李智超

（南京郵電大學(xué) 江蘇省南京市 210023）

1 技術(shù)背景

物聯(lián)網(wǎng)(Internet ofThings, loT)指的是通過各類傳感技術(shù)將物理世界的信息傳感設(shè)備按約定的協(xié)議連接在一起，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和通信，從而實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。云平臺(tái)也稱為云計(jì)算平臺(tái)，是指基于硬件資源和軟件資源的服務(wù)，提供計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)能力?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧實(shí)驗(yàn)室云平臺(tái)，主要依托物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等相關(guān)技術(shù)，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)室中的 “人、機(jī)、料、法、環(huán)”等核心要素進(jìn)行全面感知、預(yù)測(cè)分析、自主決策和優(yōu)化執(zhí)行，從而形成的互聯(lián)協(xié)同、信息共享、安全監(jiān)測(cè)及智能決策的信息化系統(tǒng)平臺(tái)。

2 實(shí)驗(yàn)室管理的痛點(diǎn)

2.1 實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的智能化

實(shí)驗(yàn)室設(shè)備繁多，運(yùn)維管理這些功能種類多樣的不同設(shè)備越來(lái)越麻煩，需要建設(shè)一套智能化管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)“人、機(jī)、料、法、環(huán)”的統(tǒng)一管理，綜合管控，把設(shè)備及環(huán)境數(shù)據(jù)整合，全面提升信息化管理能力，節(jié)約管理管理成本，降低了誤操作設(shè)備的概率。

2.2 集中管理信息發(fā)布及通知通告

在實(shí)驗(yàn)室智能化管理的過程中，各種設(shè)備故障通知，各種業(yè)務(wù)流程代辦的通知，都需要有效地發(fā)送到對(duì)應(yīng)人員，以便及時(shí)處理。這就對(duì)集中管理通知公告，實(shí)時(shí)的信息發(fā)布有著迫切需求。

另外，可通過移動(dòng)端功能，推送與展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的通知通告，環(huán)境監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)等。

2.3 實(shí)現(xiàn)3D動(dòng)態(tài)模型管理信息化

實(shí)驗(yàn)室管理從傳統(tǒng)服務(wù)向信息化服務(wù)轉(zhuǎn)化，從靜態(tài)的表格圖片向動(dòng)態(tài)的3D 模型操作應(yīng)用轉(zhuǎn)化，因此，需要基于目前的BIM 建筑模型，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地的3D 動(dòng)態(tài)模型處理，通過前端的3D模型操作，來(lái)提高使用效率和提高服務(wù)的質(zhì)量及速度。

3 建設(shè)目標(biāo)

建設(shè)一套擁有國(guó)內(nèi)一流水準(zhǔn)的智慧實(shí)驗(yàn)室綜合管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)真正的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境智能化，運(yùn)維規(guī)范化，管理一體化標(biāo)準(zhǔn)。

依托于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、5G 通信、大數(shù)據(jù)、人工智能、BIM三維信息模型等前沿科技與技術(shù)，利用實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地、人、機(jī)、網(wǎng)、物等關(guān)聯(lián)系統(tǒng)普適互聯(lián)的特點(diǎn)，時(shí)間上貫穿實(shí)驗(yàn)室設(shè)備全生命周期，空間上覆蓋實(shí)驗(yàn)室各種場(chǎng)景以及傳感器，完成對(duì)實(shí)驗(yàn)室人、機(jī)、料、法、環(huán)的智能動(dòng)態(tài)監(jiān)控與閉環(huán)管理，形成互聯(lián)協(xié)同、信息共享、安全監(jiān)測(cè)及智能運(yùn)維與決策平臺(tái)，構(gòu)建一個(gè)功能完善、系統(tǒng)先進(jìn)、安全穩(wěn)定、拓展性強(qiáng)的信息化平臺(tái)系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

4.1.1 先進(jìn)性/整合性

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，多租戶的云平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)，全面整合人、機(jī)、料、法、環(huán)的完整信息，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)管理體系。

4.1.2 強(qiáng)壯、穩(wěn)定、可擴(kuò)充

采用分布式部署模式設(shè)計(jì)，微服務(wù)架構(gòu)，前后端分離，整體規(guī)劃、結(jié)構(gòu)化分解協(xié)調(diào)、綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)。充分保證系統(tǒng)的強(qiáng)壯、穩(wěn)定與可擴(kuò)充性。

4.1.3 安全性原則

系統(tǒng)需充分考慮網(wǎng)絡(luò)的安全以及數(shù)據(jù)的安全。在用戶使用過程中，定義了嚴(yán)格權(quán)限管理體系，并且實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)訪問記錄、用戶登錄記錄、配置變更記錄等，充分保證系統(tǒng)的應(yīng)用安全與數(shù)據(jù)安全。

4.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)采用分布式設(shè)計(jì)，微服務(wù)架構(gòu)，支持Docker 容器發(fā)布，移動(dòng)端支持IOS 和Android 的發(fā)布終端，適用性高。

系統(tǒng)底層為設(shè)備終端，通過自主研發(fā)設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)接入，在網(wǎng)關(guān)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)基本的邊緣計(jì)算功能，將各種設(shè)備，各種協(xié)議的數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理成標(biāo)準(zhǔn)的，安全的輸出，送至云服務(wù)平臺(tái)的設(shè)備總線。

系統(tǒng)通過設(shè)備總線獲取各種設(shè)備終端數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存入設(shè)備數(shù)據(jù)湖，進(jìn)一步經(jīng)過系統(tǒng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)模塊的加工處理，供各種云平臺(tái)的應(yīng)用模塊使用。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可采用5G 模塊技術(shù)，大大提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男室约胺€(wěn)定性。

系統(tǒng)云平臺(tái)應(yīng)用模塊總體來(lái)說(shuō)分為三大類：

實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)（LIMS）

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境管理系統(tǒng)（LEMS）

實(shí)驗(yàn)室運(yùn)維管理系統(tǒng)（LOMS）

總體架構(gòu)圖如圖1。

圖1

5 平臺(tái)主要功能

5.1 基礎(chǔ)信息管理

實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)信息管理；實(shí)驗(yàn)室分類屬性管理、設(shè)備分類屬性管理、物品分類管理，設(shè)備基礎(chǔ)信息管理、人員基礎(chǔ)信息管理、部門與組織架構(gòu)管理、人員分組信息管理、角色權(quán)限管理。

5.2 人員信息管理

系統(tǒng)提供實(shí)驗(yàn)室人員信息管理，包括人員所在的部門，崗位，權(quán)限等信息，提供人員部門歸屬/崗位承擔(dān)/解除及對(duì)應(yīng)崗位權(quán)限繼承/解除管理。

5.3 設(shè)備信息管理

對(duì)設(shè)備的更新、添加、借用等實(shí)時(shí)更新登記。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障、非允許范圍內(nèi)移動(dòng)等情況是，立即聯(lián)動(dòng)報(bào)警。

5.4 用戶權(quán)限管理

平臺(tái)基于角色的用戶權(quán)限管理，可設(shè)置系統(tǒng)功能應(yīng)用的權(quán)限，也可以設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)權(quán)限。

5.5 物聯(lián)數(shù)據(jù)共享

系統(tǒng)基于微服務(wù)架構(gòu)開發(fā)，為系統(tǒng)的多平臺(tái)支持、功能擴(kuò)展、向下向上集成對(duì)接、模塊嵌入、數(shù)據(jù)遷移、定制開發(fā)等提供成熟、安全、高效的解決方案。

系統(tǒng)采用積木式模塊化結(jié)構(gòu)，各子系統(tǒng)及其所屬各功能模塊均可按需選配、靈活構(gòu)建。系統(tǒng)向上提供完備、友好、開放的結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)、事件接口，可與用戶各類上層或平級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)整合。

支持依據(jù)客戶需求，定制化開發(fā)軟件功能，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的共享。支持物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集、查詢、下載，滿足同平臺(tái)內(nèi)數(shù)據(jù)的共享。

5.6 實(shí)驗(yàn)室模型3D可視化處理

BIM 輕量化引擎，可方便地在主流瀏覽器上進(jìn)行瀏覽和交互，同時(shí)支持PC 和移動(dòng)設(shè)備。

主要實(shí)現(xiàn)功能：

I.自定義監(jiān)測(cè)位置：提供組件型實(shí)體監(jiān)測(cè)功能，將模型自定義監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，形成出的各個(gè)實(shí)體和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)組合在一起，生成能夠在仿真環(huán)境下運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，為監(jiān)控、監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)源。

II.系統(tǒng)設(shè)置：能夠?qū)⒂脩舻膶?shí)際環(huán)境相結(jié)合自定義設(shè)置系統(tǒng)。

III.列表式監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)：提供列表式的數(shù)據(jù)可進(jìn)行各種數(shù)據(jù)修改與綁定，更快捷方便的對(duì)應(yīng)三維場(chǎng)景中的各個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)號(hào)。

IV.360°全景展示：支持全景旋轉(zhuǎn)、縮放各角度查看場(chǎng)景內(nèi)容。

V.數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)： 能夠?qū)Y(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)，對(duì)重要的仿真實(shí)體進(jìn)行數(shù)據(jù)的提取、統(tǒng)計(jì)，支持在線統(tǒng)計(jì)分析，最終以圖表方式直觀的展示出來(lái)，為在線和事后分析、回放提供支撐。

5.7 運(yùn)維管理模塊

為了緊跟大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的發(fā)展趨勢(shì) ，本項(xiàng)目擬對(duì)實(shí)驗(yàn)室整體進(jìn)行智能數(shù)據(jù)系統(tǒng)管理及運(yùn)維。通過電子化巡檢、大數(shù)據(jù)平臺(tái)和豐富的報(bào)表支撐，提升對(duì)相關(guān)人員管理水平，助力管理人員決策和政策制定，并將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理、實(shí)時(shí)分析，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)管理全程閉環(huán)。

運(yùn)維管理實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

（1）資源數(shù)據(jù)統(tǒng)一調(diào)度，將數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，通過平臺(tái)提供的能力將所常用的運(yùn)維操作及數(shù)據(jù)，都整合在智慧實(shí)驗(yàn)室云運(yùn)維平臺(tái)中，將管理及運(yùn)維流程盡量的簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)自助化運(yùn)維。

（2）本項(xiàng)目云運(yùn)維平臺(tái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理，減少手動(dòng)操作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的數(shù)據(jù)收集、自動(dòng)應(yīng)用安裝、自動(dòng)配置和更新、自動(dòng)數(shù)據(jù)分析、自動(dòng)擴(kuò)展、自動(dòng)備份恢復(fù)等。

（3）多維可視化，以角色重定義運(yùn)維管理。如網(wǎng)絡(luò)管理視圖，系統(tǒng)管理視圖、監(jiān)控視圖、報(bào)表視圖等。統(tǒng)一報(bào)表系統(tǒng)，統(tǒng)一全局?jǐn)?shù)據(jù)并提供可自定義多維報(bào)表。

運(yùn)維管理模塊主要有以下功能：

I.自動(dòng)巡檢：根據(jù)環(huán)境監(jiān)控的數(shù)據(jù)，智能判斷設(shè)備問題，自動(dòng)收集并產(chǎn)生工單。并自動(dòng)觸發(fā)工單流程。

II.故障報(bào)修：系統(tǒng)提供手工故障報(bào)修功能，錄入保修內(nèi)容信息后，自動(dòng)生成工單，可直接指派給維修人員。

III.運(yùn)維工單管理：系統(tǒng)提供手工工單錄入，錄入工單信息后，可直接指派改工單的執(zhí)行人。系統(tǒng)提供我的代辦工單以及已辦工單查詢。代辦工單列表中，可以直接點(diǎn)擊進(jìn)行工單處理。

IV.運(yùn)維流程自定義：提供對(duì)工單流程模版進(jìn)行新增/修改/刪除節(jié)點(diǎn)，做到流程格式化、模板化、無(wú)代碼可配置化。

V.運(yùn)維數(shù)據(jù)可視化：云運(yùn)維平臺(tái)在數(shù)據(jù)可視化方面，通過采集器采集信息，通過同步器同步其它平臺(tái)信息，存儲(chǔ)在核心數(shù)據(jù)庫(kù)，通過閾值庫(kù)產(chǎn)生進(jìn)行對(duì)比告警，通過分析函數(shù)庫(kù)進(jìn)行性能分析，并產(chǎn)生運(yùn)維需要的報(bào)表進(jìn)行可視化管理。

5.8 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，編輯成組態(tài)畫面，最終在觸摸屏上顯示，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)具有微信報(bào)警、釘釘報(bào)警、郵件報(bào)警功能；還可以轉(zhuǎn)發(fā)為BACnet 服務(wù)器、Modbus 服務(wù)器、OPC UA 服務(wù)器、MQTT 服務(wù)器，開放HTTP WEB 服務(wù)被第三方的系統(tǒng)集成。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

智能管理，支持PC、手機(jī)端、iPad 等監(jiān)控，操作性強(qiáng)；

支持200 多種協(xié)議采集并轉(zhuǎn)為BACnet 服務(wù)器、Modbus 服務(wù)器、OPC UA 服務(wù)器、MQTT 服務(wù)器；

支持JS 腳本，實(shí)現(xiàn)邏輯控制；

支持COV 訂閱功能；

支持BBMD 跨網(wǎng)關(guān)訪問；

支持歷史存儲(chǔ)；

支持線性轉(zhuǎn)換，取位，高低字節(jié)轉(zhuǎn)換；

支持內(nèi)部變量功能，支持查看設(shè)備離在線狀態(tài)；

支持設(shè)定多個(gè)用戶協(xié)助管理設(shè)備，多重保障；

支持局域網(wǎng)，輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)觸摸屏的遠(yuǎn)程監(jiān)控；

支持定時(shí)的事件觸發(fā)，可通過自定義函數(shù)功能來(lái)進(jìn)行配置；

支持微信、郵件、釘釘?shù)确绞桨l(fā)送報(bào)警信息；

支持云服務(wù)，與云端平臺(tái)對(duì)接，將傳感器的數(shù)據(jù)上傳到云端平臺(tái)。

6 總結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在當(dāng)前5G 建設(shè)的推動(dòng)下，必將迎來(lái)飛速的發(fā)展。將最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)充分運(yùn)用在實(shí)驗(yàn)室管理與運(yùn)維過程當(dāng)中，可以準(zhǔn)確且全面的分析實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境數(shù)據(jù)，設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)等，提供新型服務(wù)，推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室管理向著智慧化的方向不斷進(jìn)步。基于此,本文概述了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出了5G 時(shí)代背景下物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中的應(yīng)用，期望經(jīng)過本研究為未來(lái)的有關(guān)研究提供相應(yīng)的參考。