馬超宇 黃 羽 張金利 孟 潔 謝印國

（北京中冶設(shè)備研究設(shè)計總院有限公司 北京 100029）

大型游樂設(shè)施被稱為“特種設(shè)備中的特種設(shè)備”，其典型特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)型式多樣，參與人數(shù)多，以青少年兒童為主，發(fā)生故障或事故社會影響大，其安全狀況直接決定了游客的生命安全，影響社會穩(wěn)定[1]。GB 8408—2018《大型游樂設(shè)施安全規(guī)范》對大型游樂設(shè)施設(shè)計、生產(chǎn)、運(yùn)行的各個環(huán)節(jié)都進(jìn)行了規(guī)定，重點(diǎn)是大型游樂設(shè)施的安全風(fēng)險評估，對大型游樂設(shè)施的安全提出了嚴(yán)格要求[2]。原質(zhì)檢總局印發(fā)的《特種設(shè)備安全與節(jié)能事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》明確提出：“開展基于互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的特種設(shè)備智能檢驗、檢測技術(shù)研究，開展自動快速檢測與安全診斷技術(shù)研究及設(shè)備研制，開展故障診斷、智能維修、風(fēng)險評估、完整性管理、剩余壽命評估等技術(shù)研究，開展節(jié)能環(huán)保在線監(jiān)測技術(shù)研究，提升在用特種設(shè)備風(fēng)險監(jiān)測與維護(hù)保障技術(shù)水平”[3]。而在《2023 年特種設(shè)備安全監(jiān)察工作要點(diǎn)》中提出要推進(jìn)智慧監(jiān)管，強(qiáng)化數(shù)據(jù)歸集治理，完善數(shù)據(jù)核驗機(jī)制，提升特種設(shè)備歸集數(shù)據(jù)質(zhì)量，推動信息技術(shù)與檢驗檢測技術(shù)深度融合，推動智慧管理平臺建設(shè)，開展智慧監(jiān)管[4]。

隨著云計算、人工智能、大數(shù)據(jù)的迅猛發(fā)展，特種設(shè)備相關(guān)人員開始研究新時代下特種設(shè)備的智慧監(jiān)管。張勝杰針對基層特種設(shè)備監(jiān)察工作中存在的問題，提出了一個特種設(shè)備智慧監(jiān)察系統(tǒng)，實現(xiàn)特種設(shè)備日常監(jiān)管的無紙化，提升監(jiān)管效能[5]。李恒等提出了基于大數(shù)據(jù)的電梯安全風(fēng)險監(jiān)管模式，它應(yīng)用電梯靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)備風(fēng)險存在的可能性以及造成的后果嚴(yán)重程度，劃定安全風(fēng)險等級，基于大數(shù)據(jù)風(fēng)險監(jiān)管模式，有效管控風(fēng)險，提高電梯安全監(jiān)管的效率和精準(zhǔn)度[6]。伍冠樺提出了一個基于云平臺的特種設(shè)備信息管理應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于云平臺，實現(xiàn)電梯生產(chǎn)參數(shù)、監(jiān)督檢驗、定期檢驗和日常維護(hù)保養(yǎng)數(shù)據(jù)采集到云平臺，對采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、整合、處理與分析，以便對電梯的使用過程進(jìn)行有效跟蹤，為監(jiān)督監(jiān)察部門提供有效的監(jiān)察數(shù)據(jù)，提升特種設(shè)備使用安全水平[7]。張宏亮等提出針對特種設(shè)備信息化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，充分挖掘與數(shù)據(jù)建模，實現(xiàn)特種設(shè)備的智能化與可視化，將大數(shù)據(jù)和智慧監(jiān)管結(jié)合，構(gòu)建特種設(shè)備安全社會共治體系[8]。

在大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能的發(fā)展背景下，特種設(shè)備的信息化、智能化也是發(fā)展的必然趨勢。而游樂設(shè)施作為關(guān)系生命安全的特種設(shè)備，將其信息化和智能化是必須要完成的一項任務(wù)，信息化和智能化的基礎(chǔ)是大數(shù)據(jù)中心，大數(shù)據(jù)中心能夠支撐游樂設(shè)備的智能化，提升其安全管理水平。

1 大數(shù)據(jù)中心建設(shè)目標(biāo)和內(nèi)容

為實現(xiàn)自身設(shè)計生產(chǎn)的所有游樂設(shè)備的全生命周期管理，以提升游樂設(shè)備的信息化和智能化，因此基于大數(shù)據(jù)的游樂設(shè)施全生命周期管理與服務(wù)平臺應(yīng)運(yùn)而生，該平臺包括“一個中心、六個系統(tǒng)、一個平臺”，一個中心是一個大數(shù)據(jù)中心，六個系統(tǒng)是游樂設(shè)施健康評估系統(tǒng)、備品備件智能補(bǔ)貨系統(tǒng)、游樂設(shè)施安全追溯系統(tǒng)、游樂企業(yè)評級服務(wù)系統(tǒng)、定向客戶服務(wù)系統(tǒng)、應(yīng)用支撐管理系統(tǒng)，還有一個可視化綜合展示平臺。它圍繞游樂設(shè)施安全管理和游樂產(chǎn)業(yè)能級提升目標(biāo)，采用云計算、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)，與業(yè)務(wù)應(yīng)用深度融合，形成以“基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、支撐層、業(yè)務(wù)層和用戶層”為主要內(nèi)容的建設(shè)體系。

大數(shù)據(jù)中心是該平臺的基礎(chǔ)和核心，它聚焦游樂設(shè)施全生命周期數(shù)據(jù)，打破數(shù)據(jù)壁壘、消除數(shù)據(jù)孤島，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。大數(shù)據(jù)中心完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)共享交換、大數(shù)據(jù)存儲與計算套件等功能，支撐游樂設(shè)施實時運(yùn)行狀況監(jiān)控、實時健康評估、實時報警等功能，以便及時發(fā)現(xiàn)安全問題，提前預(yù)防，避免事故的發(fā)生。大數(shù)據(jù)中心還支持游樂設(shè)施的智能化，為機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)提供數(shù)據(jù)支撐，使游樂設(shè)施越來越智能。

大數(shù)據(jù)中心的建設(shè)目標(biāo)是使游樂設(shè)施行業(yè)設(shè)備供應(yīng)商、運(yùn)營商和相關(guān)監(jiān)管部門嚴(yán)格按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計、開發(fā)、運(yùn)營和監(jiān)管設(shè)備運(yùn)行狀況和設(shè)備健康狀況，提高游樂設(shè)施安全水平，同時也可以為運(yùn)營商降低設(shè)備運(yùn)營成本，使監(jiān)管機(jī)構(gòu)實時了解游樂設(shè)施運(yùn)行狀況，提高行業(yè)整體安全管理水平。

大數(shù)據(jù)中心對下要采集游樂設(shè)施的各類數(shù)據(jù)，對上要支撐不同用戶的使用，用戶不同，使用的數(shù)據(jù)不同，訪問權(quán)限也不同。目前對于各類企業(yè)，數(shù)據(jù)是企業(yè)的核心資產(chǎn)，數(shù)據(jù)不應(yīng)隨意被獲取，而應(yīng)按需獲取。如對于游樂設(shè)備，其用戶有樂園經(jīng)營者、供應(yīng)商、監(jiān)管部門、檢驗機(jī)構(gòu)、行業(yè)協(xié)會等多種不同類的用戶，而每類用戶針對游樂設(shè)施所關(guān)注的數(shù)據(jù)和內(nèi)容是不同的，因此根據(jù)整個平臺的需求，大數(shù)據(jù)中心建設(shè)內(nèi)容如圖1 所示。

圖1 大數(shù)據(jù)中心內(nèi)容建設(shè)示意圖

如圖1 所示，從下往上看，大數(shù)據(jù)中心建設(shè)的第一步是資源建設(shè)，即計算資源、網(wǎng)絡(luò)資源、存儲資源，數(shù)據(jù)是大數(shù)據(jù)中心的核心，數(shù)據(jù)需要采集、傳輸和存儲，然后才能用于計算，支撐這些應(yīng)用是基礎(chǔ)設(shè)施，沒有基礎(chǔ)設(shè)施就沒有大數(shù)據(jù)中心，因此基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)包括網(wǎng)絡(luò)資源建設(shè)、存儲資源建設(shè)、計算資源建設(shè)以及安全策略制定，保證數(shù)據(jù)被安全使用。

大數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施是由龐大的設(shè)備群支撐，因此需要對各種軟硬件資源進(jìn)行管理，即資源監(jiān)控、資源分配、安全管理等多項內(nèi)容，資源監(jiān)控和資源分配是大數(shù)據(jù)中心的重要工作之一，要保證資源被充分利用，不浪費(fèi)資源，同時也要保證各項資源不被過度使用，導(dǎo)致平臺其他業(yè)務(wù)功能不好用。

大數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)體系是它的基礎(chǔ)，這里定義了該數(shù)據(jù)中存儲了什么樣的數(shù)據(jù)，并以什么樣的形式進(jìn)行存儲，其物理含義是什么。打通游樂產(chǎn)業(yè)研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造、安裝、運(yùn)行、維護(hù)保養(yǎng)、檢修等各環(huán)節(jié)間的數(shù)據(jù)壁壘，建立跨企業(yè)大數(shù)據(jù)融合機(jī)制，并提供大數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲和治理等技術(shù)支撐，以數(shù)據(jù)應(yīng)用優(yōu)化游樂設(shè)施運(yùn)營管理模式、安全保障模式，提升產(chǎn)業(yè)服務(wù)能力，推動游樂產(chǎn)業(yè)持續(xù)升級。大數(shù)據(jù)中心針對結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)提供大數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲和治理等技術(shù)服務(wù)，數(shù)據(jù)匯聚至大數(shù)據(jù)資源中心。

數(shù)據(jù)治理是大數(shù)據(jù)中心的重點(diǎn)工作，首先它要采集各類數(shù)據(jù)，如每個游樂設(shè)施上的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，每個游樂設(shè)施的維修數(shù)據(jù)，以及每個游樂設(shè)施當(dāng)時所處環(huán)境的環(huán)境數(shù)據(jù)等內(nèi)容；其次要對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，去掉一些異常數(shù)據(jù)，或者補(bǔ)充一些丟失數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行整理、清理，形成可用的數(shù)據(jù)集存儲進(jìn)數(shù)據(jù)倉庫，供后續(xù)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)使用；數(shù)據(jù)目前也是各企業(yè)的重要資產(chǎn)，其安全性也很重要，在這里根據(jù)數(shù)據(jù)的安全性需要進(jìn)行數(shù)據(jù)權(quán)限控制。

數(shù)據(jù)模型是建立業(yè)務(wù)模型和存儲領(lǐng)域知識，游樂設(shè)施有多種，每種設(shè)備都有其特征，如表征設(shè)備運(yùn)行良好的特征向量不同，判定每類設(shè)備故障的標(biāo)準(zhǔn)不同，因此在此需要將設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)獲取并存儲下來，后續(xù)才能使游樂設(shè)施智能化，實現(xiàn)設(shè)施的智能。因此數(shù)據(jù)模型針對不同的設(shè)備、不同的故障建立不同的數(shù)據(jù)模型，供后續(xù)設(shè)備診斷和評價使用。

數(shù)據(jù)決策部分集成了多種機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)算法，這些算法為不同的游樂設(shè)備建立不同的學(xué)習(xí)模型，解決各自的問題。

數(shù)據(jù)應(yīng)用層就是依據(jù)不同類用戶的需求構(gòu)建的應(yīng)用系統(tǒng)，但這些應(yīng)用系統(tǒng)都需要使用大數(shù)據(jù)中心提供的各種數(shù)據(jù)或者服務(wù)，來為它們的用戶提供服務(wù)。數(shù)據(jù)應(yīng)用是該平臺對外提供服務(wù)的接口，針對不同的應(yīng)用系統(tǒng)、不同的用戶，需要提供不同的服務(wù)，但是不同的系統(tǒng)、不同的用戶可能需要查看的數(shù)據(jù)是同一組數(shù)據(jù)，如游樂設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，游樂設(shè)施的經(jīng)營者、供應(yīng)商甚至監(jiān)管部門都需要查看，這樣大數(shù)據(jù)中心就做到了數(shù)據(jù)共享，打通了各系統(tǒng)、各用戶之間的數(shù)據(jù)壁壘，提高了數(shù)據(jù)的使用效率。

大數(shù)據(jù)中心的建設(shè)好壞決定了企業(yè)對外提供服務(wù)的能力好壞，筆者單位針對游樂設(shè)施大數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，可有效提升設(shè)施的信息化、智能化和安全性，同時提升管理效率。

2 大數(shù)據(jù)中心技術(shù)架構(gòu)

大數(shù)據(jù)中心是所有應(yīng)用的支撐，連接了所有的游樂設(shè)施和各類工作人員，而游樂設(shè)施和工作人員分布在全國的各個地方，因此大數(shù)據(jù)中心采用分布式體系結(jié)構(gòu)，應(yīng)用阿帕奇（Apache）基金會所開發(fā)的分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)（Hadoop）實現(xiàn)分布式計算和分布式存儲，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲，供上層應(yīng)用。大數(shù)據(jù)中心采用云原生技術(shù)，使用開放源代碼的J2EE（Java 2 Platform Enterprise Edition）應(yīng)用程序框架SpringBoot 和開源的微服務(wù)框架SpringCloud 管理各個微服務(wù)的應(yīng)用，以保證系統(tǒng)的快速、穩(wěn)定運(yùn)行，同時便于維護(hù)，支持便捷的應(yīng)用模塊接入方式，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展。其技術(shù)架構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 大數(shù)據(jù)中心技術(shù)架構(gòu)示意圖

從圖2 可知，大數(shù)據(jù)中心分成七個主要部分，分別為數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、資源調(diào)度、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)應(yīng)用。

數(shù)據(jù)源主要是來源于各個游樂設(shè)施、各個應(yīng)用系統(tǒng)以及外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，該部分主要根據(jù)每個設(shè)備不一樣，采用不同的協(xié)議進(jìn)行通訊，獲取不同類型的源數(shù)據(jù)，如結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、圖片、視頻、文本等類型的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集是將各種數(shù)據(jù)采集進(jìn)大數(shù)據(jù)平臺，在該部分用到的組件有分布式消息隊列（Kafka），高可用的和高可靠的分布式的海量日志采集、聚合和傳輸?shù)南到y(tǒng)（Flume），大數(shù)據(jù)傳輸工具（Sqoop），高性能數(shù)據(jù)同步系統(tǒng)（Canal）等，Kafka 主要是做數(shù)據(jù)同步和緩沖，所有采集來的數(shù)據(jù)先進(jìn)入Kafka，然后Kafka 將數(shù)據(jù)同步到各個數(shù)據(jù)庫，Sqoop 是在Hadoop和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫之間進(jìn)行大容量數(shù)據(jù)的傳輸，F(xiàn)lume采集、聚合海量的日志數(shù)據(jù)，Canal 也可實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。

數(shù)據(jù)存儲是大數(shù)據(jù)中心的主要工作，所有平臺使用的數(shù)據(jù)全部存儲在此，而數(shù)據(jù)存儲根據(jù)應(yīng)用場景不同，使用的存儲方式不同，在該數(shù)據(jù)中心支持分布式文件系統(tǒng)HDFS（Hadoop Distributed File System）存儲、列數(shù)據(jù)庫存儲、行數(shù)據(jù)庫存儲和時序數(shù)據(jù)庫（Influxdb）存儲，如游樂設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)是1 s 采集1 次，因此這些設(shè)備實時采集的數(shù)據(jù)采用時序數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲；而各類應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)依然采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（MySQL）存儲，因此支持行數(shù)據(jù)庫存儲；但對于大量的實時數(shù)據(jù)處理，需要使用列數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)或者分布式文件系統(tǒng)，所以使用HDFS 和列數(shù)據(jù)庫進(jìn)行該類數(shù)據(jù)的存儲。

數(shù)據(jù)處理是針對數(shù)據(jù)應(yīng)用對數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的處理，如為了支撐健康評估系統(tǒng)，需要根據(jù)實時采集的游樂設(shè)施數(shù)據(jù)進(jìn)行實時故障診斷和健康評估，以便及時發(fā)現(xiàn)問題，因此在這里使用在線資源管理工具STORM（School Tools for Online Resource Management）實時計算每個設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。而對于AI（Artificial Intelligence，人工智能）應(yīng)用，需要根據(jù)不停增加的數(shù)據(jù)，進(jìn)行學(xué)習(xí)和優(yōu)化，因此在該部分包括了行業(yè)算法庫和分布式計算框架MapReduce（Map 是映射，Reduce 是歸約），以便進(jìn)行健康模型、預(yù)測模型等模型的學(xué)習(xí)與優(yōu)化，提高模型的準(zhǔn)確率和效率。數(shù)據(jù)倉庫是將各種數(shù)據(jù)根據(jù)應(yīng)用場景不同進(jìn)行組織和管理，以支持?jǐn)?shù)據(jù)應(yīng)用，如設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)查詢、安全追溯查詢等功能。在該部分，提供一個算法集，它包含數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等算法，輔助領(lǐng)域?qū)＜疫M(jìn)行數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)建模。

數(shù)據(jù)應(yīng)用就是根據(jù)不同的用戶建立不同的數(shù)據(jù)展示頁面，如針對管理層，通過數(shù)據(jù)可視化可對所有游樂設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)、商戶狀態(tài)等進(jìn)行展示。對于設(shè)備維護(hù)人員或游樂設(shè)施經(jīng)營人員可通過實時監(jiān)測模塊查看每個設(shè)備的實時狀態(tài)。AI/BI（Business Intelligence，商業(yè)智能）應(yīng)用可供領(lǐng)域?qū)＜疫M(jìn)行數(shù)據(jù)分析以及模型建立和訓(xùn)練，以便更好地優(yōu)化各模型，而在此數(shù)據(jù)應(yīng)用包括游樂設(shè)施健康評估系統(tǒng)、備品備件智能補(bǔ)貨系統(tǒng)、游樂設(shè)施安全追溯系統(tǒng)、游樂企業(yè)評級服務(wù)系統(tǒng)、定向客戶服務(wù)系統(tǒng)、應(yīng)用支撐管理系統(tǒng)和可視化綜合展示平臺，這是目前為止大數(shù)據(jù)中心支撐的應(yīng)用，后續(xù)也會按需擴(kuò)展。

資源調(diào)度主要是管理分布式環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲等資源，這部分采用經(jīng)典的資源管理組件YARN（Yet Another Resource Negotiator，另一種資源協(xié)調(diào)者）、ZooKeeper（分布式應(yīng)用程序協(xié)調(diào)服務(wù)）等，以提高資源的使用效率，保證資源不被閑置，但也不被過度使用，資源能夠支撐上層應(yīng)用。

系統(tǒng)管理包括配置管理、部署管理、監(jiān)控管理等內(nèi)容，是為系統(tǒng)管理員提供方便易用的管理工具，可通過該部分簡單、快速、有效地進(jìn)行配置、部署等工作，保證系統(tǒng)能夠安全、有效、準(zhǔn)確運(yùn)行。

3 總結(jié)

目前，該數(shù)據(jù)中心由筆者單位實施建設(shè)，通過該大數(shù)據(jù)中心可對全國各地各游樂設(shè)施進(jìn)行實時監(jiān)控，游樂園管理者可實時查看各游樂設(shè)施的健康狀態(tài)，是否需要檢修，是否需要更換部件等，如果某個游樂設(shè)施需要更換零部件，相應(yīng)的供貨商會收到通知并提供服務(wù)。而監(jiān)管部門或平臺管理者可隨時查看每個游樂設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)，可以查看游樂園經(jīng)營者是否在安全情況下使用各項游樂設(shè)施，如果有問題可及時提醒或警告相關(guān)人員，保證了游樂設(shè)施的安全性。

該數(shù)據(jù)中心從內(nèi)部系統(tǒng)、外部獲取海量數(shù)據(jù)，采用分布式技術(shù)和海量數(shù)據(jù)挖掘算法，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的運(yùn)算和挖掘，實現(xiàn)PB（PetaByte，千萬億字節(jié)）級數(shù)據(jù)查詢秒級響應(yīng)。支持多用戶的同時訪問，系統(tǒng)響應(yīng)時間小于2 s。

筆者單位的游樂設(shè)施大數(shù)據(jù)中心的建設(shè)有效地保證了筆者單位提出的游樂設(shè)施全生命周期管理平臺的建設(shè)，以數(shù)據(jù)為核心，將設(shè)備、人等各種資源集成為一個整體，集體對外提供服務(wù)，有效地提高了企業(yè)的服務(wù)能力。目前，高空秋千、懸崖過山車、中三環(huán)過山車等多套設(shè)備數(shù)據(jù)已成功接入大數(shù)據(jù)中心，為設(shè)備制造商和游樂園管理者提供實時設(shè)備信息，此外還有丘比特過山車、103 m 摩天輪等多套設(shè)備正在接入中。隨著大數(shù)據(jù)中心的逐步使用，積累的數(shù)據(jù)越來越多，在設(shè)施的故障診斷、故障預(yù)測等方面還可進(jìn)一步加強(qiáng)和提升，以保證游樂設(shè)施越來越安全、越來越智能。