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基于物聯(lián)感控技術(shù)的通用物聯(lián)網(wǎng)解決方案

湖南云智迅聯(lián)科技發(fā)展有限公司

網(wǎng)絡行業(yè)應用篇/設備監(jiān)控與維護

1 概述

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新一代信息通信技術(shù)與現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，是制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化的重要載體。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)接入機器設備數(shù)量將爆炸式增長，2015年接入規(guī)模為26億件，到2021年，這一數(shù)字將超過100億件，實現(xiàn)高達25%的年復合增長率。未來20年，中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，可帶來3萬億美元的GDP增量。

本公司響應國家發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的重大戰(zhàn)略需求，對標企業(yè)智能制造的現(xiàn)實需要。針對設備異構(gòu)多型，協(xié)議復雜多樣、業(yè)務的多態(tài)性、需求的多變性，致力于為客戶提供快速低成本的物聯(lián)感控關(guān)鍵技術(shù)、核心產(chǎn)品和基礎平臺，實現(xiàn)工業(yè)裝備的在線傳感監(jiān)測、狀態(tài)感知和健康診斷；提高制造效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本和資源消耗，適用于多個領(lǐng)域行業(yè)，例如智慧城市、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)運維、數(shù)字農(nóng)業(yè)等，有助于制造企業(yè)延伸產(chǎn)業(yè)鏈，推動其向“制造+服務”提供商的升級。

1.1 背景

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是滿足工業(yè)智能化發(fā)展需求，具有低時延、高可靠、廣覆蓋特點的關(guān)鍵網(wǎng)絡基礎設施，是新一代信息通信技術(shù)與先進制造業(yè)深度融合所形成的新興業(yè)態(tài)與應用模式，是制造強國建設的基礎設施和關(guān)鍵支撐，制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的關(guān)鍵路徑。

黨的十九大報告指出，“加快建設制造強國，加快發(fā)展先進制造業(yè)，推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實體經(jīng)濟深度融合?！?/p>

2017年10月，國務院常務會審議通過《深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導意見》，促進實體經(jīng)濟振興，加快轉(zhuǎn)型升級。

2018年5月，工信部發(fā)布《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展行動計劃（2018-2020）》，深入實施工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略，推動實體經(jīng)濟和數(shù)字經(jīng)濟深度融合。

1.2 實施目標

基于物聯(lián)感控技術(shù)的通用物聯(lián)網(wǎng)解決方案，致力提供領(lǐng)先的設備聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控業(yè)務核心產(chǎn)品、平臺和技術(shù)方案，輕松應對設備的多樣性、協(xié)議復雜多樣、業(yè)務的多態(tài)性、需求的多變性，免編程的快速低成本構(gòu)建出各種具體設備聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控業(yè)務應用，實現(xiàn)工業(yè)數(shù)據(jù)的全面感知、動態(tài)傳輸和實時分析，形成科學決策與智能控制。

1.3 適用范圍

本方案中的智能工業(yè)網(wǎng)關(guān)，新一代自主式數(shù)據(jù)處理智能工業(yè)網(wǎng)關(guān)，具備異構(gòu)都多型設備任意接入，主流工業(yè)協(xié)議動態(tài)適配，特別是在網(wǎng)關(guān)層進行數(shù)據(jù)解析、過濾、匯聚等邊緣計算功能，免除應用層的設備解析處理程序編寫，使設備上網(wǎng)入云即插即用，輕松安全。感知平臺運用智能信息感知技術(shù)來觀察、認知和洞察，為我們展示客觀世界中物品屬性、狀態(tài)、演化軌跡的圖景，獨創(chuàng)“平臺個性化配置”模式，應用構(gòu)建安全可控、個性化的在線監(jiān)測、定位追溯、報警聯(lián)動、調(diào)度指揮、安全防范、統(tǒng)計分析、決策支持等管理和服務功能，能廣泛應用于工業(yè)運維、智慧城市、數(shù)字農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、設備監(jiān)測、公共安全、智能消防等多個領(lǐng)域。

1.4 在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡體系架構(gòu)中的位置

圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)示意圖

本方案中的新一代智能工業(yè)網(wǎng)關(guān)，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中，在①智能機器與工廠控制系統(tǒng)間，能承載著承上啟下的作用，網(wǎng)關(guān)具備異構(gòu)多型工業(yè)設備任意接入，主流工業(yè)通信協(xié)議動態(tài)適配，特別是在網(wǎng)關(guān)層對從多路傳感器、控制器采集到的異構(gòu)多態(tài)數(shù)據(jù)進行解析、過濾和匯聚數(shù)等邊緣計算功能，將這種計算通用化和智能化，輔以配置化手段以適應于任何設備，免除應用層的設備解析處理程序編寫，使設備上網(wǎng)入云即插即用，輕松安全。

感知平臺在⑦工業(yè)云平臺（及管理軟件）與協(xié)作平臺間環(huán)節(jié)，獨創(chuàng)“平臺個性化配置”模式，特別是在工業(yè)領(lǐng)域，提供專業(yè)化的在線智能監(jiān)測服務。在設備層面，通過傳感器或控制器實時獲取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)物理設備的在線監(jiān)測和狀態(tài)感知；在過程層面通過數(shù)據(jù)驅(qū)動實現(xiàn)工業(yè)裝備的健康診斷和報警聯(lián)動；在管理層面通過物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)構(gòu)成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)決策支持和遠程維保。感知平臺有助于制造企業(yè)延伸產(chǎn)業(yè)鏈，推動硬件制造商向“制造+服務”提供商的升級。

2 需求分析

為適應智能制造發(fā)展，工廠內(nèi)部網(wǎng)絡呈現(xiàn)扁平化、IP化、無線化及靈活組網(wǎng)的發(fā)展趨勢，隨著網(wǎng)絡和信息技術(shù)、服務模式發(fā)展，原來局限在工廠內(nèi)的工業(yè)生產(chǎn)過程逐步擴展到外部網(wǎng)絡，工業(yè)生產(chǎn)信息系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)正在走向深度協(xié)同與融合，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設和應用不斷深入，數(shù)據(jù)的價值與作用越來越凸顯，將向工業(yè)的各個環(huán)節(jié)滲透、預測、決策、控制等，最終構(gòu)成數(shù)據(jù)采集到設備、生產(chǎn)現(xiàn)場及企業(yè)運營管理優(yōu)化的閉環(huán)。然而工廠內(nèi)智能機器、傳感器、執(zhí)行器等設備異構(gòu)多型，協(xié)議復雜多樣，對于不同廠家、不同類型設備及應用，需在服務器端編寫專門的解析程序，導致設備入網(wǎng)難、成本高、周期長、不靈活；同時，現(xiàn)階段的物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)、通過工業(yè)網(wǎng)關(guān)將采集的數(shù)據(jù)全量上傳到云端，數(shù)據(jù)的解析，過濾、匯集都在云端進行、此類傳統(tǒng)的方式使得網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸量極大，對帶寬的要求極高，同時對服務端的數(shù)據(jù)解析、過濾、匯聚等計算服務及數(shù)據(jù)存儲服務提出了更高的要求，在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的進程中，如何降低網(wǎng)絡傳輸壓力，降低服務端的負載壓力，實現(xiàn)服務的負載均衡也是在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展進程中需要積極面對與解決的問題。

3 解決方案

3.1 方案簡介

工業(yè)4.0和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)都將設備聯(lián)網(wǎng)、工況狀態(tài)獲取、演化軌跡分析預測和反饋控制作為其基礎設施。本解決方案通過云智網(wǎng)關(guān)及云智感知平臺構(gòu)建了一個包括設備上網(wǎng)入云、監(jiān)測邏輯設置、可視化顯示、大數(shù)據(jù)分析及反饋控制等完整過程的設備聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控流程，為用戶從設備底層接入，到上層應用提供了全套解決方案，使得用戶無需編程即可實現(xiàn)設備的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。基于物聯(lián)感控技術(shù)的通用物聯(lián)網(wǎng)解決方案應用體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在“聯(lián)”方面，應用邊緣計算理論，創(chuàng)新研發(fā)自主式物聯(lián)傳感技術(shù)，開發(fā)出真正的新一代智能工業(yè)網(wǎng)關(guān)，具備異構(gòu)多型工業(yè)設備任意接入，主流工業(yè)協(xié)議動態(tài)適配，特別是在網(wǎng)關(guān)層對從多路傳感器、控制器采集到的異構(gòu)多態(tài)數(shù)據(jù)進行解析、過濾和匯聚數(shù)等邊緣計算功能，將這種計算通用化和智能化，輔以配置化手段以適應于任何設備，免除應用層的設備解析處理程序編寫，使設備上網(wǎng)入云即插即用，輕松安全。在“感”方面，構(gòu)建了首個免編程智能生成應用的物聯(lián)感知平臺，通過配置化、圖形化設計方式，快速實現(xiàn)設備在聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測、狀態(tài)感知、聯(lián)動報警、健康診斷及數(shù)據(jù)分析等功能的物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)。在“控”方面，創(chuàng)新性地將工業(yè)網(wǎng)關(guān)和設備控制器合二為一，內(nèi)置豐富控制算法，通過配置手段即可實現(xiàn)單設備的過程控制和多設備的協(xié)同控制，大幅降低物聯(lián)監(jiān)控網(wǎng)絡構(gòu)建難度和成本。

圖2 基于物聯(lián)感控技術(shù)的通用物聯(lián)網(wǎng)解決方案應用體系結(jié)構(gòu)

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

基于物聯(lián)感控技術(shù)的通用物聯(lián)網(wǎng)解決方案，以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)為支持，以“基礎設施設備物聯(lián)化、供水時空信息互聯(lián)化、運營管理服務協(xié)同化”為特點，使用云智感知平臺互聯(lián)網(wǎng)整體解決方案，形成感知服務、基礎設施服務、數(shù)據(jù)服務、平臺服務、應用服務及數(shù)據(jù)監(jiān)測服務等能力?？傮w功能架構(gòu)如圖3所示：

圖3 基于物聯(lián)感控技術(shù)的通用物聯(lián)網(wǎng)解決方案功能架構(gòu)

物聯(lián)感知層：利用物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)，通過各類視頻監(jiān)控、傳感、射頻識別、條形碼設別、二維碼識別等方式，按通用的標準協(xié)議，把相關(guān)感知端與云中心相連接，進行信息交換和通信，實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理，為相關(guān)信息化應用提供前端基礎數(shù)據(jù)支撐。

基礎設施層：包括機房動力與環(huán)境、計算資源池、存儲資源池、網(wǎng)絡資源池、虛擬化服務，為上層服務提供云計算基礎支撐服務。

基礎平臺層：捷聯(lián)基礎平臺提供通用的配置化服務，為上層應用提供數(shù)據(jù)支撐服務。

平臺服務層：以捷聯(lián)基礎平臺提供的配置化服務，通過配置化方式實現(xiàn)營業(yè)服務的開發(fā)。

應用服務層：通過配置化的方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測、聯(lián)動報警、數(shù)據(jù)分析、電子看板及綜合管理等服務。

展示服務層：提供可以適配不同終端、不同角色、不同用戶喜好的展示服務，包括采用響應式布局、可配置化、多模態(tài)（拖曳式布局、三維可視化）展示。

3.3 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

本技術(shù)解決方案網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示：

設備層：通過云智核心硬件產(chǎn)品—云智網(wǎng)關(guān)，使得異構(gòu)多型工業(yè)設備任意接入，主流工業(yè)通訊協(xié)議動態(tài)適配，設備上網(wǎng)入云輕松安全。

平臺層：通過云智感知平臺，零編成、配置化方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動實現(xiàn)工業(yè)裝備的報警聯(lián)動、健康診斷和監(jiān)察監(jiān)控；

應用層：通過物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)構(gòu)成工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)分析決策。

圖4 云智迅聯(lián)物聯(lián)網(wǎng)解決方案網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

3.4 核心功能

3.4.1 云智工業(yè)網(wǎng)關(guān)

全球首款自主式智能工業(yè)網(wǎng)關(guān)，除協(xié)議轉(zhuǎn)換外，主動采集傳輸數(shù)據(jù)，特別是在網(wǎng)關(guān)層進行解析、過濾等邊緣計算，免除應用層的設備解析處理程序編寫，設備上網(wǎng)入云輕松迅速。云智智能工業(yè)網(wǎng)關(guān)功能如表1所示：

表1 云智迅聯(lián)智能網(wǎng)關(guān)功能列表

3.4.2 云智平臺

云智感知平臺秉承“快速低成本”理念，從互聯(lián)網(wǎng)+視角出發(fā)，結(jié)合人工智能技術(shù)，獨創(chuàng)“平臺個性化配置”模式，可智能自動生成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中物聯(lián)感知具體應用，適合于對各類型設備的快速聯(lián)網(wǎng)及對設備工況的監(jiān)測和工效、能效分析，以及設備健康管理。其具有以下獨特點：

（1）開發(fā)和應用快速低成本；

（2）個性化配置，免編程智能生成應用；

（3）首創(chuàng)自主式物聯(lián)技術(shù)，接入層提供數(shù)據(jù)解析、轉(zhuǎn)換、匯聚功能；

（4）多行業(yè)適應，監(jiān)控業(yè)務規(guī)則自定義；

（5）多模態(tài)可配置界面免編程自定制；

（6）大數(shù)據(jù)洞察，多維度分析并可視化。

4 成功案例

4.1 云智感知平臺智慧水務方案

客戶需求：

1) 在線監(jiān)控需求

提供對水庫、河道、水雨情等關(guān)鍵位置或設備的動態(tài)監(jiān)控功能，實現(xiàn)水位監(jiān)測、視頻監(jiān)控以及設備運行監(jiān)控。

2) 應急處置需求

實現(xiàn)應急預案、應急流程、應急準備、應急處置、應急值班及應急事后處理等功能。

3) 綜合管理需求

實現(xiàn)工程管理、知識管理等綜合管理。

4) 數(shù)據(jù)查詢需求

實現(xiàn)各級用戶根據(jù)不同信息種類、不同檢索頻度的查詢。

5) 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析需求

對系統(tǒng)中的大量數(shù)據(jù)進行綜合統(tǒng)計分析，提供關(guān)于不同業(yè)務主題的綜合統(tǒng)計分析功能及統(tǒng)計分析結(jié)果展示功能。

6) 系統(tǒng)配置需求

提供組織機構(gòu)、用戶及權(quán)限管理等功能。

解決方案：

智慧供水平臺實現(xiàn)對水廠管線、泵站、管網(wǎng)信息一體化管理。以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)為支持，以“基礎設施設備物聯(lián)化、供水時空信息互聯(lián)化、運營管理服務協(xié)同化”為特點，使用云智感知平臺互聯(lián)網(wǎng)整體解決方案，形成感知服務、基礎設施服務、數(shù)據(jù)服務、平臺服務、應用服務和展示服務六大服務能力。具體如下圖5所示：

圖5 智慧供水總體架構(gòu)圖

1) 物聯(lián)感知層：利用物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)，通過各類視頻監(jiān)控、傳感、射頻識別、條形碼設別、二維碼識別等方式，把相關(guān)感知端與云中心相連接，進行信息交換和通信，實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。

2) 基礎設施層：包括機房動力與環(huán)境、計算資源池、存儲資源池、網(wǎng)絡資源池、虛擬化服務，為上層服務提供云計算基礎支撐服務。

3) 數(shù)據(jù)服務層：利用公共基礎數(shù)據(jù)庫、主題數(shù)據(jù)庫和公共視頻數(shù)據(jù)庫，積累沉淀城市數(shù)據(jù)資源，為上層應用提供數(shù)據(jù)支撐服務。

4) 平臺服務層：捷聯(lián)基礎平臺提供通用、云智感知應用框架為基礎，配置化實現(xiàn)。

5) 應用服務層：提供供水管網(wǎng)GIS系統(tǒng)、水質(zhì)管理系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)等功能。

6) 展示服務層：提供可以適配不同終端、不同角色、不同用戶喜好的展示服務。

實際成效：

云智感知平臺智慧水務方案，建立集管線、泵站、供水管網(wǎng)和水質(zhì)的實時監(jiān)測及閥門遠程控制為一體的智能供水平臺，為水廠的運營、調(diào)度指揮、分析決策和智能控制提供有效的數(shù)據(jù)支撐與技術(shù)手段。

1）實現(xiàn)泵站無人值守；

2）管線爆管預防及定位；

3）閥門健康狀態(tài)監(jiān)測；

4）管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測；

5）閥門遠程智能調(diào)控；

6）自動數(shù)據(jù)分析報表；

4.2 株洲天橋起重智慧云運維系統(tǒng)

客戶需求：

1) 在線監(jiān)控需求

提供對天橋關(guān)鍵位置或設備的動態(tài)監(jiān)控功能，實現(xiàn)設備運行監(jiān)控及視頻監(jiān)控。

2) 應急處置需求

實現(xiàn)應急預案、應急流程、應急準備、應急處置、應急值班及應急事后處理等功能。

3) 綜合管理需求

實現(xiàn)工程管理、設備檢修、知識管理等綜合管理。

解決方案：

圖6 天車智慧云運維系統(tǒng)總體架構(gòu)

1) 物聯(lián)感知層：利用物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)，通過各類視頻監(jiān)控、傳感、射頻識別等方式，按通用的標準協(xié)議，建立信息交換和通信通道，實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。

2) 基礎設施層：包括機房動力與環(huán)境、計算資源池、存儲資源池、網(wǎng)絡資源池、虛擬化服務，為上層服務提供云計算基礎支撐服務。

3) 數(shù)據(jù)服務層：利用公共基礎數(shù)據(jù)庫、主題數(shù)據(jù)庫和公共視頻數(shù)據(jù)庫，積累沉淀的歷史數(shù)據(jù)，為上層應用提供數(shù)據(jù)支撐服務。

4) 平臺服務層：捷聯(lián)基礎平臺提供通用、云智感知應用框架為基礎，配置化實現(xiàn)。

5) 應用服務層：提供產(chǎn)線監(jiān)測系統(tǒng)、智能預警系統(tǒng)、統(tǒng)計分析及智能輔助決策系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)等功能。

6) 展示服務層：提供可以適配不同終端、不同角色、不同用戶喜好的展示服務。

實際成效：

圖7 天車智慧云系統(tǒng)實時監(jiān)控界面

通過項目實施，搭建了天車智慧云平臺，基于云智感知平臺搭建的天車智慧云系統(tǒng)，建立了集設備實時監(jiān)控，智能預警，統(tǒng)計分析及智能輔助決策于一體的工業(yè)控制平臺，為天車的運營，調(diào)度指揮，分析決策及智能運維提供了有效的數(shù)據(jù)支撐與技術(shù)支持。