王亮 唐悅 張凱 曹云華 史衍征 遲慶斌

（1.青島頤杰鴻利科技有限公司，山東 青島 266100；2.中國(guó)電力建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100048）

近幾年，我國(guó)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)以年增長(zhǎng)20%的比例保持快速增長(zhǎng)，已經(jīng)成為全球物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)增長(zhǎng)最快的國(guó)家 [1]。在信息化與工業(yè)化深度融合的潮流中，工程機(jī)械智能化成為引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展的主旋律，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將成為未來實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械智能化、促進(jìn)工程機(jī)械產(chǎn)業(yè)升級(jí)的核心技術(shù)之一[2]。

一、研究背景

（一）工程機(jī)械聯(lián)網(wǎng)趨勢(shì)

工程機(jī)械可以分為制造業(yè)、租賃業(yè)、施工企業(yè)三種形式，當(dāng)前以制造業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展較快。中國(guó)市場(chǎng)較為成熟的平臺(tái)包括中聯(lián)重科的企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，徐工集團(tuán)的工程機(jī)械物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研發(fā)中心，三一重工的“工程機(jī)械設(shè)備智能服務(wù)系統(tǒng)”等。這些平臺(tái)設(shè)計(jì)都將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為前端數(shù)據(jù)收集的載體，從遠(yuǎn)程控制、收集數(shù)據(jù)入手，為產(chǎn)品研發(fā)、使用、售后進(jìn)行提效。

（二）施工企業(yè)業(yè)務(wù)技術(shù)痛點(diǎn)

相比制造企業(yè)，國(guó)內(nèi)施工企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展還處于起步階段。大型機(jī)械設(shè)備雖然提高了施工的效率,但同樣也為設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)管理帶去了麻煩?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)無標(biāo)準(zhǔn)，采集不全，大部分實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)無法集中存儲(chǔ)和管理。管理統(tǒng)計(jì)大量依賴手工上報(bào)，缺少有效的分析工具。管理層及業(yè)務(wù)專家也因缺乏現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，無法保障遠(yuǎn)程指導(dǎo)與管理決策的效益。

工程機(jī)械制造與施工企業(yè)在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)中主要存在以下差異：

1.制造平臺(tái)收集數(shù)據(jù)為新產(chǎn)品開發(fā)或售后服務(wù)，而較少考慮施工企業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景。

2.制造平臺(tái)數(shù)據(jù)采集設(shè)備類型單一，主要集中在本企業(yè)的產(chǎn)品，而施工企業(yè)集團(tuán)的設(shè)備種類多，數(shù)據(jù)接口不統(tǒng)一，需要大量數(shù)據(jù)集成調(diào)測(cè)與客戶化協(xié)議開發(fā)。

3.制造平臺(tái)基于云提供標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)，施工企業(yè)無法在其平臺(tái)上拓展個(gè)性化功能。

因此，中國(guó)電建集團(tuán)展開課題，以最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ),進(jìn)行服務(wù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，建立統(tǒng)一規(guī)范的體系解決上述問題[4]。

（三）系統(tǒng)設(shè)計(jì)：

平臺(tái)構(gòu)架設(shè)計(jì)對(duì)于提高軟件可測(cè)試性與可維護(hù)性、降低維護(hù)成本、提高開發(fā)效率等各方面都非常重要。基于數(shù)據(jù)中臺(tái)架構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，中國(guó)電建集團(tuán)平臺(tái)架構(gòu)包含感知層，邊緣層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層，展示層，有利于未來擴(kuò)容與迭代。

感知層：用于接入包括塔式起重機(jī)、門座式起重機(jī)、履帶式起重機(jī)等100余種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)。感知層結(jié)合采集模組標(biāo)準(zhǔn)化與調(diào)測(cè)管理遠(yuǎn)程化，解決了設(shè)備種類繁多、地域分散、運(yùn)行環(huán)境不穩(wěn)定及規(guī)模龐大等挑戰(zhàn)。

1.邊緣層：平臺(tái)邊緣層不僅具備無線傳輸、數(shù)據(jù)加密等能力，且支持邊緣計(jì)算客戶化及行業(yè)應(yīng)用算法的插即用。平臺(tái)邊緣層與數(shù)據(jù)層形成云邊一體化的彈性數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)。

2.數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層包括高壓實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，即時(shí)關(guān)系數(shù)據(jù)調(diào)用，數(shù)據(jù)清洗，聚合與計(jì)算。數(shù)據(jù)層向應(yīng)用提供集成接口與服務(wù)調(diào)用。本平臺(tái)數(shù)據(jù)層還預(yù)置了包括組態(tài)，表單，數(shù)據(jù)治理，統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)維管理在內(nèi)的主流開源技術(shù)工具，有效支持企業(yè)的大數(shù)據(jù)管理分析拓展。

3.業(yè)務(wù)應(yīng)用層：面向眾多施工設(shè)備的日常維護(hù)，綜合數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，精益管理分析，支撐所有設(shè)備監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)的應(yīng)用功能開發(fā)。

4.展示層：包含桌面以及移動(dòng)客戶端應(yīng)用。用戶可以在手機(jī)或者IPAD上實(shí)時(shí)查看或接收到各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)及技術(shù)參數(shù)，并根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理分析和優(yōu)化。

圖例1：施工企業(yè)工程機(jī)械設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

圖例2：云邊一體化彈性數(shù)據(jù)管理架構(gòu)

二、功能設(shè)計(jì)

中國(guó)電建平臺(tái)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各設(shè)備的運(yùn)行與技術(shù)參數(shù)、故障與預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合設(shè)備異常信息提醒功能，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備全壽命周期管理。平臺(tái)功能主要包括四部分：

（一）總覽信息看板：平臺(tái)支持大量數(shù)據(jù)并發(fā)鏈接，該模塊可實(shí)時(shí)獲取施工設(shè)備的位置信息，建立相應(yīng)的電子地圖，直觀地呈現(xiàn)各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與分布情況。

（二）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)：實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的工作時(shí)長(zhǎng)、運(yùn)行狀態(tài)、技術(shù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警及健康提醒。為預(yù)防性維護(hù)提供參考，支持專家遠(yuǎn)程指導(dǎo)及故障分析。

（三）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與決策支持：可多維度，細(xì)顆粒度地統(tǒng)計(jì)設(shè)備全過程運(yùn)行狀態(tài)及利用率，為科學(xué)配置調(diào)劑管理提供依據(jù)。

（四）基礎(chǔ)信息與系統(tǒng)管理：通過標(biāo)準(zhǔn)檔案管理規(guī)范設(shè)備主數(shù)據(jù)。同時(shí)支持系統(tǒng)的多樣化層級(jí)，角色，用戶配置管理，可以滿足集團(tuán)各級(jí)組織架構(gòu)的快速拓展與分級(jí)管理。

圖例3：施工企業(yè)工程機(jī)械設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)功能架構(gòu)

圖例4：施工企業(yè)工程機(jī)械設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)功能概覽

三、建設(shè)平臺(tái)特點(diǎn)

（一）支持自定義協(xié)議格式，在無需更換硬件的條件下，可支持但不限于工業(yè)以太網(wǎng) RJ45、RS485、RS232 等各類設(shè)備儀器接口。同時(shí)集成三一，中聯(lián)，徐工三大主流機(jī)械設(shè)備制造物聯(lián)平臺(tái)數(shù)據(jù)，在保障多設(shè)備數(shù)據(jù)采集兼容性前提下，實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)數(shù)據(jù)集成。

（二）支持邊緣計(jì)算，若服務(wù)器寬帶負(fù)荷較大，可以通過對(duì)單體設(shè)備采集數(shù)據(jù)的預(yù)加工，精準(zhǔn)傳輸云端所需的部分統(tǒng)計(jì)或分析數(shù)據(jù)，大大減少后續(xù)數(shù)據(jù)挖掘及大數(shù)據(jù)分析的計(jì)算量。云邊一體的彈性數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)，為加速數(shù)據(jù)檢索與提升算力提供了保障。

（三）高可靠性的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)加密壓縮技術(shù)，在傳輸鏈路故障后自動(dòng)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行暫存，支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳，滿足在線監(jiān)測(cè)功能的實(shí)時(shí)要求。

（四）標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集器將能任意適配接入設(shè)備的型號(hào)。采集器配備網(wǎng)絡(luò)防火墻，采用動(dòng)態(tài)密碼加密技術(shù)，確保數(shù)據(jù)安全.同時(shí)，數(shù)據(jù)采集方案采用國(guó)產(chǎn)自主研發(fā)產(chǎn)品，能適配國(guó)內(nèi)外所有主流軟硬件環(huán)境。

（五）平臺(tái)具有高可擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)快速的系統(tǒng)迭代，在數(shù)據(jù)管理采集，數(shù)據(jù)管理與設(shè)備管理平臺(tái)功能各個(gè)信息管理環(huán)節(jié)完全解耦。可以快速滿足企業(yè)分級(jí)推廣、功能拓展，性能迭代等業(yè)務(wù)訴求。

四、結(jié)語(yǔ)

本研究基于工程機(jī)械物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，立足施工企業(yè)工程現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備運(yùn)營(yíng)管理難點(diǎn)，通過云邊一體化架構(gòu)進(jìn)行彈性數(shù)據(jù)管理，建立施工企業(yè)集團(tuán)級(jí)設(shè)備監(jiān)控平臺(tái)，對(duì)設(shè)備全生命周期的大數(shù)據(jù)收集和智能化分析?；诒狙芯砍晒?，不僅可以改變當(dāng)前大型施工企業(yè)機(jī)械設(shè)備管理粗放問題，對(duì)推動(dòng)集團(tuán)內(nèi)部和成員企業(yè)機(jī)械設(shè)備管理水平的提高，實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)透明，精益管理”的目標(biāo)具有劃時(shí)代的意義。而且基于該平臺(tái)成果將形成符合我國(guó)國(guó)情的大型機(jī)械設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，對(duì)國(guó)內(nèi)工程建設(shè)企業(yè)機(jī)械設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的建設(shè)具有重要的借鑒意義，對(duì)推動(dòng)我國(guó)工程機(jī)械設(shè)備管理水平具有重要的應(yīng)用和推廣前景。