工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的重要應(yīng)用場(chǎng)景預(yù)測(cè)性維護(hù)如何實(shí)現(xiàn)

作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)的重要應(yīng)用場(chǎng)景之一——預(yù)測(cè)性維護(hù)，已受到越來越多的企業(yè)重視。根據(jù)羅蘭貝格與漢諾威工業(yè)展覽會(huì)合作針對(duì)153家重點(diǎn)關(guān)注輸電工程/液壓傳動(dòng)、電氣自動(dòng)化/機(jī)器人技術(shù)等領(lǐng)域機(jī)械工程運(yùn)營(yíng)公司的調(diào)研顯示，81%的受訪公司已布局預(yù)測(cè)性維護(hù)，其中雖有近40%的受訪公司已在提供相關(guān)技術(shù)和服務(wù)，但大部分公司仍然在產(chǎn)品研究階段，或尚未開始任何相關(guān)工作。羅蘭貝格在報(bào)告中指出：“在預(yù)測(cè)性維護(hù)應(yīng)用領(lǐng)域，如何將數(shù)據(jù)系統(tǒng)地轉(zhuǎn)化成(客戶)利益并應(yīng)用到特定商業(yè)模式中，理想與現(xiàn)實(shí)之間仍然存在較大差距?！?/p>

圖1?羅蘭貝格針對(duì)預(yù)測(cè)性維護(hù)調(diào)查報(bào)告的相關(guān)數(shù)據(jù)

NI(美國(guó)國(guó)家儀器，National?Instruments，以下簡(jiǎn)稱“NI”)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)市場(chǎng)經(jīng)理崔鵬表示：“作為一種新的資產(chǎn)、資源和生產(chǎn)要素，工業(yè)大數(shù)據(jù)是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的核心，更是中國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要戰(zhàn)略資源?！盢I的平臺(tái)化解決方案，正在積極幫助探索預(yù)測(cè)性維護(hù)應(yīng)用的客戶將大數(shù)據(jù)應(yīng)用到特定商業(yè)模式中，而中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司和北京天澤智云科技有限公司(以下簡(jiǎn)稱“天澤智云”)就是NI在預(yù)測(cè)性維護(hù)及工業(yè)智能領(lǐng)域的重要合作伙伴之一。

1中國(guó)高鐵項(xiàng)目案例帶來的預(yù)測(cè)性維護(hù)啟示

中國(guó)高鐵的創(chuàng)新舉世矚目，“復(fù)興號(hào)”以350公里時(shí)速的正式運(yùn)營(yíng)，標(biāo)志著中國(guó)成為世界高鐵商業(yè)運(yùn)營(yíng)速度最高的國(guó)家。實(shí)現(xiàn)高速需要百分百的安全保障作為前提，預(yù)測(cè)性維護(hù)在提升高鐵的安全性上恰可大顯身手。

中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司聯(lián)合天澤智云，基于NI?InsightCMTM以及CompactRIOTM平臺(tái)，打造了針對(duì)高鐵的預(yù)測(cè)性維護(hù)解決方案。為了開發(fā)預(yù)測(cè)性維護(hù)用的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，首先得在短時(shí)間內(nèi)獲取大量數(shù)據(jù)用于模型訓(xùn)練。中車青島四方試圖通過快速構(gòu)建一個(gè)高鐵在線實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，針對(duì)高鐵測(cè)試線上的8個(gè)旋轉(zhuǎn)件進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量各個(gè)旋轉(zhuǎn)件的震動(dòng)與轉(zhuǎn)速情況，并對(duì)采集下來的大量時(shí)間序列數(shù)據(jù)按需求進(jìn)行篩選、分析，進(jìn)一步得到所有旋轉(zhuǎn)件的健康狀況。然而，在這場(chǎng)看似方向明晰的原型化探索中，中車青島四方仍遭遇了5大挑戰(zhàn)：

實(shí)時(shí)采集挑戰(zhàn)：本項(xiàng)目需要快速構(gòu)建一個(gè)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同步采集在同一設(shè)備八個(gè)旋轉(zhuǎn)件的振動(dòng)與轉(zhuǎn)速，而這需要二十個(gè)采集通道;

采樣頻率挑戰(zhàn)：為了擬合高鐵運(yùn)行的速度，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速將高達(dá)2200rpm，再加上為了保證采樣包含的頻率范圍能夠涵蓋所有故障頻率，采樣率必須達(dá)到很高水平，即25.6kS/s采樣率;

連續(xù)采集挑戰(zhàn)：InsightCM是NI一款用于設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，適合實(shí)現(xiàn)分布式狀態(tài)監(jiān)測(cè)，但是本項(xiàng)目中的應(yīng)用目的是進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)采集以便在短時(shí)間內(nèi)獲得更多的數(shù)據(jù)來進(jìn)行分析;

數(shù)據(jù)處理挑戰(zhàn)：多通道高頻率的采集會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，要將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理和特征提取后產(chǎn)生與健康相關(guān)的信息，并傳給服務(wù)器端，這對(duì)測(cè)試設(shè)備的計(jì)算能力與內(nèi)存分配能力有所挑戰(zhàn);

時(shí)間同步挑戰(zhàn)：首先，本項(xiàng)目需要十個(gè)通道能夠同步采集，以實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)時(shí)刻對(duì)整個(gè)設(shè)備通過不同維度進(jìn)行描述;其次，算法開發(fā)對(duì)數(shù)據(jù)的時(shí)間戳有特殊要求，需要測(cè)試設(shè)備端與服務(wù)器端時(shí)間保持高度一致。

圖2?基于NI平臺(tái)搭建的原型化探索測(cè)試端設(shè)備

為解決上述原型化探索階段遭遇的難題，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)采用InsightCMTM+CompactRIOTM的方案進(jìn)行數(shù)據(jù)采集：根據(jù)通道數(shù)與采樣頻率的要求，選用cRIO-9036?+?NI-9232(即CompactRIO控制器+C系列聲音與振動(dòng)輸入模塊)搭建測(cè)試端設(shè)備，經(jīng)過實(shí)測(cè)，CompactRIO的計(jì)算能力和內(nèi)存分配能力完全滿足需求;而InsightCM不僅實(shí)現(xiàn)了多通道數(shù)據(jù)采集的同步，還通過設(shè)置NTP時(shí)間服務(wù)器的方式使設(shè)備端與服務(wù)器端時(shí)間保持一致，讓工程師免去了對(duì)CompactRIO進(jìn)行二次開發(fā)，從而減少了方案實(shí)施的復(fù)雜度、加速了實(shí)施進(jìn)度。

據(jù)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)反饋：“我們使用了InsightCM搭載CompactRIO進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)采集下來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。采集到的數(shù)據(jù)質(zhì)量非常高，在cRIO中運(yùn)算我們的PHM智能算法能夠滿足實(shí)時(shí)性的要求，幫助我們?cè)诟哞F測(cè)試試驗(yàn)中分析出了所有的故障，準(zhǔn)確率非常高?！?/p>

圖3?原型化探索方案的整體架構(gòu)邏輯框圖

2超越采集，NI方案整合邊緣計(jì)算與云計(jì)算優(yōu)勢(shì)助力數(shù)據(jù)價(jià)值挖掘

眾所周知，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，邊緣計(jì)算部署在終端或者邊緣端，除了數(shù)據(jù)采集，還是實(shí)現(xiàn)嵌入式人工智能的關(guān)鍵，因此邊緣端計(jì)算的實(shí)時(shí)性比云端更強(qiáng)，而NI平臺(tái)化解決方案在支撐實(shí)時(shí)性邊緣端計(jì)算的同時(shí)，還將邊緣計(jì)算與云計(jì)算的優(yōu)勢(shì)整合到了一起。

基于與NI的緊密合作，天澤智云在預(yù)測(cè)性維護(hù)及其它IIoT應(yīng)用中，都借助了NI的平臺(tái)化解決方案。例如在實(shí)現(xiàn)工程化解決方案時(shí)，天澤智云的工程師先將工業(yè)AI的算法引擎部署在云端，再通過InsightCM與其它的NI的邊緣計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，承載開發(fā)的算法所產(chǎn)生的結(jié)果，幫助用戶產(chǎn)生對(duì)系統(tǒng)的認(rèn)知;最后底層通過CompactRIO執(zhí)行機(jī)器學(xué)習(xí)模型，以及對(duì)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)的交流，將運(yùn)算結(jié)果通過InsightCM和Web?Service進(jìn)行發(fā)布。

“在邊緣端執(zhí)行相應(yīng)的邊緣計(jì)算，將原始數(shù)據(jù)提取出特征信息，進(jìn)一步將特征信息上傳到私有云或者公有云，完成復(fù)雜的PHM(Prognostics?and?Health?Management，故障預(yù)測(cè)與健康管理)相關(guān)的計(jì)算，是目前比較合理的架構(gòu)模式。NI的CompactRIO架構(gòu)可以提供比較靈活的傳感器接口和比較豐富的計(jì)算資源，這種理念和我們相當(dāng)契合。”天澤智云研發(fā)副總裁劉宗長(zhǎng)表示：“我們對(duì)NI的CompactRIO和InsightCM進(jìn)行了大量的二次開發(fā)，使之能夠?qū)崿F(xiàn)更多的、貼近用戶需求的邊緣計(jì)算功能，并且滿足遠(yuǎn)程的調(diào)度和管理，最終將有價(jià)值的信息上傳到云端，借以實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算與云計(jì)算的優(yōu)勢(shì)整合?！?/p>

“在原型化的探索階段，NI平臺(tái)化解決方案以靈活快速著稱，對(duì)于有特定需求的客戶，NI能通過自身或攜手合作伙伴提供便捷的二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)滿足客戶自定義需求的平臺(tái)化方案，因此，在不同領(lǐng)域，在不同階段，NI都能以最合適的方案切入?！贝搦i為天澤智云案例的總結(jié)，更折射出NI平臺(tái)化方案的優(yōu)勢(shì)。

3面對(duì)工業(yè)大數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)，NI枕戈待旦

預(yù)測(cè)性維護(hù)作為工業(yè)大數(shù)據(jù)最重要的應(yīng)用之一，是IIoT“價(jià)值變現(xiàn)”的開始，貫穿整個(gè)IIoT過程，無論監(jiān)測(cè)、測(cè)試、控制，還是后期到云端、決策端的處理，這一切都要以工業(yè)大數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)。

圖4?NI認(rèn)為解決工業(yè)大數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)需要兩步

而為解決工業(yè)大數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)，NI認(rèn)為第一步便是更智能的測(cè)量，第二步還需要更智能的數(shù)據(jù)管理，這些都離不開更先進(jìn)的智能解決方案不斷推出。僅在今年的NIWEEK?2017上，NI便一口氣推出數(shù)款新品，例如：最大限度減少使用NI數(shù)據(jù)采集設(shè)備或第三方臺(tái)式儀器進(jìn)行測(cè)量的時(shí)間的LabVIEW?NXG;強(qiáng)調(diào)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理的分布式系統(tǒng)管理軟件SystemLink;監(jiān)測(cè)資產(chǎn)健康狀況，以便制定運(yùn)營(yíng)和維護(hù)計(jì)劃的企業(yè)級(jí)分布式在線監(jiān)測(cè)軟件NI?InsightCM?;以及支持TSN功能的最新CompactDAQ以太網(wǎng)機(jī)箱cDAQ-9185和cDAQ-9189……

圖5.?NI攜手產(chǎn)業(yè)鏈上下游巨頭成立IIoT?Lab

除了推出更智能的解決方案，NI更重視大生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)，不論是今年初攜手產(chǎn)業(yè)鏈上下游巨頭，共同創(chuàng)辦工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室(IIoT?Lab)，加速全球范圍內(nèi)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的融合演進(jìn);還是加強(qiáng)培養(yǎng)本土合作伙伴，例如北京天澤智云、同濟(jì)大學(xué)工業(yè)4.0-智能工廠實(shí)驗(yàn)室等，NI正積極將國(guó)際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)本土化，以自身的平臺(tái)化方案為基礎(chǔ)，加速推進(jìn)中國(guó)制造2025的到來。