一种基于图网络的工业现场网络组网性能计算方法及系统

本发明涉及智能工业互联网，尤其涉及一种基于图网络的工业现场网络组网性能计算方法及系统。

背景技术：

1、随着物联网技术的蓬勃发展，工业互联网技术在工业现场中的应用价值日益凸显，同时，工业现场组网技术还是具有代表性的先进工业互联网技术之一。

2、当前，不同行业的工业现场广泛具有差异性的制造环境。例如，多样的生产制造行业具有不同的生产制造工艺和过程，具有不同位置和空间距离的生产车间配置，前期已购置不同设备厂商的工业设备和元器件，后期仍可能购置不同设备供应商的组网设备和元器件。上述工业制造的发展现状给工业互联网组网技术的发展带来诸多困扰和挑战性问题。

3、面对工业现场环境的差异性和环境的复杂多变，如何搭建与某一工业现场优化匹配的通信网络已日益成为该领域亟待解决的核心问题，普遍存在的问题包括：

4、（1）工业生成设备供应商和工业软硬件平台的多样性：自工业传感器到工业大型设备，不同工业设备供应商提供的设备种类繁多，形状和功能各异，从而导致集成于其中的智能芯片，通信、存储和传输等核心模块在工业通信过程中彼此间难以实现数据通信和共享，以致无法实现大规模和超大规模数据的挖掘和分析，乃至利用工业大数据实现工业设备的故障定位、分析和智能诊断；

5、（2）工业通信协议的多样性。常见的工业通信协议主要包括：modbus协议（应用层）、opc通讯协议、can总线协议、profibus协议、ethernet/ip协议、profinet协议等。不同通信协议应用于不同工业场景，即便是同一层的数据通信，由于使用的通信协议不同，也容易出现数据无法通信和共享的问题；

6、（3）工业现场环境的复杂性：工业生产和制造过程通常会根据生产工艺和流程不同，建造不同生产车间以示区分。因此，不同流程的生产环境迥异，为工业互联网搭建、工业数据实时通信和共享等问题提出新的挑战；

7、（4）工业组网种类和形式的多样性：工业现场环境的组网从数据采样的各类传感器到数据通信的通信和存储模块，再到数据分析的各种软硬件平台，在设备品牌、参数和功能选型方面，无一不显现出不同视角的组合多样性。因此，不同组合在功能、成本、组合和实现难度等方面应用于不同工业现场环境时存在各自的优劣势，因此如何将最优化的工业组网元器件和设备选型的组合与不同工业现场环境实现匹配，是一大挑战性问题；

8、（5）工业互联网数据通信需求的多样性：不同制造行业和工业现场应用场景对数据通信效率和质量要求不一。例如，以汽车制造为代表的工业流水线离散制造行业的生产过程对数据通信时间敏感性和稳定性的要求高于以化工、医药等行业为代表的流程生产行业。因此，针对不同行业和生产制造过程应采取不同组网优化策略予以应对，才能确保在适配的工业互联网数据通信环境中实现产能最大化和节能最优化。

9、因此，针对工业现场组网环境的复杂性和技术要求的多样性等需求，需要提出对工业现场组网性能进行分析和计算的有效方法。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于图网络的工业现场网络组网性能计算方法及系统，用以解决现有技术中工业现场组网缺乏系统的组网分析和管理方法的缺陷。

2、第一方面，本发明提供一种基于图网络的工业现场网络组网性能计算方法，包括：

3、获取工业现场节点集合，由所述工业现场节点集合确定节点级图表示模式、边级图表示模式和图级图表示模式；

4、基于所述节点级图表示模式、所述边级图表示模式和所述图级图表示模式，构建工业组网模型与图表示；

5、对所述工业组网模型与图表示进行性能标准计算，得到性能计算结果；

6、对所述性能计算结果进行评价标准计算，得到评价计算结果。

7、根据本发明提供的一种基于图网络的工业现场网络组网性能计算方法，获取工业现场节点集合，包括：

8、由若干工业设备和若干工业设备之间的数据通信链路构成若干工业现场层；

9、由所述若干工业现场层构成若干生产厂商层或若干制造厂商层；

10、由所述若干生产厂商层或若干制造厂商层构成行业层，所述行业层包括离散制造行业和流程生产行业。

11、根据本发明提供的一种基于图网络的工业现场网络组网性能计算方法，由所述工业现场节点集合确定节点级图表示模式、边级图表示模式和图级图表示模式，包括：

12、确定节点类型集合包括传感器子集、中继器子集和服务器子集，确定节点种类包括主站节点、从站节点、中继节点和采集节点，确定节点状态包括开状态和关状态，根据所述节点类型集合、所述节点种类和所述节点状态确定所述节点级图表示模式；

13、由任意两节点之间的通信距离、数据传输速率、信道带宽、误码率、通信时延和信道容量确定所述边级图表示模式；

14、确定子图结构包括闭环和非闭环，确定环节点构造包括构造环的节点数和边数，确定组网架构包括组网架构类型，确定节点密度包括设定区域内构造图的节点数，由所述子图结构、所述环节点构造、所述组网架构和所述节点密度确定所述图级图表示模式。

15、根据本发明提供的一种基于图网络的工业现场网络组网性能计算方法，基于所述节点级图表示模式、所述边级图表示模式和所述图级图表示模式，构建工业组网模型与图表示，包括：

16、获取学习到的分辨率感知的隐式表示；

17、从所述节点级图表示模式中提取节点设备类型集合、节点种类集合和节点状态集合，基于所述节点设备类型集合、所述节点种类集合、所述节点状态集合和所述学习到的分辨率感知的隐式表示，确定节点集合矩阵；

18、从所述边级图表示模式中提取任意两个节点之间距离和任意两个节点之间通信边权重，基于所述任意两个节点之间距离、所述任意两个节点之间通信边权重和所述学习到的分辨率感知的隐式表示，确定边集合矩阵；

19、从所述图级图表示模式中提取节点有效通信区域、边有效通信区域和图有效通信区域，基于所述节点有效通信区域、所述边有效通信区域、所述图有效通信区域和所述学习到的分辨率感知的隐式表示，确定通信时效集合矩阵；

20、获取所述节点集合矩阵、所述边集合矩阵在所述通信时效集合矩阵内构成的有效通信区域；

21、由节点权重集合、边权重集合和通信时效权重集合构成的矩阵集合与所述有效通信区域进行矩阵相乘，获得所述工业组网模型与图表示。

22、根据本发明提供的一种基于图网络的工业现场网络组网性能计算方法，对所述工业组网模型与图表示进行性能标准计算，得到性能计算结果，包括：

23、由任意两个节点间边强度与节点总数，计算得到所有边可靠性均值，以所述所有边可靠性均值作为可靠性结果；

24、根据选取节点的额定传输速率、额定最大传输信号和额定最大存取速率得到选取节点的网络高效性度量指标集合，由所述网络高效性度量指标集合的任一指标等级、最高指标等级和最低指标等级，计算得到任意两个节点间的指标达成度，以所述指标达成度作为高效性结果；

25、由组网搭建成本的任一指标等级、最高指标等级和最低指标等级计算得到组网搭建成本达成度，由后期运营成本的任一指标等级、最高指标等级和最低指标等级计算得到后期运营成本达成度，将所述组网搭建成本达成度和所述后期运营成本达成度进行求和得到组网经济性达成度，以所述组网经济性达成作为经济性结果；

26、获取工业现场的场地类型指数和根据场地类型对各组网模式的推荐指数，通过计算所述推荐指数的经济性达成度以及所述场地类型指数得到网络搭建达成度，以所述网络搭建达成度作为便捷性结果；

27、获取任一节点的节点密度和所述任一节点连接的网络安全设备数目，由所述节点密度和所述网络安全设备数目计算得到安全性达成度，以所述安全性达成度作为安全性结果；

28、获取组网参考技术出现年份和当前年份，对所述组网参考技术出现年份和所述当前年份进行排序以及计算得分得到组网技术达成度，以所述组网技术达成度作为先进性结果；

29、获取图构成所有节点可达的完全图，计算所述完全图和所述完全图的平均值得到图可达性完成度，以所述图可达性完成度作为开放性结果。

30、根据本发明提供的一种基于图网络的工业现场网络组网性能计算方法，对所述性能计算结果进行评价标准计算，得到评价计算结果，包括：

31、由任一节点完成度和节点总数得到子图完成度，由任一子图完成度和子图总数得到图完成度，根据所述子图完成度和所述图完成度得到完成度指标；

32、利用所述所有边可靠性均值、所述指标达成度、所述组网经济性达成度、所述网络搭建达成度、所述安全性达成度、所述组网技术达成度和所述图可达性完成度，得到达成度指标。

33、第二方面，本发明还提供一种基于图网络的工业现场网络组网性能计算系统，包括：

34、获取模块，用于获取工业现场节点集合，由所述工业现场节点集合确定节点级图表示模式、边级图表示模式和图级图表示模式；

35、构建模块，用于基于所述节点级图表示模式、所述边级图表示模式和所述图级图表示模式，构建工业组网模型与图表示；

36、第一计算模块，用于对所述工业组网模型与图表示进行性能标准计算，得到性能计算结果；

37、第二计算模块，用于对所述性能计算结果进行评价标准计算，得到评价计算结果。

38、第三方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述基于图网络的工业现场网络组网性能计算方法。

39、第四方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述基于图网络的工业现场网络组网性能计算方法。

40、第五方面，本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述基于图网络的工业现场网络组网性能计算方法。

41、本发明提供的基于图网络的工业现场网络组网性能计算方法及系统，针对工业现场组网过程中面临的五个方面的痛点问题，以工业互联网四方面的相关工作为研究基础，创造性的提出了一套较完整解决上述问题的有效理论和方法，研究方法从七个方面（简称“七性”）定义入手，针对性的提出应对组网过程中需要实现组网评价的性能评估指标，并通过真实数据集的设计实验，最终验证了本发明提出的理论和方法与工业现场组网评价和量化计算的契合程度。

技术特征：

1.一种基于图网络的工业现场网络组网性能计算方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于图网络的工业现场网络组网性能计算方法，其特征在于，获取工业现场节点集合，包括：

3.根据权利要求2所述的基于图网络的工业现场网络组网性能计算方法，其特征在于，由所述工业现场节点集合确定节点级图表示模式、边级图表示模式和图级图表示模式，包括：

4.根据权利要求1所述的基于图网络的工业现场网络组网性能计算方法，其特征在于，基于所述节点级图表示模式、所述边级图表示模式和所述图级图表示模式，构建工业组网模型与图表示，包括：

5.根据权利要求1所述的基于图网络的工业现场网络组网性能计算方法，其特征在于，对所述工业组网模型与图表示进行性能标准计算，得到性能计算结果，包括：

6.根据权利要求5所述的基于图网络的工业现场网络组网性能计算方法，其特征在于，对所述性能计算结果进行评价标准计算，得到评价计算结果，包括：

7.一种基于图网络的工业现场网络组网性能计算系统，其特征在于，包括：

8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至6任一项所述基于图网络的工业现场网络组网性能计算方法。

9.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述基于图网络的工业现场网络组网性能计算方法。

10.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述基于图网络的工业现场网络组网性能计算方法。

技术总结
本发明提供一种基于图网络的工业现场网络组网性能计算方法及系统，包括：基于图网络的工业现场网络组网性能计算方法，该方法包括：获取工业现场节点集合，由工业现场节点集合确定节点级图表示模式、边级图表示模式和图级图表示模式；基于节点级图表示模式、边级图表示模式和图级图表示模式，构建工业组网模型与图表示；对工业组网模型与图表示进行性能标准计算，得到性能计算结果；对性能计算结果进行评价标准计算，得到评价计算结果。本发明为同领域的学者未来在研究工业现场组网评价和量化计算方面提供一套完整解决问题的思路，可为这类研究提供较明确的理论和参考性应用价值。

技术研发人员：王峰,杭波,徐德刚,黄金洲,郭堂瑞
受保护的技术使用者：湖北文理学院
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23