【摘要】數(shù)據(jù)作為核心資產(chǎn)已達(dá)成共識(shí)，在大量工程設(shè)計(jì)驗(yàn)證環(huán)節(jié)中存在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源多、格式差異大等多源異構(gòu)的特點(diǎn)，同時(shí)這類多源異構(gòu)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)應(yīng)用方面也有越來越迫切的現(xiàn)實(shí)需求，為解決多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和再利用問題，本文設(shè)計(jì)了面向多源異構(gòu)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的邊緣數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)，并通過建設(shè)對(duì)系統(tǒng)支持專業(yè)實(shí)驗(yàn)類型、業(yè)務(wù)類型、設(shè)備協(xié)議、分析需求和數(shù)據(jù)再利用情況進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)際，驗(yàn)證面向多源異構(gòu)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的邊緣數(shù)據(jù)系統(tǒng)具有高可行性、與業(yè)務(wù)之間具有高適應(yīng)性的特點(diǎn)，最后根據(jù)實(shí)際情況對(duì)面向多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的邊緣數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展進(jìn)行展望。

【關(guān)鍵詞】多源異構(gòu)|數(shù)據(jù)采集|數(shù)據(jù)分析|邊緣數(shù)據(jù)系統(tǒng)|數(shù)據(jù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

一、現(xiàn)狀與需求分析

（一）現(xiàn)狀

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分為實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)兩個(gè)部分，規(guī)模龐大的實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)是優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、迭代實(shí)驗(yàn)進(jìn)程的重要參考，需要對(duì)其進(jìn)行高效率、高質(zhì)量的采集和分析，有利于設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化、測(cè)控系統(tǒng)改進(jìn)以及異常預(yù)警等領(lǐng)域工作開展[1-2]。當(dāng)前，工程實(shí)驗(yàn)中的大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集需要通過跨域傳輸?shù)姆绞綄⑸a(chǎn)試驗(yàn)環(huán)境中工控設(shè)備產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)遷移到業(yè)務(wù)網(wǎng)域服務(wù)器進(jìn)行分析處理[3]。實(shí)驗(yàn)任務(wù)的設(shè)備來自不同的廠家，采用不同的采集標(biāo)準(zhǔn)和存儲(chǔ)方式，原始數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)綐I(yè)務(wù)網(wǎng)域服務(wù)器難度大，并且未經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)難以直接應(yīng)用。同時(shí)，海量數(shù)據(jù)直接上傳云端會(huì)給網(wǎng)絡(luò)造成巨大的沖擊，造成網(wǎng)絡(luò)資源和存儲(chǔ)資源的浪費(fèi)[4]?；诖?，在工控網(wǎng)域建立邊緣數(shù)據(jù)系統(tǒng)可以是對(duì)集中的業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心的有效補(bǔ)充，也是工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[5]。對(duì)比大型傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，邊緣數(shù)據(jù)中心的優(yōu)勢(shì)是數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)少，且分散、數(shù)量較多，但功能較少、與業(yè)務(wù)強(qiáng)綁定[6]。

（二）面向多源異構(gòu)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的邊緣數(shù)據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)

面向多源異構(gòu)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的邊緣數(shù)據(jù)系統(tǒng)在系統(tǒng)工程中具有專業(yè)領(lǐng)域多、涉及多種數(shù)據(jù)源、格式差異大的特點(diǎn)，并且在規(guī)范化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析應(yīng)用方面都有“短、平、快”的實(shí)時(shí)變化的需求[7]，這類邊緣數(shù)據(jù)系統(tǒng)主要具備以下四個(gè)特點(diǎn)：

1.業(yè)務(wù)多樣性：工程實(shí)驗(yàn)涉及產(chǎn)品研發(fā)的多個(gè)業(yè)務(wù)階段，從產(chǎn)品原型開發(fā)、產(chǎn)品驗(yàn)證、小規(guī)模生產(chǎn)到成品運(yùn)行維護(hù)等多個(gè)方面都有相關(guān)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生[8]。

2.專業(yè)多樣性：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的專業(yè)領(lǐng)域包括熱工、流體、水力、物理、儀控、水化學(xué)等[9]，需要采集與溫度、壓力、液位、電壓、流速等多個(gè)專業(yè)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.設(shè)備多樣性：實(shí)驗(yàn)裝置包括本體、管道、閥門、容器、交換器、裝配體等系統(tǒng)部件組成，不同廠家、不同類別的傳感器需要不同的協(xié)議去采集和解析，而主流的工業(yè)設(shè)備對(duì)應(yīng)的協(xié)議達(dá)到150種以上，多樣化的設(shè)備使得數(shù)采難度加大。

4.分析多樣性：針對(duì)不同的試驗(yàn)任務(wù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方式差異很大。在穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)中，重點(diǎn)關(guān)注設(shè)備的長期狀態(tài)，主要采集時(shí)序數(shù)據(jù)為主，并需要及時(shí)壓縮處理源數(shù)據(jù)；而在原型開發(fā)中，涉及設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的快速迭代，為提高效率，會(huì)引入仿真系統(tǒng)進(jìn)行伴隨計(jì)算與驗(yàn)證，涉及較多仿真分析與結(jié)果比對(duì)。

二、面向多源異構(gòu)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的邊緣數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

為解決實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)格式復(fù)雜、來源廣泛、跨域傳輸難、存儲(chǔ)量大、分析復(fù)雜的問題，本文提出一種模塊化的邊緣數(shù)據(jù)系統(tǒng)方案，解決多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和再利用問題，協(xié)助數(shù)據(jù)中心增強(qiáng)數(shù)據(jù)治理能力。此系統(tǒng)在設(shè)計(jì)原則上遵循模塊化思路，模塊化設(shè)計(jì)使得龐大的信息系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)之間解耦，增強(qiáng)系統(tǒng)的可行性和迭代能力，便于開發(fā)和維護(hù)，標(biāo)準(zhǔn)化的方案可以應(yīng)用到類似的場(chǎng)景下，將數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，增強(qiáng)對(duì)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存分析能力。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)

（一）系統(tǒng)架構(gòu)

面向多源異構(gòu)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的邊緣數(shù)據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是模塊化的，數(shù)據(jù)通過離線采集、批量采集、實(shí)時(shí)采集等方式集合到數(shù)據(jù)集成平臺(tái)，包括工程數(shù)據(jù)、各類傳感器數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控視頻等運(yùn)行情況數(shù)據(jù)，這些結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)通過規(guī)范化的處理后存儲(chǔ)到邊緣數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，同時(shí)邊緣數(shù)據(jù)系統(tǒng)還為數(shù)據(jù)提供了數(shù)據(jù)目錄、數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)權(quán)限及全生命周期管理等一系列服務(wù)，如圖1所示。

邊緣數(shù)據(jù)系統(tǒng)所接收的數(shù)據(jù)包括高算中心數(shù)據(jù)、工況數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等，具有業(yè)務(wù)多樣性的特征，針對(duì)這個(gè)問題，本系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)化采集的方式減小不同類型的數(shù)據(jù)在采集傳輸存儲(chǔ)的過程中造成的存儲(chǔ)困難，不同類型格式的數(shù)據(jù)通過不同的采集工具采集到系統(tǒng)內(nèi)后，其元數(shù)據(jù)與主數(shù)據(jù)以提前設(shè)計(jì)好的方式進(jìn)行清洗存儲(chǔ)，將結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的內(nèi)容分開存放到系統(tǒng)中。同時(shí)，采集這些多源數(shù)據(jù)的專業(yè)軟件也產(chǎn)自不同的廠家，針對(duì)這些產(chǎn)品不同的存儲(chǔ)格式和傳輸協(xié)議，本系統(tǒng)在采集過程中對(duì)其進(jìn)行整合統(tǒng)一，提高存儲(chǔ)效率。

（二）面向多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)采集規(guī)范化技術(shù)

數(shù)據(jù)采集規(guī)范化是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理的重要基礎(chǔ)，旨在將數(shù)據(jù)的格式、內(nèi)容、數(shù)值等轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一形式，通過數(shù)據(jù)容的一致性和完整性保證數(shù)據(jù)的復(fù)用和分析，本文所提出的系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集規(guī)范過程主要包括三個(gè)部分。

1.數(shù)據(jù)格式規(guī)范化

采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通常以文件的形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，不同的文件格式具有不同的解析規(guī)則，并具有對(duì)應(yīng)的解析軟件，且部分格式非常封閉，只能使用特定的軟件才能打開。因此有必要統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)文件格式，本系統(tǒng)將所有文件格式統(tǒng)一整形為一種格式。

2.數(shù)據(jù)內(nèi)容規(guī)范化

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息由數(shù)據(jù)數(shù)值信息（例如采集參數(shù)的時(shí)序數(shù)值），以及數(shù)據(jù)背景信息（實(shí)驗(yàn)背景、數(shù)采信息、測(cè)點(diǎn)信息等）兩部分構(gòu)成，且都可以抽象為“參數(shù)名-參數(shù)值”的形式。

數(shù)據(jù)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)化即對(duì)參數(shù)名進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，首先需要確保數(shù)據(jù)信息中包含了必要參數(shù)信息，以確保數(shù)據(jù)信息完整性；在此基礎(chǔ)上，需要確保參數(shù)名為標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)名，這樣可以在數(shù)據(jù)分析時(shí)自動(dòng)匹配參數(shù)名，降低因參數(shù)名對(duì)齊帶來的額外時(shí)間開銷。一類試驗(yàn)需要包含某些必要的屬性，比如，閥門性能試驗(yàn)，需要包含熱工參數(shù)（溫度、流量、壓力）、電氣參數(shù)（電流、電壓、功率、表面溫度、振動(dòng)參數(shù)、絕緣電阻）、動(dòng)作次數(shù)、開閥時(shí)間、氣動(dòng)參數(shù)等。

針對(duì)數(shù)據(jù)格式多樣化的問題，本系統(tǒng)結(jié)合詞向量技術(shù)和元數(shù)據(jù)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)不同格式數(shù)據(jù)內(nèi)容的高效解析歸類。詞向量將每個(gè)詞表示為一個(gè)N維空間中的點(diǎn)，將語言處理轉(zhuǎn)化為向量計(jì)算，元數(shù)據(jù)描述數(shù)據(jù)的參數(shù)和屬性，將兩者結(jié)合可以提高數(shù)據(jù)理解效率。

3.數(shù)據(jù)數(shù)值規(guī)范化

數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化是將參數(shù)值轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一尺度，以消除不同特征之間的量綱差異，使得數(shù)據(jù)能在同一尺度上進(jìn)行比較和分析，是提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和易用性的重要方法。本系統(tǒng)采用的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化方法包括z-score標(biāo)準(zhǔn)化，Min-Max標(biāo)準(zhǔn)化，均值方差歸一化等。

（三）面向多專業(yè)耦合分析需求的數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)

本系統(tǒng)面向多源異構(gòu)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和復(fù)用進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備多專業(yè)耦合分析能力。多專業(yè)耦合分析的需求重點(diǎn)體現(xiàn)在對(duì)各專業(yè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)能力和數(shù)據(jù)應(yīng)用能力上。

在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了面向二維、三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，同時(shí)設(shè)計(jì)了面向數(shù)據(jù)流的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)能力，也設(shè)計(jì)了面向表結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)能力，此三類數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力可覆蓋各專業(yè)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用方面，重點(diǎn)體現(xiàn)為數(shù)據(jù)檢索提供數(shù)據(jù)服務(wù)和基于數(shù)據(jù)服務(wù)的數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)。數(shù)據(jù)檢索采用ELK技術(shù)棧，提供近實(shí)時(shí)的速度存儲(chǔ)、搜索和分析引擎，加快了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的檢索速度。數(shù)據(jù)分析包括離線分析引擎和實(shí)時(shí)分析引擎兩部分，針對(duì)時(shí)間敏感與否兩種場(chǎng)景提供服務(wù)。

四、實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

以核工程實(shí)驗(yàn)為具體場(chǎng)景，本文所提出的面向多源異構(gòu)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的邊緣數(shù)據(jù)系統(tǒng)已完成建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在邊緣端的存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化采集與存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)文件導(dǎo)航、實(shí)驗(yàn)裝置在線管理以及數(shù)據(jù)在線分析處理等能力，有效提高了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和復(fù)用的能力。

（一）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)通過增加對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的規(guī)范采集和清洗，存儲(chǔ)系統(tǒng)可以按照類別對(duì)多種專業(yè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，對(duì)于后續(xù)實(shí)驗(yàn)過程會(huì)新增的專業(yè)也具備擴(kuò)展能力，解決了專業(yè)種類繁雜的問題。同時(shí)，系統(tǒng)可以為多專業(yè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理提供全生命周期的服務(wù)，從產(chǎn)品原型開發(fā)、產(chǎn)品驗(yàn)證、小規(guī)模生產(chǎn)到成品運(yùn)行維護(hù)等多個(gè)方面持續(xù)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理提供支持，解決了原存儲(chǔ)系統(tǒng)只能為數(shù)據(jù)提供單一存儲(chǔ)服務(wù)，無法在科研生產(chǎn)過程中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行全生命周期管理的問題。由于傳感器品類多，本系統(tǒng)通過協(xié)議解析模塊能夠兼容當(dāng)前流行的設(shè)備協(xié)議，有效解決了設(shè)備多樣性問題。原存儲(chǔ)系統(tǒng)只能以原數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗整理，

以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并且可以提供數(shù)據(jù)檢索和分析模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，能夠滿足實(shí)時(shí)分析處理等多種分析需求，解決分析需求多樣性的問題，原存儲(chǔ)系統(tǒng)與面向多源異構(gòu)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的邊緣數(shù)據(jù)系統(tǒng)對(duì)比如表1。

由表1可知，與系統(tǒng)設(shè)計(jì)前對(duì)比，系統(tǒng)支持的工科專業(yè)接近95%，系統(tǒng)工程過程擴(kuò)張150%達(dá)到全過程，設(shè)備兼容協(xié)議增加573%，面向多源異構(gòu)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的邊緣數(shù)據(jù)系統(tǒng)具有極大的普適性，可支持大多數(shù)類型的專業(yè)，同時(shí)兼容前流行的設(shè)備協(xié)議，具備面向系統(tǒng)工程的全過程進(jìn)行數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)分析的能力。

（二）數(shù)據(jù)分析與再利用

在數(shù)據(jù)的分析算法方面，面向多源異構(gòu)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的邊緣數(shù)據(jù)系統(tǒng)為數(shù)據(jù)提供了快速驗(yàn)證和分析能力，智能分析算法組件能夠從數(shù)據(jù)中臺(tái)提取數(shù)據(jù)，支持?jǐn)?shù)據(jù)建模，提供各類算法庫，包含數(shù)據(jù)中臺(tái)中的算法開發(fā)組件，任務(wù)調(diào)度算法，邊緣計(jì)算，統(tǒng)計(jì)分析，圖像識(shí)別算法等智能分析算法，當(dāng)前支持的部分機(jī)器學(xué)習(xí)算法，總計(jì)50余種，除此之外，還包括30余種時(shí)頻域分析組件和8種深度學(xué)習(xí)算法組件。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析需求主要集中在實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和伴隨計(jì)算，本系統(tǒng)通過高效的分布式存儲(chǔ)和邊緣端的數(shù)據(jù)分析能力為多樣化的數(shù)據(jù)分析需求奠定基礎(chǔ)。

此系統(tǒng)將人工數(shù)據(jù)分析活動(dòng)建模流程化，搭建了一系列常見的數(shù)據(jù)分析流程，通常包括數(shù)據(jù)劃分、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)分類與回歸預(yù)測(cè)等模塊，當(dāng)前已經(jīng)投入使用的流程約20種，能滿足基本的異常檢測(cè)、實(shí)驗(yàn)值預(yù)測(cè)等功能，流程平均復(fù)用頻率達(dá)7.3次/月，解決了對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有關(guān)的知識(shí)顯性化和復(fù)用的問題。

五、結(jié)語

面向多源異構(gòu)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的邊緣數(shù)據(jù)系統(tǒng)的建設(shè)將部分?jǐn)?shù)據(jù)處理工作轉(zhuǎn)移到邊緣端處理，減小了數(shù)據(jù)從工控網(wǎng)到業(yè)務(wù)網(wǎng)的資源開銷。數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)化將多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)通過不同的采集組件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，使得業(yè)務(wù)多樣性和專業(yè)多樣性帶來的問題得到改善。實(shí)驗(yàn)設(shè)備分區(qū)存儲(chǔ)管理和設(shè)備協(xié)議兼容使得設(shè)備多樣性的問題得到改善，數(shù)據(jù)在線分析能力的建設(shè)解決了分析多樣性帶來的問題，邊緣系統(tǒng)的建設(shè)有效解決了當(dāng)前實(shí)驗(yàn)環(huán)境無法有效處理和分析多源異構(gòu)海量數(shù)據(jù)的現(xiàn)實(shí)問題。未來，將繼續(xù)聚焦于數(shù)據(jù)分析知識(shí)的顯性化與相關(guān)知識(shí)的復(fù)用研究，為數(shù)據(jù)資產(chǎn)高效利用和研發(fā)能力提升提供堅(jiān)實(shí)基座。中國軍轉(zhuǎn)民

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院反應(yīng)堆工程研究所）