2024工業(yè)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用實踐

工業(yè)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用實踐引言隨著工業(yè)進入信息化時代，工業(yè)大數(shù)據(jù)已成為新一輪產(chǎn)業(yè)革命的重要動力。工業(yè)大數(shù)據(jù)以工業(yè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集、特征分析為基礎(chǔ)，對設(shè)備、裝備的質(zhì)量、生產(chǎn)效率、用戶體驗以及產(chǎn)業(yè)鏈進行更有效的優(yōu)化，并為未來的制造系統(tǒng)搭建無憂的環(huán)境[1]4.0美國定義的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，大數(shù)據(jù)在其IBM4.0[23，無數(shù)據(jù)不智能；美國通用電氣GeneralElectriG要的就是數(shù)據(jù)分析，未來每一家工業(yè)企業(yè)也必須是一家軟件企業(yè)，有了軟件必然會有數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)在工業(yè)領(lǐng)域的興起主要由以下因素決定[4]。設(shè)備自動化過程中，控制器產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，然而這些數(shù)據(jù)蘊藏的信息和價值并沒有被充分挖掘。傳感器技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展使實時數(shù)據(jù)的獲取成本不再高昂。云計算等技術(shù)的興起使設(shè)備的運算能力大制造流程和商業(yè)活動變得越來越復(fù)雜，依靠人的經(jīng)驗和分析已經(jīng)無法滿足復(fù)雜的管理和協(xié)同優(yōu)化的需求。工業(yè)領(lǐng)域中，如果設(shè)備數(shù)據(jù)、運維數(shù)數(shù)據(jù)、市場數(shù)據(jù)和上下游產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)據(jù)等能夠在統(tǒng)一的平臺管理，大量的數(shù)據(jù)將會使原本孤立的系統(tǒng)相互連接，使設(shè)備之間可

以通信和交流，也使生產(chǎn)和服務(wù)過程變得更加透明。大數(shù)據(jù)正在改變著人們的生活，過去生活、購物、旅游、娛樂，都已經(jīng)逐步建立起了大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。無論是國家還是企業(yè)，對大數(shù)據(jù)的投入都數(shù)以億計。大數(shù)據(jù)的應(yīng)用也從開始的互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域走向了金與共享的理念，與社會各個領(lǐng)域的結(jié)合，帶動了生產(chǎn)和社會的巨大發(fā)展和進步[5]。工業(yè)大數(shù)據(jù)是大數(shù)據(jù)與智能制造的交叉點，工業(yè)大數(shù)據(jù)是指在工業(yè)產(chǎn)品全生命業(yè)大數(shù)據(jù)基于網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，貫與互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)相比，工業(yè)大數(shù)據(jù)具和解析性等特點，僅僅依靠傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)已無法滿足工業(yè)大數(shù)據(jù)的分析要求[7]。因此工業(yè)大數(shù)據(jù)分析并不僅僅依靠算法工具，而是更加注重邏輯清晰的分析流程和與分析流程匹配的專業(yè)技術(shù)體系?；ヂ?lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)可以從數(shù)據(jù)端出發(fā)看問題，但是工業(yè)大數(shù)據(jù)則應(yīng)該從價值和功能端思考。也就是說，傳統(tǒng)裝備企業(yè)在進行物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)時，如果只是強調(diào)數(shù)據(jù)獲取的途徑、量級，沒有考慮到數(shù)據(jù)的具體分析和利用以及相應(yīng)的功能與目標，很可能就會造成許多數(shù)據(jù)采集回來之后沒有用，而一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)反而沒有采集的情況。表1工業(yè)大數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)區(qū)別分類 工業(yè)大數(shù)據(jù) 互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)要求 全面樣本數(shù)以覆蓋工業(yè)過程中各類變化條時效性要求高大量樣本數(shù)時效性要求低特征提取 注重特征背后的物理意義以特征之間關(guān)聯(lián)性的機理邏輯 依靠統(tǒng)計學(xué)工具挖掘?qū)傩灾g的關(guān)系不注重屬性的具體含義分析手段 數(shù)據(jù)建模分析更加復(fù)；強調(diào)跨學(xué)科技術(shù)的融合

具備成熟的數(shù)據(jù)挖掘算法；輕屬性含義、重價值挖掘，從看似無關(guān)的屬性中找出內(nèi)在價值應(yīng)用領(lǐng)域 健康診故障預(yù)工況識別市場預(yù)測等 圖像識別語音識別語義分偏好推薦等需求驅(qū)動變革以上海華興數(shù)字科技有限公司簡稱華興公司以下簡稱三一集團三一集團旗下工程機械裝備如挖掘機、旋挖鉆機、裝載機、履帶起重機等提供控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)。華興公司從2007年開始機器物聯(lián)的實踐，由于設(shè)備控制器終linguiticsode，通信、傳輸、采集都是自主研發(fā)，因此可

以將任意所需數(shù)據(jù)實時上傳至大數(shù)據(jù)平20多萬臺三一集團設(shè)備的5000多種參數(shù)，低頻數(shù)據(jù)上傳周期為5mi，高頻數(shù)據(jù)上傳周期為20ms有故障數(shù)據(jù)、維保數(shù)據(jù)以及相關(guān)事件數(shù)據(jù)EVisionEV）版用于管理這現(xiàn)了快速增長。華興公司工業(yè)大數(shù)據(jù)之路發(fā)展至今（如圖1所示），每一項功能的開發(fā)都面向用戶的實際需要。圖1華興公司工業(yè)大數(shù)據(jù)發(fā)展歷程從滿足用戶的需求到通過數(shù)據(jù)為公司、用戶創(chuàng)造價值，華興公司的工業(yè)大數(shù)據(jù)經(jīng)歷了如下3個階段。集中顯示階段工程機械的銷售特點與其他商品不某臺車不能按時還款，公司需要及時對其進行法務(wù)處理，因此需要知道每臺貸款車的地理位置?；谶@樣的原因，華興公司2007年開始為三一集團每臺在外運行的設(shè)備安裝全球定位系統(tǒng)globalpositioningsystemGP模塊，并通過控制器將數(shù)器運行的信息上傳到服務(wù)器。隨著數(shù)據(jù)慢慢積累得越來越多，為了展示數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果，華興公司2011年開始籌備開發(fā)易維訊系統(tǒng)。從開始面向公司內(nèi)部提供機型分布、開工率、解鎖機統(tǒng)計等定期的報表，到后期面向客戶提供工時、油耗、周報、月報等功能，功能越來越全面，不僅為領(lǐng)導(dǎo)決策提供了支持，還提升了用戶的設(shè)備使用體驗。統(tǒng)計分析階段易維訊系統(tǒng)的成功應(yīng)用使公司重視了數(shù)據(jù)帶來的潛在價值。三一集團的設(shè)備遍布全國，設(shè)備的運行狀態(tài)某種程度即可反映國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及宏觀經(jīng)濟的情況。因此將易維訊系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行整理，提出了“三一”指數(shù)的概念，2014年開始每月定期向政府機構(gòu)提供該數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)積累之前，公司對產(chǎn)品的定義和驗證都基于有限樣本進行，有了大量的數(shù)據(jù)以后，所有已售出的三一集團機器都可作為試驗機，驗證實際運行過程中其性能也可以第一時間通過分析前期產(chǎn)品的使用情況，從數(shù)據(jù)中提煉出下一代產(chǎn)品定義的相關(guān)指標。

智能服務(wù)階段華興公司從2016年開始升級了服務(wù)器，將原本的物理服務(wù)器全部轉(zhuǎn)移至云上，通過dtaceteropertingDCO通過這些技術(shù)以及一些成熟數(shù)據(jù)挖掘能，為公司的決策和用戶操作體驗的提升工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺華興公司的工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺建立在公挖鉆機等如生產(chǎn)數(shù)據(jù)、客戶相關(guān)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品生命周期數(shù)據(jù)與運行數(shù)據(jù)互通，通過3計算對數(shù)據(jù)進行二手機市場、配件市場等提供全方位的增2pltormasaservcaa業(yè)大數(shù)據(jù)平臺是面向工業(yè)裝備的專業(yè)化平數(shù)據(jù)采集部分采用LM自主組態(tài)軟件與不同頻次數(shù)據(jù)的分級處理。圖2工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)遠程控制終端由控制器和顯示屏組成，是數(shù)據(jù)采集的核心部分，分布在每個工程機械設(shè)備上，負責(zé)接收來自GPS的衛(wèi)星定位信息，并計算出工程機械裝備的位過Wi-Fi/通用分組無線服務(wù)generalpacetradioserviceGPR通信網(wǎng)絡(luò)傳送至數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，通過消息隊列進行流水化處理后，進設(shè)備的核心控制程序由華興公司自主開發(fā)的組態(tài)軟件LMGPS數(shù)據(jù)外，其他機器運行的數(shù)據(jù)（如通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)controllerareanetwor，總線采集的發(fā)動機相關(guān)數(shù)據(jù)、控制器采集的設(shè)備傳感器數(shù)據(jù)以及機器運行中的一些過程數(shù)據(jù)都可以實時上傳。針對振動等高頻數(shù)據(jù)，在程序中提取高頻信息的特征值，轉(zhuǎn)為低頻后再上傳；針對故障1min的高頻數(shù)據(jù)，打包后在非工作時段上傳；針對設(shè)備運行數(shù)據(jù)（用秒級上傳；針對設(shè)備的定位等低頻數(shù)據(jù)5min上傳一次，

節(jié)省云平臺的存儲量。計算平臺負責(zé)數(shù)據(jù)的快速存取和業(yè)務(wù)3所示。為了滿足10萬級臺量每秒鐘數(shù)據(jù)的實時接入需求，系統(tǒng)根據(jù)通信流量對通信網(wǎng)關(guān)進行水平伸縮，數(shù)據(jù)通過Kafka消息隊列進行緩沖，再寫入NoSQL數(shù)據(jù)庫Cassandra。數(shù)據(jù)庫包括工程機械裝備詳理后的音頻/計算平臺使用高性能的ApacheSpark作為計算引擎。原始數(shù)據(jù)通過Spark進行等業(yè)務(wù)需求則通過SparkSQL與SparkMLli進行計算，并將計算結(jié)，供可視化平臺呈現(xiàn)。平臺運維采用Mesosphere公司的數(shù)據(jù)中心操作系統(tǒng)datacentreoperation圖3計算平臺軟件棧systemDC/O進行管理。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心采用服務(wù)器和虛擬機的模型，具有資源碎片化、管理和運維復(fù)雜、部署和更新過程冗長、資源利用率低等缺點。DC/OS將DC/OS在統(tǒng)一的平臺上對微服務(wù)容器、NoSQL數(shù)據(jù)庫集群、Spark集群進行管理和調(diào)度，生更適用于現(xiàn)代化的運維管理。業(yè)務(wù)平臺目前以挖掘機為主要對象，同時也接入了風(fēng)機、旋控鉆機等其他三一單預(yù)測以及挖掘機工況識別等方面為不同App

5所工業(yè)大數(shù)據(jù)的價值主要體現(xiàn)在診斷和可視化平臺從初始端的數(shù)據(jù)源到末端的客戶端，基于全息數(shù)據(jù)可視化構(gòu)架以及分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)施工現(xiàn)場、企業(yè)控制中心、裝配線智能車間監(jiān)控以及公司會議設(shè)備等視頻源的無縫銜接，形成端到圖4業(yè)務(wù)平臺模塊圖5精準畫像表2健康診斷與需求預(yù)測功能模塊功能維度健康診斷挖掘機診斷效能、易損件殘值、核心件殘值、狀態(tài)信息操作手診斷工作飽和度、機器愛護度、使用黏性代理商診斷銷售業(yè)績、服務(wù)業(yè)績服務(wù)工程師診斷工作飽和度、工作能力、工作態(tài)度需求預(yù)測保養(yǎng)訂單預(yù)測精準預(yù)測保養(yǎng)訂單數(shù)量，合理安排工單故障維護預(yù)測預(yù)測機器可能故障，提醒客戶提前采取措施整機銷量預(yù)測預(yù)測不同區(qū)域不同型號機器銷量，為主機廠提供決策支持配件銷售預(yù)測預(yù)測不同區(qū)域配件需求狀態(tài)，供代理商參考核心件庫存預(yù)測預(yù)測核心件消耗狀態(tài)，降低庫存儲備二手機價值預(yù)測評估二手機殘值，為市場提供官方指導(dǎo)價格客戶流失預(yù)測根據(jù)用戶畫像和使用黏性，預(yù)測客戶流失，并采取合理措施意向客戶預(yù)測根據(jù)用戶畫像和使用黏性，預(yù)測客戶購買意向端的可視化和信息化管理。硬件設(shè)備可按需擴展，不會造成重復(fù)建設(shè)；軟件部分模塊化，數(shù)據(jù)源直接讀取計算平臺的結(jié)果數(shù)據(jù)，能夠?qū)⒏鞣N數(shù)據(jù)、視頻、音頻信號以任意大小、任意位置方式呈現(xiàn)在任意的顯示設(shè)備上，兼容主流瀏覽器，提供強大靈活的定制化顯示?？梢暬脚_拓撲如圖6所示?？梢暬脚_主要面向管理層和客戶提供不同的服務(wù)。面向管理層，通過數(shù)據(jù)可視化平臺對全球范圍挖掘機的主要關(guān)注指標進行透明化展示，便于公司管理層統(tǒng)一可視化平臺與實時運行的挖掘機數(shù)據(jù)對接展示公司的產(chǎn)品競爭力、高效的售后服務(wù)能力與運維能力，進一步提高企業(yè)形象、品牌價值和客戶滿意度。服務(wù)內(nèi)容包括決策、顯示和互動。決策平臺可與公司現(xiàn)有視頻設(shè)備兼容，若辦公室已安裝視頻設(shè)備，不但可參加公司內(nèi)部會議，還可將云平臺信息以雙流形式傳送給其他參會會場，所有外接信號均可上屏顯示，協(xié)助快速精準決策。顯示在各個園區(qū)的監(jiān)控中心可通過大屏實

時獲取云平臺所有展示信息，并將信號源以雙流形式進行傳輸；可查看不同工廠的監(jiān)控視頻源，也可查看各施工現(xiàn)場以及主機內(nèi)部攝像頭的視頻源?；涌梢暬畔⒖稍诙鄠€地點的大屏幕上任意調(diào)度顯示Pad實現(xiàn)各個裝備之間數(shù)據(jù)的聯(lián)動；采用瀏覽器/服務(wù)器（B/架構(gòu)，兼容主流瀏覽器，隨時隨地訪問可視能，每個屏幕顯示不同的數(shù)據(jù)和畫面，顯示不同三一集團裝備的實時數(shù)據(jù)畫面等，通過觸摸屏一鍵式切換大屏進行互動。工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用該系統(tǒng)是華興公司為工程機械領(lǐng)域打造的圖6可視化平臺拓撲信息控制大數(shù)據(jù)平臺。運行至今，平臺上共有設(shè)備20萬余臺，每日實時監(jiān)控其運行信息易維訊系統(tǒng)從201312月31日上線12次改版，其中正式版升級5次。最初版本提供4大類42統(tǒng)面向代理商、操作手、挖掘機老板和研發(fā)人員4類主要用戶提供99

所示。除網(wǎng)頁版外，目前已開發(fā)出iOS版和Android版手機App，使用戶可隨時隨地掌握機器的運行狀態(tài)，極大提升了用戶的操作體驗以及對設(shè)備的滿意度。用戶可從易維訊系統(tǒng)中了解市場信8、所示。挖掘機老板可以查看設(shè)備實時所示。對未按時還貸款的客戶進行遠程鎖1圖7易維訊系統(tǒng)功能分類圖8市場分析——行政區(qū)域臺量統(tǒng)計 2017059-9 圖9市場分析——行政區(qū)域開工率統(tǒng)計圖10設(shè)備管理——實時工況查看圖11設(shè)備解鎖機管理山區(qū)工作的機器進行遠程調(diào)試，以最快的速度解決客戶的問題。“三一”指數(shù)是以三一集團工程機械設(shè)備的海量工況數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選擇一系列反映三一集團工程機械設(shè)備作業(yè)狀況的指標，進行綜合處理，用以反映工程機械經(jīng)濟景氣活躍程度的綜合指數(shù)，也是借助工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺打造出來的第一個面向國家，反映宏觀經(jīng)濟和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的統(tǒng)計值。大數(shù)據(jù)和云計算技術(shù)使一臺臺三一集團裝備的運行數(shù)據(jù)實時反饋在易維訊平臺跡。海量機械的應(yīng)用場景和開工率等來自一線的真實情況，挖掘機、旋挖鉆機、泵

工時的熱力圖幾乎就是一張基礎(chǔ)建設(shè)行業(yè)的活力圖。從2014年開始，每月定期向政府部門上報“三一”指數(shù)數(shù)據(jù)。輔助挖掘機升級2015年西南地區(qū)某三一機型用戶集體抱怨挖掘無力，而其他區(qū)域用戶對挖掘力的評價很好。傳統(tǒng)的辦法是派遣多名服務(wù)工程師到各個使用者處調(diào)研，了解情況。現(xiàn)在采用大數(shù)據(jù)技術(shù)方法可以提高效率。過海量數(shù)據(jù)逼近問題的原因，事先找到解決問題的辦法。首先，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計該型號挖掘機用12南地區(qū)7檔頻率使用最8910檔使用頻率高，檔使用頻率也遠高于其他圖12檔位分布從臺數(shù)上看，該種機型主要賣給西南判斷該地區(qū)用戶注重效率而非油耗，所以使用11檔頻率高。需要針對該機型的配置華興公司根據(jù)西南地區(qū)某三一機型的降油H模式的匹配使其更貼近發(fā)動機的最佳經(jīng)濟區(qū)，同時增大泵的流量與恒功率曲線，使其更充分吸收發(fā)動升級后的程序通過易維訊平臺遠程下發(fā)給各主機，用戶使用后，均表示滿意。（1）挖掘機工況識別挖掘機的工作原理是將發(fā)動機的機

械能轉(zhuǎn)化為液壓能，再通過復(fù)雜的液壓回路將液壓能轉(zhuǎn)化為機械能，從而實現(xiàn)整機作業(yè)的過程[8]。挖掘機工作的過程中環(huán)境匹配模式不同，設(shè)計要求不同，元件的故障概率也不同。因此精確掌握在外挖掘機的工況對研發(fā)支持如故障診斷和產(chǎn)品升級（如二手機評估和壽命預(yù)都有重要的作用。傳統(tǒng)對工況的區(qū)分都是采用服務(wù)工程師現(xiàn)場確認的方式，只能針對個別機器進行少量的采樣。大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，使全面了解各種機器的工況變成了可能。由于在外運行的挖掘機沒有工況標簽，無法進行訓(xùn)練，因此在三一集團試驗場內(nèi)對大、中、小挖掘機各2款機型進行8種常見工況的測試。為了排除操作手的影響，每個挖掘機都由多名操作手進行測試，每種工況連續(xù)測試1，同時為8況分別打上標簽，并保存測試數(shù)據(jù)，供訓(xùn)練使用。由于訓(xùn)練好的模型需要應(yīng)用在全部在外運行的挖掘機上，因此數(shù)據(jù)采集時不能單獨加裝傳感器，全部使用量產(chǎn)挖掘機自帶的傳感器。記錄下來的數(shù)據(jù)按照均值類特征、波動類特征和占比類特征進行分類，歸一化后進入訓(xùn)練模型。使用多種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機、隨機森林等，根據(jù)初步測試的結(jié)果選取模型進行細節(jié)調(diào)優(yōu)，再用實際工況數(shù)據(jù)進行測試，最終模型工況識別的準確率在85%以上。（2）風(fēng)機健康評估華興工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺不僅接入了挖掘機等工程機械數(shù)據(jù)，還接入了三一集團風(fēng)機的全部數(shù)據(jù)。以風(fēng)機整體運行狀態(tài)為例，采用健康值對其進行評估。健康值是0~14示當(dāng)前運行數(shù)據(jù)分布完全與健康數(shù)據(jù)分布重合，隨著系統(tǒng)之間衰退，測試數(shù)據(jù)分布逐漸偏移，兩個分布的重疊部分逐漸減小，健康數(shù)值也隨之減小。根據(jù)工程經(jīng)驗設(shè)定的閾值用于判斷系統(tǒng)是否衰退到了需要進一步進行故障診斷的級別。利用風(fēng)機從切入風(fēng)速到切出風(fēng)速的功率曲線，使用多工況建模的手段建立風(fēng)機在健康狀態(tài)下的功率隨風(fēng)速變化的分布模型。在健康狀態(tài)下，風(fēng)機的風(fēng)功率散點圖應(yīng)分布在設(shè)計的功率曲線周圍，而當(dāng)風(fēng)機出現(xiàn)性能衰退或故障時，風(fēng)機的功率分布將偏離設(shè)計的功率曲線，如15（a）所示。另外，通過建立功率與風(fēng)速的關(guān)系模型，對比當(dāng)前風(fēng)速下預(yù)期發(fā)電功率和實際發(fā)電功率之間的差異，就可以評估由于風(fēng)機衰退造成的發(fā)電量損失，如15（b）所示