康華夏，周正宇，劉文軍，陳 晨

（1.蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 軟件與服務外包學院，江蘇 蘇州 215104；2. 蘇州礪行信息科技有限公司，江蘇 蘇州 215104）

0 引 言

實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)設備的互聯(lián)和協(xié)同是工業(yè)智能化的基礎。工業(yè)設備運維云平臺的實現(xiàn)是工業(yè)設備網(wǎng)聯(lián)化及應用不斷深化的具體體現(xiàn)，為生產(chǎn)要素的集約管理和高效利用提供保障，是工業(yè)智能化的基礎。平臺的構(gòu)建對于推動網(wǎng)絡技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)融合、促進傳統(tǒng)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有重要意義。特別是目前工業(yè)生產(chǎn)中存在設備運維難、管理維護粗放、產(chǎn)能利用不足、服務模式落后、溝通協(xié)作性差等現(xiàn)狀大大制約了制造企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。

當前，已將工業(yè)設備運維云平臺在鋼鐵、風電、交通等相關(guān)裝備制造業(yè)進行探索和實踐。完整的運維平臺從功能上通常涉及工業(yè)設備接入、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析和創(chuàng)新應用等多個環(huán)節(jié)。本文提出了一種針對工業(yè)場景下通用的設備運維云平臺，主要聚焦設備管理與監(jiān)控、告警管理、分析模型、設備維保等功能模塊。從設計上要求平臺具有良好的通用性和擴展性。

1 平臺技術(shù)架構(gòu)

平臺采用基于SpringBoot和MyBatis的技術(shù)棧，如圖1所示，自下而上分為協(xié)議接入層、存儲層、持久化層、服務接口層和前端展示層。其中，現(xiàn)場協(xié)議接入層包含了對Modbus、OPC-UA等主流工業(yè)協(xié)議以及對MQTT、HTTP、CoAP等各種IoT協(xié)議的支持。存儲層主要存放業(yè)務配置數(shù)據(jù)、設備采點歷史數(shù)據(jù)以及告警數(shù)據(jù)，采用MySQL等關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。持久化層采用MyBat-is、MyBatis-Plus進行SQL映射，ShardingJDBC作為分庫分表中間件，Druid作為數(shù)據(jù)庫連接池。服務接口層對外提供業(yè)務REST API接口和安全認證管理，主要通過SpringBoot、JWT等框架實現(xiàn)。前端展示層使用Vue+Element UI框架，在服務調(diào)用以及數(shù)據(jù)訪問鏈路中，通過分布于各個層級的多級緩存提升了系統(tǒng)的性能和整體響應效率。

圖1 設備物聯(lián)云平臺技術(shù)架構(gòu)

考慮穩(wěn)定性和可靠性，引入Zookeeper分布式協(xié)調(diào)組件。通過引入ShardingProxy對在分庫分表場景下的數(shù)據(jù)庫基礎設施進行高效管理和服務治理；通過引入Prometheus和Grafana實現(xiàn)了對各個系統(tǒng)節(jié)點健康運行的監(jiān)控以及整體的可觀測性。

2 平臺設計

2.1 平臺功能架構(gòu)

本平臺功能架構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)自下而上分為邊緣層、基礎設施層、平臺層和業(yè)務層。邊緣層主要負責設備接入、協(xié)議解析和適配、邊緣數(shù)據(jù)處理。邊緣層由工業(yè)網(wǎng)關(guān)、PC、嵌入式設備及附屬軟件構(gòu)成，將工業(yè)傳感器、執(zhí)行器、PLC等現(xiàn)場設備通過工業(yè)協(xié)議接入系統(tǒng)?；A設施層為整個系統(tǒng)的業(yè)務平面提供底層文件服務、數(shù)據(jù)存儲服務、消息服務、緩存服務、容器服務。平臺層包含用戶管理、任務調(diào)度、事件驅(qū)動、接口管理等功能模塊，為系統(tǒng)提供模塊間通信及服務運行機制，并支持上層各個模塊的充分解耦。業(yè)務層功能模塊主要包含設備管理、告警管理、分析模型管理、維保管理等。

圖2 平臺功能結(jié)構(gòu)

除縱向功能性架構(gòu)以外，橫向非功能性架構(gòu)分層提供了安全性、高可用性和可觀測性基礎設施。安全性基礎設施負責統(tǒng)一認證、權(quán)限校驗、數(shù)據(jù)加密、安全接入，保障系統(tǒng)的安全運行。高可用性基礎設施通過分布式協(xié)調(diào)機制協(xié)調(diào)多個冗余節(jié)點，能夠在主節(jié)點失效時自動完成主備切換，從而保障系統(tǒng)的業(yè)務持續(xù)運行?？捎^測性基礎設施收集各個節(jié)點的實時運行狀態(tài)和度量指標，并通過儀表板將各種指標進行實時展示，在節(jié)點異?；蛘吖收锨闆r下將消息進行實時推送。

2.2 業(yè)務功能分析

2.2.1 設備管理

設備管理是平臺的核心模塊，提供對網(wǎng)關(guān)、設備模板、設備、采點等資源的創(chuàng)建、管理和信息維護。設備管理資源創(chuàng)建流程如圖3所示。首先依據(jù)工業(yè)設備類型，創(chuàng)建對應的設備模板，并定義屬性配置和數(shù)據(jù)采點配置；基于不同的設備模板創(chuàng)建對應的設備（或者設備實例），創(chuàng)建的設備中自動生成所關(guān)聯(lián)的設備模板中定義的屬性和數(shù)據(jù)采點，并根據(jù)設備組網(wǎng)設計將設備關(guān)聯(lián)到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)用于將一個或者多個設備上報的數(shù)據(jù)通過通信協(xié)議轉(zhuǎn)換后發(fā)送給消息中間件，并最終由平臺接收并處理。

圖3 設備管理資源創(chuàng)建流程

2.2.2 分析模型管理

平臺在提供了對工業(yè)現(xiàn)場整體設備采點數(shù)據(jù)和狀態(tài)的監(jiān)控功能基礎上，通過分析模型和基于分析模型的告警規(guī)則來實現(xiàn)對現(xiàn)場和設備異常狀態(tài)和模式的捕獲與識別；并將此異常以實時的告警實例的方式展現(xiàn)出來。以此實現(xiàn)對現(xiàn)場更深入的可觀測性，增強了設備運維的可靠性、業(yè)務運營對于異常情況響應的敏捷性，并提升了整體業(yè)務的穩(wěn)定性和安全性。

平臺中的分析模型定義了從設備數(shù)據(jù)到可識別的狀態(tài)模式之間的數(shù)學映射。在實現(xiàn)和使用上，分析模型通過數(shù)學公式來表達這一映射關(guān)系。分析模型與設備采點以及告警規(guī)則的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖4所示，一個設備采點關(guān)聯(lián)一個或者多個告警規(guī)則，一個告警規(guī)則也可以被一個或者多個設備采點所關(guān)聯(lián)；告警規(guī)則關(guān)聯(lián)到分析模型，二者關(guān)系為一對一。在配置流程方面，首先配置分析模型，再配置告警規(guī)則并關(guān)聯(lián)分析模型，最后將設備采點與告警規(guī)則相關(guān)聯(lián)。

圖4 分析模型與采點規(guī)則的關(guān)聯(lián)關(guān)系

2.2.3 告警管理

以上述分析模型的配置和管理為基礎，平臺還提供了基于分析模型的告警規(guī)則管理，將分析模型映射的結(jié)果通過規(guī)則的設置來決定告警的觸發(fā)，告警的觸發(fā)會生成相應的告警實例，用于記錄告警的詳細信息，包括觸發(fā)的告警規(guī)則、告警級別、告警描述、告警時間等。

對于一般的設備采點監(jiān)控而言，告警規(guī)則用來設置對單獨的采點告警判定評估規(guī)則。它通常關(guān)聯(lián)單采點分析模型，并且只能被單獨的采點所關(guān)聯(lián)，告警的觸發(fā)會生成單告警實例，表示在當前關(guān)聯(lián)的采點上發(fā)生了數(shù)據(jù)或者狀態(tài)的異常。單告警實例流程如圖5所示。

圖5 單告警實例流程

在某些工業(yè)場景下，對單一采點的監(jiān)控和規(guī)則設定并不足以判定評估是否出現(xiàn)異常狀況，此時需要采用多個采點協(xié)同告警的方法，聯(lián)合與同一異常模式有關(guān)聯(lián)關(guān)系的多個采點（此多個采點可能位于不同設備，甚至位于不同網(wǎng)關(guān)下的不同設備）來協(xié)同設置告警規(guī)則。由此也需要建立多采點分析模型，以及定義采點組（包含此多個采點），將告警規(guī)則與此多采點分析模型和采點組相關(guān)聯(lián)來實現(xiàn)多采點協(xié)同告警。基于這樣的告警規(guī)則觸發(fā)生成多告警實例，表示來源于采點組中的多個采點數(shù)據(jù)經(jīng)過模型評估后符合所定義的異常模式，并觸發(fā)該告警規(guī)則。多告警實例流程如圖6所示。多設備采點協(xié)同告警規(guī)則可以跨越多個設備上的采點，建立較為復雜的分析模型，并由此處理復雜業(yè)務場景下的異常狀態(tài)告警。

圖6 多告警實例流程

2.2.4 維保管理

平臺設計了設備維保管理模塊，提供設備的全生命周期管理功能。設備的定期維保和告警導致的設備臨時維保，均可在平臺上進行信息化管理。在平臺上可創(chuàng)建針對某一臺設備的維保計劃；一個維保計劃下可創(chuàng)建多個具體的維保項目，維保項目描述了具體維保內(nèi)容；根據(jù)維保項目對設備進行某一方面的維保后，將產(chǎn)生維保記錄，包括維保開始時間、結(jié)束時間、操作員，方便后續(xù)跟蹤。設備維保信息維度如圖7所示。

圖7 維保管理流程

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 設備管理

如圖8所示，左側(cè)導航欄的“設備管理”下包含“設備模板”“網(wǎng)關(guān)列表”“設備列表”子菜單，分別支持設備模板、網(wǎng)關(guān)、設備的創(chuàng)建、修改、查看、刪除等操作?！霸O備模板”用于對同一類型或者型號的工業(yè)設備進行元數(shù)據(jù)的配置和建模，主要包含對數(shù)據(jù)采點的配置以及屬性的配置。網(wǎng)關(guān)作為數(shù)據(jù)采集監(jiān)控組網(wǎng)環(huán)境中的核心節(jié)點，對下承載了工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的上報和工業(yè)協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，對上承擔物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議適配和向云端進行數(shù)據(jù)上報?！霸O備監(jiān)控”可以對設備數(shù)據(jù)和狀態(tài)進行在線實時監(jiān)控。

圖8 設備管理界面

3.2 分析模型管理

如圖9所示，從主頁面左側(cè)導航欄“分析模型管理—分析模型管理”進入分析模型主頁面，以該頁面為入口，能夠支持對分析模型的創(chuàng)建、修改、查看、查找、刪除等操作。

圖9 分析模型管理界面

3.3 告警管理

如圖10所示，“采點組”和“告警規(guī)則”可以分別對采點組和告警規(guī)則進行創(chuàng)建、修改、查看、查找、刪除等操作?！皢胃婢瘜嵗焙汀岸喔婢瘜嵗笨梢苑謩e查詢系統(tǒng)的單告警實例和多告警實例，告警實例是由采點告警規(guī)則觸發(fā)生成的。

圖10 告警管理界面

3.4 維保管理

如圖11所示，“維保計劃”和“維保記錄”分別支持各自功能的創(chuàng)建、修改、查看、查找、刪除等操作?！熬S保計劃”定義了所要進行維保的設備，還包含操作員、設備ID、計劃描述等信息；“維保記錄”用于跟蹤設備的維保歷史，記錄維保的相關(guān)信息，包括開始時間、結(jié)束時間、操作員等。

圖11 維保管理界面

4 結(jié) 語

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展注入強大動能。針對工業(yè)設備的便捷接入和高效管理等典型問題，給出了一種工業(yè)設備運維云平臺的設計和實現(xiàn)，平臺支持多種主流工業(yè)協(xié)議，實現(xiàn)設備的快速接入，支持設備管理、告警管理、維保管理等功能。平臺采用分層架構(gòu)，具有良好的擴展性，分布式組件的使用保證了平臺的高可靠性。在具體應用和實踐中將不斷強化工業(yè)大數(shù)據(jù)分析與工業(yè)機理模型的融合，使得智能化水平不斷提升。