基于工业分布式体系的边缘侧数据平台设计.pdf

中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术 84 基于工业分布式体系的边缘侧数据平台设计 刘宏生 重庆大唐国际彭水水电开发有限公司，重庆 409600 摘要：摘要：随着科技化发展速度越来越快，近几年我国工业发展质量在不断提升，为了完成调速器油压设备运行状态和常见故障机理研究等工作，加强对工业分布式体系的边缘侧数据平台设计能够满足当前工业发展的需求，支持多种设备数字化改造数据接入和开放式的数据应用计算，并基于此框架实现水轮机调速器油压装置运行状态监测与故障预警子系统示范建设。本文的主要目的就是分析工业分布式体系的边缘侧数据平台设计方式。关键词：关键词：工业分布式体系；边缘侧数据；平台设计 中图分类号：中图分类号：TM81 基于工业分布式体系的边缘侧数据平台是基于成熟数据平台技术及开放式算法框架技术，建设基于标准物理信息系统（CPS 体系）的边缘侧数据平台，构建电站智能化设备故障检测系统的框架体系，数据标准，通信模式等，实现厂站端的电机电流、无线测温、顶盖螺栓应力等数据汇集、边缘智能计算、数据场景展示等功能。1 基于工业分布式体系的边缘侧数据平台设计的要求 系统基于智慧电厂已建设系统，将监控系统、在线监测系统及新增感知设备数据接入边缘数据资产站，通过边缘数据资产站获取各系统数据，同时提供数据访问接口，接口可方便地为第三方业务系统提供数据。为此，在进行平台设计的过程中需要明确其设计要求包括以下几点：（1）开放性要求 采用稳定成熟的软件平台作为实施平台，具备良好的可移植性，采用标准开放接口，支持与其他系统的数据共享。（2）标准化要求 所有各项软件开发工具、系统平台及软件系统实施应符合我国国家标准、行业标准、大唐集团和大唐国际相关技术规范和要求。（3）参数化要求 按模块化实现软件系统实施，支持参数化配置，支持组件及组件的动态加载。（4）可靠性要求 系统设计和编制保证系统可靠运行，并为系统故障诊断和排除提供快捷方便的技术手段。（5）易用性要求 采用先进的展示技术展现数据和管理信息，具有友好、美观的人机界面，便于系统维护管理，便于人员查询、修改有关数据和信息，同时设计时应充分考虑软件系统的可维护性。（6）多级管理要求 在业务实现上支持多级多组织管理模式，各级在业务上实现上下贯通；数据在不同组织之间横向隔离，纵向共享。（7）扩展性要求 系统的设计确保运行的高效性、可靠性及安全性，同时简化系统的运行管理及维护工作，系统具备相应的扩展能力，并且所提供的扩展方式不影响系统工作效率。（8）系统性能要求 系统满足如下性能参数要求，并符合稳定性和可靠性、可扩展性、安全性等要求，具体内容如下：系统对用户注册授权数量不限制，并发用户200 人；保证 724 小时正常运行；平均无故障时间10000h；非统计性查询响应时间2 秒；统计性查询响应时间十万条记录响应时间30 秒；系统数据平均保存响应时间2 秒；高峰时6 秒；系统在线数据存储时间应10年。系统页面平均显示响应时间2秒；高峰时6秒；系统登录平均响应时间2 秒；高峰时5 秒；系统中的点击、选中操作响应时间3 秒，不能出现卡、等待的现象；可按采购人实施时的实际要求，将系统开放在内网或外网上，并灵活设置权限，通过权限控制任中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术 85 意地点可以访问权限内的任意系统；局域网测试环境下，从点击链接到完整呈现在客户端所需时间，无数据统计的页面不大于 2 秒，有少量数据统计（1000 条）的页面不大于 3 秒。2 平台设计内容以及功能（1）设计内容 在设计的过程中，其包括了设备端感知系统实现：安装新的感知元件，并将感知数据的前端采集和上送。完成站内智能数据应用平台化软件系统搭建，包括数据汇集系统，智能计算系统和场景展示系统的搭建。完成调速器油压设备运行状态和常见故障机理研究，进行故障产生机理研究和运行状态监测手段及方法的研究。数据工程研究和实现：包括纳管数据接入，智能算法的开发测试部署，综合展示页面设计开发等。建设水轮机调速器油压装置新增感知元件，包括电流传感器和智能边缘采集模块等，完成现地端子箱的安装及相关配件的安装和调试。站内数据汇集平台系统建设：部署专用的数据汇集平台设备，将设备部署在电厂的三区，设备实现数据的协议采集，数据的编码标准化，数据的质量过滤筛选，数据实时存储，数据报警配置及相关的数据展示，同时利用标准通信协议接入站内的监控系统数据、监测系统、电机电流、无线测温、顶盖螺栓应力等数据，使用系统算法流程编辑模块来实现所接数据的趋势预警和故障诊断功能，并具有 30%以上的备用容量，满足电站数字化改造需求。站内智能计算平台系统建设：部署专用的数据智能计算平台设备，将设备部署在电厂的三区，设备实现可组态化的，开放式的算法流程编辑，同时支持多种算子单元，包括实时数据的滤波，波形的预处理和人工智能学习算法等，利用该设备，完成调速器相关应用算法的设计和开发实现站内场景展示平台系统建设：部署专用的场景展示平台设备，将设备部署在电厂的三区，设备实现全组态化的应用场景的设计和编辑实现，同时支持自定义的展示控件的扩展，可以实现彭水及其余电站数据在同一画面集中展示功能，并完成调速器相关应用界面的设计，实现运行监视、趋势预警和故障预测等功能。（2）设计的重点与难点 由于水电站具有运行工况复杂、工况间转换频繁及不同工况运行时外特性差异大的特点，导致运行监测数据涉及水轮发电机组、辅助设备、变电设备、水工设备等，来源广泛、监测数据量大，如何实现不同系统使用多种协议和网络部署方式通讯，多源异构数据的分布式集散采集，是本项目的边缘数据资产站建设的一个重点。同时应与现场多种业务系统协调配合，如何依据数据资产站获取的机组多工况实时运行数据，利用人工智能算法，结合设备的机理模型，利用设备的运行数据，实现主机状态方面的智能化应用，是本次项目的核心内容，也是项目的核心价值和难点部署适合站端边缘侧数据汇集和计算需求的平台，设计平台架构和功能，满足未来电站的数据扩展接入管理和应用开发扩展，是本项目的重点基础内容。（3）KDM：数据资产汇集 在进行工业分布式体系的边缘侧数据平台设计的过程中，其数据汇集包括的内容为：集成常用工业标准通信规约，例如：MQTT、Modbus、104、OPC 等；支持常用数据库连接，包括 VZDB 库、PI 实时库、SQL 关系库；支持 CSV 数据表自定义设计，并按格式导入离线数据；数据共享：标准化 API 接口，支持实时和历史数据的组合检索查询；支持多个设备之间的数据实时同步，支持一对多，多对一等同步模式。全量报警：支持对系统内的所有数据进行报警判断，报警规则可自定义配置；支持单个点或多个点的越线阈值，逻辑组合，关联趋势的报警规则；支持报警动态跟踪，实时事件存储和历史检索查询。数据查看：支持清单方式快速检索数据列表，数据值和趋势图对比跟踪；数据详情查看，包括数据来源，标签，时间，事件，最新值等；数据历史数据检索，趋势分析，图形下载存储。数据编码：采用 KKS 编码规则对实时数据进行标准定义，可视化编码字典编辑定义；对接入系统数据进行编码配置，形成标准数据存储库；内置水电、火电、风电和光伏标准编码集合，方便数据进行快速标识。数据管理：内嵌高性能实时数据库，支持实时和历史数据，单机最高支持10万点；支持多种数据类型，包括整形、浮点数、布尔量，波形二进制等；支持数据按时间，按容量和标签清单进行数据自动清理和备份。（4）KEM：边缘计算平台 数据中心内的数据分为两大应用方向：基础数据存储和特征数据。边缘计算平台支持针对某些既定的需求，对数据资产站内的数据进行挖掘和特征提取，中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术 86 形成具有特殊数据属性的特征数据，并以标准数据接口方式对外提供，来简化应用程序的开发，提高了展示速度。为了满足上述要求，边缘计算平台实现了几个方面的功能：第一，状态监测数据的二次计算、干扰过滤、趋势拟合等。第二，异常信息获取：按系统预定的规则（如异常状态的告警阈值）判断异常状态监测信息并加以定级和记录。第三，汇总统计功能：进行最大、最小、平均、同比、环比等汇总统计，以方便后续应用的信息处理。第四，典型数据提取及历史数据清理：根据典型应用需要，定期提取各监测类型的典型数据样本进行长期保存，并将超过一定时限的历史数据予以清除。第五，灵活可配置的挖掘服务，通过简单的配置功能即可实现定向数据挖掘功能，并且各种二次加工处理算法应可灵活扩充和定义，以适应各种应用需要。二次加工后的数据可被再次加工，实现循环利用。（5）KAM：应用场景展示 数据展示是基于 HTML5 的一个交互可视化的数据分析与展示服务，可以根据分析场景，快速地搭建数据指标分析仪表板。其中含有的功能特性为：第一，仪表板的开发使用用户容易理解的“文件打开编辑保存删除”的过程，无需代码开发；第二，仪表板可复制、导出、分享，方便迁移和嵌入到其他系统中；第三，可以自由定制仪表盘控件的大小、颜色、图例等属性；第四，控件布局可调整，并能自动根据分辨率显示最佳效果；第五，仪表盘控件可设置报警阈值，按阈值以颜色、文字展现信息提醒用户；第六，内置多种数据源，包括 SQL 关系库、NoSQL 大数据库、文本（csv/excel)、HTTP、KDM 实时数据、指标数据、实时库等；第七，常用的分析图表控件，包括折线图、柱图、散点图、饼图、表格等；第八，专业图表分析控件，包括波形分析、三维分析等；第九，提供基于HTTP 的接口 API，与具体程序语言无关；第十，接口提供实时数据、多维统计数据结果；第十一，可以在移动端上访问，自适应不同移动端的屏幕，无需安装APP；第十二，提供基于组织、用户、角色的权限管理，权限可细分到仪表盘控件。3 数据库设计 VZDB 由北京奥技异电气技术研究所有限公司自主开发的一款实时数据库，可直接实时采集、获取设备运行过程中的各种数据，并将其转化为对各类业务有效的公共信息。（1）海量数据处理能力 VZDB 采用高效的数据结构，内部采用了多种机制保证系统整体的可靠性、稳定性以及资源利用率，能够适应 windows 与 linux 等不同的应用场景（2）索引缓存机制 为提高数据读写速度和数据检索速度，vzdb 采用了多级索引与多种缓存机制，以降低对物理磁盘访问频次，提高数据处理效率。vzdb 的缓存机制分为数据读写缓存和数据检索缓存。（3）多线程/多进程机制 VZDB 采用多进程设计模式，集成开发环境、数据库核心、设备采集模块、客户端、网络服务器和对外接口等程序均为独立进程，每个进程又采用多个线程，能够充分利用系统资源。多进程模式运行稳定，各个进程运行在独立的地址空间中，一个进程的错误不会影响到另一个进程。每个进程功能相对单一，结构清晰，独立性强，调试和维护更加方便。4 平台的可靠性（1）管理节点主备用 业务主备管理节点采用管理平面的心跳检测，备用节点实时检测主用节点的健康状态，一旦发现主用管理节点故障，备用管理节点将立刻接管主用节点业务，持续对外提供服务。（2）流量控制 为向用户提供稳定的高可用的并发业务和避免大流量冲击导致系统崩溃，管理节点针对系统关键流程设计了完善的流量控制机制。（3）故障检测 系统提供了故障检测和告警的功能，同时它包括了在 Web 浏览器中显示故障信息的工具。一旦集群进入正常状态，系统提供使用数据可视化工具观察集群管理和分配负载的功能，可以帮助用户确定是否有负载均衡问题、失控进程或硬件性能下降的趋势，将对合理调整、分配系统资源，提高系统整体性能起到重要作用。（4）数据一致性校验 提供了数据一致性审计功能，除了系统本身针对关键资源提供的自审计和恢复能力之外，还支持定时中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术 87 审计 VM，卷，网络等关键资源的数据和状态的一致性，发现有异常，会自动记录并指导管理人员进行恢复。（5）管理数据备份与恢复 系统提供管理节点配置数据和业务数据定期本地和异地备份能力，支持与第三方 FTPServer 对接配置的能力。当管理节点服务异常无法自动修复时，通过本地备份的数据立即恢复；当由于灾难性的故障导致管理节点双点同时故障且不能通过重启等操作进行恢复，可使用异地备份数据立即恢复（1 个小时之内完成），减少故障恢复时间。5 结语 综上所述，通过探究基于工业分布式体系的边缘侧数据平台的设计方式促使该数据平台的使用效果得以提升，促使系统满足整体性能优越、技术先进、集成化与模块化相协调统一的原则，数据接口严密完善，维护方便、界面友好，具有良好的性能和可扩展性。参考文献 1孙文嘉,张海磊,高闯.基于ZK1200国产燃气轮机的工业分布式供能系统的经济性分析J.燃气轮机技术,2021,34(02):43-51.2化振谦,党三磊,彭龙等.霍尔传感器技术的电机电压工业分布式采集系统J.粘接,2020,41(04):153-157.