基于云計(jì)算的智能高端裝備遠(yuǎn)程運(yùn)維管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張艾森

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

0 引言

智能裝備作為智能制造的重要組成部分，其領(lǐng)域涉及到多種不同的設(shè)備類型，在多種工業(yè)場(chǎng)景下廣泛使用。智能高端裝備通常具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和高度集成的特點(diǎn)，高效、可靠的遠(yuǎn)程運(yùn)維管控系統(tǒng)是確保設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)和降低管理成本的重要手段。

本文提出一種基于云計(jì)算技術(shù)的智能高端裝備遠(yuǎn)程運(yùn)維管控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，詳細(xì)介紹系統(tǒng)架構(gòu)、實(shí)現(xiàn)方案和案例分析，以智能機(jī)器人為例驗(yàn)證該系統(tǒng)的實(shí)際效果和應(yīng)用效果，為提高智能裝備的運(yùn)行效率和管理水平提供有益的參考。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)主要包括裝備端和云平臺(tái)兩部分。裝備端包括了設(shè)備管理和數(shù)據(jù)采集模塊，云平臺(tái)則包括了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析和遠(yuǎn)程操作模塊。兩端之間通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和控制。智能裝備云平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能裝備云平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 裝備端

裝備端主要負(fù)責(zé)設(shè)備管理和數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)，其主要功能包括設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、控制、維護(hù)和保養(yǎng)等。對(duì)于不同種類的裝備，可以采用不同的設(shè)備管理方式。在數(shù)據(jù)采集方面，需要根據(jù)裝備特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括采集的數(shù)據(jù)類型、頻率、通信協(xié)議等。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性，可以采用加密、壓縮等技術(shù)。

（1）設(shè)備管理方面。不同種類的裝備其監(jiān)測(cè)、控制、維護(hù)和保養(yǎng)的方式和手段都是不同的。例如，在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中，設(shè)備管理的主要目標(biāo)是確保生產(chǎn)設(shè)備的正常運(yùn)行，因此可以使用傳感器、PLC 控制系統(tǒng)等手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。

（2）數(shù)據(jù)采集方面，需要考慮采集的數(shù)據(jù)類型、頻率和通信協(xié)議等問(wèn)題。以物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程終端設(shè)備為例，可以通過(guò)傳感器采集氣體、光照、溫度、濕度等數(shù)據(jù)，以及終端設(shè)備本身的電壓、電流等基本信息。然后根據(jù)不同的實(shí)際需求和應(yīng)用情況，對(duì)數(shù)據(jù)采集的頻率、精度、數(shù)據(jù)格式進(jìn)行優(yōu)化，使用UDP、TCP/IP 等通信協(xié)議將采集數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)，以便進(jìn)行分析處理和決策支持。

（3）保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩€(wěn)定性，可以采用加密、壓縮等技術(shù)。例如，使用TLS/SSL 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸加密，采用MQTT 協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮，以減少數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中帶寬和存儲(chǔ)的需求，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

（4）配置管理和遠(yuǎn)程維護(hù)功能可以提高系統(tǒng)的易用性和可靠性。例如，可以提供智能手機(jī)APP，并設(shè)置用戶權(quán)限等，以方便用戶管理設(shè)備并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和維護(hù)。在物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程終端設(shè)備中，可以設(shè)置設(shè)備參數(shù)、批量升級(jí)固件等遠(yuǎn)程維護(hù)功能，以方便設(shè)備運(yùn)維人員管理和維護(hù)設(shè)備。

1.2 云平臺(tái)

云平臺(tái)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析和遠(yuǎn)程操作。其中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要包括了原始數(shù)據(jù)和處理后的數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)用于后續(xù)的分析和處理，處理后的數(shù)據(jù)則可以為用戶提供實(shí)時(shí)的裝備狀態(tài)信息。數(shù)據(jù)分析方面，則可借助大數(shù)據(jù)的處理能力進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)挖掘和分析，進(jìn)一步優(yōu)化裝備的運(yùn)行效率、降低維護(hù)成本。遠(yuǎn)程操作是指通過(guò)云平臺(tái)對(duì)裝備進(jìn)行控制和管理，包括遠(yuǎn)程診斷、故障排除、設(shè)備調(diào)整等功能。同時(shí)，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性，云平臺(tái)還需要采用高級(jí)加密、安全認(rèn)證等技術(shù)（圖2）。

圖2 云平臺(tái)工作流程

在云平臺(tái)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是非常重要的組成部分，因?yàn)閿?shù)據(jù)是企業(yè)和組織中最重要的資產(chǎn)之一。因此，云平臺(tái)系統(tǒng)需要采用備份、容錯(cuò)、災(zāi)備等技術(shù)，以確保數(shù)據(jù)能夠得到充分的保護(hù)，不會(huì)發(fā)生意外丟失。

（1）備份技術(shù)是云平臺(tái)系統(tǒng)中保護(hù)數(shù)據(jù)的最核心技術(shù)之一。備份的目的是為了當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或被損壞等情況時(shí)，能夠及時(shí)從備份的數(shù)據(jù)中還原出原始數(shù)據(jù)。因此，當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云平臺(tái)的服務(wù)器上時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多次備份，確保數(shù)據(jù)的安全性。

（2）容錯(cuò)技術(shù)是指在發(fā)生硬件故障時(shí)，系統(tǒng)仍能保證設(shè)備繼續(xù)工作的技術(shù)。目前容錯(cuò)技術(shù)主要包括糾錯(cuò)碼（ECC）和校驗(yàn)和（CRC）。糾錯(cuò)碼技術(shù)是一種對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼的過(guò)程，數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)會(huì)對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)和糾正。這樣即使在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，系統(tǒng)仍然可以通過(guò)糾錯(cuò)碼對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和恢復(fù)，確保數(shù)據(jù)的完整性。校驗(yàn)和技術(shù)是尋找任何給定數(shù)據(jù)塊的校驗(yàn)和，以確保數(shù)據(jù)的完整性。這種技術(shù)通常用于在文件傳輸期間驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性，一旦數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤，系統(tǒng)就會(huì)報(bào)告錯(cuò)誤，以確保數(shù)據(jù)的完整性。

（3）災(zāi)備技術(shù)的主要目的是在出現(xiàn)自然災(zāi)害、電源中斷、網(wǎng)絡(luò)中斷等情況時(shí)，系統(tǒng)能夠更快速恢復(fù)至正常的工作狀態(tài)。在云平臺(tái)系統(tǒng)中，災(zāi)備技術(shù)通常包括了備用服務(wù)器和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的使用。如果云平臺(tái)系統(tǒng)的工作服務(wù)器出現(xiàn)故障，備用服務(wù)器可以立即接管服務(wù)，確保服務(wù)的穩(wěn)定性。如果數(shù)據(jù)中心遇到災(zāi)害，備用數(shù)據(jù)中心可以存儲(chǔ)系統(tǒng)備份數(shù)據(jù)，并在發(fā)生災(zāi)難時(shí)及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)，保障數(shù)據(jù)的安全性（圖3）。

圖3 災(zāi)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 實(shí)現(xiàn)方案

2.1 裝備端實(shí)現(xiàn)

在裝備端的實(shí)現(xiàn)方面，需要考慮裝備類型不同，可能需要采用不同的方案。例如，對(duì)于機(jī)械手臂等電動(dòng)設(shè)備，可以通過(guò)接入工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線等裝備通信接口，采集設(shè)備工作狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)。而對(duì)于傳感器等感知器材，則可以通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，需要注意通信協(xié)議的兼容性以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院桶踩浴?/p>

2.2 云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

在云平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方面，需要考慮如何保證穩(wěn)定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、高效的數(shù)據(jù)分析和安全的遠(yuǎn)程操作。采用Hadoop 分布式文件系統(tǒng)，可以將數(shù)據(jù)分成多個(gè)塊存儲(chǔ)在不同的服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多副本備份和可擴(kuò)展性，提高存儲(chǔ)效率和可靠性。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，可采用分布式存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的復(fù)制備份以及災(zāi)備等功能。數(shù)據(jù)分析方面，則可結(jié)合深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、建模等。例如，采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、聚類、異常檢測(cè)等，從而提高對(duì)裝備狀態(tài)的預(yù)測(cè)能力。遠(yuǎn)程操作方面，則需要采用安全認(rèn)證、權(quán)限控制等技術(shù)保證合法性和安全性。利用OAuth認(rèn)證來(lái)保障用戶的身份認(rèn)證，同時(shí)基于角色的訪問(wèn)控制（RBAC）來(lái)管理用戶訪問(wèn)權(quán)限、限制用戶的操作和訪問(wèn)范圍，從而保證數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的安全性。這些技術(shù)的應(yīng)用和組合，可以使云平臺(tái)的運(yùn)維能力得到大幅提升，優(yōu)化裝備的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本。

3 案例分析

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的實(shí)際效果，以智能機(jī)器人為例進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該機(jī)器人采用光學(xué)測(cè)距儀、視覺(jué)傳感器等設(shè)備進(jìn)行環(huán)境感知和自主導(dǎo)航。以裝備端的硬件為控制要點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的遠(yuǎn)程操作、故障診斷等功能。而云平臺(tái)則通過(guò)數(shù)據(jù)分析、模型預(yù)測(cè)等技術(shù)，在機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控、分析和優(yōu)化處理，提高了機(jī)器人的識(shí)別精度和控制穩(wěn)定性。在該智能機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)中，云平臺(tái)和裝備端的技術(shù)優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮，為機(jī)器人的運(yùn)行提供了通力合作的支撐。

在裝備端，智能機(jī)器人采用光學(xué)測(cè)距儀、視覺(jué)傳感器等技術(shù)進(jìn)行環(huán)境感知和自主導(dǎo)航，同時(shí)通過(guò)遠(yuǎn)程操作和故障診斷功能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控。在處理數(shù)據(jù)方面，裝備端采用本地?cái)?shù)據(jù)處理器和算法來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，提高響應(yīng)速度和減少數(shù)據(jù)傳輸成本。其次，云平臺(tái)具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和處理功能，應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、建模、預(yù)測(cè)技術(shù)等，優(yōu)化裝備的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本。對(duì)機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中采集的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和姿態(tài)等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和評(píng)估，從而提高了機(jī)器人的識(shí)別精度和控制穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，機(jī)器人的控制算法逐步優(yōu)化，提高了機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和控制精度，同時(shí)降低了運(yùn)動(dòng)能耗，從而擴(kuò)大了機(jī)器人的使用范圍及應(yīng)用領(lǐng)域。

系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用于智能機(jī)器人領(lǐng)域，同樣也可以用于其他裝備及設(shè)施的智能化、碼頭和船舶自主導(dǎo)航等業(yè)務(wù)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用前景廣泛。

4 應(yīng)用與展望

（1）工業(yè)制造：在工業(yè)制造領(lǐng)域，智能機(jī)器人通過(guò)云平臺(tái)系統(tǒng)的協(xié)同支持，不僅提高了生產(chǎn)線的靈活性和生產(chǎn)效率，同時(shí)降低了人工操作和維護(hù)開(kāi)銷。以汽車(chē)工業(yè)為例，生產(chǎn)線采用了結(jié)合云平臺(tái)系統(tǒng)的智能機(jī)器人，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)時(shí)品質(zhì)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、追溯和分析，促進(jìn)了制造水平的持續(xù)升級(jí)。云平臺(tái)智能機(jī)器人系統(tǒng)在機(jī)械制造、電子制造、食品制造等領(lǐng)域也具有廣泛應(yīng)用前景，智能化生產(chǎn)將大大提高企業(yè)的運(yùn)營(yíng)能力和商品質(zhì)量，有望成為未來(lái)工業(yè)制造的主流趨勢(shì)。

（2）醫(yī)療保?。航Y(jié)合云平臺(tái)技術(shù)，構(gòu)建基于機(jī)器人的智能化醫(yī)療系統(tǒng)。例如，在醫(yī)療設(shè)備的維護(hù)方面，智能機(jī)器人采用云平臺(tái)系統(tǒng)的支持，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化的醫(yī)療設(shè)備維護(hù)，從而保障了設(shè)備的正常運(yùn)行，提高醫(yī)院效率。在病房?jī)?nèi)，智能機(jī)器人不僅能夠通過(guò)傳感器和生物識(shí)別技術(shù)對(duì)患者進(jìn)行監(jiān)測(cè)，還可以通過(guò)遠(yuǎn)程操作或語(yǔ)音交互，為患者提供快速的診療和健康管理服務(wù)。

（3）交通設(shè)備：基于云計(jì)算的智能高端裝備遠(yuǎn)程運(yùn)維管控系統(tǒng)可以應(yīng)用于各種交通設(shè)備，例如高速公路收費(fèi)系統(tǒng)、地鐵信號(hào)控制系統(tǒng)、航空交通管制系統(tǒng)等。這些設(shè)備需要高度精準(zhǔn)的控制和監(jiān)測(cè)，而基于云計(jì)算的遠(yuǎn)程運(yùn)維管控系統(tǒng)可以通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)分析等功能，提高設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性，同時(shí)降低維護(hù)成本和提高運(yùn)行效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于云計(jì)算技術(shù)的智能高端裝備遠(yuǎn)程運(yùn)維管控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)架構(gòu)、實(shí)現(xiàn)方案和案例分析，并以智能機(jī)器人為例驗(yàn)證了該系統(tǒng)的實(shí)際效果和應(yīng)用效果。該系統(tǒng)能夠優(yōu)化裝備的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本，提高智能裝備的運(yùn)行效率和管理水平，為智能制造和工業(yè)智能化提供參考。