施 溈，周 鵬，富 思

（1.東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南京 210009；2.南京大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，南京 210093；3.北京理工大學(xué)自動化學(xué)院，北京 100089）

近幾年，隨著新興技術(shù)的發(fā)展，越來越多諸如云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和區(qū)塊鏈等信息技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，數(shù)據(jù)信息化革新席卷各個(gè)行業(yè)[1]。 同樣，互聯(lián)網(wǎng)能源面臨上億級終端接入、海量數(shù)據(jù)高效處理、業(yè)務(wù)應(yīng)用融合創(chuàng)新等一系列問題[2]。 并且當(dāng)前電力企業(yè)的電網(wǎng)也正在向數(shù)字電網(wǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級，但由于電網(wǎng)中各個(gè)業(yè)務(wù)的應(yīng)用系統(tǒng)相對獨(dú)立，往往缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[3]，在運(yùn)營和功能實(shí)現(xiàn)上通常參差不齊，在系統(tǒng)層面沒有統(tǒng)籌規(guī)劃，導(dǎo)致電網(wǎng)業(yè)務(wù)模塊之間的協(xié)同不是十分有效[4]。 因此借鑒互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行技術(shù)升級是電力行業(yè)迫在眉睫的任務(wù)。 目前在整個(gè)電力系統(tǒng)中，運(yùn)用傳感器、智能電表的終端設(shè)備以及服務(wù)管理平臺[5]，形成全鏈路的監(jiān)測是重要的發(fā)展趨勢。 邊緣計(jì)算可彌補(bǔ)電力數(shù)據(jù)傳輸和存儲的問題。 智慧物聯(lián)體系是能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的技術(shù)基石，而其中的邊緣計(jì)算框架是實(shí)現(xiàn)終端統(tǒng)一接入管理、數(shù)據(jù)共享共用等需求的核心。 本文提出的全鏈路監(jiān)測，是一種基于智慧物聯(lián)體系和邊緣計(jì)算的新型監(jiān)控手段，可助力電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型。

1 研究背景

近年來，在國內(nèi)外針對物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，各國都開展了各項(xiàng)研究和應(yīng)用，在國外尤其以歐美國家為主[6-7]。 電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來越大，電力負(fù)荷數(shù)據(jù)爆炸性增長[8]，利用邊緣計(jì)算技術(shù)對電力服務(wù)進(jìn)行有效地業(yè)務(wù)場景監(jiān)控是十分重要的。 研究的核心主體也逐漸由物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步發(fā)展成對頂層架構(gòu)的研究[9]，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的體系架構(gòu)多種多樣，有效賦能前端業(yè)務(wù)應(yīng)用和業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)的靈活調(diào)整[10]。 通過這類的體系架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，可以完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理的功能[11]，對整體的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)形成良好的指導(dǎo)意義。 以美國的麻省理工學(xué)院的Auto-ID 實(shí)驗(yàn)室為例[12]，該實(shí)驗(yàn)室提出的Networked Auto-ID 體系結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)自動化的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識[13]。 美國弗吉尼亞大學(xué)提出的Physical-net 體系也對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生實(shí)際的進(jìn)步意義[14]。除此之外，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)組織提出的M2M 架構(gòu)與歐盟FP7 計(jì)劃提出的IoT-A，SENSEI 架構(gòu)是眾多歐盟國家主導(dǎo)的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)[15-16]，具有十分重要的戰(zhàn)略地位。 而在亞洲，以日本和韓國的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展最為迅速，日本的基于uID 的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)和韓國的泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)USN 是物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的重要代表[17]。 為了縮短與國外在物網(wǎng)技術(shù)方面的差距，我國在2009年提出了“感知中國”戰(zhàn)略[18]，大力發(fā)展中國的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)。 以物聯(lián)體系的基礎(chǔ)設(shè)施為首，打造新興的科技模式和應(yīng)用模式，尤其以區(qū)塊鏈技術(shù)和云計(jì)算為主的軟件基礎(chǔ)設(shè)施正在大力建設(shè)中。自2019年開始，國網(wǎng)公司開始進(jìn)行智慧物聯(lián)體系的相關(guān)建設(shè)工作，智慧物聯(lián)體系包括物聯(lián)管理平臺、邊緣物聯(lián)代理以及營銷、配電等多個(gè)專業(yè)的業(yè)務(wù)終端。

2 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 智慧物聯(lián)體系

智慧物聯(lián)體系是電力物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集和業(yè)務(wù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，其核心是物聯(lián)管理平臺、邊緣物聯(lián)代理以及各類型終端的標(biāo)準(zhǔn)化接入[19]。 本文實(shí)現(xiàn)的智慧物聯(lián)體系整體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智慧物聯(lián)體系架構(gòu)Fig.1 Smart IoT system architecture

該架構(gòu)分為感知層、平臺層、應(yīng)用層3 個(gè)層次。感知層是整體架構(gòu)的基礎(chǔ)，包括配電終端、變電終端、輸電終端等，通過邊緣物聯(lián)代理與平臺層進(jìn)行智能交互，交互方式為MQTT 協(xié)議。 平臺層為物聯(lián)管理平臺和業(yè)務(wù)中臺，物聯(lián)管理平臺與國網(wǎng)（一級）物聯(lián)平臺和ISC 進(jìn)行實(shí)時(shí)聯(lián)動，為應(yīng)用層提供服務(wù)。應(yīng)用層為國網(wǎng)應(yīng)用以及配電主站。

2.2 邊緣計(jì)算框架

邊緣計(jì)算是指在實(shí)際物體或者數(shù)據(jù)源的邊緣側(cè)構(gòu)建應(yīng)用平臺，該平臺由于緊鄰數(shù)據(jù)源可以高效地提供計(jì)算、存儲等服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)服務(wù)能力的最大化。 邊緣物聯(lián)代理部署在現(xiàn)場具備邊緣計(jì)算能力，其核心是邊緣計(jì)算框架。 本文研究的邊緣計(jì)算框架運(yùn)行于硬件設(shè)備上，為電網(wǎng)的邊緣應(yīng)用APP 提供應(yīng)用開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境。 該框架的云邊交互協(xié)議是基于物聯(lián)網(wǎng)通用的消息隊(duì)列傳輸協(xié)議（即MQTT 協(xié)議，輕量級開放協(xié)議），實(shí)現(xiàn)了與平臺的智能交互。 云邊交互框架設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 云邊交互框架圖Fig.2 Cloud edge interaction framework diagram

用戶在應(yīng)用商店下載相關(guān)業(yè)務(wù)APP，與邊緣計(jì)算側(cè)進(jìn)行交互，利用MQTT 協(xié)議與物聯(lián)管理平臺產(chǎn)生數(shù)據(jù)連接。 通過REST API 與物聯(lián)管理平臺實(shí)現(xiàn)聯(lián)動完成對用戶用電信息的采集工作。 配電云主站與企業(yè)中臺、企業(yè)中臺與物聯(lián)管理平臺間也實(shí)時(shí)聯(lián)動。 在實(shí)現(xiàn)的邊緣計(jì)算框架支撐下，全鏈路間的各節(jié)點(diǎn)間通信方式統(tǒng)一化，構(gòu)建出全鏈路監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行基礎(chǔ)。

2.3 全鏈路監(jiān)測系統(tǒng)

服務(wù)具有不同的維度，依照服務(wù)維度進(jìn)行劃分，多個(gè)服務(wù)功能經(jīng)常會蘊(yùn)含在一次應(yīng)用請求中。 互聯(lián)網(wǎng)的軟件模塊可能是由不同的團(tuán)隊(duì)開發(fā)、使用不同的編程語言來實(shí)現(xiàn)、分布在幾千臺服務(wù)器，橫跨多個(gè)不同的數(shù)據(jù)中心[20]。 全鏈路性能監(jiān)控依據(jù)維度層次，從系統(tǒng)整體出發(fā)，落實(shí)到系統(tǒng)的局部維度，考量各個(gè)維度的各項(xiàng)指標(biāo)。 全鏈路性能監(jiān)控是針對智慧物聯(lián)的所有跨鏈應(yīng)用的性能集中調(diào)度和監(jiān)測，綜合整體和局部的性能， 用于減少排查故障的時(shí)間，并且對于系統(tǒng)的故障分析也提供相應(yīng)的保障手段。

TTU（transformer terminal unit）是裝設(shè)在配電變壓器、箱變等變壓器設(shè)備旁，監(jiān)測變壓器運(yùn)行狀況的終端裝置。 TTU 的主要作用是采集并處理配電變壓器低壓側(cè)的各種電量等參數(shù)，并將這些參數(shù)向上級傳輸，監(jiān)視變壓器運(yùn)行狀況，當(dāng)變壓器發(fā)生故障時(shí)及時(shí)上報(bào)。

全鏈路監(jiān)測系統(tǒng)包括：物聯(lián)管理平臺—邊緣計(jì)算框架—全鏈路監(jiān)測APP—TTU 采集APP—采集終端。 核心APP 運(yùn)行于TTU 或邊緣代理上，監(jiān)測底層數(shù)據(jù)在硬件端及各APP 間鏈路的通暢性與實(shí)時(shí)性是全鏈路監(jiān)測APP 的主要功能與任務(wù)。其監(jiān)測流程為：①在物聯(lián)管理平臺增加相關(guān)控制指令下發(fā)功能，以模擬停（復(fù)）電指令為例，平臺端向TTU 下發(fā)模擬停復(fù)電指令；②邊緣計(jì)算框架通過監(jiān)聽云邊交互協(xié)議指定的Topic，獲取到平臺端發(fā)送的指令；③通過邊緣計(jì)算框架認(rèn)證后，將指令繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)給全鏈路監(jiān)測APP； ④全鏈路監(jiān)測APP 接收到指令后，將指令通過TTU 本地Topic 繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)至TTU 采集APP；⑤TTU 采集APP 接收到模擬停（復(fù)）電指令后，通過發(fā)送相關(guān)報(bào)文對下層端設(shè)備下發(fā)模擬停（復(fù)）電控制指令； ⑥全鏈路監(jiān)測APP 實(shí)時(shí)監(jiān)聽TTU 本地Topic，在接收到采集APP 反饋到端設(shè)備報(bào)文消息后，將其轉(zhuǎn)發(fā)至邊緣計(jì)算框架；⑦邊緣計(jì)算框架將返回報(bào)文通過指定Topic 轉(zhuǎn)發(fā)上傳回平臺； ⑧物聯(lián)管理平臺接收到返回報(bào)文，并在前端界面呈現(xiàn)全鏈路監(jiān)測過程中各級鏈路間聯(lián)通實(shí)況，至此本次全鏈路監(jiān)測過程結(jié)束。 全鏈路監(jiān)測系統(tǒng)的總體實(shí)現(xiàn)流程如圖3 所示。

圖3 全鏈路監(jiān)測系統(tǒng)的總體實(shí)現(xiàn)流程Fig.3 Overall implementation flow chart of full link monitoring system

若在此過程中，某級鏈路間存有斷點(diǎn)導(dǎo)致指令或業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)報(bào)文無法正常流通，則下層端設(shè)備不會正常響應(yīng)發(fā)送的停（復(fù)）電指令，且在平臺端能直觀可見鏈路斷點(diǎn)在鏈路中所處位置。

3 全鏈路監(jiān)測的應(yīng)用構(gòu)建與驗(yàn)證

3.1 實(shí)際應(yīng)用開發(fā)與調(diào)試

應(yīng)用開發(fā)是基于自描述語法格式，在應(yīng)用開發(fā)中需要對設(shè)備所需的全部信息進(jìn)行描述。 而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)接口是指物聯(lián)終端接收控制命令，并做出相應(yīng)動作的描述。 接口需要符合一定的格式，在應(yīng)用開發(fā)中，首先要對設(shè)計(jì)的物理模型接口進(jìn)行定義，具體如表1 所示。

表1 接口定義Tab.1 Interface definition

本文邊緣計(jì)算的構(gòu)建中設(shè)計(jì)了2 類邊緣計(jì)算的方式， 第1 類為基于事件觸發(fā)設(shè)備控制操作，其開發(fā)流程如圖4 所示，當(dāng)營銷APP 采集的數(shù)據(jù)通過規(guī)則引擎比對后，將根據(jù)規(guī)則觸發(fā)APP 對某個(gè)設(shè)備的控制行為，負(fù)責(zé)終端設(shè)備的接入和管理。 在應(yīng)用層，借助遠(yuǎn)程通信技術(shù)，物聯(lián)管理平臺能夠與邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)之間形成交互，借助本地通信技術(shù)建立與采集終端之間的通信。依照要求對不同的APP 應(yīng)用進(jìn)行加載，以實(shí)現(xiàn)功能。

圖4 基于事件觸發(fā)設(shè)備控制的邊緣計(jì)算流程Fig.4 Edge computing flow chart of based on event triggered device control

APP 采集的數(shù)據(jù)通過規(guī)則引擎比對后，符合條件時(shí)將觸發(fā)某個(gè)函數(shù)的計(jì)算，函數(shù)計(jì)算的實(shí)例由本地函數(shù)計(jì)算、后臺引擎統(tǒng)一管理。 規(guī)則引擎只需要指明需要執(zhí)行的函數(shù)名稱，并調(diào)用后臺引擎接口即可啟動函數(shù)，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。 交互協(xié)議的設(shè)備升級的消息模式如表2 所示。

表2 交互協(xié)議中設(shè)備升級的消息格式Tab.2 Message format of device upgrade in interactive protocol

測試過程包括通信、數(shù)據(jù)采集與處理、遙控觸發(fā)等環(huán)節(jié)。 在檢查相關(guān)功能未發(fā)現(xiàn)問題的情況下，對客戶端ID 與網(wǎng)關(guān)連接地址進(jìn)行配置，測試參數(shù)如表3 所示，終端設(shè)備的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5 所示。

表3 測試參數(shù)Tab.3 Test parameters

圖5 終端設(shè)備的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.5 Statistical results of terminal equipment

3.2 應(yīng)用場景驗(yàn)證

本項(xiàng)目的全鏈路監(jiān)測技術(shù)實(shí)測現(xiàn)場布設(shè)于南通供電公司。 依照上述的開發(fā)過程，在實(shí)際應(yīng)用全鏈路監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)，運(yùn)維人員在云主站前端界面點(diǎn)擊下發(fā)一條遙測或停（復(fù)）電指令，鏈路即會開始執(zhí)行自檢操作， 自檢的反饋結(jié)果會即時(shí)在日志中記錄。南通云主站運(yùn)行自檢主頁面如圖6 所示。

圖6 南通云主站運(yùn)行自檢主界面Fig.6 Main interface of Nantong cloud master station operation self-check

日志系統(tǒng)不僅會完整記錄每臺設(shè)備下執(zhí)行的每一次歷史操作與其操作結(jié)果，而且每次監(jiān)測鏈路間的詳細(xì)通信情況都會被展示，異常節(jié)點(diǎn)能夠直觀顯示。 全鏈路自檢成功界面如圖7 所示。

圖7 全鏈路自檢成功界面Fig.7 Successful interface of full link self-check

此外，在全鏈路監(jiān)測中還加入故障智能分析功能。 當(dāng)反饋結(jié)果為失敗，鏈路不通暢時(shí)，系統(tǒng)即可針對斷點(diǎn)所在位置智能分析本次自檢失敗原因，全鏈路自檢失敗原因分析如圖8 所示。 相比人工排錯(cuò)，大大降低運(yùn)維成本。

圖8 全鏈路自檢失敗原因分析Fig.8 Reason analysis of the failure of the full link self-test

4 結(jié)語

智慧物聯(lián)體系推廣建設(shè)過程中，涉及大量的設(shè)備安裝、數(shù)據(jù)接入、現(xiàn)場聯(lián)調(diào)、數(shù)據(jù)校核等工作。 迫切需要一套工程化實(shí)施管控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智慧臺區(qū)推廣建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)、設(shè)備規(guī)范化安裝、跨專業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換等實(shí)施工作“一站式”智能化管控?；诖?，通過采用邊緣計(jì)算技術(shù)，開發(fā)并驗(yàn)證了一套全鏈路監(jiān)測系統(tǒng)，使得在現(xiàn)有物聯(lián)體系下，利用該系統(tǒng)可擴(kuò)展建設(shè)千萬級終端、百萬級并發(fā)的接入能力。 本系統(tǒng)的應(yīng)用降低了各專業(yè)系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)維成本， 提升電網(wǎng)資源共享能力和標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)能力，支撐并推動電力物聯(lián)行業(yè)升級與轉(zhuǎn)型。