基于“端—邊—云”的社區(qū)設(shè)備設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

史運(yùn)濤教授 張蔭芬副研究員 黨亞光

(1.北方工業(yè)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，北京 100144；2.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京100089)

0 引言

社區(qū)人群成分復(fù)雜，人員密度和流動(dòng)性大，社區(qū)內(nèi)設(shè)備設(shè)施種類(lèi)繁多，運(yùn)行條件各異，既有水電氣等長(zhǎng)期不間斷運(yùn)行的系統(tǒng)，也有供暖設(shè)備等季節(jié)性運(yùn)行的系統(tǒng)，還有消防電梯等間歇性運(yùn)行的設(shè)備，社區(qū)人—機(jī)—物的空間交疊造成技術(shù)故障與人因故障時(shí)有發(fā)生，引發(fā)安全事故的風(fēng)險(xiǎn)大大增加且后果嚴(yán)重。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈邊緣計(jì)算和云計(jì)算等技術(shù)的迅速發(fā)展，為社區(qū)設(shè)備設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控、預(yù)測(cè)預(yù)警及智能防范帶來(lái)新的解決方案。本文主要針對(duì)社區(qū)人員的不安全行為、設(shè)備設(shè)施的不安全狀態(tài)，及管理上的缺陷引發(fā)的設(shè)備設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，提出一種基于“端—邊—云”的社區(qū)設(shè)備設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以期對(duì)社區(qū)設(shè)備設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)治理提供創(chuàng)新思路。另外，對(duì)社區(qū)重點(diǎn)設(shè)備設(shè)施進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控還可以延長(zhǎng)設(shè)備設(shè)施的使用壽命，降低設(shè)備設(shè)施無(wú)益損耗，提升社區(qū)科學(xué)化、精細(xì)化和智能化的綜合治理水平，能夠進(jìn)一步完善城區(qū)治理體系，提高城區(qū)治理能力，是滿(mǎn)足人民日益增長(zhǎng)的美好生活需要的重要一環(huán)。

1 社區(qū)設(shè)備設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題

從近期統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，以火災(zāi)為例，2018年1-8月份，短短8個(gè)月，全國(guó)共接報(bào)火災(zāi)16.61萬(wàn)起，亡933人，傷560人，直接財(cái)產(chǎn)損失20.53億元。其中，8月份全國(guó)消防部門(mén)共接報(bào)火災(zāi)1.42萬(wàn)起，亡90人，傷57人，直接財(cái)產(chǎn)損失1.25億元；從火災(zāi)事故發(fā)生的場(chǎng)所來(lái)看，住宅火災(zāi)及傷亡人數(shù)比重大，共發(fā)生火災(zāi)6 604起，亡56人，分別占8月份總數(shù)的46.4%和62.2%。此外，從起火原因來(lái)看，半數(shù)火災(zāi)系用電用火引起，社區(qū)家庭用火用電的安全形勢(shì)嚴(yán)峻。這些數(shù)據(jù)充分說(shuō)明，保證社區(qū)設(shè)備設(shè)施的安全運(yùn)行是減少社區(qū)風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的關(guān)鍵，如何實(shí)現(xiàn)社區(qū)設(shè)備設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)研究仍然是當(dāng)今公共安全領(lǐng)域亟待解決的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

從城市公共安全角度看，社區(qū)是城市生命線(xiàn)系統(tǒng)的末梢和“毛細(xì)血管”。社區(qū)各類(lèi)設(shè)備設(shè)施依賴(lài)和銜接著所在城市的生命線(xiàn)系統(tǒng)。在城市遭受自然災(zāi)害、事故災(zāi)難、公共衛(wèi)生事件、社會(huì)安全事件威脅時(shí),社區(qū)生命線(xiàn)系統(tǒng)首當(dāng)其沖，直接承受災(zāi)害主體的猛烈沖擊，社區(qū)設(shè)備設(shè)施的穩(wěn)定運(yùn)行是城市生命線(xiàn)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保障。

從社區(qū)風(fēng)險(xiǎn)事故產(chǎn)生機(jī)理看，絕大多數(shù)事故的發(fā)生均可歸結(jié)為社區(qū)人員的不安全行為、設(shè)備設(shè)施的不安全狀態(tài)及管理上的缺陷這3點(diǎn)。根據(jù)“瑞士奶酪”模型，當(dāng)人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)以及管理漏洞恰好發(fā)生在同一時(shí)間和空間時(shí)，事故就會(huì)發(fā)生，如圖1。因此，如果能夠很好地監(jiān)測(cè)監(jiān)控社區(qū)設(shè)備設(shè)施的不安全狀態(tài)并提前預(yù)警，避免社區(qū)人員的不安全行為與設(shè)備設(shè)施的不安全狀態(tài)同時(shí)、同地出現(xiàn)，就可以有效預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)事故的發(fā)生。

圖1 社區(qū)設(shè)備設(shè)施事故發(fā)生機(jī)理模型Fig.1 Mechanism model of equipment and facility accident in community

2 社區(qū)設(shè)備設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 總體架構(gòu)

圖2為基于“端—邊—云”的社區(qū)設(shè)備設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)。其中，終端層主要包括社區(qū)內(nèi)各設(shè)備設(shè)施系統(tǒng)及采用無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的監(jiān)測(cè)裝備。邊緣層的智能邊緣網(wǎng)關(guān)一方面支持通過(guò)多協(xié)議轉(zhuǎn)換方法接入各設(shè)備設(shè)施系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并利用NB-IoT、4G和5G等多種通訊方式傳輸數(shù)據(jù)；另一方面基于區(qū)塊鏈技術(shù)可以解決數(shù)據(jù)信任和社區(qū)設(shè)備設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題的溯源。云層主要為設(shè)備設(shè)施一體化風(fēng)險(xiǎn)防控軟件，具有設(shè)備設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控、預(yù)測(cè)預(yù)警及智能防范功能。

2.2 社區(qū)設(shè)備設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于“端—邊—云”的社區(qū)設(shè)備設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)主要分為終端層、邊緣層以及云層的功能設(shè)計(jì)。

2.2.1 終端層功能設(shè)計(jì)

終端層是指社區(qū)設(shè)備設(shè)施系統(tǒng)的實(shí)物資產(chǎn)。社區(qū)的設(shè)備設(shè)施系統(tǒng)主要包括供配電、給排水、燃?xì)?、消防、HVAC(采暖、通風(fēng)、空調(diào))、電梯等等。這些操作系統(tǒng)通常由各種傳感器、執(zhí)行器和設(shè)備組成。顯然，這些設(shè)備資產(chǎn)的數(shù)據(jù)格式和通信協(xié)議比較復(fù)雜，難以統(tǒng)一訪(fǎng)問(wèn)。因此，對(duì)于基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控，終端層需要能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同通信協(xié)議的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。此外，社區(qū)內(nèi)設(shè)備設(shè)施系統(tǒng)一般都已部署多年，部分資產(chǎn)可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖2 基于“端—邊—云”的社區(qū)設(shè)備設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 The architecture risk monitoring system for community equipment and facility based on "end-edge-cloud"

針對(duì)社區(qū)供配電、給排水、燃?xì)?、消防、暖通空調(diào)、電梯等重點(diǎn)設(shè)備設(shè)施，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)社區(qū)各類(lèi)型設(shè)備設(shè)施的監(jiān)控與管理。首先，通過(guò)構(gòu)建社區(qū)設(shè)備設(shè)施的低延時(shí)、低功耗、本質(zhì)安全的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)，如6LoWPAN和LoRa無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備設(shè)施運(yùn)行環(huán)境數(shù)據(jù)采集，同時(shí)支持RS485、4-20 mA、0-5V、數(shù)字量等通信接口的傳感器數(shù)據(jù)接入；對(duì)于社區(qū)內(nèi)的有線(xiàn)物理資產(chǎn)，設(shè)備設(shè)施供應(yīng)商通常使用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議(見(jiàn)下表)，社區(qū)一般包括Modbus、OPC UA、BACnet、KNX、M-Bus、S7、CAN-Bus等通信協(xié)議設(shè)備設(shè)施。

表 社區(qū)設(shè)備設(shè)施的主要通信協(xié)議Tab. Main communication protocols of community equipment and facility

續(xù)表

2.2.2 邊緣層功能設(shè)計(jì)

邊緣層主要設(shè)計(jì)了一種智能邊緣網(wǎng)關(guān)。該邊緣網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)設(shè)備設(shè)施的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸任務(wù),集成了6LoWPAN/LoRa通信模塊，支持6LoWPAN和LoRa傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯聚和處理。

在邊緣網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)了一種多協(xié)議轉(zhuǎn)換模型(如圖3)，邊緣網(wǎng)關(guān)通過(guò)數(shù)據(jù)接口接入終端層不同通信協(xié)議的設(shè)備設(shè)施，通過(guò)協(xié)議解析單元讀取并解析設(shè)備設(shè)施數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)底層設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的接入，并將設(shè)備設(shè)施多協(xié)議數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)緩存區(qū)等待協(xié)議轉(zhuǎn)換。然后將上述緩存區(qū)多協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為具有物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)格式(MQTT協(xié)議)。

圖3 多協(xié)議轉(zhuǎn)換模型Fig.3 Multi protocol conversion model

因此邊緣網(wǎng)關(guān)具有多協(xié)議轉(zhuǎn)換和傳輸功能，即支持將多種不同協(xié)議設(shè)備設(shè)施數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的MQTT協(xié)議數(shù)據(jù)，并支持利用NB-IoT/4G/5G無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)將多協(xié)議設(shè)備設(shè)施數(shù)據(jù)傳送到云平臺(tái)，為云層的數(shù)據(jù)分析與場(chǎng)景應(yīng)用提供數(shù)據(jù)源，云層通過(guò)MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)多協(xié)議數(shù)據(jù)的接入和統(tǒng)一。

此外，為解決數(shù)據(jù)信任和社區(qū)設(shè)備設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題溯源，在邊緣網(wǎng)關(guān)利用區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建一種安全機(jī)制。同一局域網(wǎng)下的多個(gè)邊緣網(wǎng)關(guān)形成一個(gè)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，用于它們之間的數(shù)據(jù)交換，如圖4。考慮到邊緣網(wǎng)關(guān)的性能限制，對(duì)安全機(jī)制的實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)化。

圖4 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.4 Blockchain network structure

安全機(jī)制的實(shí)現(xiàn)主要是在邊緣網(wǎng)關(guān)上開(kāi)發(fā)并部署區(qū)塊鏈錢(qián)包和區(qū)塊鏈服務(wù)。其中，區(qū)塊鏈錢(qián)包用于存儲(chǔ)每個(gè)邊緣網(wǎng)關(guān)的區(qū)塊鏈服務(wù)生成的公鑰和私鑰。區(qū)塊鏈服務(wù)提供前端管理頁(yè)面，社區(qū)管理員可以通過(guò)前端頁(yè)面上傳社區(qū)燃?xì)庠O(shè)施維護(hù)信息、設(shè)備異常警報(bào)信息等等。區(qū)塊鏈服務(wù)可以實(shí)現(xiàn)交易創(chuàng)建和驗(yàn)證，區(qū)塊創(chuàng)建、驗(yàn)證以及區(qū)塊共識(shí)，最終完成共識(shí)過(guò)程的區(qū)塊被存儲(chǔ)在邊緣網(wǎng)關(guān)本地的區(qū)塊鏈中。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題時(shí)，利用區(qū)塊鏈中存儲(chǔ)的設(shè)備維護(hù)信息和異常狀態(tài)信息可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題的溯源。通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)溯源數(shù)據(jù)信息的長(zhǎng)期積累，對(duì)社區(qū)設(shè)備設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)隱患采取有針對(duì)性的預(yù)防措施。

2.2.3 云層功能設(shè)計(jì)

云平臺(tái)部署了社區(qū)多類(lèi)型設(shè)備設(shè)施一體化安全運(yùn)行的大數(shù)據(jù)智能分析技術(shù)與風(fēng)險(xiǎn)防控軟件系統(tǒng)，如圖5。通過(guò)開(kāi)發(fā)設(shè)備設(shè)施安全生命周期的監(jiān)控管理軟件并集成封裝，實(shí)現(xiàn)社區(qū)多類(lèi)型設(shè)備設(shè)施實(shí)時(shí)運(yùn)行的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)報(bào)警、故障診斷、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和智能防范。

圖5 社區(qū)設(shè)備設(shè)施一體化風(fēng)險(xiǎn)防控軟件Fig.5 Integrated risk prevention and control software for community equipment facility

其中，物聯(lián)網(wǎng)接入平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)社區(qū)設(shè)備設(shè)施的數(shù)據(jù)接入和設(shè)備設(shè)施信息注冊(cè)、增刪改查等設(shè)備管理功能；數(shù)據(jù)平臺(tái)通過(guò)Kafka消息隊(duì)列轉(zhuǎn)發(fā)和處理設(shè)備設(shè)施運(yùn)行數(shù)據(jù)和設(shè)備接入信息數(shù)據(jù)，通過(guò)設(shè)定規(guī)則，對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、變型、轉(zhuǎn)發(fā)，將數(shù)據(jù)無(wú)縫轉(zhuǎn)發(fā)至MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)表，以便利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)分析。

業(yè)務(wù)管理層主要實(shí)現(xiàn)了社區(qū)設(shè)備設(shè)施一體化風(fēng)險(xiǎn)防控軟件的主要功能。具體包括：支持設(shè)備設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、可視化展示及異常狀態(tài)預(yù)警報(bào)警功能；支持基于建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)和地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)三維可視化的設(shè)備設(shè)施全生命周期風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控；構(gòu)建基于知識(shí)圖譜的社區(qū)設(shè)備設(shè)施安全運(yùn)行專(zhuān)家規(guī)則庫(kù)、事故案例庫(kù)的智能問(wèn)答系統(tǒng)，推動(dòng)社區(qū)設(shè)備設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)分析的專(zhuān)業(yè)化和智能化水平；基于設(shè)備設(shè)施實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)(Support Vector Machine，SVM)等方法建立數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型的故障診斷模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)備設(shè)施故障實(shí)時(shí)診斷及故障預(yù)警；通過(guò)構(gòu)建社區(qū)設(shè)備設(shè)施系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，實(shí)現(xiàn)社區(qū)設(shè)備設(shè)施的動(dòng)靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。一方面，基于專(zhuān)家打分法、層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)、故障樹(shù)分析(Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA)、事件樹(shù)(Event Tree Analysis，ETA)和蝶形圖分析(Bow-tie)等建立設(shè)備設(shè)施靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型；另一方面，基于設(shè)備設(shè)施實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(Bayesian Networks，BN)、圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Graph Neural Networks，GNN)、關(guān)聯(lián)規(guī)則(Apriori)以及模糊—隨機(jī)森林等方法建立設(shè)備設(shè)施動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。

3 結(jié)論

本文以社區(qū)設(shè)備設(shè)施的監(jiān)測(cè)監(jiān)控、預(yù)測(cè)預(yù)警及智能防范為目標(biāo)，提出一種基于“端—邊—云”的社區(qū)設(shè)備設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具體如下：

(1)基于物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算、區(qū)塊鏈和人工智能等技術(shù)，構(gòu)建社區(qū)設(shè)備設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，解決了社區(qū)設(shè)備設(shè)施不安全狀態(tài)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控難題。

(2)分別給出終端層、邊緣層以及云層的詳細(xì)功能設(shè)計(jì)方案。在終端層，利用6LoWPAN和LoRa網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)設(shè)備設(shè)施運(yùn)行環(huán)境的數(shù)據(jù)采集；邊緣層通過(guò)多協(xié)議轉(zhuǎn)換接入設(shè)備設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并基于區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題溯源；最后，云層的多種模型實(shí)現(xiàn)了設(shè)備設(shè)施實(shí)時(shí)運(yùn)行的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，自動(dòng)報(bào)警、故障診斷、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和智能防范。

(3)通過(guò)在社區(qū)實(shí)際應(yīng)用示范表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)社區(qū)設(shè)備設(shè)施安全從“故障檢、周期檢”到“風(fēng)險(xiǎn)檢、智能檢”的提升，為全面提升社區(qū)安全保障能力和水平提供科技支撐。

(4)針對(duì)社區(qū)設(shè)備設(shè)施系統(tǒng)因相關(guān)影響、相互耦合引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，本文沒(méi)有研究設(shè)備設(shè)施耦合風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)評(píng)估模型。未來(lái)，在社區(qū)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的支撐下，開(kāi)展多因素耦合作用下的社區(qū)設(shè)備設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)具有重要意義。