源利用效率。9.3解析過程微服務化9.3.1協議解析協議解析微服務通過動態加載支持多種數據協議的解析，協議包括：——Modbus；T/BIAIMXXXXX—20XX——OPCUA；——自定義二進制協議。解析過程包括數據幀分解、校驗和格式轉換，最終輸出標準化數據格式（如JSON或XML）。9.3.2數據處理數據處理微服務實現方式包括：——使用多線程或異步處理機制提升數據處理效率；——提供插件接口，支持自定義數據處理邏輯；——輸出與工業互聯網平臺兼容的標準化數據格式。9.4調用過程微服務化9.4.1服務接口定義微服務通過標準化接口暴露功能，可使用：——RESTfulAPI：使用HTTP協議，提供資源的CRUD操作；——SOAP接口：基于WSDL定義服務，支持復雜的數據交互。9.4.2服務調用流程微服務調用的基本流程如下：a)服務發現：通過服務注冊中心獲取所需服務的地址；b)服務認證：采用OAuth2.0或JWT等