2. OPC UA 基础架构：客户端/服务器模型、地址空间、节点与引用
OPC UA 的核心设计围绕客户端/服务器（C/S）通信模型展开，并通过地址空间（AddressSpace）将工业现场的所有数据、类型、方法和事件组织成一张可浏览的图。理解这四个概念是部署工业网关和进行数据清洗的前提。
2.1 客户端/服务器模型
OPC UA 采用非对称的 C/S 架构，服务器负责暴露数据，客户端负责消费数据。工业网关通常同时扮演两种角色：向下作为客户端连接 PLC/传感器，向上作为服务器向 MES/SCADA 提供数据。
| 角色 | 职责 | 典型实例 |
|---|---|---|
| OPC UA 服务器 | 维护地址空间；响应读写请求；订阅通知；管理会话与安全 | 西门子 S7-1500、罗克韦尔 CompactLogix、KEPServerEX |
| OPC UA 客户端 | 发现服务器；浏览地址空间；读写变量；订阅数据变化/事件 | Ignition SCADA、Node-RED、自定义 C#/Python 应用 |
| 工业网关 | 桥接不同协议（Modbus/Profinet → OPC UA）；缓存与清洗数据 | 西门子 IoT2050、Advantech WISE-5000、树莓派 + open62541 |
网关部署要点： 网关作为客户端时需配置服务器 Endpoint URL 和安全策略；作为服务器时需规划地址空间结构，避免将所有原始变量平铺在根节点下。
2.2 地址空间（AddressSpace）
地址空间是 OPC UA 服务器的核心数据模型，它不是一个平面列表，而是一个由节点（Node）和引用（Reference）构成的有向图。服务器通过地址空间向客户端暴露所有可访问的信息。
- 分层结构： 从根节点（Root）开始，经过 Objects、Types、Views 等标准文件夹组织。
- 元数据自描述： 节点不仅包含数值，还包含数据类型、工程单位、描述、历史配置等元信息。
- 类型系统： 支持继承（如 BaseObjectType → FolderType → 自定义设备类型），便于复用。
2.3 节点（Node）与引用（Reference）
地址空间中的每个元素都是一个节点，节点之间通过引用连接。引用定义了节点之间的关系，使客户端可以“浏览”整个地址空间。
2.3.1 节点分类
OPC UA 定义了 8 种标准节点类，工业网关最常操作的是 Variable 和 Object：
| 节点类 | 用途 | 网关关注点 |
|---|---|---|
| Object | 代表物理或逻辑实体（如电机、泵、控制器） | 作为变量容器，用于组织数据层次 |
| Variable | 存储数值（温度、压力、状态字） | 数据采集的直接目标，需关注 DataType 与 EngineeringUnits |
| Method | 可调用的服务（如复位、启动） | 网关可通过调用方法执行远程操作 |
| ObjectType | 定义 Object 的模板（如 MotorType） | 用于解析自定义设备结构 |
| DataType | 定义变量数据类型（如 TemperatureType） | 数据清洗时需按 DataType 做类型转换 |
| ReferenceType | 定义引用语义（如 HasComponent、HasProperty） | 决定如何遍历地址空间 |
| View | 地址空间的子集视图 | 可缩小浏览范围，提高采集效率 |
| Property | 附加元数据（如工程单位、范围） | 数据清洗时用于单位换算和异常检测 |
2.3.2 引用类型
引用是连接两个节点的有向边，每个引用都有一个类型。常见的引用类型包括：
- HasComponent： 表示包含关系（如电机包含温度传感器）
- HasProperty： 表示属性关联（如变量关联工程单位）
- HasTypeDefinition： 表示实例与类型的关系
- Organizes： 表示层次组织关系（如文件夹包含变量）
数据清洗提示： 在网关中编写地址空间遍历逻辑时，优先使用
HasProperty 引用读取 EngineeringUnits 和 EURange，自动完成单位归一化和异常值过滤。
2.4 网关视角：地址空间浏览与数据清洗
工业网关在部署时，需要完成以下步骤来利用 OPC UA 基础架构：
- 发现与连接： 通过 Discovery Endpoint 找到服务器，建立安全会话。
- 浏览地址空间： 从 Root 节点开始，递归遍历 HasComponent/Organizes 引用，构建本地变量映射表。
- 读取元数据： 对每个 Variable 节点，通过 HasProperty 引用读取 DataType、EngineeringUnits、EURange。
- 数据清洗规则注入： 根据元数据自动执行单位换算、越限标记、无效值过滤。
- 订阅与发布： 创建 Subscription，将清洗后的数据通过 MQTT/Sparkplug 转发到上层平台。
常见陷阱： 部分老旧设备服务器可能不完整实现地址空间浏览（如缺少 HasProperty 引用），此时网关需配置手动节点映射表作为降级方案。