IIoT Prozessautomatisierung mit Transaction Software



Die Herausforderungen von heute - Massendatenanalyse in Echtzeit

Das jährlich neu generierte digitale Datenvolumen durch Big Data und das industrielle Internet of Things (IIoT) wird sich bis 2025 auf über 163 ZB belaufen - das sind 447 EB täglich, 310 PB pro Minute oder 5.200 TB pro Sekunde, die verarbeitet werden müssen.

Angesichts dieses enormen Datenvolumens ist es nur bedingt sinnvoll und oftmals sogar unmöglich, alle zu verarbeitenden Daten in die Cloud zu transportieren, um sie dort zu analysieren, zu verarbeiten und anschließend wieder zur Endanwendung zurückzubringen.
Viel effektiver ist es, die erforderlichen Daten möglichst in der Nähe ihres Entstehungsortes (Edge) auszuwerten und bereits dort zu verarbeiten (Edge Processing). Viele IoT-Anwendung setzen auf Echtzeit-Datenanalyse und müssen somit auf Edge Processing zurückgreifen.  

Leistungsstarke Dienste zur Verarbeitung von Massendaten auf IoT-Edge-Geräten werden unerlässlich. Ein intelligentes IoT-Datenbanksystem wie Transbase® Edge, das Daten geschickt analysiert und aggregiert, macht IoT-Anwendungen schneller, komfortabler, billiger und einfacher zu handhaben.

Mit Transbase® Edge haben wir eine Datenbanktechnologie geschaffen, die den großen Datenmengen standhält und die Ergebnisse am IoT-Edge-Geräte selbst bereithält - dort wo eine rasche Entscheidung nötig ist. Dadurch wird die Kommunikationsbandbreite zwischen den IoT-Sensoren und einer zentralen Recheninstanz verringert. Analyse und Wissenserzeugung erfolgen direkt an der Quelle der ermittelten Daten. Mit Transbase® Edge vereinen wir somit dezentrale Messung und zentrale Entscheidung in einem System vernetzter IoT-Edge-Geräte.

Showcase: Layer of Trust zur sicheren Verbindung von Sensorwelt und Prozesswelt

Das industrielle Internet der Dinge (IIoT) stellt neue Anforderungen an das Abrufen und Analysieren von Daten. IoT-Sensoren erzeugen permanent Daten in sehr großen Mengen. Der Datenverlust innerhalb eines bestimmten Messintervalls führt im Gegensatz zu Entscheidungen in der klassischen IT-Umgebung normalerweise nicht zu wesentlichen Entscheidungsänderungen (die Kühlung wird eingeschaltet, weil ein Sensor den Schwellenwert einmal oder 50 Mal pro Intervall überschreitet).

Der Geschäftsprozess:

IIoT-Daten triggern Aktionen für bestimmte Ereignisse in Echtzeit. Die durchgeführten Aktionen sind das Ergebnis bestimmter Sensorwerte oder Konstellationen von Sensorwerten. Es ist wichtig, sich auf die Richtigkeit der Eingabedaten verlassen zu können, um den gesamten Prozess nicht zu beeinträchtigen oder zu verfälschen.

Um dies zu gewährleisten fügen wir in unserer IIoT-Referenzarchitektur einen 'Gatekeeper', bestehend aus einer Blockchain-Anwendung kombiniert mit Transbase® Edge als intelligente Datenabrufmaschine, zwischen die Sensorwelt und die Prozesswelt ein. Über diesen Layer of Trust werden nur korrekte, nachträglich nicht veränderbare Sensordaten an die nachfolgenden Systeme weitergeleitet.

Die folgende IIoT-Referenzarchitektur zeigt Transbase® Edge im Zusammenspiel mit Analyse- und Prozesswerkzeugen vom Sensor bis zur Cloud-Applikation. So können IIoT-Prozesse sicher und effizient gestaltet werden.

IIoT-Referenzarchitektur - Layer of Trust
Die Prozessschritte:
Erster Layer of Trust

Die Werte der Gerätesensoren werden von der Blockchain-Anwendung unmittelbar an der Quelle abgefangen und als sichere, nachvollziehbare und unverfälschbare 'Blockchain' an Transbase® Edge weitergeleitet. Sie stellt somit die Richtigkeit der Sensordaten sicher.

Über smart Contracts können für bestimmte Ergebniskonstellationen oder Alerts als Input für die Weiterverarbeitung bereits in dieser Phase spezifische Transaktionsketten gebildet und ebenfalls in Transbase® Edge abgelegt werden.

Edge / On-Premise Verarbeitung

Transbase® Edge verfügt über einen Pull-/Push-Mechanismus (Crowd) zur Steuerung paralleler Abfragen und lokaler Analysen über beliebig viele verbundene Edge-Geräte von einer zentralen Instanz aus.

Über die Pull-Funktion können aggregierte Daten abgerufen und lokal analysiert (Echtzeitanalyse) werden. Über die Push-Funktion können diese Daten dann On-Premise oder in der Cloud für komplexere AI / ML-Analysen, Statistiken oder Speicherungen zur Verfügung gestellt werden.

Zweiter Layer of Trust

Ein zweiter Layer of Trust ermöglicht es, Analyseergebnisse aus der ersten Stufe (Edge-Processing von Sensordaten) ebenso als sichere, nachvollziehbare und unverfälschbare 'Blockchain' für die nächste Stufe (Verarbeitung On-Premise oder in der Cloud) bereitzustellen.

Während sich die ursprünglichen Daten nach wie vor auf den Edge-Geräten befinden, werden die Abfrageergebnisse in den weiteren Stufen gesammelt, aggregiert, analysiert und weiterverarbeitet. Über Transbase® Edge kann die Richtigkeit der Daten innerhalb jeder Prozessstufe sichergestellt und nachvollzogen werden.

On-Premise / Cloud Verarbeitung

Über die Transbase® Crowd-Funktion können Daten sowohl horizontal als auch vertikal über einen Pool von Datenbanken (mit identischem Datenbankschema) partitioniert und verteilt werden. Somit können bereits vorqualifizierte Datenpakete für die gezielte Verarbeitung an AI/ML Systeme, DHW etc. weitergeleitet oder an einem zentralen Speicherplatz gespeichert werden. 

Transbase® Edge für IoT ist die ideale Lösung bei Limitationen bzgl. Beschaffung oder Verarbeitung von IoT-Daten wie

  • die Bandbreite ist nicht groß genug, um die Daten zu übertragen
  • die Serverdatenbank ist nicht schnell genug, um die Daten zu empfangen
  • es gibt Datenschutzbeschränkungen, die eine solche Übertragung verhindern könnten
  • die Skalierbarkeit des Gesamtsystems reicht nicht aus, um das  Wachstum der Geräteanzahl zu unterstützen

Edge Nodes und Parents können sich jederzeit registrieren oder abmelden, entweder absichtlich oder aufgrund einer fehlgeschlagenen Datenbankverbindungen. Die Abfrageergebnisse sind demnach unvollständig und können wiederholt werden, wenn die Verbindung wieder hergestellt wurde.

Transbase® Edge für IIoT - die Crowd Funktion

Transbase® Edge ermöglicht über die neue Crowd-Funktion (ab V. 8.3) die Steuerung paralleler Datenbankabfragen über beliebig viele verbundene Transbase® Edge Datenbanken, ausgehend von einer Zentralinstanz. Während sich die ursprünglichen Daten nach wie vor auf den Edge-Geräten befinden, können die Abfrageergebnisse von der Zentralinstanz gesammelt, aggregiert, analysiert und weiterverarbeitet werden.

Über die Transbase® Crowd-Funktion können Daten auch horizontal über einen Pool von Datenbanken mit identischem Datenbankschema partitioniert und verteilt werden.

Crowd-Hierarchie:

Transbase® Datenbanken lassen sich problemlos in eine Transbase® Crowd einbinden - eine lose verknüpfte Hierarchie von Datenbanken mit gleichem oder ähnlichem Datenbankschema (siehe Abbildung).

Die Hierarchie-Stufen:
Edge-Node

Jede Transbase® Edge Datenbank verfügt als 'Edge-Node' über eine 'übergeordnete Datenbank' ('Parent'), bei dem er registriert werden kann. Jede Transbase® Edge Installation (egal ob als Edge-Node oder Parent) verfügt über exakt denselben Funktionsumfang. Eine Änderung der Hierarchie bzw. Konstellation ist somit ganz einfach und ohne Programmieraufwand durchführbar.

Parent

Transbase® Edge kümmert sich als 'Parent' (Zwischenknoten) um die registrierten Edge-Nodes und kann Abfragen an diese registrierten Edge-Nodes senden und die Abfrageergebnisse sammeln. Durch diesen Mechanismus kann Transbase® Edge Abfragen über alle registrierten Edge-Nodes verarbeiten.

Jeder Parent kann direkt abgefragt werden, wenn nur die folgenden Edge-Nodes Teil der Abfrage sein sollen. Diese Funktionalität ist für IoT-Umgebungen besonders interessant, da nur Daten herangezogen werden, die in den entsprechenden IoT-Geräten erzeugt und gespeichert wurden. Sie können dort problemlos gespeichert, analysiert und verarbeitet werden.

Root

Jede Hierarchie hat eine Transbase® Edge Datenbank als 'Root', die abgefragt werden kann, wenn alle Edge-Nodes und Parents in der Hierarchie an der Abfrage teilnehmen sollen. Diejenige Edge-Nodes und Parents, die nicht an der Abfrage beteiligt sind (z.B. weil sie offline sind), werden einfach nicht berücksichtigt.

Bei der Gestaltung der Abfrage können verschiedene Timeouts angegeben werden, um entweder genauere Ergebnisse zu erzielen, die von mehr teilnehmenden Edge-Nodes gesendet wurden, oder um schnellere Ergebnisse von weniger teilnehmenden Edge-Nodes zu erzielen.

Es besteht auch die Möglichkeit, ein Zeitintervall anzugeben, innerhalb dessen sich ein Edge-Node oder Parent (nach-)registrieren kann. Die Abfrage wird dann zeitverzögert nach Ablauf dieses Zeitintervalls ausgeführt, um z.B. möglichst viele Edge-Nodes in eine Abfrageergebnis miteinzubeziehen.

Transbase® Edge für IIoT – weitere Eigenschaften

Flash-Speicher Support

IoT-Geräte verwenden normalerweise einen nichtflüchtigen Speicher (Flash-Speicher), der auf einem elektrisch programmierbaren Hochgeschwindigkeitsspeicher basiert (siehe Solid State Drive = SSD). Daten können mit hoher Geschwindigkeit geschrieben werden und E/A-Vorgänge können sehr schnell ausgeführt werden. Der Flash-Speicher ist sehr schnell, aber häufiges Schreiben kann seine Lebensdauer erheblich verkürzen.

Transbase® Edge ist für den Flash-Speicher optimiert. Es erkennt potenzielle Speicherfehler für persistierte Daten und kann die Anzahl der Schreibvorgänge minimieren. Transbase® Edge steuert dies durch die flexible Konfiguration seines Hauptspeichercaches. Je nach Anwendung ist der Cache so groß wie nötig konfiguriert, wodurch physische E/A minimiert werden. Die Anwendung wird schneller und schreibt weniger häufig. Der Transbase®-Cache wird geladen und je nach Größe des Caches spätestens beim Herunterfahren der Datenbank in den Flash-Speicher zurückgeschrieben.

Transbase® Logging

Um die Stabilität von Datenbankänderungen zu gewährleisten, wird das Transbase®-Protokoll dauerhaft auf die Festplatte geschrieben. Dies kann durch die IoT-Anwendung flexibel beeinflusst werden. Die Größe des Protokollblocks kann so konfiguriert werden, dass sie größer als die Größe des Datenbankblocks ist, was sich sowohl auf die Leistung als auch auf die Zuverlässigkeit auswirkt.

Das Protokoll wird bei Abschluss eines Protokollblocks asynchron geschrieben. Infolgedessen befindet sich immer nur ein Protokollblock im Speicher und nicht auf der Festplatte, wodurch die Anzahl der verlorenen Aktualisierungen bei einem Stromausfall begrenzt wird. Die Zeit und Häufigkeit, mit der ein Protokollblock geschrieben wird, kann konfiguriert werden.

Die Verwendung von Transbase® Edge als eingebettete Datenbank bietet zahlreiche Vorteile in Bezug auf Effizienz, Robustheit, Leistung, Wiederverwendbarkeit, Modularisierung und Sicherheit. Das integrierte Transaktionskonzept ermöglicht die Entwicklung von Softwareprodukten in einem völlig anderen Qualitätsniveau.

Trotz vollständiger Funktionalität beträgt der gesamte Platzbedarf von Transbase® Edge (Code und Systemdaten) bei entsprechender Konfiguration weniger als 2 MB. Da alle Transbase®-Schnittstellen identisch bleiben, können klassische Transbase®-basierte PC-Anwendungen ohne Änderungen problemlos auf eingebettete Plattformen portiert werden. Auf diesen Plattformen können Anwendungen und Daten unverändert verwendet werden.


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