工業(yè)場(chǎng)景中基于云計(jì)算的遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)研究

王嘉寧

(上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院有限公司，上海 200233)

0 引言

智能制造是基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)的深度融合，貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式[1]。當(dāng)前，以智能制造為代表的新一輪產(chǎn)業(yè)變革發(fā)展迅猛，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化日益成為制造業(yè)的主要趨勢(shì)。為加速我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、提質(zhì)增效，“十三五”期間智能制造工程將同步實(shí)施數(shù)字化制造普及、智能化制造示范，分類(lèi)開(kāi)展離散型智能制造、流程型智能制造、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造、大規(guī)模個(gè)性定制、遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)5種新模式試點(diǎn)示范[2]。作為5種制造模式的典型代表，遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)在近年來(lái)越來(lái)越受到大家關(guān)注。在國(guó)家發(fā)布的智能制造標(biāo)準(zhǔn)化體系中，運(yùn)維服務(wù)是其中重要的組成部分[3]。

1 遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)

隨著智能制造概念的提出，運(yùn)維技術(shù)開(kāi)始發(fā)展。從傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷到基于網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷，到現(xiàn)在的基于大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的遠(yuǎn)程運(yùn)維?；谶\(yùn)維技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)集成了集狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、預(yù)測(cè)性維護(hù)、設(shè)備備件管理等功能為一體的系統(tǒng)。目前，基于云端的遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)常見(jiàn)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)常見(jiàn)架構(gòu)圖

就工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的特點(diǎn)而言，首先對(duì)象層的設(shè)備數(shù)量和每臺(tái)設(shè)備采集的參數(shù)種類(lèi)較多，因此在狀態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。而工控環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、時(shí)延性也有要求，因此傳統(tǒng)的分布式監(jiān)測(cè)診斷模式難以適應(yīng)現(xiàn)在的工業(yè)環(huán)境。云計(jì)算的出現(xiàn)大大提高了數(shù)據(jù)的計(jì)算能力和利用率，邊緣計(jì)算的出現(xiàn)則在要求低時(shí)延的場(chǎng)合發(fā)揮了巨大的作用。

2 對(duì)象層

對(duì)象層為遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)的底層，是遠(yuǎn)程運(yùn)維數(shù)據(jù)的來(lái)源。通過(guò)傳感器對(duì)對(duì)象設(shè)備進(jìn)行“狀態(tài)監(jiān)測(cè)”獲取各項(xiàng)參數(shù)，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸至上層。對(duì)象層為遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)基礎(chǔ)要素，承擔(dān)遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)中“狀態(tài)監(jiān)測(cè)”功能。整個(gè)遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)是建立在狀態(tài)監(jiān)測(cè)之上的。如果不能正確有效獲取參數(shù)，整個(gè)遠(yuǎn)程運(yùn)維都無(wú)從展開(kāi)。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜多樣性，每個(gè)行業(yè)建立對(duì)象層時(shí)需考慮的要素也不盡相同。以下列舉幾種典型工業(yè)場(chǎng)景中對(duì)象層的實(shí)際情況和應(yīng)考慮的問(wèn)題。

(1)大型高端重裝備，其現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境往往比較惡劣，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施較差，單臺(tái)設(shè)備采集參數(shù)多，關(guān)鍵設(shè)備采集頻率較高[4]。因此，工業(yè)環(huán)境下的對(duì)象層應(yīng)考慮的問(wèn)題是如何保證狀態(tài)數(shù)據(jù)有效傳輸，以及如何在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境限制的條件下傳輸足夠的數(shù)據(jù)。

(2)數(shù)控機(jī)床。目前數(shù)控機(jī)床場(chǎng)景的遠(yuǎn)程運(yùn)維已經(jīng)較為成熟，每臺(tái)獨(dú)立的機(jī)床都有標(biāo)準(zhǔn)化的通信接口，大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床都自帶狀態(tài)監(jiān)測(cè)和一定的故障診斷功能。使用數(shù)控機(jī)床的車(chē)間環(huán)境相對(duì)其他行業(yè)較好，數(shù)控機(jī)床所需監(jiān)測(cè)的參數(shù)較為固定。但是由于數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠(chǎng)家不同，每臺(tái)機(jī)床采用的通信協(xié)議不同，不同型號(hào)的機(jī)床可能對(duì)同一故障的描述信號(hào)也不同。因此，此工業(yè)環(huán)境下對(duì)象層應(yīng)考慮的問(wèn)題是如何組網(wǎng)，以及如何正確地識(shí)別每臺(tái)機(jī)床的監(jiān)控信息。

(3)鋼鐵行業(yè)。鋼鐵行業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較差，且設(shè)備種類(lèi)多，其數(shù)據(jù)特點(diǎn)體現(xiàn)在數(shù)據(jù)量巨大、數(shù)據(jù)產(chǎn)生速度快、數(shù)據(jù)類(lèi)型繁雜。與前面兩個(gè)工業(yè)場(chǎng)景不同，鋼鐵行業(yè)的數(shù)據(jù)來(lái)自不同類(lèi)型的設(shè)備，有風(fēng)機(jī)、泵、高爐、排風(fēng)機(jī)、減速機(jī)等[5]。數(shù)據(jù)類(lèi)型也比較多樣，除了電信號(hào)外還涉及音頻視頻等信號(hào)。此外，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，噪聲較高，因此在傳感器選擇和狀態(tài)監(jiān)測(cè)位置的選擇上也需要更多的考慮。對(duì)象層應(yīng)考慮的問(wèn)題有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方式、傳感器的選擇、監(jiān)測(cè)位置的選擇、如何支持現(xiàn)場(chǎng)各類(lèi)裝備和工業(yè)系統(tǒng)異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集等。

(4)風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)景的特點(diǎn)是：①發(fā)電機(jī)組地處偏遠(yuǎn)網(wǎng)絡(luò)條件差；②自然環(huán)境惡劣且不穩(wěn)定、風(fēng)機(jī)故障率相對(duì)較高；③風(fēng)機(jī)多，單個(gè)風(fēng)機(jī)上的傳感器多，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)種類(lèi)多。此場(chǎng)景中應(yīng)考慮傳感器的選擇、信號(hào)的傳輸以及監(jiān)測(cè)參數(shù)的選擇[6]。

從上述舉例可知，各個(gè)不同的工業(yè)場(chǎng)景的對(duì)象層需考慮的側(cè)重點(diǎn)不同。但是對(duì)于絕大多數(shù)場(chǎng)景，對(duì)象層應(yīng)達(dá)到以下要求才能滿(mǎn)足遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

①對(duì)象設(shè)備應(yīng)能提供有效的數(shù)據(jù)。對(duì)于沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化接口或無(wú)法提供所需特定參數(shù)的設(shè)備應(yīng)額外加裝傳感器，傳感器的選擇應(yīng)考慮安裝位置是否能準(zhǔn)確測(cè)量參數(shù)、是否會(huì)受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾、是否會(huì)影響設(shè)備本身運(yùn)行以及本身成本問(wèn)題等因素。

②搭建現(xiàn)場(chǎng)局域網(wǎng)時(shí)應(yīng)考慮組網(wǎng)方式及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬、時(shí)延、功耗、連接數(shù)量、覆蓋范圍、距離長(zhǎng)短來(lái)選擇組網(wǎng)方式。

③應(yīng)保證數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性和完整性符合要求。

3 邊緣層

邊緣層為連接工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和上層云端的層級(jí)，承擔(dān)了設(shè)備接入、數(shù)據(jù)匯集、協(xié)議適配、數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)處理等任務(wù)。在非工業(yè)場(chǎng)合的遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)中，邊緣層并不是必須的， 邊緣層的功能都可以在云端實(shí)現(xiàn)。但是在大多數(shù)工業(yè)場(chǎng)景中都需要設(shè)置邊緣層。這是因?yàn)橄噍^于邊緣層，云端計(jì)算有以下缺點(diǎn)。

①實(shí)時(shí)性較差。云計(jì)算的處理速度受影響因素較多，比如網(wǎng)絡(luò)帶寬、計(jì)算任務(wù)總量、請(qǐng)求相應(yīng)環(huán)節(jié)等。雖然我國(guó)現(xiàn)在大力發(fā)展5G等先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但是總體而言，目前的網(wǎng)絡(luò)帶寬還不足以支撐復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境。如上文提到的鋼鐵、發(fā)電等行業(yè)的數(shù)據(jù)量較大，使用云計(jì)算很難保證實(shí)時(shí)要求。

②比較依賴(lài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。某些工業(yè)場(chǎng)景的環(huán)境較差，比如偏遠(yuǎn)山區(qū)、隧道等場(chǎng)景下很難有良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

③網(wǎng)絡(luò)傳輸經(jīng)濟(jì)成本較高。目前我國(guó)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行商主要以數(shù)據(jù)流量來(lái)計(jì)費(fèi)，過(guò)高的帶寬和流量會(huì)給企業(yè)來(lái)帶更高的成本?？梢圆捎眠吘墝觼?lái)解決這些問(wèn)題。由于邊緣層處于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，能夠在數(shù)據(jù)產(chǎn)生側(cè)迅速的相應(yīng)需求，減少了對(duì)網(wǎng)絡(luò)依賴(lài)，滿(mǎn)足了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)低時(shí)延高可靠的要求。以下列舉兩個(gè)邊緣層的案例。

某機(jī)床遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)為機(jī)床提供故障診斷、健康管理、預(yù)測(cè)性維護(hù)等服務(wù)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集周期是7×24 h，采集頻率是毫秒級(jí)。如果這些數(shù)據(jù)全部實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆贫耍瑒t需要較大的帶寬且流量較大，成本費(fèi)用較高。因此，工廠(chǎng)配備了某品牌的智能盒子作為邊緣層。該智能盒子具有以下功能。

①協(xié)議適配功能。確保不同生產(chǎn)廠(chǎng)的機(jī)床都能正確的連接到遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)。

②常見(jiàn)故障診斷功能。對(duì)于機(jī)床常見(jiàn)的故障可以直接作出診斷。

③數(shù)據(jù)處理功能。將原始數(shù)據(jù)分析處理壓縮后，按分鐘為周期傳輸?shù)竭h(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)。

④數(shù)據(jù)緩存功能。如果遇到網(wǎng)絡(luò)中斷，盒子可以?xún)?chǔ)存一定時(shí)間的數(shù)據(jù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后續(xù)傳到遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，該企業(yè)使用了智能盒子后，產(chǎn)能增效達(dá)15%以上。

某鋼鐵企業(yè)大數(shù)據(jù)中心平臺(tái)，上文提到鋼鐵行業(yè)數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類(lèi)型繁雜、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備多，因此如將所有數(shù)據(jù)直接上傳到云端是不現(xiàn)實(shí)的。對(duì)于這種情況，需要配置專(zhuān)門(mén)的服務(wù)器構(gòu)建邊緣計(jì)算系統(tǒng)。該企業(yè)將邊緣計(jì)算系統(tǒng)分為了四個(gè)領(lǐng)域：①設(shè)備域,感知處理信息；②網(wǎng)絡(luò)域,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的異構(gòu)協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如RS-485、TC/IP等；③數(shù)據(jù)域,對(duì)所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，緩解數(shù)據(jù)傳輸壓力；④應(yīng)用域,快速處置和調(diào)整生產(chǎn)能力。構(gòu)成邊緣計(jì)算系統(tǒng)的設(shè)備有智能攝像頭、服務(wù)器、智能終端等。

由上述案例可見(jiàn)，就硬件設(shè)備而言，邊緣節(jié)點(diǎn)的設(shè)備并不固定，智能網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器、智能終端甚至是智能攝像頭都可以作為邊緣節(jié)點(diǎn)存在。

4 傳輸層

傳輸層指的是工廠(chǎng)與云端連接的網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)將工廠(chǎng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?。?duì)于遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)構(gòu)建而言，網(wǎng)絡(luò)傳輸層應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合理的網(wǎng)絡(luò)。由于對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)馁|(zhì)量、安全、速率等都有完善的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)/行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作為支撐，且我國(guó)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)都有三大運(yùn)營(yíng)商提供，許多企業(yè)都忽視了網(wǎng)絡(luò)安全要素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2018年，我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域中暴露在互聯(lián)網(wǎng)上的VxWorks系統(tǒng)的主機(jī)超過(guò)了15 000臺(tái)，其中存在無(wú)補(bǔ)丁或者補(bǔ)丁更新不及時(shí)的主機(jī)超過(guò)了30%。這些系統(tǒng)都存在數(shù)據(jù)泄漏、遭受黑客攻擊的安全隱患。

5 云端

云端為整個(gè)架構(gòu)的最頂層，承擔(dān)了整個(gè)系統(tǒng)最繁重的數(shù)據(jù)處理任務(wù)。云端對(duì)所有采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立故障模型和壽命預(yù)測(cè)模型，以此作為故障診斷和預(yù)測(cè)性維護(hù)的依據(jù)。云端以平臺(tái)的型式將遠(yuǎn)程運(yùn)維中涉及到的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、預(yù)測(cè)性維護(hù)、設(shè)備備件管理等功能集成在一起，提供給用戶(hù)可視化的結(jié)果。用戶(hù)可通過(guò)PC機(jī)、手機(jī)、平板或其他智能終端訪(fǎng)問(wèn)平臺(tái)。

基于云端的遠(yuǎn)程運(yùn)維模式是以后必然的發(fā)展方向。

①云計(jì)算能力強(qiáng)大。云端的計(jì)算能力有目共睹，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)量大。如果僅對(duì)單一或部分設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程運(yùn)維，那么企業(yè)可通過(guò)自建的數(shù)據(jù)中心或上文提到的邊緣層達(dá)到運(yùn)維目的。

②云端的數(shù)據(jù)來(lái)源廣。遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)中的故障診斷和預(yù)測(cè)性維護(hù)功能非常依賴(lài)于數(shù)據(jù)量，需要有足夠多的數(shù)據(jù)來(lái)支撐建模。因此傳統(tǒng)的運(yùn)維技術(shù)僅僅能診斷常見(jiàn)故障，對(duì)于單一、偶發(fā)故障由于數(shù)據(jù)量不足很難做出診斷。云端的數(shù)據(jù)來(lái)源可以是不同地區(qū)，不同環(huán)境，不同企業(yè)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量更充分，預(yù)測(cè)和診斷更為準(zhǔn)確。

③通用性強(qiáng)。云端平臺(tái)不僅僅針對(duì)一種設(shè)備提供服務(wù)，在大數(shù)據(jù)的支持下，同一個(gè)平臺(tái)可針對(duì)不同的設(shè)備提供服務(wù)，相對(duì)傳統(tǒng)的運(yùn)維系統(tǒng)更為靈活。

從我國(guó)政策角度來(lái)看，國(guó)家也鼓勵(lì)企業(yè)使用云服務(wù)。工信部提出到2020年，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)企業(yè)上云環(huán)境進(jìn)一步優(yōu)化，行業(yè)企業(yè)上云意識(shí)和積極性明顯提高，上云比例和應(yīng)用深度顯著提升，云計(jì)算在企業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理中的應(yīng)用廣泛普及。全國(guó)新增上云企業(yè)100萬(wàn)家，形成典型標(biāo)桿應(yīng)用案例100個(gè)以上，新建一批有影響力、帶動(dòng)力的云平臺(tái)和企業(yè)上云體驗(yàn)中心[7]。

然而，目前我國(guó)許多工業(yè)企業(yè)的遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)僅僅是把數(shù)據(jù)傳送到企業(yè)自己的數(shù)據(jù)中心，并沒(méi)有真正的上云。根據(jù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的調(diào)研顯示，目前我國(guó)已有工業(yè)云服務(wù)平臺(tái)超過(guò)300家，但是平臺(tái)基礎(chǔ)能力仍相對(duì)薄弱。根據(jù)聯(lián)盟對(duì)168家企業(yè)的評(píng)估數(shù)據(jù)，至2018年，80%的平臺(tái)連接設(shè)備協(xié)議種類(lèi)不足20，分析工具不足20個(gè)，68%平臺(tái)提供的工業(yè)機(jī)理模型不足20個(gè)，54%平臺(tái)提供的為服務(wù)不足20個(gè)。我國(guó)平臺(tái)生態(tài)構(gòu)建還與國(guó)外有較大的差距。

造成這個(gè)現(xiàn)象主要有以下原因。

①工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)歸屬不明晰，企業(yè)不愿把自己的生產(chǎn)數(shù)據(jù)交給云端。

②企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)涉密，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系不允許上傳數(shù)據(jù)至云端。

③我國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)剛剛起步，大多數(shù)企業(yè)還處于轉(zhuǎn)型階段，還沒(méi)有全面使用云的需求。

④工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估尚不成熟，缺乏完善的標(biāo)準(zhǔn)體系。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)智能制造戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，基于云端的遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)將是未來(lái)運(yùn)維技術(shù)的發(fā)展方向。相比目前的遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)，基于云端的遠(yuǎn)程運(yùn)維具有計(jì)算力強(qiáng)、診斷預(yù)測(cè)能力強(qiáng)、適用性廣等特點(diǎn)。然而，要想全面運(yùn)用于工業(yè)場(chǎng)景，還有很多工作需要做，包括對(duì)現(xiàn)有的工業(yè)環(huán)境進(jìn)行改造、加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全管理、完善平臺(tái)自身能力等?？深A(yù)見(jiàn)的是，隨著這些問(wèn)題的解決，該技術(shù)必將稱(chēng)為智能制造總體技術(shù)中不可或缺的重要組成部分。