裴求根，黃小強，駱書劍

(廣東電網(wǎng)有限責任公司，廣東 廣州 510030)

1 物聯(lián)網(wǎng)體系的建設

1.1 研究背景

為推進能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，國家發(fā)改委于2016年發(fā)布關于推進“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導意見?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”智慧能源是一種互聯(lián)網(wǎng)與能源生產(chǎn)、傳輸、存儲、消費以及能源市場深度融合的能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展新形態(tài)，具有設備智能、多能協(xié)同、信息對稱、供需分散、系統(tǒng)扁平、交易開放等主要特征[1]?！丁笆濉眹倚畔⒒?guī)劃》指出，實施物聯(lián)網(wǎng)重大應用示范工程，推進物聯(lián)網(wǎng)應用區(qū)域試點，建立城市級物聯(lián)網(wǎng)接入管理與數(shù)據(jù)匯聚平臺，深化物聯(lián)網(wǎng)在城市基礎設施、生產(chǎn)經(jīng)營等環(huán)節(jié)中的應用。

物聯(lián)網(wǎng)體系的建設主要包括4個層面的內容，即云管邊端四層架構體系。其中，物聯(lián)網(wǎng)的云端平臺層即為整個體系架構的中心，實現(xiàn)了南向數(shù)據(jù)的采集、存儲，以及北向數(shù)據(jù)的分析應用及共享。本文主要基于物聯(lián)網(wǎng)體系架構研究背景，重點研究物聯(lián)網(wǎng)總體架構體系中的平臺層功能架構與設計，包括物聯(lián)管理平臺、應用使能、數(shù)據(jù)中心、運維監(jiān)控、能力開放平臺等。

1.2 電力行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究現(xiàn)狀

我國電力物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)初具規(guī)模。電力物聯(lián)網(wǎng)以終端為基礎，利用電力行業(yè)自有、租賃網(wǎng)絡和信息化系統(tǒng)全面覆蓋電力行業(yè)“發(fā)輸變配用”各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)。電力物聯(lián)網(wǎng)主要包括：終端信息采集、監(jiān)測、控制，網(wǎng)絡全覆蓋，信息系統(tǒng)統(tǒng)一業(yè)務流程。支撐電力行業(yè)3級調度、輸變電狀態(tài)監(jiān)測、配電自動化、用電信息采集、電力營銷等多項生產(chǎn)業(yè)務，為電力行業(yè)建設堅強智能電網(wǎng)提供底層保障[2]。

(1)終端設備：作為物聯(lián)網(wǎng)的“觸角”，主要由具有各種感知能力的業(yè)務終端組成，是物聯(lián)網(wǎng)識別物體、采集信息的來源。終端共包括上百家廠商品牌、近千種型號。終端的主要部件為：芯片(處理器、可編程邏輯器件、連接芯片)、操作系統(tǒng)、通信模式、傳感器。

(2)通信網(wǎng)絡：電力通信網(wǎng)實現(xiàn)業(yè)務系統(tǒng)的之間的通信，主要包括骨干網(wǎng)和通信接入網(wǎng)。骨干網(wǎng)已經(jīng)實現(xiàn)省際、省級和地市3個層級的全覆蓋。骨干通信網(wǎng)中：第一，通信光纜類型主要包括OPGW、ADSS和其他類型光纜；第二，傳輸網(wǎng)以光纖通信為主，微波、載波為輔，多種傳輸技術并存；第三，業(yè)務網(wǎng)主要包括數(shù)據(jù)通信網(wǎng)、調度交換網(wǎng)、行政交換網(wǎng)、電視電話會議系統(tǒng)；第四，支撐網(wǎng)包括同步網(wǎng)、網(wǎng)管系統(tǒng)、應急通信等，共同實現(xiàn)骨干網(wǎng)絡的管理和應急通信[2]。第五，10 kV通信接入網(wǎng)主要由光纖專網(wǎng)、電力線載波、以及無線專網(wǎng)/公網(wǎng)構成，主要滿足配電自動化、用電信息采集、分布式電源接入、電動汽車充電站(樁)等通信業(yè)務的接入和上聯(lián)需求，形成與骨干傳輸網(wǎng)垂直貫通、面向用戶、安全可控的一體化接入網(wǎng)絡。

(3)電力物聯(lián)網(wǎng)平臺：物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)從概念階段發(fā)展到規(guī)?；涞貞秒A段，物聯(lián)網(wǎng)平臺是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵環(huán)節(jié)。針對物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模化應用面臨的挑戰(zhàn)，電力物聯(lián)網(wǎng)平臺包括但不限于設備管理、連接管理、用戶管理、應用使能、業(yè)務服務、運行監(jiān)控等功能。

(4)安全：目前電網(wǎng)安全已成為國家安全的重要環(huán)節(jié)。電力物聯(lián)網(wǎng)作為未來最為廣泛應用的基礎技術，將成為電網(wǎng)控制的“神經(jīng)”，滲入電網(wǎng)控制的各個方面，也使得電力物聯(lián)網(wǎng)安全對大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行具有舉足輕重的作用。從電網(wǎng)發(fā)、輸、變、配、用的各環(huán)節(jié)現(xiàn)狀來看，物聯(lián)網(wǎng)安全解決方案需要涉及終端設備、網(wǎng)絡層、平臺層和應用等整體安全。

2 電力物聯(lián)網(wǎng)平臺層功能需求分析

從電力領域的發(fā)輸變配用等業(yè)務場景分析可知，電力物聯(lián)網(wǎng)平臺要解決的問題主要包括以下幾個方面。

2.1 電力設備的感知監(jiān)控

實現(xiàn)各類電力設備的遠程感知及監(jiān)控，包括設備本體狀態(tài)，以及設備運行環(huán)境等信息的采集與監(jiān)控。其中，根據(jù)設備重要性等級、業(yè)務重要性等級等情況，涵蓋了實時性要求高或低的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控需求[3]。該過程需要解決的問題包括：海量異構設備的感知與通信接入，各種通信協(xié)議的適配轉換，各種異構數(shù)據(jù)源的解析與安全采集。

2.2 電力設備的檢修維護

實現(xiàn)各類電力設備的運行檢修與調度維護，包括有人作業(yè)與無人作業(yè)，涉及設備檢修狀態(tài)與結果的數(shù)據(jù)采集，作業(yè)人員的行為監(jiān)控與分析，作業(yè)任務與命令的實時與非實時下發(fā)，無人機、機器人等巡檢設備的數(shù)據(jù)采集、傳輸及分析等內容。該過程需要解決的問題包括：海量異構數(shù)據(jù)的采集與傳輸，特別是視頻類數(shù)據(jù)的傳輸與處理，涉及各類通信協(xié)議的適配接入。上層應用系統(tǒng)的告警類等數(shù)據(jù)的處理、分析與展示以及對應檢修任務等相關數(shù)據(jù)的維護管理。

2.3 電力設備所產(chǎn)生業(yè)務數(shù)據(jù)的集成分析應用

實現(xiàn)各類電力設備所產(chǎn)生數(shù)據(jù)的集成分析，并基于分析結果為相關人員提供工作指導價值。該過程需要解決的問題包括：大數(shù)據(jù)集成存儲與計算分析，人工智能類的圖像視頻等分析應用以及數(shù)據(jù)的共享與開放應用。涉及數(shù)據(jù)標準的建立，作為所有大數(shù)據(jù)關聯(lián)集成的基礎[4]。

3 物聯(lián)網(wǎng)平臺需要提供的主要功能包括

3.1 設備管理

設備管理功能模塊提供產(chǎn)品設備接入、注冊鑒權、終端設備管理、設備集中配置、在線調試、設備狀態(tài)管理以及設備軟件/固件升級等內容。

設備管理功能模塊對設備終端、網(wǎng)關、計算資源、應用和數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，通過標準接口實現(xiàn)各應用快速對接。該模塊應采用開放的軟件架構，支持基于虛擬化的分布式部署，具備無縫的擴展能力，可以支撐千萬級別的終端管理和控制，滿足海量物聯(lián)終端的管理要求，實現(xiàn)設備標簽管理、在線調試、授權證書、遠程配置、固件升級、遠程維護、實時監(jiān)控、分組管理等功能。

3.2 連接管理

提供連接情況動態(tài)管理，實時監(jiān)測端到端連接情況，能夠對端到端連接異常斷開或其他連接異常情況進行定位、記錄和告警。結合用戶管理中的身份權限認證模塊對終端身份編碼進行鑒權、登記、準入等，實現(xiàn)端到端連接的身份識別管理，保障端到端連接安全。

3.3 數(shù)據(jù)管理

提供基礎數(shù)據(jù)的統(tǒng)一提供查詢和更新服務，保證基礎數(shù)據(jù)在業(yè)務運營中的唯一性和一致性。基礎數(shù)據(jù)包括生產(chǎn)設備屬性數(shù)據(jù)，組織結構相關數(shù)據(jù)在內的平臺運行所必須的靜態(tài)數(shù)據(jù)等。

平臺對各種設備上報的數(shù)據(jù)進行管理，將上報的各不相同的數(shù)據(jù)轉換為標準設備數(shù)據(jù)；并提供標準控制命令到各種不同設備的控制命令轉換；將設備的原生數(shù)據(jù)根據(jù)行業(yè)定義的模型轉換后，支持規(guī)則引擎、業(yè)務編排模塊、第三方行業(yè)應用進行相應的業(yè)務觸發(fā)。數(shù)據(jù)管理功能包括：數(shù)據(jù)模型管理、數(shù)據(jù)采集管理、數(shù)據(jù)集成與存儲、數(shù)據(jù)訂閱與推送、數(shù)據(jù)使用授權等[5]。

3.4 用戶管理

用戶包括業(yè)務訪問者、資源提供者和應用開發(fā)者，在資源的處理、存儲和訪問過程中，需要依據(jù)用戶對應的屬性和權限做區(qū)分。針對用戶訪問具有移動性、動態(tài)實時性的特點，用戶管理實現(xiàn)需要提供身份認證、授權等訪問控制問題。因此，用戶管理主要提供用戶注冊、用戶登錄訪問以及用戶權限管理等基本功能，平臺需要保存用戶的基本信息，包括用戶的權限信息、注冊信息、描述信息等。

3.5 應用使能

基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的基礎技術平臺能力以及業(yè)務分析處理能力，為外圍應用提供使能服務。主要采用API開放的形式提供服務，同時也能集成第三方的能力作為物聯(lián)網(wǎng)平臺的服務能力。

3.6 運行監(jiān)控管理

支持對應用、網(wǎng)絡、終端3層對象運行監(jiān)控全覆蓋，實現(xiàn)對各層組件的自監(jiān)控運維管理，及時發(fā)現(xiàn)和處置運行故障，保障平臺整體高可用運行。包括了設備遠程監(jiān)控、基礎設施監(jiān)控、網(wǎng)絡資源監(jiān)控、平臺組件監(jiān)控及運行狀態(tài)分析等能力。

4 電力物聯(lián)網(wǎng)平臺層功能設計研究

4.1 總體架構

電力物聯(lián)網(wǎng)云平臺的建設包括了3大塊內容：一是基礎設施的建設；二是物聯(lián)網(wǎng)云平臺(物聯(lián)管理平臺、能力中心、能力開放平臺)的建設；三是業(yè)務應用的建設。

(1)云基礎設施層：需要實現(xiàn)云基礎資源的建設，包括IaaS+PaaS層的基礎資源。IaaS層基于硬件資源實現(xiàn)存儲、計算及網(wǎng)絡資源的虛擬化及管理?；趯Y源實現(xiàn)平臺運行PaaS層環(huán)境的搭建，上層平臺及應用既可部署在虛擬機，也可部署在容器環(huán)境中。

(2)物聯(lián)管理平臺：實現(xiàn)針對下游設備及網(wǎng)絡的連接管理與設備管理等能力，保障泛在設備的有效接入，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的向上采集以及向下的設備管控等。

(3)能力中心：為物聯(lián)網(wǎng)平臺層的數(shù)據(jù)中心、應用使能及運維管控等能力的集中。從3個方面保障了物聯(lián)網(wǎng)平臺層的核心能力，一是數(shù)據(jù)的存儲、分析與管理；二是針對上層業(yè)務應用的應用使能能力；三是針對整個物聯(lián)網(wǎng)平臺的運維與管控。包括規(guī)則引擎、消息總線、管理后臺、運維系統(tǒng)、控制中心以及邊緣計算節(jié)點管理等能力。

(4)能力開放平臺：基于上述的物聯(lián)網(wǎng)平臺層能力，需要有一個統(tǒng)一的開放平臺來對外提供服務，以保障平臺能力的穩(wěn)定運行與監(jiān)控。該平臺需要提供能力注冊、身份認證/權限管理、流量控制、調用日志以及API網(wǎng)關。

(5)業(yè)務應用：基于平臺層提供的服務接口，結合電網(wǎng)發(fā)輸變配用的實際業(yè)務場景，開發(fā)實現(xiàn)各類業(yè)務應用。

4.2 電力物聯(lián)網(wǎng)平臺的功能模塊設計研究

4.2.1 設備管理模塊

(1)設備接入：標準通信協(xié)議與私有協(xié)議的轉換，屏蔽終端廠商之間的私有協(xié)議差異，根據(jù)業(yè)務需求靈活適配本地、遠程、有線、無線等網(wǎng)絡通信通道，完成任意設備、任意網(wǎng)絡形式的海量設備接入無關性以及安全可信接入。

(2)注冊鑒權：為了實現(xiàn)平臺對設備的管理，被管理的設備需要在平臺完成注冊。當設備在平臺側完成注冊之后，設備上電，設備需要攜帶設備標識(例如IMEI，或者其他唯一標識)到平臺完成設備鑒權。

(3)終端設備管理：提供面向電力業(yè)務的電網(wǎng)設備終端的全生命周期管理能力，通過web頁面完成設備創(chuàng)建、修改、激活、刪除、禁用和啟動。

(4)設備狀態(tài)管理：提供終端設備online-offline狀態(tài)管理服務。設備接入物聯(lián)網(wǎng)平臺后，平臺組件對設備提供連接管理服務，維持在線/離線狀態(tài)。

(5)設備軟件/固件升級：OTA技術是通過移動蜂窩網(wǎng)絡(234G或NB)的空中接口對終端設備側模組固件或應用軟件進行遠程升級的技術，也可以使用WiFi、ZigBee等局域組網(wǎng)方式。物聯(lián)網(wǎng)平臺提供固件升級與管理服務。首先，設置設備端支持OTA服務。其次，在控制臺上傳新的固件，并將固件升級消息推送給設備，設備即可在線升級。

4.2.2 數(shù)據(jù)管理模塊

(1)基礎數(shù)據(jù)管理：提供基礎數(shù)據(jù)的統(tǒng)一提供查詢和更新服務，保證基礎數(shù)據(jù)在業(yè)務運營中的唯一性和一致性。基礎數(shù)據(jù)包括生產(chǎn)設備屬性數(shù)據(jù)，組織結構相關數(shù)據(jù)在內的平臺運行所必需的靜態(tài)數(shù)據(jù)等。

(2)數(shù)據(jù)模型：提供開放的數(shù)據(jù)模型并提供對各種設備(傳感器)數(shù)據(jù)抽象和支持靈活擴展，使應用不需要關注各種具體連接方式(如ETH、WiFi、ZigBee、2/3/4G等)的各種制造廠家(不同的數(shù)據(jù)編解碼格式)的設備，方便開發(fā)者開發(fā)支持多個垂直行業(yè)應用集成。

(3)數(shù)據(jù)采集：當設備接入到平臺后，設備可以基于一定的規(guī)則進行數(shù)據(jù)上報，規(guī)則可以是基于周期或者事件觸發(fā)。數(shù)據(jù)上報到平臺后，平臺通過設備提供的插件對設備數(shù)據(jù)進行解析，解析后的數(shù)據(jù)上報給上層應用同時在平臺進行存儲。

(4)數(shù)據(jù)集成與存儲：針對不同電網(wǎng)設備終端數(shù)據(jù)類結構相差各異的特點，提出云平臺/大數(shù)據(jù)平臺將數(shù)據(jù)存儲能力開放共享需求。提供多類型數(shù)據(jù)庫以支持異構數(shù)據(jù)的集成、存儲，比如時序數(shù)據(jù)庫、非關系型數(shù)據(jù)庫、關系型數(shù)據(jù)庫等。

(5)數(shù)據(jù)監(jiān)控：根據(jù)不同業(yè)務需求，平臺可對匯集的業(yè)務數(shù)據(jù)和信息配置閾值或約束規(guī)則，同時，基于現(xiàn)場配置傳感設備的分布和關聯(lián)性，設置聯(lián)動觸發(fā)條件和聯(lián)動動作邏輯。依據(jù)報警規(guī)則的配置內容的對業(yè)務數(shù)據(jù)進行及時、不間斷的監(jiān)控和判斷。

(6)數(shù)據(jù)訂閱與推送：支持數(shù)據(jù)訂閱與推送能力，平臺向應用側開放了訂閱平臺數(shù)據(jù)和消息推送接口，應用向平臺訂閱所需的通知類型，當已訂閱的通知類型觸發(fā)時，平臺向應用推送此消息，應用根據(jù)通知類型進行對消息分派對應的服務模塊進行處理。

4.2.3 用戶管理模塊

(1)身份認證：用戶包括業(yè)務訪問者、資源提供者和應用開發(fā)者，在資源的處理、存儲和訪問過程中，需要依據(jù)用戶對應的屬性和權限做區(qū)分。針對用戶訪問具有移動性、動態(tài)實時性的特點，用戶管理實現(xiàn)需要提供身份認證、授權等訪問控制問題。

(2)權限管理：用戶的位置及使用終端設備的移動性、跨區(qū)域性等特點，通過提供動態(tài)的權限管理機制，根據(jù)實時狀態(tài)的變化，提供細粒度的權限管理方式，根據(jù)接入終端、資源訪問者等多方面的實時狀態(tài)實現(xiàn)動態(tài)的權限分配，達到權限靈活分配、實時管理的目的。

(3)訪問控制：訪問控制策略的實現(xiàn)不僅確保了授權用戶對資源的合理使用，同時進一步防止非法用戶侵權進入系統(tǒng)，避免涉密信息泄露。

4.2.4 應用使能模塊

(1)能力開放：應用接入功能將通過數(shù)據(jù)API接口和能力開放API接口的方式對外提供應用接入服務，包括設備API接口、數(shù)據(jù)API接口、規(guī)則API接口、命令執(zhí)行API接口，所有API應遵循標準的Restful風格。

(2)第三方能力集成：提供第三方物聯(lián)應用服務API的注冊、服務接入、服務供應，提供第三方集成服務清單，供物聯(lián)業(yè)務應用開發(fā)時進行選擇應用。

5 結語

本文基于物聯(lián)網(wǎng)的研究背景及現(xiàn)狀，分析了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢及物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了物聯(lián)網(wǎng)平臺相關的通信技術、傳感器技術及云計算技術?；谏鲜鲅芯壳闆r，分析了電力物聯(lián)網(wǎng)平臺層建設的功能需求。基于對應的功能需求分析，研究設計了電力物聯(lián)網(wǎng)平臺的總體架構、功能架構，及對應的詳細功能。通過本次研究，充分掌握了物聯(lián)網(wǎng)平臺建設的內容，理解了物聯(lián)網(wǎng)平臺建設需要解決的問題。為電網(wǎng)公司后續(xù)的電力物聯(lián)網(wǎng)建設提供了基礎研究資料，并積累了電力物聯(lián)網(wǎng)的建設經(jīng)驗。