基于物聯網的設備測控信息管理初探

叢 林

（天津大學 精密儀器與光電子工程學院，天津 300072）

設備是人類社會各項活動的主要物質基礎。設備的技術狀態是指設備達到規定功能和技術指標的程度。設備保持良好的技術狀態，是設備安全可靠運行的基礎。如果設備的技術狀態出現問題，則可能會產生嚴重后果，例如，近期頻繁報道的電梯傷人事件，其根本原因，就在于這些電梯沒有保持良好的技術狀態。為此，需要采取適當方法對設備有效進行測控［1］，并加強設備測控信息管理工作，對設備的技術狀態進行有效監控。這既是一個急需解決的緊迫課題，也是一個非常復雜的、非常困難的課題，本文主要基于物聯網技術對設備測控信息管理問題進行探討。

1 物聯網技術及其應用

1.1 物聯網的涵義

物聯網的思想始于20世紀90年代，1999年，在美國召開的移動計算和網絡國際會議上正式提出了物聯網的概念。

物聯網是指通過信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡［2］。

物聯網本質上就是“物物相連的互聯網”［3］。這有兩層意思：第一，物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡；第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通訊。因此，物聯網要基于三個條件：第一個是全面感知，對物品信息進行識別、采集；第二個是可靠傳遞，就是通過通信網絡將信息進行可靠傳輸；第三個是智能處理，通過后臺的龐大系統來進行智能分析和管理。

物聯網概念提出以后，其重要意義迅速被世界各國所公認，其內涵也在不斷發展。例如，2009年奧巴馬就任美國總統后，美國將新能源和物聯網列為振興經濟的兩大重點；2008年11月在北京大學舉行的第二屆中國移動政務研討會上，提出移動技術、物聯網技術的發展代表著新一代信息技術，并帶動經濟社會的創新變革，當前，“互聯網＋”已經發展成為我國的國家戰略，其中，物聯網技術的發展和應用具有重要地位。

從物聯網的本質上看，物聯網是現代信息技術發展到一定階段后出現的一種聚合性應用與技術提升，將各種感知技術、現代網絡技術和人工智能與自動化技術聚合與集成應用，使人與物智慧對話，創造一個智慧的世界。隨著物聯網技術的快速發展，無所不在的“物聯網”時代即將來臨，世界上所有的物體都可以通過網絡（物聯網）進行信息交換，聯為一個有機整體。人類在信息世界里將獲得一個新的溝通維度，從任何時間任何地點的人與人之間的溝通連接擴展到人與物和物與物之間的溝通連接。

1.2 物聯網的技術結構

物聯網和互聯網的關系是密不可分、相輔相成的。但是物聯網和互聯網在網絡的組織形態、網絡功能以及性能上的要求都是不一樣的。與互聯網相比，物聯網對于實時性、安全可信性、資源保證性等方面的要求更高。

從技術架構上來看，物聯網可分為三層：感知層、網絡層和應用層［3］，如圖1所示。其中，第一層即感知層至關重要，物體的感知和數據的采集就是靠這一層。

感知層由各種傳感器以及傳感器網關構成，包括溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器、二維碼標簽、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、全球定位信息設備等感知終端。

網絡層由各種有線和無線通信網、網絡管理系統和云計算平臺等組成，負責傳遞和處理感知層獲取的信息。

應用層是物聯網和用戶（包括人、組織和其他系統）的接口，它與行業需求結合，實現物聯網的智能應用。

1.3 物聯網的應用

物聯網的應用極其廣泛，滲透在國民經濟和社會生活的各個方面。通過在各種設施設備上大量設立傳感器，捕捉運行過程中的各種信息，然后通過傳感網，進入互聯網，通過計算機分析處理發出智慧指令，再反饋回去，極大提高效率，產生更大的效益。

總結起來，物聯網的應用主要有三種基本模式：

1.3.1 對象的識別

通過二維碼，RFID等技術標識特定的對象，用于區分對象個體。目前，該類應用最成熟，也最廣泛，例如，在物流行業就廣泛應用這一層面的物聯網技術，極大提高了工作效率。但這只是物聯網應用的初級階段。

1.3.2 對象的監控和跟蹤

利用多種類型的傳感器和分布廣泛的傳感器網絡，可以實現對某個對象的實時狀態的獲取和特定對象行為的監控，如對設備的技術狀態進行監控，通過GPS標簽跟蹤車輛位置等。這是物聯網的核心應用，也是目前物聯網技術的主要發展方向之一，將極大改變人類的生產生活。

1.3.3 對象的智能控制

物聯網基于云計算平臺和智能網絡，可以依據傳感器網絡利用獲取的數據進行決策，進行控制和反饋，改變對象的行為。例如根據光線的強弱調整路燈的亮度，根據車輛的流量自動調整紅綠燈間隔等。這是物聯網高層次的應用。

2 設備信息及其管理

2.1 設備信息的特點

各種設備在運行過程中，會不斷產生大量信息，其中，核心是設備的技術狀態信息［4］。設備的技術狀態信息主要通過對設備進行技術檢查來獲取，所謂的設備技術檢查，是指為判明設備的技術狀態而進行的檢測，包括對設備的完整性、性能參數、磨損程度等的檢查。通過開展技術檢查，就可以獲取設備的各方面信息，通過這些信息，就可以準確、全面、及時地了解、掌握設備的工作狀態，并通過對這些信息的分析，發現可能存在的問題，及時消除隱患，確保設備處于良好狀態，確保設備可靠、安全地運行。

但設備信息非常復雜，歸納起來，設備信息主要有以下特點：

（1）信息量大?，F代設備結構復雜、技術含量高，特別是一些大型復雜設備，這一問題尤為突出，對設備進行技術檢查，需要采用各種不同原理，對設備的各個方面的信息進行采集；另一方面，設備需要持續運行，在運行過程中，會持續產生信息。因此，即使是某一臺設備，其信息量也很大，而各種不同設備作為一個整體，其信息量就更為龐大，屬于典型的“大數據”。如何對這些大量的信息進行有效管理，是一個極其重要也非常復雜的問題。

（2）及時性要求高。高質量的設備信息是設備信息管理的基礎。信息質量是一個非常復雜的問題，包括信息的準確性、完整性、及時性、針對性等方面［5］。但對于設備信息來講，及時性的要求尤為突出，通常情況下，需要實時采集信息。否則，超過了信息的時效，設備信息的功用就會大大降低。

（3）自動化程度要求高。傳統上，設備技術檢查主要依靠人工來進行，工作效率低、信息的準確性、全面性、及時性難以得到保證。在信息化條件下，各種傳感器和檢測儀器設備（以下簡稱檢測設備）的廣泛應用，使設備的自動技術檢查成為可能。

2.2 設備信息管理

為此，需要對設備信息科學地進行管理。目前，信息管理已經有了一套比較成熟的理論與方法，主要包括：信息獲取與采集、信息傳輸、信息組織與存儲、信息處理、信息利用等基本環節［6］。具體到設備信息的管理，也應包括這些基本環節，如圖2所示。

圖2 設備信息管理示意圖

2.2.1 設備信息采集

設備信息的采集，是指采用科學的方法，借助各種傳感器、檢測設備等對設備各方面的信息自動進行采集，其核心是設備技術狀態信息的采集。

信息采集的傳感主要包括：溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器、壓力傳感器、振動傳感器、攝像頭等。

檢測設備主要包括各種通用和專用檢測設備，如電路檢測設備、無損檢測設備等。檢測設備主要用于對設備的技術狀態進行檢測和監控。

無論是使用傳感器還是檢測設備，信息采集的核心都是對設備的技術狀態進行檢測，并以各種不同的信息形態進行表示。

2.2.2 設備信息傳輸

設備信息的傳輸，普遍存在于設備信息工作流程中，離開了信息傳輸，信息工作流程就無從展開。

設備信息的傳輸方法很多，當前，主要采用基于網絡的信息傳輸方法?；诰W絡的信息傳輸方法由于具有快速、準確、容量大、與信息系統集成度高等突出優勢，不但能夠高效傳輸并充分共享信息，而且由于與信息系統的各種功能高度集成，能夠實現信息傳輸的自動化、精確化、定制化，迅速成為了設備信息傳輸的主流方法。

2.2.3 設備信息組織與存儲

獲取的設備信息，需要以一定方式進行組織和存儲，才能有效進行處理和利用。

無序的信息既不方便信息的存儲、傳輸和處理，更不利于信息的使用。設備信息的組織，即設備信息的序化，是按照一定的科學規則和方法，通過對設備信息的外在特征和內容特征的描述和序化，實現無序信息向有序信息的轉化。其中，信息的內容特征是信息組織的主要著眼點，也就是說，通過對信息內容的揭示，并以適當方法進行表示，是信息組織的基本方法，主要包括：分類方法、主題法以及元數據描述方法等。

信息必須存儲在一定的介質上，才能便于處理和使用。設備信息的存儲，是在對設備信息進行組織的基礎上，采用適當的方法進行存儲?；镜姆椒ㄊ遣捎脭祿靵泶鎯π畔?。數據庫既是信息存儲的基本方法，也是信息組織的有效形式，是信息組織和信息存儲的有機結合，是設備信息存儲的基本方法。因此，在信息化條件下，研究設備信息的存儲問題，核心就是設備信息數據庫建設問題。

2.2.4 設備信息處理

設備信息的處理，就是通過一定的方法對設備信息進行加工處理，并產生新的信息的過程。

設備信息的處理非常復雜，主要包括：信息融合、知識提取等。

信息融合，就是把不同來源的信息通過比對、分析、綜合、插值等方法，形成更加準確、完整的信息。例如，某一設備的技術狀態信息，可以采取不同傳感器或檢測設備進行采集，這些信息單獨來看，既不完整，也不一定準確，但通過信息融合，則可以獲得更加準確、完整的信息。其中，核心問題是能夠通過設備信息對設備的技術狀態進行診斷，例如，設備健康管理就是一種典型應用。

知識提取，是對大量信息進行深度理解和處理的基礎上，發現蘊含在這些信息中的規律性的東西。設備信息的數量很大，這就需要通過對大量設備信息的深度挖掘與處理，發現設備信息中蘊含的規律。例如，設備技術狀態信息，單獨來看，只是表明設備在某一特定時刻的某一指標的狀態，但如果把一段時間內各種指標的設備信息綜合進行分析，就很可能會發現設備本身的某些規律，這一過程，就是知識提取的過程。

設備信息的知識提取，是設備信息內容處理的高級形態，難度很大。知識提取一般由綜合運用數據挖掘、人工智能、專家系統等最新信息技術的專業軟件完成。

2.2.5 設備信息利用

設備信息的利用就是把設備信息應用于設備工作中。設備信息的利用是前述各項設備信息工作的最終目的和歸宿，各項設備信息工作的的效果，也要通過設備信息的利用來進行檢驗。

設備信息的應用主要包括兩個方面：一是利用設備信息對設備進行反饋控制，確保設備處于規定的良好工作狀態，這是設備信息的基本應用；二是利用設備信息對設備進行改造、升級、完善，這是設備信息的高層次應用。

以上各個環節構成了設備信息管理的閉環，主要依靠信息系統來自動完成，需要的時候，也可以進行人為干預，從而構成人在回路的閉環管理。

3 基于物聯網的設備測控信息管理基本構想

設備的測控信息是指通過檢測來采集設備的狀態信息以及通過信息對設備進行反饋控制［1］，是設備信息管理流程的起始和最終實現，是設備信息管理中的兩個關鍵環節，事實上代表了設備信息管理的整個流程。

設備測控信息的管理非常復雜，要求也很高，物聯網技術為設備信息管理提供了新的可能。通過物聯網，就可以把設備信息管理的各個環節有效聯結為一個有機整體，自動開展設備信息管理的各項工作?；谖锫摼W的設備信息管理的基本構想如圖3所示。

圖3 基于物聯網的設備信息管理構想圖

3.1 物聯網基礎設施

正如互聯網基礎設施是互聯網服務的基本條件一樣，物聯網基礎設施也是利用物聯網開展各種服務的基本條件。沒有較為完善的物聯網基礎設施，基于物聯網的設備測控信息管理就無從實現。

物聯網基礎設施主要包括：有線與無線相結合的物聯網網絡、交互設備、網絡接口、物聯網協議等。其中，與一般的互聯網相比，由于物聯網是“物物相連”的網絡，包括設備在內的各種“物”都可以聯入物聯網，因此，其網絡帶寬和網絡地址數量等方面的要求都遠遠高于一般的互聯網。

3.2 能聯入物聯網的智能設備

一般的設備，并不能直接聯入物聯網。要能聯入物聯網，并開展基于物聯網的設備信息管理，設備本身必須具備一定的條件，也就是說，必須首先對設備進行信息化改造，使之成為“智能”設備。如圖4所示。

圖4 能聯入物聯網的智能設備示意圖

圖中箭頭所示的方向為信息流動的方向。

3.2.1 信息采集模塊

包括采用各種不同原理的能采集設備狀態信息的各種傳感器和檢測設備，而且這些傳感器和檢測設備都應是數字化的，以便通過統一的信息接口聯入物聯網。

3.2.2 控制模塊

能根據反饋信息對設備進行控制的控制電路和動作裝置，以便能夠利用控制信息來遠程操控該設備，包括使設備停止運行或改變設備的運行狀態等。

控制模塊也要通過統一的信息接口聯入物聯網，并通過物聯網來實現遠程操控。

3.2.3 信息接口

信息采集模塊和控制模塊中的各種傳感器、檢測設備、控制電路的原理千差萬別，信息的形式和內容也各不相同，如果分別直接聯入物聯網，不但會造成網絡資源的巨大浪費，而且也不易實現，為此，應設置統一的信息接口，采用統一的信息交換協議和數據交換格式，再通過該接口把信息采集模塊和控制模塊統一聯入物聯網。

3.3 廠商

任何設備都是某一廠商設計生產的，即使設備交付給用戶，廠商也應對設備能夠處于良好的技術狀態承擔責任。

在廠商的售后部門，應設立專門的與物聯網相連的設備信息管理中心，集中對銷售給用戶的設備的狀態信息進行管理。為此，應根據設備的特點和設備信息管理的實際需要，科學設計并建設設備信息數據庫，各設備的狀態信息，自動地通過物聯網傳回該數據庫并通過該數據庫進行集中存儲和管理。同時，應研發并配備能對設備信息具有自動分析處理功能的軟件，以便對設備運行狀態進行自動監測，一旦設備出現問題或故障，或者出現了故障的苗頭，系統能自動報警，及時通過物聯網發出相應的控制信息，停止設備運行或改變設備的運行狀態，同時，通過物聯網自動向用戶報警，以便用戶能及時采取相應措施，實現廠商與用戶的聯動。這樣，廠商就能夠變被動服務為主動服務，極大提高服務質量。

另一方面，通過對長時間累積的大量的設備狀態信息進行挖掘處理，就有可能發現設備存在的問題或缺陷，就可以有針對性地改進、完善設備，或者為開發新一定設備提供依據。

3.4 用戶

設備一般可區分為生產類設備和消費類設備兩大類。對于生產類設備來講，用戶一般包括管理用戶與最終用戶兩種類型，例如，對于電梯來講，物業是管理用戶，而電梯的乘用者則是最終用戶。而對于消費類設備，如家用汽車、家電設備等，管理用戶與最終用戶合二為一。

用戶是設備的使用者，設備的技術狀態，直接影響用戶使用設備的效果，甚至會影響用戶的安全，例如，電梯故障、汽車自燃等，都可能會產生嚴重的后果。

因此，用戶應能隨時隨地掌握設備的技術狀態，并根據使用需要和設備技術狀態情況，對設備進行操控。

如果是生產類設備，如機床、發電機組、生產用車輛等，其管理用戶應在廠商的協助下建立相應的數據庫，并接入物聯網，對設備信息進行集中管理，最終用戶則應配備相應的接入物聯網的信息設備（電腦、手持設備等）［7］，能夠直接觀察所執掌設備的技術狀態數據指標，并在需要的時候能夠直接或遠程對設備進行操控。

如果是消費類設備，則用戶一般不需要建立專門的數據庫，而是利用聯入物聯網的計算機、手機等智能終端設備接收設備狀態信息或廠商發送的設備信息，并在需要的時候對設備進行操控。

4 結語

設備測控信息的管理非常復雜，本文主要基于物聯網技術對設備測控信息管理問題進行了初步探索，提出了基于物聯網的設備測控信息管理的基本方法，希望能為設備信息管理提供一個新的視角，促進設備信息管理相關研究的深入開展，并為實際工作提供指導。

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