一种基于联邦学习的云边协同管控一体化平台的制作方法

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1.本发明涉及一种基于联邦学习的云边协同管控一体化平台。


背景技术：

2.随着人工智能技术的迅猛发展，将深度学习网络模型应用于设备故障检测具有很大优势，它能够在海量数据中挖掘有价值的信息，根据设备运行数据判断设备的运行状态。
3.而联邦学习方法能够在具有同种特征的设备之间展开模型的联合训练，扩充了数据规模，并能够增强模型在设备之间的迁移应用的泛化能力；但是现有的深度神经网络模型结构复杂训练和计算代价大，在工业的边缘设备中部署困难，同时其对时间特征域外的数据特征提取能力有限，在工业物联网末端设备的大规模普及的背景下，数据逐渐呈现海量异构、处理复杂、计算频度高等特点。
4.目前，常用的云计算架构往往是直接将感知层数据上传到云平台集中进行处理应用，由于数据的总量较大，实际传输过程中，会存在传输时延较大的现象，容易造成业务响应不及时、平台侧网络资源负担大的问题。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供了一种基于联邦学习的云边协同管控一体化平台，结构设计合理，通过多个平台和功能部件的相互配合作用，能够准确快速的进行数据的传输或上传，即使数据的总量较大，也可以保持较高的工作效率，降低了传输时延和资源负担，使业务或操作按照用户的指令及时响应，同时减少了风险发生的概率，保证数据传输过程中的安全性，防止偏差的产生，解决了现有技术中存在的问题。
6.本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
7.一种基于联邦学习的云边协同管控一体化平台，包括一体化平台，所述一体化平台采用b/s架构设计，所述一体化平台用于执行模型训练、设备管理、画面组态、逻辑组态、编译下装、模拟仿真的功能；所述一体化平台通过内网连接有云堡垒机，所述云堡垒机用于执行身份验证、账号管理、授权控制、安全审计的功能；在云堡垒机上通过公网ip连接有多个小型化dcs一体机，以通过分发公钥、加密传递、汇总结果和更新模型的步骤完成联邦学习功能。
8.所述一体化平台通过exsi部署于服务器，所述一体化平台中的虚拟dpu单独通过exsi以硬件直连方式部署于服务器。
9.在云堡垒机上设有管控设备，所述管控设备用于完成设备激活从而打通一体化平台、云堡垒机和小型化dcs一体机的连接。
10.在一体化平台内使用java编程语言实现逻辑组态功能，得到逻辑组态文件，所述逻辑组态文件经编译之后下装到一体化平台中的虚拟dpu内的jvm虚拟机，以实现逻辑组态的跨平台运行。
11.在一体化平台上还连接有上层大数据平台，以实现数据的远程通信。
12.在一体化平台上还连接有数字孪生仿真系统，以实现模拟仿真和数据高效传输。
13.在一体化平台内设有模型训练模块、设备管理模块、画面组态模块、逻辑组态模块、编译下装模块、用户管理模块、监控报警模块、操作监控模块、数据管理模块和模拟仿真模块。
14.在云堡垒机内设有身份验证模块、账号管理模块、授权控制模块和安全审计模块。
15.本发明采用上述结构，通过一体化平台来执行模型训练、设备管理、画面组态、逻辑组态、编译下装、模拟仿真的功能，以完成数据的传输和处理；通过云堡垒机来执行身份验证、账号管理、授权控制、安全审计的功能，以与用户建立人机交互，从而进行控制指令的输入；通过管控设备来完成设备激活来打通一体化平台、云堡垒机和小型化dcs一体机的连接；通过一体化平台内部使用java编程语言实现逻辑组态功能得到逻辑组态文件，具有精准实用、安全可靠的优点。
附图说明：
16.图1为本发明的结构示意图。
17.图2为本发明的学习模型的训练流程图。
18.图3为本发明的一体化平台的功能模块示意图。
19.图4为本发明的云堡垒机的功能模块示意图。
具体实施方式：
20.为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。
21.如图1
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4中所示，一种基于联邦学习的云边协同管控一体化平台，包括一体化平台，所述一体化平台采用b/s架构设计，所述一体化平台用于执行模型训练、设备管理、画面组态、逻辑组态、编译下装、模拟仿真的功能；所述一体化平台通过内网连接有云堡垒机，所述云堡垒机用于执行身份验证、账号管理、授权控制、安全审计的功能；在云堡垒机上通过公网ip连接有多个小型化dcs一体机，以通过分发公钥、加密传递、汇总结果和更新模型的步骤完成联邦学习功能。
22.所述一体化平台通过exsi部署于服务器，所述一体化平台中的虚拟dpu单独通过exsi以硬件直连方式部署于服务器。
23.在云堡垒机上设有管控设备，所述管控设备用于完成设备激活从而打通一体化平台、云堡垒机和小型化dcs一体机的连接。
24.在一体化平台内使用java编程语言实现逻辑组态功能，得到逻辑组态文件，所述逻辑组态文件经编译之后下装到一体化平台中的虚拟dpu内的jvm虚拟机，以实现逻辑组态的跨平台。
25.在一体化平台上还连接有上层大数据平台，以实现数据的远程通信。
26.在一体化平台上还连接有数字孪生仿真系统，以实现模拟仿真和数据高效传输。
27.在一体化平台内设有模型训练模块、设备管理模块、画面组态模块、逻辑组态模块、编译下装模块、用户管理模块、监控报警模块、操作监控模块、数据管理模块和模拟仿真模块。
28.在云堡垒机内设有身份验证模块、账号管理模块、授权控制模块和安全审计模块。
29.本发明实施例中的一种基于联邦学习的云边协同管控一体化平台的工作原理为：通过多个平台和功能部件的相互配合作用，能够准确快速的进行数据的传输或上传，即使数据的总量较大，也可以保持较高的工作效率，降低了传输时延和资源负担，使业务或操作按照用户的指令及时响应，同时减少了风险发生的概率，保证数据传输过程中的安全性，防止偏差的产生，应用场景较为广泛，普及难度小，可以在工业生产的过程中快速推广。
30.在整体方案中，主要包括一体化平台和云堡垒机，一体化平台和云堡垒机之间通过内网相连接，在云堡垒机上通过公网ip连接有多个小型化dcs一体机，以通过分发公钥、加密传递、汇总结果和更新模型的步骤完成联邦学习功能，从而依托上述结构来实现大量数据精准快速传输；同时，整体结构采用低耦合组件库开发方式开发，各功能组件可以独立扩展升级，不会影响整体功能使用，提高平台应用的稳定性。
31.优选的，一体化平台采用b/s架构设计，一体化平台通过exsi部署于服务器，一体化平台中的虚拟dpu单独通过exsi以硬件直连方式部署于服务器；exsi专为运行虚拟机、最大限度降低配置要求和简化部署而设计；只需几分钟时间，客户便可完成从安装到运行虚拟机的全过程，特别是在下载并安装预配置虚拟设备的时候；通过exsi可以轻松实现多个平台、多虚拟dpu的部署运维。
32.优选的，在云堡垒机上设有管控设备，用于完成设备激活从而打通一体化平台、云堡垒机和小型化dcs一体机的连接，方便用户进行触发整体结构进入工作状态。
33.网络连接之后，云堡垒机来等待一体化平台的近一步激活认证，在一体化平台的设备管理模块中可以输入每个小型dcs一体机的设备激活码，完成一体化平台侧小型dcs一体机的认证及激活一体化平台对该设备的管理功能，按照上述操作，一体化平台可以激活多个小型dcs一体机。
34.优选的，在一体化平台内使用java编程语言实现逻辑组态功能，得到逻辑组态文件，逻辑组态文件经编译之后下装到一体化平台中的虚拟dpu内的jvm虚拟机，以实现逻辑组态的跨平台；逻辑组态的生成文件为.java文件。经编译之后最终为.class文件。
35.在一体化平台上还可以连接上层大数据平台，以实现数据的远程通信，一般情况下，依靠kafka、flume完成实时数据、非实时数据的上云存储；对于实际工业过程中的大量运行数据可依靠特定的压缩算法进行压缩上传，在一体化平台功能上可调用大数据平台功能api。
36.如图2所示，以两台设备为例，协作者c将公钥分发给设备a和设备b，用以在训练过程中需要交换的数据进行加密；设备a和设备b之间以加密形式来进行交互以计算梯度的中间结果；设备a和设备b分别基于加密的梯度值进行计算，同时设备b根据其标签数据计算损失，并把结果汇总给协作者c，通过汇总结果计算总梯度值并将其解密，协作者c将解密后的梯度分别回传给设备a和设备b，设备a和设备b分别根据梯度更新各自模型的参数。
37.迭代上述步骤直至损失函数收敛，这样就完成了整个模型训练过程；在样本对齐及模型训练过程中，设备a和设备b各自的数据均保留在了本地，且训练中的数据交互也不会导致数据隐私泄露。因此，双方在联邦学习的帮助下得以实现合作训练模型。
38.对于在一体化平台中的云端组态，可以分为云端画面组态和云端逻辑组态，具体的，云端画面组态实现思路为借助2d、3d模型组件库依托拖拽式编程实现，画面组态最终生
成的文件格式为xml。其中3d模型组件库可依托three.js实现。
39.而云端逻辑组态的实现思路是借助java编程语言实现web端积木式编程，用户通过拖拽由java生成的代码块完成组态逻辑的搭建。
40.特别说明的是，云端画面组态和云端逻辑组态及组态后的监控画面需要依靠一套组件数据库完成。即画面组态逻辑组态需要的数据点位通道信息都预设在数据库中，选择合适的组态完成相应数据的读取写入以及控制逻辑的搭建。
41.对于画面组态和逻辑组态中涉及的数据点位，可在边缘侧经opc、mqtt、http等方式同步到云管控一体化平台中的mongodb数据库中。云画面组态、云逻辑组态、现场dpu设备依靠mongodb搭建数据桥梁。
42.对于本发明实施例中的云边通信，首先边缘侧设备上电激活后以tcpip方式向云堡垒机注册存活，位于一体化平台端进一步确认激活边缘侧设备，然后可依靠云堡垒机为中心节点，云边两侧为子节点组建虚拟局域网。
43.对于本发明实施例中的连接数字孪生系统，首先数字孪生系统的实现方式包括但不限于modelica一种。modelica是一种已有的支持高效的模型库的发展与模型重用的物理系统建模语言。利用modelica可以完成仿真系统的搭建。虚拟dpu的通信原理与真实dpu基本一致。在真实的应用场景下，dpu通过can总线与各种输入输出卡件连接，各种输入输出卡件上支持多种工业信号的采集。在实际的应用中，数字孪生系统需开发出包括但不仅限于can通信的数据输入输出块。在实际的连接中，数字孪生系统和虚拟dpu之间通过虚拟can总线通讯。在一体化平台中可与配置真实设备一致配置数字孪生系统中的数据输入输出块。对于特殊的项目虚拟dpu与虚拟dpu之间可通过modbus、opc进行拓展。
44.综上所述，本发明实施例中的一种基于联邦学习的云边协同管控一体化平台通过多个平台和功能部件的相互配合作用，能够准确快速的进行数据的传输或上传，即使数据的总量较大，也可以保持较高的工作效率，降低了传输时延和资源负担，使业务或操作按照用户的指令及时响应，同时减少了风险发生的概率，保证数据传输过程中的安全性，防止偏差的产生，应用场景较为广泛，普及难度小，可以在工业生产的过程中快速推广。
45.上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。
46.本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。