吳 彬, 胡 敏

[1.上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司, 上海 200063;2.上海電器科學(xué)研究院, 上海 200063]

0 引 言

我國房地產(chǎn)、工業(yè)、電網(wǎng)、基礎(chǔ)設(shè)施都呈現(xiàn)出較強(qiáng)的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)[1],各類需求應(yīng)運(yùn)而生,例如智能配電網(wǎng)建設(shè)推動(dòng)用戶端智能配電整體發(fā)展;新能源發(fā)電市場(chǎng)高速增長(zhǎng),推動(dòng)專用型用戶端電器技術(shù)快速進(jìn)步;電動(dòng)汽車充電樁市場(chǎng)需求快速增長(zhǎng)和通信數(shù)據(jù)行業(yè)高速發(fā)展,引致高性能用戶端電器產(chǎn)品需求等。

以上各類需求以及對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景應(yīng)用,如果按照傳統(tǒng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn),只能是單一場(chǎng)景應(yīng)用對(duì)應(yīng)單一工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。單場(chǎng)景應(yīng)用平臺(tái)的缺點(diǎn)很明顯,從開發(fā)到運(yùn)營(yíng)運(yùn)維,增加了成本,還極大地影響交付效率,無法滿足客戶的快速響應(yīng)并提供定制化的、敏捷化的需求。

因此,需要通過人工智能物聯(lián)網(wǎng)(AIoT)平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)用戶端智能配電多場(chǎng)景應(yīng)用[2]。每個(gè)場(chǎng)景應(yīng)用都需要針對(duì)性、定制化的實(shí)施來滿足各企業(yè)的不同需求。而如何很好地滿足客戶定制化的需求一直以來都是個(gè)難點(diǎn)。本文基于AIoT平臺(tái)的多場(chǎng)景應(yīng)用[3],在充分調(diào)研智能配電站、智能箱變、5G等多個(gè)場(chǎng)景應(yīng)用實(shí)施過程的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā),較好地解決了上述問題。

1 AIoT平臺(tái)總體方案

1.1 AIoT平臺(tái)結(jié)構(gòu)

人工智能物聯(lián)網(wǎng)(AIoT)=人工智能(AI)+物聯(lián)網(wǎng)(IoT)[4]。傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)是通過有線和無線網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)物-物、人-物之間的相互連接。與傳統(tǒng)的IoT區(qū)別在于,AIoT不僅是實(shí)現(xiàn)設(shè)備和場(chǎng)景間的互聯(lián)互通,還要實(shí)現(xiàn)物-物、人-物、物-人、人-物-服務(wù)之間的連接和數(shù)據(jù)的互通,以及人工智能技術(shù)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的賦能進(jìn)而實(shí)現(xiàn)萬物之間的相互融合[5]。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展,AIoT平臺(tái)的設(shè)計(jì)原則如下:

(1) 可擴(kuò)展性:水平可擴(kuò)展的平臺(tái),使用領(lǐng)先的開源技術(shù)構(gòu)建。

(2) 容錯(cuò)性:不會(huì)出現(xiàn)單點(diǎn)故障,群集中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是相同的。

(3) 高效性:單個(gè)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)可以處理數(shù)萬臺(tái)設(shè)備,具體取決于實(shí)際應(yīng)用。

(4) 持久性:平臺(tái)支持隊(duì)列實(shí)現(xiàn),以提供極高的消息持久性。

(5) 可定制性:使用可自定義的部件和規(guī)則引擎節(jié)點(diǎn)便可以輕松增加新功能。

(6) 高可靠性:海量設(shè)備同時(shí)聯(lián)網(wǎng),低延時(shí)、動(dòng)態(tài)擴(kuò)容,先進(jìn)的云邊端協(xié)同機(jī)制,充分利用云端強(qiáng)大的計(jì)算能力,為智能化數(shù)字設(shè)備充分賦能。

AIoT平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 AIoT平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知,AIoT平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)功能如下:

(1) 設(shè)備層:設(shè)備具備與平臺(tái)通信的協(xié)議,直接連接平臺(tái)。大部分設(shè)備支持的協(xié)議是工業(yè)領(lǐng)域的,因此需要智能網(wǎng)關(guān),對(duì)接相應(yīng)的設(shè)備協(xié)議進(jìn)行采集數(shù)據(jù)。

(2) 傳輸層:協(xié)議 API 都由單獨(dú)的服務(wù)器組件提供,并且MQTT 協(xié)議傳輸還提供了網(wǎng)關(guān) API,目的是擴(kuò)展連接設(shè)備的種類和傳感器設(shè)備等。傳輸層從設(shè)備層接收到數(shù)據(jù)消息后,會(huì)對(duì)其進(jìn)行分析并將其推送到持久消息隊(duì)列。

(3) 核心層:核心模塊負(fù)責(zé)處理REST API調(diào)用和WebSocket訂閱;負(fù)責(zé)存儲(chǔ)有關(guān)活動(dòng)設(shè)備會(huì)話的最新信息,并監(jiān)視設(shè)備的連接狀態(tài);規(guī)則引擎負(fù)責(zé)處理具有用戶定義的邏輯和數(shù)據(jù)流的傳入消息;數(shù)據(jù)庫區(qū)分了靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(SQL)和時(shí)序數(shù)據(jù)庫(NoSQL),極大地提高了存儲(chǔ)效率和空間。

(4) 用戶層:用戶通過靜態(tài)Web頁面配置數(shù)據(jù),同時(shí)支持WebSocket實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù);平臺(tái)提供豐富的REST API接口,供第三方應(yīng)用程序定制化使用;平臺(tái)可以將數(shù)據(jù)推送到外部系統(tǒng),將處理數(shù)據(jù)完成后的結(jié)果報(bào)告進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。

1.2 AIoT平臺(tái)功能

AIoT平臺(tái)最基本的功能是用于數(shù)據(jù)收集、處理、可視化和設(shè)備管理。通過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議MQTT、CoAP和HTTP,可實(shí)現(xiàn)設(shè)備通信連接。AIoT的平臺(tái)功能如下。

(1) 多租戶賬號(hào)體系:采用開箱即用的多租戶管理方式。租戶管理員具有多個(gè)子租戶以及設(shè)備和客戶。

(2) 遙測(cè)數(shù)據(jù)采集:以可靠的方式采集和存儲(chǔ)遙測(cè)數(shù)據(jù),避免網(wǎng)絡(luò)和硬件故障,使用自定義的Web儀表板或服務(wù)器端API展示數(shù)據(jù)。

(3) 多場(chǎng)景應(yīng)用化:通過平臺(tái)的基本要素(儀表板、部件、規(guī)則鏈、規(guī)則節(jié)點(diǎn)、資產(chǎn)、設(shè)備)的相互關(guān)聯(lián)組合,快速完成多場(chǎng)景應(yīng)用的構(gòu)建;完全通過非代碼化的開發(fā),僅通過瀏覽器可視化配置,就可以完成場(chǎng)景應(yīng)用的項(xiàng)目使用。

(4) 數(shù)據(jù)可視化:在多場(chǎng)景應(yīng)用的菜單中,提供豐富的小部件,通過內(nèi)置編輯器進(jìn)行定制化屬于租戶自己的小部件。內(nèi)置了豐富的折線圖、數(shù)字和模擬儀表、地圖等。

(5) 規(guī)則引擎:基于實(shí)體屬性或者消息,使用靈活的規(guī)則鏈處理傳入的設(shè)備數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到內(nèi)外部系統(tǒng),通過拖放式規(guī)則鏈設(shè)計(jì)器靈活地自定義數(shù)據(jù)邏輯流;還可以配置復(fù)雜的告警邏輯。

(6) 設(shè)備管理:提供注冊(cè)和管理設(shè)備,監(jiān)測(cè)客戶端屬性和預(yù)配服務(wù)器端設(shè)備屬性,為服務(wù)器端應(yīng)用程序提供相應(yīng)的API接口,通過RPC命令發(fā)送到設(shè)備,反之亦然。

(7) 資產(chǎn)管理:提供注冊(cè)和管理資產(chǎn),配置服務(wù)器端資產(chǎn)屬性并監(jiān)控其相關(guān)警報(bào),使用關(guān)系構(gòu)建實(shí)體的層次結(jié)構(gòu)。

(8) 安全方面:支持MQTT和HTTP協(xié)議的傳輸加密;支持設(shè)備身份驗(yàn)證和設(shè)備憑據(jù)管理。

2 多場(chǎng)景應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)

2.1 AIoT平臺(tái)場(chǎng)景應(yīng)用開發(fā)與配置

AIoT平臺(tái)的場(chǎng)景應(yīng)用開發(fā)主要集中在平臺(tái)的方案模板。AIoT平臺(tái)的方案模板邏輯設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 AIoT平臺(tái)的方案模板邏輯設(shè)計(jì)圖

(1) 平臺(tái)的角色分類說明如下:

① 平臺(tái)管理員:整個(gè)平臺(tái)的系統(tǒng)管理員具有最高權(quán)限。

② 租戶:租戶是獨(dú)立的業(yè)務(wù)實(shí)體,是具有包括設(shè)備和資產(chǎn)的組織。租戶管理員擁有多個(gè)子租戶。

③ 客戶:客戶也是一個(gè)獨(dú)立的業(yè)務(wù)實(shí)體,但是其設(shè)備和資產(chǎn)都是通過租戶進(jìn)行分配過來的,能夠查看所屬的設(shè)備和資產(chǎn)信息。

(2) 平臺(tái)的實(shí)體說明如下:

① 設(shè)備:帶通信協(xié)議并能產(chǎn)生遙測(cè)數(shù)據(jù)的IoT實(shí)體,例如儀表、開關(guān)、傳感器等。

② 資產(chǎn):與其他設(shè)備和資產(chǎn)相關(guān)的抽象物聯(lián)網(wǎng)實(shí)體,例如工廠、車間、柜體、回路等。

③ 儀表板:物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的可視化面板,以及通過用戶界面可以控制設(shè)備的能力。

④ 規(guī)則節(jié)點(diǎn):傳入消息的節(jié)點(diǎn),具有實(shí)體生命周期事件等的處理單元模塊。

⑤ 規(guī)則鏈:由多個(gè)規(guī)則節(jié)點(diǎn)組成的邏輯單元模塊。

(3) 方案模板邏輯說明如下:

① 平臺(tái)管理員創(chuàng)建租戶需要的方案模板菜單(即場(chǎng)景應(yīng)用菜單)。

② 平臺(tái)管理員導(dǎo)入該方案模板的儀表板和規(guī)則鏈。

③ 平臺(tái)管理員分配該方案模板到租戶管理員的方案模板庫。

④ 租戶管理員接收到平臺(tái)管理員分配到方案模板后,通過權(quán)限進(jìn)行控制菜單顯示;另外,可以通過項(xiàng)目分配客戶方案模板。

⑤ 租戶管理員下的客戶接收到租戶管理員分配的方案模板后,通過權(quán)限進(jìn)行控制菜單顯示。

⑥ 子租戶和子租戶下的客戶也是同④和⑤流程邏輯說明。

2.2 多場(chǎng)景應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)與效果

AIoT平臺(tái)的智能配電房解決方案菜單圖如圖3所示。

圖3 AIoT平臺(tái)的智能配電房解決方案菜單圖

AIoT平臺(tái)的智能配電場(chǎng)景應(yīng)用效果圖如圖4所示。

圖4 AIoT平臺(tái)的智能配電場(chǎng)景應(yīng)用效果圖

AIoT平臺(tái)的充電樁場(chǎng)景應(yīng)用效果圖如圖5所示。

AIoT平臺(tái)的智能微型斷路器場(chǎng)景應(yīng)用效果圖如圖6所示。

3 多場(chǎng)景應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 挖掘工業(yè)數(shù)據(jù)深層次價(jià)值

智能配電多場(chǎng)景應(yīng)用的關(guān)鍵需求有:能源系統(tǒng)數(shù)據(jù)整體管控,對(duì)能耗深度分析、智能預(yù)測(cè)、精細(xì)化管控;多類型能源協(xié)調(diào)管理,實(shí)現(xiàn)多種類型能源的綜合接入與協(xié)調(diào)控制;功率平衡控制,建立發(fā)、儲(chǔ)和用協(xié)同功率調(diào)控機(jī)制,確保電能高效利用。

圖5 AIoT平臺(tái)的充電樁場(chǎng)景應(yīng)用效果圖

開展用戶端智能配電機(jī)理知識(shí)的深度研究,形成多維度、高價(jià)值機(jī)理模型庫,實(shí)現(xiàn)平臺(tái)App智能化賦能。最終提供一站式的穩(wěn)定、高效、易用、開放的數(shù)據(jù)挖掘及AI分析建模平臺(tái),全面釋放工業(yè)數(shù)據(jù)深層次價(jià)值[6]。

3.2 遙測(cè)數(shù)據(jù)采集技術(shù)

AIoT平臺(tái)針對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)[7]的采集,采用了各種通信協(xié)議模板和高集成度,來完成從設(shè)備端的采集過程。

采集后的遙測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)以時(shí)間序列數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SQL(PostgreSQL)或NoSQL(Cassandra)數(shù)據(jù)庫中,與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比,極大地降低了資源存儲(chǔ)空間,同時(shí)也提高了使用效率,具有靈活的聚合查詢功能。

使用了WebSocket訂閱模式下的數(shù)據(jù)更新方式,可真正做到實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)持久性方面,采用當(dāng)下流行的隊(duì)列技術(shù)Kafka,將包含時(shí)序數(shù)據(jù)的消息發(fā)送到AIoT平臺(tái),通過規(guī)則引擎隊(duì)列進(jìn)行精準(zhǔn)控制消息流向。

3.3 儀表板和部件技術(shù)

AIoT平臺(tái)提供了創(chuàng)建和管理儀表板的功能,每個(gè)儀表板都可以包含大量的小部件;顯示實(shí)體的數(shù)據(jù)(如設(shè)備、資產(chǎn)等);同時(shí)還可以將儀表板分配給客戶。

部件技術(shù)是指部件庫里的各類圖表樣式、各類儀表樣式等,主要是以前端js/css/html技術(shù)為核心的開發(fā)元素。AIoT平臺(tái)的部件庫如圖7所示。

圖7 AIoT平臺(tái)的部件庫

部件的數(shù)據(jù)處理功能如圖8所示。

圖8 部件的數(shù)據(jù)處理功能

3.4 規(guī)則引擎技術(shù)

規(guī)則引擎技術(shù)是一種框架技術(shù),用于構(gòu)建事件工作流。主要組成如下:

(1) 規(guī)則節(jié)點(diǎn):對(duì)傳入消息進(jìn)行執(zhí)行的函數(shù)。會(huì)有許多不同的節(jié)點(diǎn)類型可以實(shí)施過濾、轉(zhuǎn)換或?qū)魅胂?zhí)行某些操作的功能。

(2) 消息:任何傳入事件。主要是來自設(shè)備的傳入數(shù)據(jù)、設(shè)備生命周期事件、REST API 事件、RPC 請(qǐng)求等。

(3) 規(guī)則鏈:節(jié)點(diǎn)通過關(guān)系相互連接,從上一個(gè)連接的規(guī)則節(jié)點(diǎn)的出站消息發(fā)送到下一個(gè)連接的規(guī)則節(jié)點(diǎn)。

規(guī)則鏈的使用如圖9所示。

圖9 規(guī)則鏈的使用

AIoT平臺(tái)的規(guī)則引擎是一個(gè)高度可自定義和可配置的模塊,主要用于復(fù)雜的事件處理,完全可以理解成自定義數(shù)據(jù)流的控制中心。通過借助規(guī)則引擎,可以過濾、控制、轉(zhuǎn)換由IoT設(shè)備和相關(guān)資產(chǎn)發(fā)起的傳入消息;還可以觸發(fā)各種操作,例如:推送消息、發(fā)送郵件、發(fā)送短信或者是與外部系統(tǒng)的通信。

4 結(jié) 語

本文基于AIoT平臺(tái)的多場(chǎng)景應(yīng)用在智能用戶端行業(yè)的研究,已經(jīng)服務(wù)于多家客戶,有智能配電站、智能箱變、智能微型斷路器。通過這些項(xiàng)目實(shí)例,可以完成每個(gè)定制化、具有針對(duì)性的場(chǎng)景應(yīng)用;可以很好地滿足各個(gè)企業(yè)客戶的需求,加速創(chuàng)新研發(fā)新產(chǎn)品和新服務(wù),使得數(shù)字化的應(yīng)用場(chǎng)景不斷拓展。

數(shù)字化已經(jīng)完全貫穿整體工業(yè)制造的全流程,該項(xiàng)研究可以拓展到新型電力系統(tǒng)的其他典型應(yīng)用,例如虛擬電廠、智慧實(shí)驗(yàn)室、智慧教室、智慧園區(qū)等,為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)提供解決方案。