基于物聯感控技術的通用物聯網解決方案
湖南云智迅聯科技發展有限公司
網絡行業應用篇/設備監控與維護
1 概述
工業互聯網是新一代信息通信技術與現代工業技術深度融合的產物，是制造業數字化、網絡化、智能化的重要載體。工業互聯網接入機器設備數量將爆炸式增長，2015年接入規模為26億件，到2021年，這一數字將超過100億件，實現高達25%的年復合增長率。未來20年，中國工業互聯網產業發展，可帶來3萬億美元的GDP增量。
本公司響應國家發展工業互聯網產業的重大戰略需求，對標企業智能制造的現實需要。針對設備異構多型，協議復雜多樣、業務的多態性、需求的多變性，致力于為客戶提供快速低成本的物聯感控關鍵技術、核心產品和基礎平臺，實現工業裝備的在線傳感監測、狀態感知和健康診斷；提高制造效率，改善產品質量，降低產品成本和資源消耗，適用于多個領域行業，例如智慧城市、環境監測、工業運維、數字農業等，有助于制造企業延伸產業鏈，推動其向“制造+服務”提供商的升級。
1.1 背景
工業互聯網是滿足工業智能化發展需求，具有低時延、高可靠、廣覆蓋特點的關鍵網絡基礎設施，是新一代信息通信技術與先進制造業深度融合所形成的新興業態與應用模式，是制造強國建設的基礎設施和關鍵支撐，制造業與互聯網融合發展的關鍵路徑。
黨的十九大報告指出，“加快建設制造強國，加快發展先進制造業，推動互聯網、大數據、人工智能和實體經濟深度融合。”
2017年10月，國務院常務會審議通過《深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》，促進實體經濟振興，加快轉型升級。
2018年5月，工信部發布《工業互聯網發展行動計劃（2018-2020）》，深入實施工業互聯網創新發展戰略，推動實體經濟和數字經濟深度融合。
1.2 實施目標
基于物聯感控技術的通用物聯網解決方案，致力提供領先的設備聯網監控業務核心產品、平臺和技術方案，輕松應對設備的多樣性、協議復雜多樣、業務的多態性、需求的多變性，免編程的快速低成本構建出各種具體設備聯網監控業務應用，實現工業數據的全面感知、動態傳輸和實時分析，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網關，新一代自主式數據處理智能工業網關，具備異構都多型設備任意接入，主流工業協議動態適配，特別是在網關層進行數據解析、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，使設備上網入云即插即用，輕松安全。感知平臺運用智能信息感知技術來觀察、認知和洞察，為我們展示客觀世界中物品屬性、狀態、演化軌跡的圖景，獨創“平臺個性化配置”模式，應用構建安全可控、個性化的在線監測、定位追溯、報警聯動、調度指揮、安全防范、統計分析、決策支持等管理和服務功能，能廣泛應用于工業運維、智慧城市、數字農業、環境監測、設備監測、公共安全、智能消防等多個領域。
1.4 在工業互聯網網絡體系架構中的位置
圖1 工業互聯網互聯示意圖
本方案中的新一代智能工業網關，在工業互聯網體系架構中，在①智能機器與工廠控制系統間，能承載著承上啟下的作用，網關具備異構多型工業設備任意接入，主流工業通信協議動態適配，特別是在網關層對從多路傳感器、控制器采集到的異構多態數據進行解析、過濾和匯聚數等邊緣計算功能，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，使設備上網入云即插即用，輕松安全。
感知平臺在⑦工業云平臺（及管理軟件）與協作平臺間環節，獨創“平臺個性化配置”模式，特別是在工業領域，提供專業化的在線智能監測服務。在設備層面，通過傳感器或控制器實時獲取數據，實現物理設備的在線監測和狀態感知；在過程層面通過數據驅動實現工業裝備的健康診斷和報警聯動；在管理層面通過物聯網、云計算、大數據等技術構成工業互聯網，實現決策支持和遠程維保。感知平臺有助于制造企業延伸產業鏈，推動硬件制造商向“制造+服務”提供商的升級。
2 需求分析
為適應智能制造發展，工廠內部網絡呈現扁平化、IP化、無線化及靈活組網的發展趨勢，隨著網絡和信息技術、服務模式發展，原來局限在工廠內的工業生產過程逐步擴展到外部網絡，工業生產信息系統與互聯網正在走向深度協同與融合，隨著工業互聯網建設和應用不斷深入，數據的價值與作用越來越凸顯，將向工業的各個環節滲透、預測、決策、控制等，最終構成數據采集到設備、生產現場及企業運營管理優化的閉環。然而工廠內智能機器、傳感器、執行器等設備異構多型，協議復雜多樣，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，導致設備入網難、成本高、周期長、不靈活；同時，現階段的物聯網應用系統、通過工業網關將采集的數據全量上傳到云端，數據的解析，過濾、匯集都在云端進行、此類傳統的方式使得網絡數據傳輸量極大，對帶寬的要求極高，同時對服務端的數據解析、過濾、匯聚等計算服務及數據存儲服務提出了更高的要求，在工業物聯網發展的進程中，如何降低網絡傳輸壓力，降低服務端的負載壓力，實現服務的負載均衡也是在工業物聯網發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4.0和工業互聯網都將設備聯網、工況狀態獲取、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關及云智感知平臺構建了一個包括設備上網入云、監測邏輯設置、可視化顯示、大數據分析及反饋控制等完整過程的設備聯網監控流程，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設備的聯網監控。基于物聯感控技術的通用物聯網解決方案應用體系結構如圖2所示。
在“聯”方面，應用邊緣計算理論，創新研發自主式物聯傳感技術，開發出真正的新一代智能工業網關，具備異構多型工業設備任意接入，主流工業協議動態適配，特別是在網關層對從多路傳感器、控制器采集到的異構多態數據進行解析、過濾和匯聚數等邊緣計算功能，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，使設備上網入云即插即用，輕松安全。在“感”方面，構建了首個免編程智能生成應用的物聯感知平臺，通過配置化、圖形化設計方式，快速實現設備在聯網監測、狀態感知、聯動報警、健康診斷及數據分析等功能的物聯網應用系統。在“控”方面，創新性地將工業網關和設備控制器合二為一，內置豐富控制算法，通過配置手段即可實現單設備的過程控制和多設備的協同控制，大幅降低物聯監控網絡構建難度和成本。
圖2 基于物聯感控技術的通用物聯網解決方案應用體系結構
3.2 系統架構
基于物聯感控技術的通用物聯網解決方案，以物聯網、大數據、云計算等技術為支持，以“基礎設施設備物聯化、供水時空信息互聯化、運營管理服務協同化”為特點，使用云智感知平臺互聯網整體解決方案，形成感知服務、基礎設施服務、數據服務、平臺服務、應用服務及數據監測服務等能力。總體功能架構如圖3所示：
圖3 基于物聯感控技術的通用物聯網解決方案功能架構
物聯感知層：利用物聯網等信息技術，通過各類視頻監控、傳感、射頻識別、條形碼設別、二維碼識別等方式，按通用的標準協議，把相關感知端與云中心相連接，進行信息交換和通信，實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理，為相關信息化應用提供前端基礎數據支撐。
基礎設施層：包括機房動力與環境、計算資源池、存儲資源池、網絡資源池、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：捷聯基礎平臺提供通用的配置化服務，為上層應用提供數據支撐服務。
平臺服務層：以捷聯基礎平臺提供的配置化服務，通過配置化方式實現營業服務的開發。
應用服務層：通過配置化的方式，實現數據的在線監測、聯動報警、數據分析、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（拖曳式布局、三維可視化）展示。
3.3 網絡拓撲結構
本技術解決方案網絡拓撲結構如圖4所示：
設備層：通過云智核心硬件產品—云智網關，使得異構多型工業設備任意接入，主流工業通訊協議動態適配，設備上網入云輕松安全。
平臺層：通過云智感知平臺，零編成、配置化方式實現數據驅動實現工業裝備的報警聯動、健康診斷和監察監控；
應用層：通過物聯網、云計算、大數據構成工業物聯網，實現分析決策。
圖4 云智迅聯物聯網解決方案網絡拓撲結構
3.4 核心功能
3.4.1 云智工業網關
全球首款自主式智能工業網關，除協議轉換外，主動采集傳輸數據，特別是在網關層進行解析、過濾等邊緣計算，免除應用層的設備解析處理程序編寫，設備上網入云輕松迅速。云智智能工業網關功能如表1所示：
表1 云智迅聯智能網關功能列表
功能 | 一般工業網關 | 云智網關 |
路由交換 | √ | √ |
多協議轉換 | √ | √ |
運行狀態監控 | √ | √ |
主動采集與傳輸 |
| √ |
動態采樣頻率 |
| √ |
采集數據解析 | × | √ |
數據自定義過濾 | × | √ |
數據自定義匯聚 | × | √ |
多方式同步發送 | × | √ |
多目標同步發送 | × | √ |
3.4.2 云智平臺
云智感知平臺秉承“快速低成本”理念，從互聯網+視角出發，結合人工智能技術，獨創“平臺個性化配置”模式，可智能自動生成工業互聯網中物聯感知具體應用，適合于對各類型設備的快速聯網及對設備工況的監測和工效、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）首創自主式物聯技術，接入層提供數據解析、轉換、匯聚功能；
（4）多行業適應，監控業務規則自定義；
（5）多模態可配置界面免編程自定制；
（6）大數據洞察，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) 在線監控需求
提供對水庫、河道、水雨情等關鍵位置或設備的動態監控功能，實現水位監測、視頻監控以及設備運行監控。
2) 應急處置需求
實現應急預案、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
實現工程管理、知識管理等綜合管理。
4) 數據查詢需求
實現各級用戶根據不同信息種類、不同檢索頻度的查詢。
5) 數據統計分析需求
對系統中的大量數據進行綜合統計分析，提供關于不同業務主題的綜合統計分析功能及統計分析結果展示功能。
6) 系統配置需求
提供組織機構、用戶及權限管理等功能。
解決方案：
智慧供水平臺實現對水廠管線、泵站、管網信息一體化管理。以物聯網、大數據、云計算等技術為支持，以“基礎設施設備物聯化、供水時空信息互聯化、運營管理服務協同化”為特點，使用云智感知平臺互聯網整體解決方案，形成感知服務、基礎設施服務、數據服務、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 智慧供水總體架構圖
1) 物聯感知層：利用物聯網等信息技術，通過各類視頻監控、傳感、射頻識別、條形碼設別、二維碼識別等方式，把相關感知端與云中心相連接，進行信息交換和通信，實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理。
2) 基礎設施層：包括機房動力與環境、計算資源池、存儲資源池、網絡資源池、虛擬化服務，為上層服務提供云計算基礎支撐服務。
3) 數據服務層：利用公共基礎數據庫、主題數據庫和公共視頻數據庫，積累沉淀城市數據資源，為上層應用提供數據支撐服務。
4) 平臺服務層：捷聯基礎平臺提供通用、云智感知應用框架為基礎，配置化實現。
5) 應用服務層：提供供水管網GIS系統、水質管理系統、SCADA系統等功能。
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、供水管網和水質的實時監測及閥門遠程控制為一體的智能供水平臺，為水廠的運營、調度指揮、分析決策和智能控制提供有效的數據支撐與技術手段。
1）實現泵站無人值守；
2）管線爆管預防及定位；
3）閥門健康狀態監測；
4）管網水質監測；
5）閥門遠程智能調控；
6）自動數據分析報表；
4.2 株洲天橋起重智慧云運維系統
客戶需求：
1) 在線監控需求
提供對天橋關鍵位置或設備的動態監控功能，實現設備運行監控及視頻監控。
2) 應急處置需求
實現應急預案、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總體架構
1) 物聯感知層：利用物聯網等信息技術，通過各類視頻監控、傳感、射頻識別等方式，按通用的標準協議，建立信息交換和通信通道，實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理。
2) 基礎設施層：包括機房動力與環境、計算資源池、存儲資源池、網絡資源池、虛擬化服務，為上層服務提供云計算基礎支撐服務。
3) 數據服務層：利用公共基礎數據庫、主題數據庫和公共視頻數據庫，積累沉淀的歷史數據，為上層應用提供數據支撐服務。
4) 平臺服務層：捷聯基礎平臺提供通用、云智感知應用框架為基礎，配置化實現。
5) 應用服務層：提供產線監測系統、智能預警系統、統計分析及智能輔助決策系統、SCADA系統等功能。
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 天車智慧云系統實時監控界面
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，建立了集設備實時監控，智能預警，統計分析及智能輔助決策于一體的工業控制平臺，為天車的運營，調度指揮，分析決策及智能運維提供了有效的數據支撐與技術支持。