智能監測解決方案
杭州東信北郵信息技術有限公司
網絡行業應用篇/設備監控與維護
1 概述
1.1 背景
隨著工業互聯網領域信息化的加深，工業自動化轉型的速度在逐步加快。當前工業領域面臨著很多行業痛點，如面臨著業務地域范圍廣人力投入成本大，特殊的工作環境對安全系數要求較高，原有的監控設備性能落后且各自運作等情況。智能監測系統采用物聯網技術，順應科技發展趨勢，通過各個終端設備的互聯互通，為企業實時監測各個應用場景的環境數據，發現異常情況自動告警，為企業提供智能化服務，更好的幫助企業節省生產成本、提高生產效率，降低安全隱患。
1.2 實施目標
通過智能監測系統，幫助垂直行業客戶更好的解決自身痛點，為客戶打造一個實時的，智能的、可視化的、可遠程操控的監測管理系統。
1.3 適用范圍
智能監測系統可廣泛應用于工業領域內的各行各業：
? 生產監測：通過傳感器和攝像頭，以及設置的告警條件，來監測生產過程中是否存在異常。適用于工廠等產品制造場景。
? 缺陷監測：通過攝像頭檢測生產線上組裝完成的產品是否存在缺陷，對良品和次品圖像進行采集，根據采集的圖像數據訓練模型，檢測出次品觸發告警。可用于生產制造的產線質檢。
? 環境監測：通過傳感器和攝像頭全方位、全天候檢測環境數據，如：溫度、濕度、噪音、污染物（PM2.5、PM10）、有害氣體（甲醛和揮發物）等。可用于工廠、工地、庫房、醫院、學校、商業區等場景的環境監測。
? 冷鏈監測：通過溫濕度、GPS等傳感器實時監測冷鏈車、冷鏈倉庫和保溫箱等的溫濕度以及對應的位置信息，設置報警觸發器，對異常情況進行報警。可用于血液、疫苗、藥品、樣本等存儲或運輸場景的冷鏈監測。
? 安全監測：通過傳感器和攝像頭，實時監控對應場所的煙感、火感、溫濕度、可燃氣體等環境數據，設置報警觸發器，觸發指定條件后能夠發送告警。可用于煤礦、消防、公司機房、庫房等場景。
? 倉儲監測：通過攝像頭實時監控當前場所的可視情況，可根據需求設置異動觸發器，當觸發指定條件后自動告警，可以根據觸發時間和事件檢索視頻，支持視頻圖像人臉識別。適用于倉儲管理、電子圍欄等。
? 能源監測：通過攝像頭、電流電壓傳感器等相關傳感器監測用電、用水情況，使用圖像識別的方法讀取儀表盤的讀數，幫助客戶遠程智能抄表，節省人力資源的投入。可用于能源行業，如電力、水務系統。
? 排放監測：通過一些氣體傳感器以及GPS定位裝置，可監測車輛的位置、車輛運行狀態、發動機狀態、排放情況等。
1.4 在工業互聯網網絡體系架構中的位置
智能監測系統是為垂直行業用戶打造的應用平臺，根據客戶的需求，為客戶提供定制化的服務，幫助行業用戶解決自身痛點。智能監測系統可以接入多種終端設備，并對設備進行管理操控，將終端設備采集到的環境數據上報至平臺。通過與云平臺的連接，使用大數據能力，對采集到的環境數據、設備數據、用戶數據、應用數據等進行統計分析，向客戶展示多種數據視圖，為企業管理人員提供決策支持。
圖1 工業互聯網互聯示意圖
2 需求分析
目前很多企業的監控手段很單一，只部署了視頻監控、單一類型的傳感器，或者部署了多個終端監測設備，但卻各自獨立運作。這類監測手段缺乏對采集視頻的智能識別，缺乏對環境數據的統籌分析，缺乏貼合行業特性的智能感知與決策業務模塊。為了更好的服務客戶的需求，智能監測系統在原有監測手段的基礎上，提供智能監測的業務能力，不僅包含視頻監控、同時新增了數據采集模塊、觸發器模塊、視頻圖像AI處理模塊以及告警與決策反饋模塊等模塊，為客戶提供智能的監測能力。
3 解決方案
3.1 方案介紹
智能監測系統，適配JT/T808-2011、MQTT、MODBUS等常用的行業協議或接口，將攝像頭、溫濕度傳感器等不同行業終端方便快捷的接入系統。通過這些行業終端設備，采用無線傳輸方式，實時采集監測點位的環境數據（煙霧、溫度、有害氣體、環境畫面等）并上報至系統。采用時序數據庫集群，能夠存儲海量的媒體、文本等數據，通過其對數據的高并發寫入，極速聚合查詢能力，靈活有效的對數據訪問并進行統計分析，為用戶形成分析視圖。提供規則引擎能力，用戶可根據業務需求，自定義觸發器規則，在實際監測環境中發現異常情況自動告警。提供API引擎能力，實現多平臺業務與數據的互聯互通，方便用戶進行業務整合。提供Web頁面、APP客戶端、微信小程序等多終端的展示方式，方便用戶隨時隨地，實時查看監測點位信息，遠程監控管理。
3.2 系統架構
圖2 智能監測系統架構圖
? 終端層：終端設備統一管理，鑒權認證、信息上報、遠程管控、自檢修復等。
? 業務層：各業務管理模塊，如應用管理、策略管理、信息處理、終端管理、日志管理、任務管理、賬戶管理等。
? 展現層：為用戶提供監控視圖、告警視圖、運營分析視圖等。
? 接口層：平臺擁有能力開放能力，提供第三方接口，可與其他多個業務平臺對接，實現平臺之間業務能力與數據的互聯互通。
? 數據層：平臺可管理多種數據，包括應用數據、系統數據、用戶數據、終端數據等。
3.3 網絡拓撲設計
圖3 智能監測系統網絡拓撲
組網說明：
? 設備接入子系統
設備接入子系統的主要功能是依據不同的物聯網終端設備（或者網關）數據通訊連接方式，提供協議適配，實現對物聯網感應層的各類型終端設備的大規模接入。通過消息總線對接設備管理子系統、數據管理子系統、規則引擎子系統。
適配協議：JT/T808-2011、MQTT、RESTFul API、MODBUS、EDP等常用的行業協議或接口。
? 設備管理子系統
設備管理子系統對終端設備進行統一管理，不僅提供設備信息、設備群組、數據流等業務模型的管理功能，還提供設備控制模塊，實現對設備的命令控制功能。
? 規則引擎子系統
規則引擎子系統主要是支持平臺上層規則相關業務，提供規則管理、規則引擎等功能。負責支持設備觸發器管理，完成平臺針對設備數據流的觸發規則管理功能。
? 數據管理子系統
數據管理子系統配合設備管理子系統，完成數據流對應的來自終端設備的數據收集與存儲。數據管理子系統采用HTTP協議進行消息通信，提供安全、靈活和有效的數據訪問和查看接口。
數據管理子系統提供多類型數據庫以支持異構數據的集成、存儲，如內存數據庫Redis、時序數據庫OpenTSDB、文檔數據和異構數據存儲數據庫MongoDB等。
? 認證鑒權子系統
認證鑒權子系統提供平臺用戶賬號管理、APIKey管理和組織/企業信息管理，以及請求的訪問控制功能。認證鑒權子系統采用HTTP協議進行實時消息通信，負責將用戶開戶數據同步，以及登陸認證等。
? 定時任務
定時任務子系統對接規則引擎子系統、設備管理子系統和設備接入子系統，主要實現觸發器、數據流、指令接受模塊對消息總線的定時訂閱功能。
? 數據庫系統
采用MySQL數據庫，默認每個子系統獨有一個數據庫實例，使用分布式數據庫中間件（如Mycat），實現數據庫的分表分庫。
? 文件服務器
文件服務器主要是解決終端設備上傳的音視頻文件的存儲問題，提供設備文件的上傳接口和文件的下載接口。
? 消息總線
消息總線對接設備接入子系統，主要實現終端設備數據的緩存、路由分發及負載均衡功能。支持復雜的數據結構的高速緩存，為業務高峰時期大流量終端業務數據并發接入場景提供數據緩沖服務。平臺可依據業務數據的訂閱關系實現數據的快速分發。平臺將依據不同終端的數據類型和連接請求的類型，形成不同的服務單元，把數據流量負載分攤到相應內容的服務器，從而分散數據流量壓力，實現負載均衡。
消息總線采用開源消息中間件實現，如Kafka、RocketMQ等。
3.4 功能設計
設備管理子系統：主要用于管理接入到平臺中的所有終端類設備，包括攝像頭、傳感器、網關、邊緣設備等。設備管理子系統包括對設備的基本信息管理、狀態監控、策略管理和接入管理等。可遠程操控設備，進行升級、狀態檢測等。
邊緣計算子系統：提供邊緣計算的管理與支撐功能等，包括邊緣應用、協同計算、遠程部署和機器學習等。
數據管理子系統：提供各類設備上報數據的管理功能，包括數據采集、數據管理、訂閱分發以及數據開放等。
應用管理子系統：用戶可自行創建應用，對應用及其生命周期進行操作和管理。例如可創建一個環境監測應用，管理其中的監測設備、監測數據，對應的監測視圖、設置的報警觸發器、告警規則及告警處理等。用戶可通過可視化應用編輯界面來快速創建應用，如下圖。通過拖拽左側應用元件庫的元件，在右側選擇相應的設備、數據流等進行綁定，即可完成應用的創建，簡單快捷。
圖4 可視化應用創建
系統管理子系統：提供系統管理相關的基礎功能，包括賬號系統、日志系統、告警系統以及統計分析等。
視頻/圖像AI處理子系統：提供視頻/圖像處理相關功能，用戶在平臺上能夠配置指定圖片和圖片，視頻/圖片和數據流的合成展示。
能力開放與集成子系統：提供第三方接口能力，用戶可在平臺配置對第三方平臺開放的服務，第三方平臺通過對應的服務接口即可訪問使用對應的服務。
3.5 系統優勢
海量的數據采集：采用時序數據庫集群，可存儲海量的視頻、音頻、圖像、文本的等采集數據，可實現對數據的高并發寫入，極速查詢能力。
多協議適配：不同的終端設備，使用的協議是不同的。平臺支持主流物聯網協議，如JT/T808-2011、MQTT、RESTFul API、MODBUS、EDP等常用的行業協議或接口，通過網關適配器，方便不同的終端設備快速接入系統，簡化了連接過程。
智能服務：平臺基于機器學習算法、計算機視覺、自然語言處理等技術，提供圖像識別、人臉識別、視頻/圖像處理等功能，在一些應用場景中為用戶提供智能服務。
數據的互聯互通：通過平臺多協議適配能力，能夠使設備和設備之間，設備和平臺之間的數據互聯互通。通過平臺的API引擎能力，可將平臺的應用服務以及數據通過API接口開放給第三方平臺使用，用戶可在平臺自己管理將哪些服務和數據開放出去，實現平臺與平臺之間的業務與數據的互聯互通。
3.6 安全及可靠性
系統建設軟硬件產品需滿足企業客戶安全評估要求，應用軟件需具備信息安全基本保障要求，預防出現信息泄密。在系統級、應用級、網絡級提供各自的安全手段和措施，為系統提供全方位、立體化的安全實施方案。在數據保密、安全措施上采取較縝密的權限與加密管理，以保證系統和數據的安全。
系統應具有成熟的應用基礎，在技術服務和維護響應上同用戶積極配合，確保系統的可靠。在設備的選擇和關鍵設備的互聯時，應提供充分的冗余備份，一方面最大限度地減少故障的可能性，另一方面要保證系統能在最短時間內修復。
4 成功案例
1) 廣西省玉柴廠房監控項目
圖5 廣西省玉柴廠房監控項目
通過在廣西玉柴企業的倉庫、噴氣車間、三坐標室部署的監控攝像頭和傳感器。可以實時查看高清視頻監控，對圖像高清晰回放，提高了倉庫的安全級別，節約人力成本；監測噴氣車間溫度、濕度、甲醛、揮發有機物、PM2.5、PM10，將數據呈現給監控人員，實現閥值報警機制，有效防止有害氣體外泄，提高安全生產管理；監測三坐標室的溫度、濕度等環境數據，當觸發告警規則時發出通知，保證生產設備在安全范圍內運作。
2) 企業機房監控項目
圖6 企業機房監控項目
公司機房對于企業來說是軍機重地，公司的各項業務的正常運轉都依賴于機房中各服務器等設備的正常運行，因此機房的安全防護尤為重要。通過在機房部署監控攝像頭、溫濕度傳感器及煙火感傳感器等，監測機房的各環境數據，通過智能監測平臺實時展示給監控人員。當環境數據超出閾值，觸發告警機制，通過郵件、短信、微信小程序等方式通知監控人員，以便及時處理突發狀況。