基于工業互聯網的水電統一智慧平臺總體設計

牛海明，張朝陽，李 樺

［1.國能智深控制技術有限公司（北京市電站自動化工程技術研究中心），北京市 102211；2.國家能源投資集團有限責任公司，北京市 100011；3.北科信控科技有限公司，北京市 100081］

0 引言

水電廠以其發電生產過程簡單、控制調節迅速靈活而成為計算機控制技術應用最廣泛的領域之一。經過40多年計算機監控技術的試點、推廣及應用，我國水電廠普遍實現了以現地“無人值班”（少人值守）為標志的現代化水電廠建設，顯著地提高了水電廠的自動化生產和管理水平[1][2]。

近年來工業互聯網已廣泛應用到工業生產優化，管理提升、改進服務和節能減排等方面，工業互聯網應用前景十分廣闊，為此國務院陸續發布了《中國制造2025》[3]《關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》[4]等系列政策文件，提出大力發展智能制造，加速推動信息技術與制造技術的深度融合。

在上述政策文件的指導下，各發電企業都在爭先恐后地開展智慧化建設，智慧水電廠、智慧流域等新概念層出不窮，以智慧水電廠為標志的新一輪技術革命方興未艾。特別是新能源技術的發展，對自動化與信息化系統的海量數據采集與分析能力要求變得格外突出。目前，水電廠智慧化建設包括大數據中心和專業應用兩大部分，兩部分的產品方案提供商均各側重一頭。大數據中心多基于網絡企業開發的開放云平臺技術構建，對水電專業應用的特點關注不夠，包括監控系統、調度自動化系統在內的眾多水電廠專業應用方案提供商對云大物移智的支持度不夠，與大數據中心之間有間隙，影響智慧應用的開發、應用與運維[5-6]。因此，迫切需要一套能與大數據平臺無縫連接且滿足水電行業特殊需求的統一智慧平臺。

本文提出了一種基于工業互聯網的水電統一智慧平臺方案，包括基礎平臺、服務平臺和應用平臺等三個層次，面向對象，支持云、大、物、移、智等新興技術，可方便地用于構建水電廠及梯級水電廠的監控系統、水庫調度系統等專業智慧應用系統，滿足水電行業智慧化建設對統一智慧平臺的需要。

1 平臺總體架構

工業互聯網（industrial internet）是新一代信息通信技術與工業經濟深度融合的新型基礎設施、應用模式和工業生態，通過對人、機、物、系統等的全面連接，構建起覆蓋全產業鏈、全價值鏈的全新制造和服務體系，為工業乃至產業數字化、網絡化、智能化發展提供了實現途徑，是第四次工業革命的重要基石[7-8]。

基于工業互聯網的水電統一智慧平臺可抽象為三個層次，從下往上分別為基礎平臺、服務平臺、應用平臺三部分對水電智慧應用層做業務支撐，如圖1所示。

圖1 基于工業互聯網平臺的水電統一智慧平臺總體架構Figure 1 The overall architecture of the unified intelligent platform for hydropower based on the industrial internet platform

基礎平臺根據需求為整個系統提供云基礎設施，包括硬件物理資源以及運行于其上的云資源管理與調度系統。

服務平臺運行于基礎平臺之上，為上層應用提供設備接入、規則控制、數據存儲、分發、處理等服務。

應用平臺面向用戶，為用戶提供可視化的物模型配置、監控畫面配置、數據篩查分析、實時數據統計報表等設計工具，可根據現水電廠運維的需求快速靈活搭建場景應用。

2 基礎平臺

基礎平臺包含整個系統所需的硬件資源，是整個系統服務的支撐，提供服務器、網絡、存儲、安全設備等計算資源，并基于虛擬化、負載調度、分布式存儲等技術，對計算資源進行池化管理，實現對計算、網絡、存儲等資源依據需要進行彈性分配。

基礎平臺將上層服務與硬件資源、系統資源分離開，使得上層服務、應用可以專注于更為詳細的專業業務的實現。

同時，基礎平臺具有一套支撐系統運行的支撐服務及環境，包括監控運維、微服務處理、數據中心等內容。

（1）運維監控。

為上層服務平臺提供統一的監控、日志收集、錯誤收集及自動部署等功能，為服務平臺持續穩定地運行提供了保障。

（2）微服務。

微服務處理提供涵蓋配置中心、服務注冊發現、通信、調用、負載均衡等管理機制和運行環境，支撐服務單元細粒度、松耦合的開發和部署。

（3）數據中心。

數據中心提供多種類型的數據庫，為不同類型的數據提供合適的存儲服務，同時還支持消息隊列、數據總線等功能，確保數據在系統中快速、穩定地進行傳輸、保存。

3 服務平臺

服務平臺為上層應用提供基礎的設備交互及數據處理服務，包括設備接入、數據采集、數據存儲、數據分發、規則控制、數據查詢、數據報警等服務，如圖2所示。

圖2 服務平臺架構示意圖Figure 2 Service platform architecture diagram

（1）設備接入服務。

通過預設TCP、HTTP、MQTT、Modbus等通用傳輸協議，以配置化的形式接入不同廠商、不同接口、不同系統的各種硬件設備，對采集到的異構數據進行解析，將解析后的數據結構化、統一化、規范化，發布到統一的消息總線、實時數據庫等服務，實現數據的統一處理分析。上層應用不需要再關注具體設備的連接方式、交互方式、協議格式，不用再去兼容多種設備、系統，實現高效、實時、全面，跨廠商、跨系統的數據互通和互操作，將服務內容沉淀到業務本身[9]。

（2）采集數據的解析。

設備接入服務提供常見的傳輸協議，通過配置設備地址等基本信息即可與設備進行連接、通信，將接收到的數據依據傳輸協議的不同，分為二進制數據、結構化數據等。結構化的數據可以直接發布到消息總線，二進制數據通過上層應用物模型管理進行配置，以表格的形式對協議細節進行描述，設備接入服務依據協議內容對數據進行解析，將二進制數據結構化之后發布到消息總線。

（3）消息總線。

作為各服務間的數據管道，是整個系統中的核心組件，通常以消息隊列的形式存在。常見的選型有Redis、Kafka、RabbitMQ等，可根據不同的場景需求選擇不同的部署方案。消息總線具有很高的數據吞吐量，可以將數據以扇形的形式發送給每一個服務，也可以將某個隊列的消息分散給每一個分組，將數據生產者與消費者分離開，增加消費者服務的數量以達到快速處理數據的目的。使用消息總線還可以降低各服務間的耦合度，降低服務間的依賴，使整個系統運行更加健壯。消息總線還支持集群化部署，保存服務穩定運行。

（4）數據存儲服務。

從消息總線中接收數據，可以根據需要同時分別寫入時序數據庫、實時數據庫、分布式存儲等系統中，無需再對不同的數據單獨處理。

1）實時數據存儲。物聯網應用場景的特點是，各種設備實時產生的數據量比傳統互聯網產生的數據量要大得多，并具有實時性強、頻度高、密度大、數據模型不固定等特點。

傳統關系型數據庫和文檔型數據庫在對這些數據進行查詢、存儲、分析等操作時，存在占用資源多、延時長、聚合分析效率低等問題，不能滿足物聯網應用的需求。

因此，平臺的實時數據存儲服務選用時序數據庫。時序數據庫是針對物聯網應用場景的特點，依據其數據與時間高度相關的特性，專門設計實現的用于存儲和管理時間序列數據的專業化數據庫，具有低延時、高并發、無事務要求、寫多讀少、海量數據持續寫入等特點，并可分布式集群部署，支持高效的基于時間的檢索和查詢分析，廣泛應用于物聯網、金融、工業監控等領域。目前，市面上有多種開源及國產化方案，可依據不同的場景或性能要求選擇具體的實現方案。具體應用時可以通過設計實現一個兼容主流時序數據庫的代理層，用以消除不同數據庫的連接差異，方便快速接入各種數據庫。

2）邊緣數據處理。基于高性能計算、實時數據運算、邊緣分析算法等技術支撐，在靠近設備或數據源頭的網絡邊緣側進行數據的預處理、暫存以及智能分析應用，提升操作響應靈敏度、消除網絡堵塞，并與云端數據分析形成協同[10]。

3）歷史數據存儲。針對設備一段時間內的歷史數據，系統采集內存數據庫作為實時數據庫進行數據存儲。內存數據庫因為數據存儲于內存中，存取效率高，速度快，可快速響應上層應用對短期歷史數據的存取，支撐規則控制服務、數據報警服務對出現問題時做出及時響應。內存數據庫支持集群化部署，在提高存取效率的同時還可以加強系統的穩定性。因實時數據庫存儲的數據與設備數量多少正相關，部署時可以依據設備數量劃定合適的資源配置、預留冗余，保證系統安全穩定運行。

平臺還具有斷網續傳服務功能。遇到網絡故障時，該服務會存儲未能上傳時段的設備數據，當網絡恢復時將全時段歷史數據進行上傳，保障了云端數據的完整性和可靠性。

（5）數據分發服務。

通過訂閱分發的模式，監聽消息總線，收到數據時，將有訂閱需求的數據實時推送到對應的服務。數據分發服務對外提供統一接口，上層應用只需要接入一個服務即可，不需要關注設備交互的具體細節。實際應用中，數據分發服務更多用于用戶界面監視實時數據的展示、報警信息的推送等，常以瀏覽器為載體，通過WebSocket協議與數據分發服務交互。

（6）規則控制服務。

提供可視化的數據流編輯工具，它將數據處理過程中的一個個操作抽象為流程節點，通過對各流程節點的編排，可以快速構建出自動化業務處理、報警處理等各種流程。當某個業務邏輯變更時，比如更換數據處理算法、添加數據變換方式等，僅需修改流程，添加、修改、刪除相應的節點即可，無需更新服務，使實際運行過程中的流程修改更加方便、快捷。

（7）數據查詢。

為上層應用提供統一的歷史數據查詢服務，依托于時序數據庫的特性，實現分段查詢、聚合、重采樣等基本的數據處理服務，延時更低，并發更高，內存更少，速度更快。

（8）數據報警。

通過對實時數據評估、歷史數據分析，實現對設備運行狀態的診斷、未來狀態的預測等，可以通過與規則控制服務、數據分發服務交互，達到設備故障自動處理、故障預警等功能。為上層決策提供數據依據。

4 應用平臺

應用平臺是最上層的業務平臺，為系統的穩定運行提供業務支撐。包括系統運營中心、物模型配置管理、監控頁面配置、數據查詢分析、數據監控顯示、實時曲線監控等一系列應用。

（1）系統運營中心。

系統運營中心為整個系統提供統一認證、門戶入口、用戶權限等功能，是整個運營系統的入口。服務分為系統門戶、系統管理、統一認證三個部分。

1）系統門戶。系統門戶以分組的形式對應用進行分類，根據用戶權限顯示對應的應用列表，分監視及控制、設計與準備、管理與運維三大類。監視與控制類主要實現系統的實時監控功能，主要包括數據監視、門戶、采集控制、實時曲線、數據分析、控制管理等應用。設計及準備類指平臺提供的項目系統集成開發應用模塊，包括測量設計、控制設計和組態設計等應用。管理及運維類指實現對系統、設備及物模管理的應用模塊，主要包括系統管理、設備管理、物模型管理以及基礎數據管理。

2）系統管理。系統管理為統一認證服務提供用戶管理、角色管理、權限管理、應用管理、字典管理等功能，其他服務只需接入統一認證服務，即可共用一套用戶系統，無需再對用戶、權限等功能進行實現，解決其他系統中各應用賬號、權限體系不統一，操作方式不一致，用戶在使用過程中需要使用多套賬號體系的問題，既確保了系統安全性，也降低了運維成本和復雜度。

3）統一認證。統一認證是以統一身份認證服務為核心的服務使用模式。用戶登錄統一身份認證服務后，即可使用所有支持統一身份認證服務的管理應用系統。

（2）物模型配置管理。

物模型配置管理中，將同一型號的設備抽象為一種產品，而設備作為該產品下的實例，具有該產品所定義的所有屬性。物模型配置管理服務包含產品管理和設備管理兩部分。

1）產品管理。產品管理模塊用于對某同一類設備進行對象定義，如斷路器、隔離開關、調速器等，支持定義該物理設備的應用協議、傳輸協議、存儲策略；還支持定義該設備對象的屬性、功能、事件、標簽、告警等，對某一類設備進行對象的描述。

2）設備管理。設備是產品的實例化。某設備配置完成后，該設備的配置數據被同步到設備接入服務，通過數據分發服務即可獲得該設備的實時運行狀態參數。

用戶還可以通過設備管理服務對設備進行告警信息配置。同樣，配置數據同步到數據報警服務后，可實現設備運行狀態的報警處理。

（3）監控頁面配置。

監控頁面配置服務是平臺的監控頁面制作工具，提供拖拽式的圖形界面，通過內置一系列常用的圖標、組件等資源，幫助用戶方便、快捷地設計出需要的監控頁面。同時，監控頁面配置服務還支持用戶自定義設計圖標、導入資源、設計動畫等功能，如圖3所示。

圖3 監控頁面配置示意圖Figure 3 Monitoring page configuration diagram

為能實時顯示各個設備的運行狀態，監控頁面配置服務還提供了參數綁定功能，用戶可以通過圖標或組件綁定某個設備的屬性。在實時運行環境下，可按綁定的設備屬性監視設備的運行狀態。

監控頁面配置服務還提供了事件處理功能，內置的圖標、組件添加常用的事件處理，可以在監控顯示頁面對圖標、組件進行操作，達到操控設備的目的。同樣地，服務也支持用戶自定義事件，在設計頁面時更加靈活。

（4）數據監控顯示。

數據監控顯示服務是監控頁面配置服務的運行時服務，用戶在通過監控頁面配置服務設計完成所需的監控頁面，在本服務下可以監視查看設備的實時運行狀態，完成設備操控等操作，如圖4所示。

圖4 數據監控顯示示意圖Figure 4 Schematic diagram of data monitoring display

服務通過接入數據分發服務，訂閱、接收設備實時數據，通過對接設備接入服務來實現設備操控等操作，向設備發送操控信息。

（5）數據查詢分析。

數據查詢分析服務提供設備歷史數據的查詢與分析功能，包括原樣數據查詢、采樣查詢、越限標注、差值計算等基礎功能，還支持多參數、雙維度在同一圖表的分欄、綜合比較顯示。支持數據的模糊查詢，如按IO點名、設備名、時間等進行模糊查詢。

（6）實時曲線監視。

實時曲線監視服務用于實時顯示設備各項指標的運行狀態，并保留一段時間，便于觀察趨勢。服務提供了多參數、多維度、多面板展示等多種顯示方式，方便用戶監視、比較多個關聯數據的趨勢變化，可廣泛適用于試驗數據分析、故障分析等場景。實時曲線可在系統門戶、數據監控顯示等多處進行調用，方便使用。監視的參數、疊加方式及曲線樣式等均可用戶在線定義。

（7）流程規則配置。

流程規則配置服務提供了一套可視化的開發界面，內置一系列的流程節點，包括方法、網絡IO、數據解析、文件存儲等，用戶可以通過拖拽的方式對流程進行編排，實現業務流程的自動化處理，如圖5所示。

圖5 自動化流程規則示意圖Figure 5 Schematic diagram of automated process rules

5 結束語

該平臺作為一種基于工業互聯網的統一智慧平臺，提供了智慧應用的標準化系統架構和服務功能，并提供了場景應用的開發、運行與維護環境。目前已完成三層服務功能的開發，并已在光伏發電、航天軍工等行業得到推廣應用。該平臺可廣泛應用于各類企業的智慧化建設，構建智慧水電廠的計算機監控系統、水庫調度自動化系統、設備狀態趨勢監視與分析系統等專業應用系統，滿足水電企業智慧化建設對數據平臺及專業應用平臺的要求。