工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)架構(gòu)與應(yīng)用

1、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)架構(gòu)與應(yīng)用摘要在研究德國Rami4.0標(biāo)準(zhǔn)以及美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)的基礎(chǔ)上，本文采用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的概念，進(jìn)一步突出信息物理系統(tǒng)(CPS:Cyber-Physical System)技術(shù)體系，并結(jié)合工業(yè)大數(shù)據(jù)的特征，提出通用的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)架構(gòu)，形成工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案，該解決方案將關(guān)注于CPS的通用應(yīng)用場(chǎng)景?；诖思軜?gòu)體系開發(fā)了橋梁健康監(jiān)測(cè)及養(yǎng)護(hù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁日常運(yùn)行情況的監(jiān)管，為橋梁維保提供決策支持。目前，該平臺(tái)在上海市某橋梁得以應(yīng)用。關(guān)鍵詞物聯(lián)網(wǎng)，工業(yè)大數(shù)據(jù)，信息物理系統(tǒng)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中圖法分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：Adoi:10.3969/j.issn.167

2、4-7933.2016.06.040引言隨著互聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高度發(fā)展，信息化與工業(yè)系統(tǒng)深度融合，由此引發(fā)了生產(chǎn)力、生產(chǎn)關(guān)系、生產(chǎn)技術(shù)、商業(yè)模式以及創(chuàng)新模式等方面的深刻變革，使整個(gè)工業(yè)系統(tǒng)邁向全面智能化。業(yè)界稱之為第四次工業(yè)革命;。為了趕上工業(yè)革命的浪潮，為了成為第四次工業(yè)革命的領(lǐng)頭羊，各國紛紛提出了相關(guān)戰(zhàn)略。2013年4月，德國政府在漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上正式提出工業(yè)4.0戰(zhàn)略【1】，其核心是通過充分利用信息通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng)信息物理系統(tǒng)(CPS，Cyber-Physical System)相結(jié)合的手段，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型，其目的是為了提高德國工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，在新一輪工業(yè)革命中占領(lǐng)先機(jī)

3、。2013年6月美國通用電氣公司(GE)提出的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略，代表全球工業(yè)系統(tǒng)與智能傳感技術(shù)、高級(jí)計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析，以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的連接與融合。其核心三要素包括智能設(shè)備、先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析工具，以及人與設(shè)備的交互接口。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是智能制造體系與智能服務(wù)體系的深度融合，是工業(yè)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈與價(jià)值鏈的整合與外延。2015年明，中國國務(wù)院印發(fā)中國制造2025？，部署全面推進(jìn)實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略，其核心為通過信息化和工業(yè)化兩化深度融合來引領(lǐng)和帶動(dòng)整個(gè)制造業(yè)的發(fā)展，并率先進(jìn)行重點(diǎn)領(lǐng)域和重點(diǎn)工程建設(shè)。無論是德國的工業(yè)4.0、美國的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，還是中國的中國制造2025，這些體系都是基于CPS的，也就是基于虛擬世界跟物

4、理世界的全新制造體系，包含了數(shù)據(jù)采集（傳感）、工業(yè)云、協(xié)同和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的全面使用。本文在研究德國Rami4.0標(biāo)準(zhǔn)及美國的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合大數(shù)據(jù)在工業(yè)上的價(jià)值，提出通用的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)架構(gòu)體系，基于該架構(gòu)體系開發(fā)橋梁健康監(jiān)測(cè)及養(yǎng)護(hù)平臺(tái)。1標(biāo)準(zhǔn)研究1.1德國Rami4.O標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)2013年4月，德國機(jī)械及制造商協(xié)會(huì)(VDMA)、德國電氣電子(ZWEI)以及信息技術(shù)協(xié)會(huì)（BITKOM）設(shè)立了工業(yè)4.0平臺(tái);，并確定規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)、安全、研究與創(chuàng)新三大主題。2015年3月，德國電氣電子行業(yè)協(xié)會(huì)(ZWEI)確定工業(yè)4.0參考架構(gòu)-Rami4.0和工業(yè)4.0組件-lndustri

5、e 4.O-Komponentec4，作為為企業(yè)發(fā)展未來產(chǎn)品和業(yè)務(wù)模式的基礎(chǔ)。Rami4.0框架體系標(biāo)準(zhǔn)從企業(yè)應(yīng)用、IT.生產(chǎn)流程三個(gè)視覺和緯度進(jìn)行了架構(gòu)定義，如圖1所示。Rami4.0框架體系將分階段融入到工業(yè)4.0中：水平層面實(shí)行企業(yè)控制系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)IEC62264和批量控制標(biāo)準(zhǔn)IEC61512，控制范圍包括工廠內(nèi)不同的部門或功能單位，為了充分闡述工業(yè)4.0的整個(gè)系統(tǒng)，這些功能單位已經(jīng)擴(kuò)大到工件、產(chǎn)品標(biāo)簽，以及所有接入到物聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備。價(jià)值流層面執(zhí)行國際電工委員會(huì)的工業(yè)流程測(cè)量、控制和自動(dòng)化系統(tǒng)及產(chǎn)品生命周期管理標(biāo)準(zhǔn)IEC62890，同時(shí)，強(qiáng)調(diào)了設(shè)計(jì)原型與實(shí)際產(chǎn)品的區(qū)別與聯(lián)系。1.2美國工

6、業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)2014年3月，由GE聯(lián)合AT&T、思科、IBM和英特爾發(fā)起成立美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(Industrial Internet Consortium，IIC)，成為推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化的重要平臺(tái)。IIC以參考架構(gòu)為引導(dǎo)，通過企業(yè)自主開發(fā)應(yīng)用案例，組織企業(yè)進(jìn)行垂直領(lǐng)域的應(yīng)用探索，支持搭建試驗(yàn)床作為驗(yàn)證平臺(tái)，并借助其他標(biāo)準(zhǔn)組織力量，推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)加快發(fā)展與落地。2015年6月，IIC發(fā)布工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)v1.0【5】，參考架構(gòu)文件概括了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)，在實(shí)施工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)解決方案前必須考慮的各項(xiàng)要點(diǎn)，并分析了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的主要問題，包括安全隱私、互操作性，以及連通性等。其

7、架構(gòu)如圖2所示。不同于德國Rami4.0標(biāo)準(zhǔn)更多的關(guān)注于智能工廠以及智能制造本身，美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)更多關(guān)注于服務(wù)。通過傳感和感知技術(shù)將位于邊緣層的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)匯聚到平臺(tái)層的服務(wù)平臺(tái)上，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化和挖掘分析為企業(yè)提供相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用服務(wù)。2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)架構(gòu)無論是德國的工業(yè)4.0、美國的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還是中國制造2025，這些體系都是基于信息物理系統(tǒng)( CPS)，由美國NSF（美國國家可續(xù)基金會(huì)）于2006年提出。CPS是基于虛擬世界跟物理世界的全新制造體系，包含了數(shù)據(jù)采集（傳感）、工業(yè)云、協(xié)同和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的全面使用。CPS被認(rèn)為是第四次工業(yè)革命的

8、核心技術(shù)。本文采用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的概念，進(jìn)一步突出CPS技術(shù)體系，并結(jié)合工業(yè)大數(shù)據(jù)的特征，提出通用的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)架構(gòu)體系，形成工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案，該解決方案將關(guān)注于CPS的通用應(yīng)用場(chǎng)景，而不僅限于智能制造領(lǐng)域。2.1物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的工業(yè)大數(shù)據(jù)在大數(shù)據(jù)的概念提出以前，物聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)智能化的重要手段，在實(shí)踐中企業(yè)花費(fèi)大量的人力、財(cái)力、物力建造物聯(lián)網(wǎng)，通過數(shù)以千、萬計(jì)的傳感器采集設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)總是發(fā)揮不到其價(jià)值，最終往往只能存在數(shù)據(jù)中心，占用更多的IT資源，造成更大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。近年來，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，人們開始從數(shù)據(jù)應(yīng)用的角度重新審視物聯(lián)網(wǎng)所采集的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)重點(diǎn)在準(zhǔn);，而不

9、在多;。也就是說在搭建物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境之前先要考慮數(shù)據(jù)應(yīng)用的價(jià)值與功能，反推需要采集、分析的數(shù)據(jù)內(nèi)容，進(jìn)而構(gòu)造出符合實(shí)際應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)。眾所周知，一般意義上的大數(shù)據(jù)具有4V;特征，即Volume-量，即非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的超大規(guī)模和快速增長(zhǎng)；Velocity-速度，即實(shí)時(shí)分析而非批量式分析，數(shù)據(jù)的產(chǎn)生與采集異常頻繁；Variety-多樣性，即大數(shù)據(jù)的異構(gòu)與多樣；Veracity-真實(shí)性，即避免數(shù)據(jù)收集和提煉過程中發(fā)生的數(shù)據(jù)質(zhì)量污染所導(dǎo)致的虛假;信息。而在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，大數(shù)據(jù)應(yīng)該加兩個(gè)V;【6】，即Visibility-可見性，即通過大數(shù)據(jù)分析使以往不可見的重要因素和信息變得可見；Value-價(jià)值，

10、即通過大數(shù)據(jù)分析得到的信息應(yīng)該被轉(zhuǎn)換成價(jià)值。2.2 CPS體系下的數(shù)據(jù)價(jià)值體現(xiàn)CPS不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的技術(shù)，而是一個(gè)具有清晰架構(gòu)和使用流程的技術(shù)體系。它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、匯總、解析、排序、分析、預(yù)測(cè)、決策、分發(fā)的整個(gè)處理流程，具有對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行流水線式實(shí)時(shí)分析的能力，并在分析過程中充分考慮機(jī)理邏輯、流程關(guān)系、活動(dòng)目標(biāo)、商業(yè)活動(dòng)等特征和要求。因此，CPS是工業(yè)大數(shù)據(jù)分析中智能化體系的核心，CPS的5C架構(gòu)如圖3所示。2.3工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)架構(gòu)基于CPS體系構(gòu)建工業(yè)物理網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)架構(gòu)，如圖4所示。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)整體架構(gòu)分為三層：接入層、平臺(tái)層以及應(yīng)用層。接入層定義傳感器或用戶數(shù)據(jù)接人

11、平臺(tái)所涉及到的通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以及與平臺(tái)層進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的傳輸協(xié)議。其中核心組件為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)適配各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和協(xié)議類型，支持各類傳感器和智能硬件的接入，解決數(shù)據(jù)與多種應(yīng)用平臺(tái)間的兼容性問題，同時(shí)，對(duì)各采集節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)在局部范圍內(nèi)進(jìn)行協(xié)同處理，并通過數(shù)據(jù)傳輸模塊接入廣域承載網(wǎng)絡(luò)。平臺(tái)層包括網(wǎng)絡(luò)、管理組件和應(yīng)用組件三個(gè)部分。網(wǎng)絡(luò)將來自接入層的各類信息通過基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦芾斫M件；管理組件為用戶提供一個(gè)可視化的系統(tǒng)管理、配置平臺(tái)，幫助用戶快速搭建物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的整個(gè)體系架構(gòu)，以及提供支撐整個(gè)物聯(lián)應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行的技術(shù)基礎(chǔ)，主要體現(xiàn)為快速的數(shù)據(jù)分析能力和事件處理能力。應(yīng)用組件為用戶提供一個(gè)可

12、視化的數(shù)據(jù)展現(xiàn)平臺(tái)，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的展現(xiàn)，數(shù)據(jù)對(duì)比、關(guān)聯(lián)等基礎(chǔ)性的數(shù)據(jù)分析結(jié)果展現(xiàn)，以及事件告警；應(yīng)用組件為用戶提供各種界定明晰的大數(shù)據(jù)應(yīng)用API，方便用戶調(diào)用或集成，同時(shí)提供開放的API接口，實(shí)現(xiàn)用戶自己定義的應(yīng)用模塊接入平臺(tái)。應(yīng)用組件的價(jià)值主要體現(xiàn)在為用戶提供一個(gè)模塊化的云服務(wù)系統(tǒng)，用戶要做的可能僅僅是功能上的集成與剪裁。應(yīng)用層即平臺(tái)功能與實(shí)際行業(yè)相結(jié)合的完整應(yīng)用系統(tǒng)，平臺(tái)基于真實(shí)的應(yīng)用案例提供若干典型的應(yīng)用模型框架供用戶直接使用，也提供復(fù)雜應(yīng)用定制的服務(wù)。3橋梁健康監(jiān)測(cè)及養(yǎng)護(hù)平臺(tái)目前，大數(shù)據(jù)已在橋梁工程中得到廣泛應(yīng)用，各政府部門和科研單位都建立了相關(guān)橋梁信息庫，同時(shí)選擇在跨海、跨江大橋上建

13、立橋梁健康監(jiān)測(cè)試點(diǎn)。一座跨?；蚩缃髽蛎刻飚a(chǎn)生幾十個(gè)GB甚至是上百個(gè)GB的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，但目前的大部分橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的采集與展現(xiàn)，怎樣用大數(shù)據(jù)的思維方式去挖掘其價(jià)值仍然是個(gè)值得討論的問題。本文基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)架構(gòu)搭建橋梁健康監(jiān)測(cè)及養(yǎng)護(hù)平臺(tái)。每一個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)在云端的平臺(tái)上都有個(gè)可以實(shí)時(shí)更新的在線模型，任何監(jiān)測(cè)、檢測(cè)或其它監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都可以在云端或客戶端展現(xiàn)，工作人員隨時(shí)可以獲得橋梁的健康狀態(tài)信息，同時(shí)表明橋梁運(yùn)營(yíng)過程中的問題并提出決策信息。3.1平臺(tái)架構(gòu)基于工業(yè)物聯(lián)大數(shù)據(jù)平臺(tái)架構(gòu)，搭建橋梁健康監(jiān)測(cè)及養(yǎng)護(hù)平臺(tái)，利用各類傳感器采集橋梁環(huán)境、橋體狀況、交通狀況等各類數(shù)據(jù)信息，監(jiān)控橋梁

14、有無變形、伸縮、裂縫、滲水等狀況，并根據(jù)狀況給出報(bào)警信息，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)橋梁健康狀況進(jìn)行評(píng)估，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁日常運(yùn)行情況的監(jiān)管，為橋梁維保提供決策支持。橋梁監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要有監(jiān)測(cè)周邊環(huán)境的風(fēng)荷載、溫濕度設(shè)備，監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、溫度、斜拉索索力、塔頂及主梁位移等設(shè)備，以及監(jiān)測(cè)交通路況的地震、結(jié)冰等設(shè)備，共計(jì)12類傳感器。一般整座橋梁的監(jiān)測(cè)傳感器數(shù)量在1 00個(gè)左右。采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集器，即物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，其一減少整座橋梁數(shù)據(jù)采集終端的數(shù)量，其二統(tǒng)不同數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，利于系統(tǒng)擴(kuò)充。應(yīng)用層中，服務(wù)支撐子層即工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)的楊b功能，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，形成各類事件，以及針對(duì)事件的響應(yīng)策略和方

15、式。數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)以二維地圖或?qū)蛄哼M(jìn)行三維建模的方式展示橋梁的狀況，包括各類監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、報(bào)警信息、巡檢系統(tǒng)等。根據(jù)不同的用戶類型對(duì)其角色和權(quán)限進(jìn)行定義，包括功能權(quán)限及數(shù)據(jù)權(quán)限。系統(tǒng)提供PC終端和移動(dòng)終端等多種訪問方式。3.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在橋梁工程中，數(shù)據(jù)可以劃分為兩類，靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)：1)靜態(tài)數(shù)據(jù)：是對(duì)橋梁建立的信息資料庫，包括橋型、跨徑、材料、簡(jiǎn)稱時(shí)間等基本信息，以及橋梁的病害、健康狀況評(píng)定等相關(guān)內(nèi)容。橋梁基本屬性在系統(tǒng)初始化過程中通過軟件端配置功能錄入，病害及健康狀況在系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)過程保存下來。2)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)：主要來源于橋梁的施工監(jiān)控以及運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，此類數(shù)據(jù)由安裝在橋梁上的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

16、傳感器獲得，諸如速度傳感器、溫濕度傳感器、風(fēng)速儀、位移傳感器等等。針對(duì)不同類型的傳感器采用兩周數(shù)據(jù)采集模式：常規(guī)模擬信號(hào)采集模式以及專用服務(wù)器采集模式。3.3平臺(tái)軟件Web端云平臺(tái)主要由配置管理系統(tǒng)、權(quán)限管理系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、告警管理系統(tǒng)構(gòu)成，如圖5。1)配置管理系統(tǒng)：用戶通過配置管理系統(tǒng)在云端搭建出與實(shí)際橋梁各采集點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的虛擬橋梁，包括橋梁配置、數(shù)據(jù)采集器配置、傳感器配置、參數(shù)配置。2)權(quán)限管理系統(tǒng)：為橋梁管理部門、養(yǎng)護(hù)部門等不同的機(jī)構(gòu)賦予不同的管理權(quán)限，主要有功能權(quán)限和數(shù)據(jù)權(quán)限。3)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：分為實(shí)時(shí)監(jiān)控和歷史查詢兩種方式對(duì)環(huán)境主題、變形主題、應(yīng)力，應(yīng)變主題、振動(dòng)主題進(jìn)行監(jiān)測(cè)。4)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)：結(jié)合橋梁領(lǐng)域知識(shí)對(duì)傳感器采集和人工采集的各類定量、定性數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理分析，按照預(yù)警評(píng)估模型，得到橋梁安全狀態(tài)的評(píng)估和預(yù)警報(bào)告。5)告警管理系統(tǒng)：結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行期間的綜合監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和報(bào)警信息，查詢報(bào)警設(shè)備的位置及相關(guān)信息，啟動(dòng)應(yīng)急管理流程提示。3.4平臺(tái)應(yīng)用本平臺(tái)以上海市中型橋梁為試點(diǎn)開展應(yīng)用，平臺(tái)一期試點(diǎn)主要采集4