（工业互联网）设备上云解决方案
一、背景与目标
随着工业互联网的快速发展，越来越多的企业意识到将设备连
接到云端的重要性。设备上云能够实现设备的远程监控、数据分析、
故障预警等功能，提高设备的运行效率和可靠性，降低维护成本，
为企业的数字化转型提供有力支持。本解决方案旨在帮助企业快速、
安全、高效地将各类设备接入云端，并实现设备数据的价值最大化。
“智能化生产、个性化定制、网络化协同和服务化延伸”为代
表的新兴智能制造模式的发展，其核心是基于海量工业数据的全面
感知。5G 实现了生产方式智能化、业务流程数字化、数据传输海量
化，5G 专网具备适用部署区域化、网络需求个性化、行业应用场景
化等特点。
MEC 作为一个新的业务形态和技术架构，在部署位置上是公有
云下沉、私有云上移的中间形态，是 IT 和 CT 的融合技术，在 MEC
边缘云的安全设计上，相较于传统的公有云或者私有云不同，边缘
云并非传统的单个数据中心或者两地三中心架构，而是“核心-汇
聚-接入”的多级架构，在单个部署机房的环境、规模、网络位置和
安全支出也存在差异性。
通过集成平台，依托数字地图建模技术，高度集成设备健康管
理（设备状态监测、设备在线诊断、设备精准运）、设备运维服务
（远程诊断服务、设备检修服务、备品备件服务）、工业互联（设
备接入、设备台账、组态画面、异常报警、实时数据、数据报表）、
能源管理（水电气能耗显示、重点区域/设备能耗监测预警等）四大
服务功能。从而实现全厂安全、高效、节能、全域管理和调度。
用户平面功能（UPF）主要负责 5G 核心网中用户平面数据包的
路由 和转发相 关 功能。UPF 在 5G 的边缘计 算 和网络 切片 技术中发
挥 着低延 迟 和大 带宽 的重要作用。UPF 是 5G 网络和多接入边缘计
算 （MEC） 之 间的连接 锚 点。5G 网络和 MEC 之 间的 结 合点 就 是
UPF。 所 有的数据， 必须经 过 UPF 转发， 才 能流 向外 部网络。5G
的核心网设计是 十 分 灵活 的，为了 减少 数据传输的 迂回 ，UPF 的部
署位置也一 般比 控制面网 元 要靠下， 这就叫做 UPF 下沉。
5G 专网的部署模式， 根 据 3 GPP 标 准的定 义 ，分为 独立 部署模
式（ SN P N ）和公网集成模式（P N I- N P N ）。 简 单来 说 ，也 就 是
“单 独 建设”和“ 共享 公网”。
二、适用范围
本方案适用于制造、能源、 交 通、 医疗 等多个行业的设备上云
需求，包 括但 不 限 于工业生产设备（ 如 数控机 床 、 自动 化生产线、
机 器人 等）、能源设备（ 如风 力发电机、 太阳 能 光伏板 、 变 电 站 设
备等）、 交 通设备（ 如 智能 汽车 、公 交车辆 、 轨道交 通设备等） 以
及医疗 设备（ 如 CT 扫描仪 、核 磁共振仪 、 医 用监护 仪 等）。
三、整体架构
（一）设备端
1. 硬件连接 ：根 据设备的类型和通 信 接 口 ， 选择 合适的连接方
式。 对 于具备 以太 网接 口 的设备，可 以直 接通过网线连接到企业 内
部网络 ；对 于 采用串口（如 RS232、RS485）或其他专有接口的设
备 ，需要 使 用 串口 服务 器 或协 议 转 换器 将其 转换为以太网或无线接
口 ， 以便 接入网络。 例如 ，在工业生产 车 间中， 许 多 老旧 设备 只 有
RS48 5 接 口 ，可通过 串口 服务 器 将其接入 车 间网络，实现 与 云端的
通 信 。
2. 边缘计算网关 ： 在设备 与 云端 之 间部署边缘计 算 网 关 ， 它 具
有 以 下功能 ：
o
协议转换 ： 将不同设备的私有协 议 转 换 为统一的云平台
支持的协 议 （ 如 M Q TT、 H TTP 等）， 确保 设备数据能够 顺利 上传
到云端。 例如 ，工业机 器人 可能 使 用特定的机 器人 控制协 议 ，边缘
计 算 网 关 将其转 换 为 M Q TT 协 议后 上传到云平台。
o
数据预处理 ：对 设备 采 集的数据 进 行 初步处 理， 如 过 滤
噪声 数据、数据聚合、计 算简 单的统计 指标 等， 减少 数据传输量和
云端 处 理 压 力。 例如 ， 对 生产设备的实时 温 度数据 进 行 均 值计 算 ，
每隔 一定时间将 均 值数据上传到云端，而不是上传 每 一个 采 集点的
原始 数据。
o
边缘智能分析 ： 具备一定的智能分析能力，可在本地实
现设备故障的 初步 诊断、异常检测等功能。 当 检测到设备异常时，
可 及 时发出警报，并将相 关信息 上传到云端。 例如 ，通过 对 设备运
行电流、 振动 等数据的分析， 判 断设备是 否 存在故障 隐患 ，并在本
地 采取 相应的 措施 ， 如 调 整 设备 参 数或 启动 备用设备。
（二）网络层
1. 企业内部网络 ： 构建安全可靠的企业 内 部网络， 确保 设备 与
边缘计 算 网 关之 间的数据传输 稳 定。 采 用有线 与无 线相 结 合的网络
架构，在 关键 设备区域 采 用有线网络 保 障数据传输的可靠性和速度，
在一 些 移 动 设备或不 便布 线的区域 使 用 无 线网络（ 如 Wi -F i 6 、5G
等） 进 行 补充 。 例如 ，在工厂 车 间中，大型生产设备通过 以太 网有
线连接，而一 些手 持 巡 检设备 则 通过 Wi -F i 连接到 车 间网络。
2. 广域网连接 ： 通过专线（ 如 MP LS V P N 、IP Sec V P N 等）或
互联网（ 采 用 V P N 加密隧道 ）将企业 内 部网络 与 云平台连接 起 来。
专线连接具有高 带宽 、低延 迟 、高可靠性的特点，适合 对 网络 质 量
要求较高的企业 ； 互联网连接 则 成本较低， 但 需要 加强 安全 防 护 措
施 。 例如 ，大型制造企业可能 选择 MP LS V P N 专线连接到云平台，
以保 障生产数据的 稳 定传输 ； 而一 些小 型企业或 对 网络 质 量要求相
对 不高的场景，可 以采 用基于互联网的 V P N 连接方式。
（三）云平台层
1. 云基础设施服务（IaaS） ： 提供计 算 、存 储 、网络等基 础资
源，支持设备数据的存 储 和 处 理。 根 据设备数据量和 处 理需求， 选
择 合适的云服务 器配 置（ 如 CPU、 内 存、存 储容 量等）。 例如 ， 对
于数据量较大的能源行业设备数据，可 选择配 置较高的云服务 器 来
确保 数据的存 储 和分析效率。
2. 云平台服务（PaaS） ：
o
设备管理平台 ： 实现 对 设备的远程管理，包 括 设备 注册 、
状态监控、远程控制、 固 件 升 级等功能。企业可 以 通过设备管理平
台实时 查看 设备的运行状态（ 如 在线 / 离 线、工作 参 数等）， 对 设
备 进 行远程 操 作（ 如启动 、 停止 、 参 数调 整 等），并 及 时 推送固 件
升 级包到设备端，实现设备的远程维护和 优 化。
o
数据处理与分析平台 ：对 设备上传的数据 进 行 深 度 处 理
和分析， 采 用大数据 处 理技术（ 如 Hadoop 、 Spark 等）和 人 工智
能 算法 （ 如 机 器学习 、 深 度 学习 等）， 挖掘 数据中的价值。 例如 ，
通过 对 生产设备 历史 数据的分析，建 立 设备故障预测模型，提 前 预
测设备故障，安 排 维护计 划 ， 减少 设备 停 机时间 ；对 能源设备数据
进 行分析， 优 化能源生产和分 配策略 ，提高能源 利 用效率。
o
应用开发平台 ： 为企业提供应用 开 发环境，支持企业 根
据 自身 需求 开 发定制化的应用程 序 ， 如 设备监控应用、生产管理应
用、能源管理应用等。企业可 以利 用低代 码 / 无 代 码开 发工具，快
速构建应用程 序 ，实现 与 设备数据的 交 互和业务 逻辑 的实现。 例如 ，
制造企业可 以开 发一个生产管理应用，实时监控生产设备的运行 情
况 ，统计生产数据，生成生产报表，为企业的生产决 策 提供依据。
（四）应用层
1. 设备监控与运维应用 ： 提供设备的实时监控 界 面，展示设备
的 关键参 数、运行状态、地理位置（适用于移 动 设备）等 信息 。 当
设备出现故障或异常时， 及 时发出警报，并提供故障诊断 信息 和 处
理建 议 。运维 人员 可 以 通过 该 应用远程 对 设备 进 行维护 操 作， 如 远
程调 试 、 参 数设置、故障 排除 等。 例如 ，在 交 通设备监控应用中，
可 以 实时 查看 公 交车辆 的位置、速度、 载客 量等 信息 ， 当车辆 出现
故障时， 自动 通知维修 人员 ，并提供故障代 码 和可能的故障 原因 ，
维修 人员 可远程 进 行一 些初步 的故障诊断和 处 理 操 作。
2. 生产与运营管理应用 ：根 据设备数据实现企业生产 与 运 营 的
优 化管理。在生产制造行业，通过 对 生产设备数据的分析， 优 化生
产计 划 、 排 程、 质 量控制等环节 ； 在能源行业，实现能源的生产、
传输、分 配 和 消费 的全过程管理 ； 在 医疗 行业， 辅 助 医院进 行 医疗
设备的管理、 患 者数据的分析等。 例如 ，制造企业可 以根 据生产设
备的实时产能和 订 单需求， 动 态调 整 生产计 划 和 排 程，提高生产效
率和 资 源 利 用率 ； 能源企业可 以根 据能源设备的发电数据和用户用
电需求， 优 化电力分 配 ，降低能源 损 耗。
3. 数据分析与决策支持应用 ：对 设备数据 进 行多维度的分析和
挖掘 ，为企业的高 层 决 策 提供数据支持。通过数据可 视 化工具，将
分析 结果以直观 的图表、报表等形式 呈 现 给 企业管理者，帮助 他们
了解企业的设备运行状 况 、业务发展 趋势 、 潜 在 风险 等，从而制定
