工業設備運維云平臺的設計與實現

作者：康華夏 ，周正宇 ，劉文軍 ，陳 晨

引 言

實現工業生產設備的互聯和協同是工業智能化的基礎。工業設備運維云平臺的實現是工業設備網聯化及應用不斷深化的具體體現，為生產要素的集約管理和高效利用提供保障，是工業智能化的基礎。平臺的構建對于推動網絡技術與傳統工業融合、促進傳統工業轉型升級具有重要意義 。特別是目前工業生產中存在設備運維難、管理維護粗放、產能利用不足、服務模式落后、溝通協作性差等現狀大大制約了制造企業的轉型升級 。

當前，已將工業設備運維云平臺在鋼鐵、風電、交通等相關裝備制造業進行探索和實踐。完整的運維平臺從功能上通常涉及工業設備接入、數據采集、數據傳輸、數據分析和創新應用等多個環節。本文提出了一種針對工業場景下通用的設備運維云平臺，主要聚焦設備管理與監控、告警管理、分析模型、設備維保等功能模塊。從設計上要求平臺具有良好的通用性和擴展性。

1 、平臺技術架構

平臺采用基于 SpringBoot 和 MyBatis 的技術棧， 如圖 1 所示，自下而上分為協議接入層、存儲層、持久化層、服務接口層和前端展示層。其中，現場協議接入層包含了對Modbus、OPC-UA 等主流工業協議以及對 MQTT、HTTP、CoAP等各種IoT協議的支持。存儲層主要存放業務配置數據、設備采點歷史數據以及告警數據，采用 MySQL 等關系型數據庫。持久化層采用 MyBat-is、MyBatis-Plus 進行 SQL 映射，ShardingJDBC 作為分庫分表中間件，Druid 作為數據庫連接池。服務接口層對外提供業務 REST API 接口和安全認證管理，主要通過 SpringBoot、JWT 等框架實現。前端展示層使用 Vue+Element UI 框架，在服務調用以及數據訪問鏈路中，通過分布于各個層級的多級緩存提升了系統的性能和整體響應效率。

考慮穩定性和可靠性，引入 Zookeeper 分布式協調組件。通過引入ShardingProxy對在分庫分表場景下的數據庫基礎設施進行高效管理和服務治理 ；通過引入Prometheus和Grafana實現了對各個系統節點健康運行的監控以及整體的可觀測性。

2 、平臺設計

2.1 平臺功能架構

本平臺功能架構如圖 2 所示。系統自下而上分為邊緣層、基礎設施層、平臺層和業務層。邊緣層主要負責設備接入、協議解析和適配、邊緣數據處理。邊緣層由工業網關、PC、嵌入式設備及附屬軟件構成，將工業傳感器、執行器、PLC等現場設備通過工業協議接入系統?；A設施層為整個系統的業務平面提供底層文件服務、數據存儲服務、消息服務、緩存服務、容器服務。平臺層包含用戶管理、任務調度、事件驅動、接口管理等功能模塊，為系統提供模塊間通信及服務運行機制，并支持上層各個模塊的充分解耦。業務層功能模塊主要包含設備管理、告警管理、分析模型管理、維保管理等。

除縱向功能性架構以外，橫向非功能性架構分層提供了安全性、高可用性和可觀測性基礎設施。安全性基礎設施負責統一認證、權限校驗、數據加密、安全接入，保障系統的安全運行。高可用性基礎設施通過分布式協調機制協調多個冗余節點，能夠在主節點失效時自動完成主備切換，從而保障系統的業務持續運行?？捎^測性基礎設施收集各個節點的實時運行狀態和度量指標，并通過儀表板將各種指標進行實時展示，在節點異?；蛘吖收锨闆r下將消息進行實時推送。

2.2 業務功能分析

2.2.1 設備管理

設備管理是平臺的核心模塊，提供對網關、設備模板、設備、采點等資源的創建、管理和信息維護。設備管理資源創建流程如圖 3 所示。首先依據工業設備類型，創建對應的設備模板，并定義屬性配置和數據采點配置 ；基于不同的設備模板創建對應的設備（或者設備實例），創建的設備中自動生成所關聯的設備模板中定義的屬性和數據采點，并根據設備組網設計將設備關聯到網關，網關用于將一個或者多個設備上報的數據通過通信協議轉換后發送給消息中間件，并最終由平臺接收并處理。

2.2.2 分析模型管理

平臺在提供了對工業現場整體設備采點數據和狀態的監控功能基礎上，通過分析模型和基于分析模型的告警規則來實現對現場和設備異常狀態和模式的捕獲與識別 ；并將此異常以實時的告警實例的方式展現出來。以此實現對現場更深入的可觀測性，增強了設備運維的可靠性、業務運營對于異常情況響應的敏捷性，并提升了整體業務的穩定性和安全性。

平臺中的分析模型定義了從設備數據到可識別的狀態模式之間的數學映射。在實現和使用上，分析模型通過數學公式來表達這一映射關系。分析模型與設備采點以及告警規則的關聯關系如圖 4 所示，一個設備采點關聯一個或者多個告警規則，一個告警規則也可以被一個或者多個設備采點所關聯 ；告警規則關聯到分析模型，二者關系為一對一。在配置流程方面，首先配置分析模型，再配置告警規則并關聯分析模型，最后將設備采點與告警規則相關聯。

2.2.3 告警管理

以上述分析模型的配置和管理為基礎，平臺還提供了基于分析模型的告警規則管理，將分析模型映射的結果通過規則的設置來決定告警的觸發，告警的觸發會生成相應的告警實例，用于記錄告警的詳細信息，包括觸發的告警規則、告警級別、告警描述、告警時間等。

對于一般的設備采點監控而言，告警規則用來設置對單獨的采點告警判定評估規則。它通常關聯單采點分析模型，并且只能被單獨的采點所關聯，告警的觸發會生成單告警實例，表示在當前關聯的采點上發生了數據或者狀態的異常。單告警實例流程如圖 5 所示。

在某些工業場景下，對單一采點的監控和規則設定并不足以判定評估是否出現異常狀況，此時需要采用多個采點協同告警的方法，聯合與同一異常模式有關聯關系的多個采點（此多個采點可能位于不同設備，甚至位于不同網關下的不同設備）來協同設置告警規則。由此也需要建立多采點分析模型，以及定義采點組（包含此多個采點），將告警規則與此多采點分析模型和采點組相關聯來實現多采點協同告警?；谶@樣的告警規則觸發生成多告警實例，表示來源于采點組中的多個采點數據經過模型評估后符合所定義的異常模式，并觸發該告警規則。多告警實例流程如圖 6 所示。多設備采點協同告警規則可以跨越多個設備上的采點，建立較為復雜的分析模型，并由此處理復雜業務場景下的異常狀態告警。

2.2.4 維保管理

平臺設計了設備維保管理模塊，提供設備的全生命周期管理功能。設備的定期維保和告警導致的設備臨時維保，均可在平臺上進行信息化管理。在平臺上可創建針對某一臺設備的維保計劃 ；一個維保計劃下可創建多個具體的維保項目，維保項目描述了具體維保內容 ；根據維保項目對設備進行某一方面的維保后，將產生維保記錄，包括維保開始時間、結束時間、操作員，方便后續跟蹤。設備維保信息維度如圖 7所示。

3、 系統實現

3.1 設備管理

如圖 8 所示，左側導航欄的“設備管理”下包含“設備模板”“網關列表”“設備列表”子菜單，分別支持設備模板、網關、設備的創建、修改、查看、刪除等操作?！霸O備模板”用于對同一類型或者型號的工業設備進行元數據的配置和建模，主要包含對數據采點的配置以及屬性的配置。網關作為數據采集監控組網環境中的核心節點，對下承載了工業現場數據的上報和工業協議數據轉換，對上承擔物聯網協議適配和向云端進行數據上報?！霸O備監控”可以對設備數據和狀態進行在線實時監控。

3.2 分析模型管理

如圖 9 所示，從主頁面左側導航欄“分析模型管理—分析模型管理”進入分析模型主頁面，以該頁面為入口，能夠支持對分析模型的創建、修改、查看、查找、刪除等操作。

3.3 告警管理

如圖 10 所示，“采點組”和“告警規則”可以分別對采點組和告警規則進行創建、修改、查看、查找、刪除等操作?！皢胃婢瘜嵗焙汀岸喔婢瘜嵗笨梢苑謩e查詢系統的單告警實例和多告警實例，告警實例是由采點告警規則觸發生成的。

3.4 維保管理

如圖 11 所示，“維保計劃”和“維保記錄”分別支持各自功能的創建、修改、查看、查找、刪除等操作?！熬S保計劃”定義了所要進行維保的設備，還包含操作員、設備 ID、計劃描述等信息 ；“維保記錄”用于跟蹤設備的維保歷史，記錄維保的相關信息，包括開始時間、結束時間、操作員等。

4、 結 語

工業物聯網為制造業數字化轉型、經濟高質量發展注入強大動能。針對工業設備的便捷接入和高效管理等典型問題，給出了一種工業設備運維云平臺的設計和實現，平臺支持多種主流工業協議，實現設備的快速接入，支持設備管理、告警管理、維保管理等功能。平臺采用分層架構，具有良好的擴展性，分布式組件的使用保證了平臺的高可靠性。在具體應用和實踐中將不斷強化工業大數據分析與工業機理模型的融合，使得智能化水平不斷提升。

審核編輯：郭婷