工業(yè)設(shè)備運維云平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

作者：康華夏 ，周正宇 ，劉文軍 ，陳 晨

引 言

實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的互聯(lián)和協(xié)同是工業(yè)智能化的基礎(chǔ)。工業(yè)設(shè)備運維云平臺的實現(xiàn)是工業(yè)設(shè)備網(wǎng)聯(lián)化及應(yīng)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(chǔ)。平臺的構(gòu)建對于推動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)融合、促進(jìn)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(shè)備運維難、管理維護(hù)粗放、產(chǎn)能利用不足、服務(wù)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(dāng)前，已將工業(yè)設(shè)備運維云平臺在鋼鐵、風(fēng)電、交通等相關(guān)裝備制造業(yè)進(jìn)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(shè)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(yīng)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(shè)備運維云平臺，主要聚焦設(shè)備管理與監(jiān)控、告警管理、分析模型、設(shè)備維保等功能模塊。從設(shè)計上要求平臺具有良好的通用性和擴(kuò)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(wù)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(wù)配置數(shù)據(jù)、設(shè)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(jìn)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(wù)接口層對外提供業(yè)務(wù) REST API 接口和安全認(rèn)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(wù)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(yīng)效率。

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(chǔ)設(shè)施進(jìn)行高效管理和服務(wù)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(shè)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(chǔ)設(shè)施層、平臺層和業(yè)務(wù)層。邊緣層主要負(fù)責(zé)設(shè)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(shè)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(shè)備通過工業(yè)協(xié)議接入系統(tǒng)?；A(chǔ)設(shè)施層為整個系統(tǒng)的業(yè)務(wù)平面提供底層文件服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)、消息服務(wù)、緩存服務(wù)、容器服務(wù)。平臺層包含用戶管理、任務(wù)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(wù)運行機(jī)制，并支持上層各個模塊的充分解耦。業(yè)務(wù)層功能模塊主要包含設(shè)備管理、告警管理、分析模型管理、維保管理等。

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(chǔ)設(shè)施。安全性基礎(chǔ)設(shè)施負(fù)責(zé)統(tǒng)一認(rèn)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(chǔ)設(shè)施通過分布式協(xié)調(diào)機(jī)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(wù)持續(xù)運行?？捎^測性基礎(chǔ)設(shè)施收集各個節(jié)點的實時運行狀態(tài)和度量指標(biāo)，并通過儀表板將各種指標(biāo)進(jìn)行實時展示，在節(jié)點異常或者故障情況下將消息進(jìn)行實時推送。

2.2 業(yè)務(wù)功能分析

2.2.1 設(shè)備管理

設(shè)備管理是平臺的核心模塊，提供對網(wǎng)關(guān)、設(shè)備模板、設(shè)備、采點等資源的創(chuàng)建、管理和信息維護(hù)。設(shè)備管理資源創(chuàng)建流程如圖 3 所示。首先依據(jù)工業(yè)設(shè)備類型，創(chuàng)建對應(yīng)的設(shè)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(shè)備模板創(chuàng)建對應(yīng)的設(shè)備（或者設(shè)備實例），創(chuàng)建的設(shè)備中自動生成所關(guān)聯(lián)的設(shè)備模板中定義的屬性和數(shù)據(jù)采點，并根據(jù)設(shè)備組網(wǎng)設(shè)計將設(shè)備關(guān)聯(lián)到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)用于將一個或者多個設(shè)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。

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(shè)備采點數(shù)據(jù)和狀態(tài)的監(jiān)控功能基礎(chǔ)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(shè)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(shè)備運維的可靠性、業(yè)務(wù)運營對于異常情況響應(yīng)的敏捷性，并提升了整體業(yè)務(wù)的穩(wěn)定性和安全性。

平臺中的分析模型定義了從設(shè)備數(shù)據(jù)到可識別的狀態(tài)模式之間的數(shù)學(xué)映射。在實現(xiàn)和使用上，分析模型通過數(shù)學(xué)公式來表達(dá)這一映射關(guān)系。分析模型與設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備采點與告警規(guī)則相關(guān)聯(lián)。

2.2.3 告警管理

以上述分析模型的配置和管理為基礎(chǔ)，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(shè)置來決定告警的觸發(fā)，告警的觸發(fā)會生成相應(yīng)的告警實例，用于記錄告警的詳細(xì)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(shè)備采點監(jiān)控而言，告警規(guī)則用來設(shè)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(dāng)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。

在某些工業(yè)場景下，對單一采點的監(jiān)控和規(guī)則設(shè)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(shè)備，甚至位于不同網(wǎng)關(guān)下的不同設(shè)備）來協(xié)同設(shè)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?；谶@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(shè)備采點協(xié)同告警規(guī)則可以跨越多個設(shè)備上的采點，建立較為復(fù)雜的分析模型，并由此處理復(fù)雜業(yè)務(wù)場景下的異常狀態(tài)告警。

2.2.4 維保管理

平臺設(shè)計了設(shè)備維保管理模塊，提供設(shè)備的全生命周期管理功能。設(shè)備的定期維保和告警導(dǎo)致的設(shè)備臨時維保，均可在平臺上進(jìn)行信息化管理。在平臺上可創(chuàng)建針對某一臺設(shè)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(shè)備進(jìn)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(shè)備維保信息維度如圖 7所示。

3、 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 設(shè)備管理

如圖 8 所示，左側(cè)導(dǎo)航欄的“設(shè)備管理”下包含“設(shè)備模板”“網(wǎng)關(guān)列表”“設(shè)備列表”子菜單，分別支持設(shè)備模板、網(wǎng)關(guān)、設(shè)備的創(chuàng)建、修改、查看、刪除等操作?！霸O(shè)備模板”用于對同一類型或者型號的工業(yè)設(shè)備進(jìn)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(dān)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議適配和向云端進(jìn)行數(shù)據(jù)上報。“設(shè)備監(jiān)控”可以對設(shè)備數(shù)據(jù)和狀態(tài)進(jìn)行在線實時監(jiān)控。

3.2 分析模型管理

如圖 9 所示，從主頁面左側(cè)導(dǎo)航欄“分析模型管理—分析模型管理”進(jìn)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。

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(jìn)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。

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(jìn)行維保的設(shè)備，還包含操作員、設(shè)備 ID、計劃描述等信息 ；“維保記錄”用于跟蹤設(shè)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。

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(jì)高質(zhì)量發(fā)展注入強大動能。針對工業(yè)設(shè)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(shè)備運維云平臺的設(shè)計和實現(xiàn)，平臺支持多種主流工業(yè)協(xié)議，實現(xiàn)設(shè)備的快速接入，支持設(shè)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(kuò)展性，分布式組件的使用保證了平臺的高可靠性。在具體應(yīng)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(jī)理模型的融合，使得智能化水平不斷提升。

審核編輯：郭婷