基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備智能化管控云平臺建設(shè)方案研究

摘 要：隨著兩化融合及智能制造的深入推進(jìn)，以大規(guī)模定制化生產(chǎn)為重點(diǎn)的柔性化生產(chǎn)制造模式促使生產(chǎn)設(shè)備愈加復(fù)雜多樣，傳統(tǒng)的設(shè)備管理模式已無法適用于多設(shè)備的集成與智能化管理，因此依托先進(jìn)成熟的信息技術(shù)和管理理念構(gòu)建設(shè)備智能化管控體系成為了當(dāng)前智能制造領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)。本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘等新興技術(shù)，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備智能化管控云服務(wù)平臺建設(shè)方案，以期為企業(yè)提高生產(chǎn)效率、增收益降成本提供保障的同時，也為設(shè)備管理平臺的建設(shè)提供一條可行思路。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；云平臺；數(shù)據(jù)挖掘；設(shè)備管控

中圖分類號：TP391.48 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）12-0282-02

1 引 言

隨著德國工業(yè)4.0的興起及中國制造2025的落實(shí)推進(jìn)，工業(yè)設(shè)備向著自動化與智能化的方向不斷深入發(fā)展。與此同時，制造企業(yè)面臨著產(chǎn)品定制化、設(shè)備多樣化、系統(tǒng)復(fù)雜化等生產(chǎn)模式加速集聚的挑戰(zhàn)，使得企業(yè)基于信息化手段進(jìn)行智能化改造的需求越發(fā)迫切[1]。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)旨在將傳感器、控制器、生產(chǎn)設(shè)備等要素通過某種方式進(jìn)行無縫相連，以形成生產(chǎn)過程信息化、遠(yuǎn)程管控智能化的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)[2]。然而，這也導(dǎo)致了設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)具有海量性、復(fù)雜性、異構(gòu)性及動態(tài)性的特點(diǎn)，使得傳統(tǒng)設(shè)備管理系統(tǒng)難以滿足工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場所需的高效率、高質(zhì)量、精確決策及實(shí)時控制的要求。

當(dāng)前，以預(yù)知性維護(hù)決策為核心的設(shè)備管控理念和方法成為了智能制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其主要依托物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)挖掘、云計(jì)算等技術(shù)構(gòu)建設(shè)備智能管理平臺，不僅可以為用戶提供動態(tài)可伸縮的虛擬化資源，還能基于分布式計(jì)算來充分利用現(xiàn)有的計(jì)算與存儲能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時處理和挖掘分析[3]。通過挖掘獲取的設(shè)備健康狀態(tài)趨勢實(shí)現(xiàn)設(shè)備維管的智能規(guī)劃，以滿足企業(yè)在生產(chǎn)可持續(xù)、提高設(shè)備使用率等方面的迫切需求，同時對支撐企業(yè)實(shí)施面向智能制造的智能化設(shè)備管理具有重要意義。

2 設(shè)備智能化管控關(guān)鍵技術(shù)

如圖1所示，設(shè)備生命周期管理一般包括采購期、運(yùn)行期和報(bào)廢期，其中從設(shè)備開始使用到申請報(bào)廢這一時間區(qū)間為運(yùn)行期，是設(shè)備管控服務(wù)的重點(diǎn)階段。設(shè)備智能化管控主要基于智能化設(shè)備管理理念，以設(shè)備預(yù)知性維護(hù)策略及生產(chǎn)計(jì)劃排程為核心，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)挖掘和云計(jì)算等技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能感知、維護(hù)、實(shí)時預(yù)警和高效集成，涉及的關(guān)鍵技術(shù)包含以下幾方面：

2.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)

針對企業(yè)個性化需求構(gòu)建設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)，在考慮經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的情況下選擇合適的傳感器及采集終端來滿足設(shè)備數(shù)據(jù)采集需要，在利用傳感器和無線感應(yīng)技術(shù)的同時輔以人工檢查，可以解決因傳統(tǒng)人工方式帶來的不準(zhǔn)確、不及時、效率低等問題。

2.2 數(shù)據(jù)存儲技術(shù)

設(shè)備數(shù)據(jù)的規(guī)模海量、類型復(fù)雜及結(jié)構(gòu)異質(zhì)等特點(diǎn)對數(shù)據(jù)存儲技術(shù)提出越來越高的要求。從安全、成本等因素考慮，可以將采集的數(shù)據(jù)存入云端存儲系統(tǒng)中，云存儲系統(tǒng)支持本地和云端數(shù)據(jù)流動，同時容災(zāi)備份和業(yè)務(wù)遷移較為方便。

2.3 數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)

設(shè)備智能化管理需要基于一系列數(shù)據(jù)狀態(tài)特征構(gòu)建的映射模型來量化設(shè)備狀態(tài)，而數(shù)據(jù)狀態(tài)特征需要通過數(shù)據(jù)挖掘分析獲?。孩賹υ紨?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理及特征提?。虎趯μ卣骺臻g降維到工程實(shí)用的層次；③采用統(tǒng)計(jì)模型識別設(shè)備狀態(tài)，通過狀態(tài)評估為設(shè)備健康預(yù)測提供分析依據(jù)和基礎(chǔ)。

2.4 設(shè)備健康趨勢預(yù)測及可視化技術(shù)

健康趨勢預(yù)測方法主要包括基于模型、基于知識和基于數(shù)據(jù)的狀態(tài)預(yù)測，涉及機(jī)器學(xué)習(xí)、智能搜索等算法。此外，可利用各種可視化工具或圖形化手段直觀呈現(xiàn)多維度的預(yù)測結(jié)果，實(shí)現(xiàn)設(shè)備使用情況、消耗預(yù)警、潛在故障預(yù)測等應(yīng)用需求的可視化分析。

3 設(shè)備管控云服務(wù)平臺系統(tǒng)架構(gòu)

智能、高效的設(shè)備管理體系是設(shè)備維管部門和企業(yè)決策者的追求，基于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能等信息技術(shù)和先進(jìn)的設(shè)備管理知識，構(gòu)建符合企業(yè)管理模式的設(shè)備管理體系，讓設(shè)備管理從單一臺賬管理進(jìn)化到集數(shù)據(jù)智能采集、多維分析、實(shí)時預(yù)警、高效維護(hù)等功能為一體的全方位管理平臺?；诖?，本文提出一種基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備智能化管控云服務(wù)平臺方案，該平臺共分為五個層次，如圖2所示。

3.1 物聯(lián)感知層

物聯(lián)感知層通過網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)采集生產(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)備數(shù)據(jù)，包括設(shè)備環(huán)境數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)及生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)。區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)涉及的傳感設(shè)備種類較多，包括各類傳感器、攝像頭、移動終端、PLC及儀器儀表等采集裝備。不同的設(shè)備具有不同的監(jiān)測參數(shù)，因此可針對特定工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和個性化需求，在考慮經(jīng)濟(jì)和實(shí)用性的情況下選擇相適應(yīng)的傳感器及監(jiān)測技術(shù)來滿足多維度設(shè)備數(shù)據(jù)采集的需要，為后續(xù)的分析決策提供數(shù)據(jù)支撐。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層

物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層主要用于提供上傳設(shè)備數(shù)據(jù)到云平臺存儲中心所需的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，包括有線網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)及無線網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間的自由切換和無縫對接。通過將物聯(lián)感知層的數(shù)據(jù)快速傳遞至云平臺存儲服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)通信。此外，在網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)面向不同設(shè)備類型的泛接入通信協(xié)議XM2M以及各種傳輸協(xié)議（如TCP、UDP、MPI等），支持不同制造領(lǐng)域、不同類型設(shè)備的接入，從根本上解決基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備管控云平臺跨領(lǐng)域應(yīng)用的問題，降低應(yīng)用的實(shí)施和推廣成本。

3.3 云服務(wù)平臺層

云服務(wù)平臺層是整個平臺架構(gòu)的核心，主要提供數(shù)據(jù)接入、存儲、計(jì)算、監(jiān)控和管理等服務(wù)。該層包括平臺運(yùn)行所需的軟硬件組成和各種研發(fā)要素，構(gòu)建統(tǒng)一的基于云服務(wù)的硬件平臺、軟件基礎(chǔ)平臺以及數(shù)據(jù)庫平臺，并通過整合各個應(yīng)用功能軟件實(shí)現(xiàn)平臺開放式數(shù)據(jù)接口服務(wù)。此外，該層還提供設(shè)備數(shù)據(jù)挖掘服務(wù)，通過集成各種預(yù)測算法實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)更深層次的挖掘分析，為后續(xù)的智能應(yīng)用與決策提供有力保障。

3.4 智能應(yīng)用層

該層基于數(shù)據(jù)挖掘模塊獲得的知識信息，針對各種業(yè)務(wù)需求提供相應(yīng)的支持服務(wù)，包括設(shè)備健康狀態(tài)管理、設(shè)備管理及優(yōu)化、遠(yuǎn)程診斷、故障分析等核心功能應(yīng)用。平臺既可基于實(shí)際案例提供若干典型的模型框架供用戶直接使用，也可提供復(fù)雜且個性化的應(yīng)用服務(wù)。

3.5 角色層

該層提供用戶與平臺的數(shù)據(jù)接口，針對不同角色需要賦予相應(yīng)的權(quán)限。用戶根據(jù)自己的角色權(quán)限分別登陸到各自的業(yè)務(wù)平臺進(jìn)行業(yè)務(wù)處理。采用面向?qū)ο蠼５乃枷?，根?jù)角色權(quán)限的不同構(gòu)建相應(yīng)的工作平臺，然后利用組件技術(shù)封裝打包和集成，在底層通過強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)各功能模塊之間的數(shù)據(jù)共享和統(tǒng)一。

4 平臺預(yù)期效果

基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備智能化管控云服務(wù)平臺實(shí)現(xiàn)從底層設(shè)備接入管理、設(shè)備數(shù)據(jù)分析到智能決策應(yīng)用等多個階段的功能需求。通過物聯(lián)網(wǎng)采集終端獲取設(shè)備的固有屬性、運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)環(huán)境等數(shù)據(jù)，設(shè)備的實(shí)時位置信息可以通過短信、郵件等方式實(shí)時推送，也可以通過平臺進(jìn)行準(zhǔn)確查詢和定位顯示。通過云平臺數(shù)據(jù)挖掘模塊自動對設(shè)備故障情況、潛在隱患、異常征兆與劣化信息進(jìn)行預(yù)測，及時做出故障分析、診斷和評估。此外，挖掘結(jié)果可基于可視化方法生成設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、異常預(yù)測、故障分布趨勢等圖表，為設(shè)備是否按規(guī)范要求進(jìn)行運(yùn)作提供直觀的參考數(shù)據(jù)。將上述可視化信息實(shí)時推送給設(shè)備維保部門，通過分析及時掌握設(shè)備運(yùn)行情況和故障解決方案，并實(shí)施相應(yīng)的工作調(diào)度和安排，指派維護(hù)人員及時趕到現(xiàn)場維修，從而達(dá)到提高設(shè)備生產(chǎn)效率、降低設(shè)備故障率以及實(shí)現(xiàn)設(shè)備管控PDCA循環(huán)的目的。

該平臺具備全面的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入功能、靈活的數(shù)據(jù)接口、多方位的數(shù)據(jù)保護(hù)、高效的云平臺數(shù)據(jù)存儲和豐富的數(shù)據(jù)挖掘能力，可以推動價值鏈整合與業(yè)務(wù)創(chuàng)新。未來可根據(jù)客戶需求和技術(shù)發(fā)展繼續(xù)豐富和完善設(shè)備管控云服務(wù)平臺的各項(xiàng)功能，保持平臺的魯棒性和技術(shù)先進(jìn)性，為企業(yè)提供設(shè)備管理整體解決方案，并為工業(yè)云平臺的建設(shè)提供共性基礎(chǔ)技術(shù)。

5 結(jié) 語

“中國制造 2025”、“兩化融合”等國家戰(zhàn)略明確提出要利用先進(jìn)的信息技術(shù)助力制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級。智能制造的興起以及生產(chǎn)制造模式向著大規(guī)模定制化的轉(zhuǎn)變，使得設(shè)備管理更加需要引入預(yù)知管理決策為核心的智能化管控策略與方法。通過物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)挖掘以及云計(jì)算技術(shù)的有機(jī)整合構(gòu)建智能化設(shè)備管控云平臺，能夠高效、智能地實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理從單一臺賬管理進(jìn)化到集數(shù)據(jù)采集、存儲、挖掘分析等云服務(wù)為一體的全方位管控。在保障企業(yè)設(shè)備可靠性和安全性的前提下，通過提高生產(chǎn)效率、降低維護(hù)成本來提升企業(yè)競爭力，并為企業(yè)設(shè)備管理平臺的建設(shè)提供一條可行思路。

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收稿日期：2018-4-11

作者簡介：廖一星（1981-），男，工程師，大學(xué)，主要從事IT技術(shù)服務(wù)工作。