基于工业互联网的水电统一智慧平台总体设计

牛海明，张朝阳，李 桦

［1.国能智深控制技术有限公司（北京市电站自动化工程技术研究中心），北京市 102211；2.国家能源投资集团有限责任公司，北京市 100011；3.北科信控科技有限公司，北京市 100081］

0 引言

水电厂以其发电生产过程简单、控制调节迅速灵活而成为计算机控制技术应用最广泛的领域之一。经过40多年计算机监控技术的试点、推广及应用，我国水电厂普遍实现了以现地“无人值班”（少人值守）为标志的现代化水电厂建设，显著地提高了水电厂的自动化生产和管理水平[1][2]。

近年来工业互联网已广泛应用到工业生产优化，管理提升、改进服务和节能减排等方面，工业互联网应用前景十分广阔，为此国务院陆续发布了《中国制造2025》[3]《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》[4]等系列政策文件，提出大力发展智能制造，加速推动信息技术与制造技术的深度融合。

在上述政策文件的指导下，各发电企业都在争先恐后地开展智慧化建设，智慧水电厂、智慧流域等新概念层出不穷，以智慧水电厂为标志的新一轮技术革命方兴未艾。特别是新能源技术的发展，对自动化与信息化系统的海量数据采集与分析能力要求变得格外突出。目前，水电厂智慧化建设包括大数据中心和专业应用两大部分，两部分的产品方案提供商均各侧重一头。大数据中心多基于网络企业开发的开放云平台技术构建，对水电专业应用的特点关注不够，包括监控系统、调度自动化系统在内的众多水电厂专业应用方案提供商对云大物移智的支持度不够，与大数据中心之间有间隙，影响智慧应用的开发、应用与运维[5-6]。因此，迫切需要一套能与大数据平台无缝连接且满足水电行业特殊需求的统一智慧平台。

本文提出了一种基于工业互联网的水电统一智慧平台方案，包括基础平台、服务平台和应用平台等三个层次，面向对象，支持云、大、物、移、智等新兴技术，可方便地用于构建水电厂及梯级水电厂的监控系统、水库调度系统等专业智慧应用系统，满足水电行业智慧化建设对统一智慧平台的需要。

1 平台总体架构

工业互联网（industrial internet）是新一代信息通信技术与工业经济深度融合的新型基础设施、应用模式和工业生态，通过对人、机、物、系统等的全面连接，构建起覆盖全产业链、全价值链的全新制造和服务体系，为工业乃至产业数字化、网络化、智能化发展提供了实现途径，是第四次工业革命的重要基石[7-8]。

基于工业互联网的水电统一智慧平台可抽象为三个层次，从下往上分别为基础平台、服务平台、应用平台三部分对水电智慧应用层做业务支撑，如图1所示。

图1 基于工业互联网平台的水电统一智慧平台总体架构Figure 1 The overall architecture of the unified intelligent platform for hydropower based on the industrial internet platform

基础平台根据需求为整个系统提供云基础设施，包括硬件物理资源以及运行于其上的云资源管理与调度系统。

服务平台运行于基础平台之上，为上层应用提供设备接入、规则控制、数据存储、分发、处理等服务。

应用平台面向用户，为用户提供可视化的物模型配置、监控画面配置、数据筛查分析、实时数据统计报表等设计工具，可根据现水电厂运维的需求快速灵活搭建场景应用。

2 基础平台

基础平台包含整个系统所需的硬件资源，是整个系统服务的支撑，提供服务器、网络、存储、安全设备等计算资源，并基于虚拟化、负载调度、分布式存储等技术，对计算资源进行池化管理，实现对计算、网络、存储等资源依据需要进行弹性分配。

基础平台将上层服务与硬件资源、系统资源分离开，使得上层服务、应用可以专注于更为详细的专业业务的实现。

同时，基础平台具有一套支撑系统运行的支撑服务及环境，包括监控运维、微服务处理、数据中心等内容。

（1）运维监控。

为上层服务平台提供统一的监控、日志收集、错误收集及自动部署等功能，为服务平台持续稳定地运行提供了保障。

（2）微服务。

微服务处理提供涵盖配置中心、服务注册发现、通信、调用、负载均衡等管理机制和运行环境，支撑服务单元细粒度、松耦合的开发和部署。

（3）数据中心。

数据中心提供多种类型的数据库，为不同类型的数据提供合适的存储服务，同时还支持消息队列、数据总线等功能，确保数据在系统中快速、稳定地进行传输、保存。

3 服务平台

服务平台为上层应用提供基础的设备交互及数据处理服务，包括设备接入、数据采集、数据存储、数据分发、规则控制、数据查询、数据报警等服务，如图2所示。

图2 服务平台架构示意图Figure 2 Service platform architecture diagram

（1）设备接入服务。

通过预设TCP、HTTP、MQTT、Modbus等通用传输协议，以配置化的形式接入不同厂商、不同接口、不同系统的各种硬件设备，对采集到的异构数据进行解析，将解析后的数据结构化、统一化、规范化，发布到统一的消息总线、实时数据库等服务，实现数据的统一处理分析。上层应用不需要再关注具体设备的连接方式、交互方式、协议格式，不用再去兼容多种设备、系统，实现高效、实时、全面，跨厂商、跨系统的数据互通和互操作，将服务内容沉淀到业务本身[9]。

（2）采集数据的解析。

设备接入服务提供常见的传输协议，通过配置设备地址等基本信息即可与设备进行连接、通信，将接收到的数据依据传输协议的不同，分为二进制数据、结构化数据等。结构化的数据可以直接发布到消息总线，二进制数据通过上层应用物模型管理进行配置，以表格的形式对协议细节进行描述，设备接入服务依据协议内容对数据进行解析，将二进制数据结构化之后发布到消息总线。

（3）消息总线。

作为各服务间的数据管道，是整个系统中的核心组件，通常以消息队列的形式存在。常见的选型有Redis、Kafka、RabbitMQ等，可根据不同的场景需求选择不同的部署方案。消息总线具有很高的数据吞吐量，可以将数据以扇形的形式发送给每一个服务，也可以将某个队列的消息分散给每一个分组，将数据生产者与消费者分离开，增加消费者服务的数量以达到快速处理数据的目的。使用消息总线还可以降低各服务间的耦合度，降低服务间的依赖，使整个系统运行更加健壮。消息总线还支持集群化部署，保存服务稳定运行。

（4）数据存储服务。

从消息总线中接收数据，可以根据需要同时分别写入时序数据库、实时数据库、分布式存储等系统中，无需再对不同的数据单独处理。

1）实时数据存储。物联网应用场景的特点是，各种设备实时产生的数据量比传统互联网产生的数据量要大得多，并具有实时性强、频度高、密度大、数据模型不固定等特点。

传统关系型数据库和文档型数据库在对这些数据进行查询、存储、分析等操作时，存在占用资源多、延时长、聚合分析效率低等问题，不能满足物联网应用的需求。

因此，平台的实时数据存储服务选用时序数据库。时序数据库是针对物联网应用场景的特点，依据其数据与时间高度相关的特性，专门设计实现的用于存储和管理时间序列数据的专业化数据库，具有低延时、高并发、无事务要求、写多读少、海量数据持续写入等特点，并可分布式集群部署，支持高效的基于时间的检索和查询分析，广泛应用于物联网、金融、工业监控等领域。目前，市面上有多种开源及国产化方案，可依据不同的场景或性能要求选择具体的实现方案。具体应用时可以通过设计实现一个兼容主流时序数据库的代理层，用以消除不同数据库的连接差异，方便快速接入各种数据库。

2）边缘数据处理。基于高性能计算、实时数据运算、边缘分析算法等技术支撑，在靠近设备或数据源头的网络边缘侧进行数据的预处理、暂存以及智能分析应用，提升操作响应灵敏度、消除网络堵塞，并与云端数据分析形成协同[10]。

3）历史数据存储。针对设备一段时间内的历史数据，系统采集内存数据库作为实时数据库进行数据存储。内存数据库因为数据存储于内存中，存取效率高，速度快，可快速响应上层应用对短期历史数据的存取，支撑规则控制服务、数据报警服务对出现问题时做出及时响应。内存数据库支持集群化部署，在提高存取效率的同时还可以加强系统的稳定性。因实时数据库存储的数据与设备数量多少正相关，部署时可以依据设备数量划定合适的资源配置、预留冗余，保证系统安全稳定运行。

平台还具有断网续传服务功能。遇到网络故障时，该服务会存储未能上传时段的设备数据，当网络恢复时将全时段历史数据进行上传，保障了云端数据的完整性和可靠性。

（5）数据分发服务。

通过订阅分发的模式，监听消息总线，收到数据时，将有订阅需求的数据实时推送到对应的服务。数据分发服务对外提供统一接口，上层应用只需要接入一个服务即可，不需要关注设备交互的具体细节。实际应用中，数据分发服务更多用于用户界面监视实时数据的展示、报警信息的推送等，常以浏览器为载体，通过WebSocket协议与数据分发服务交互。

（6）规则控制服务。

提供可视化的数据流编辑工具，它将数据处理过程中的一个个操作抽象为流程节点，通过对各流程节点的编排，可以快速构建出自动化业务处理、报警处理等各种流程。当某个业务逻辑变更时，比如更换数据处理算法、添加数据变换方式等，仅需修改流程，添加、修改、删除相应的节点即可，无需更新服务，使实际运行过程中的流程修改更加方便、快捷。

（7）数据查询。

为上层应用提供统一的历史数据查询服务，依托于时序数据库的特性，实现分段查询、聚合、重采样等基本的数据处理服务，延时更低，并发更高，内存更少，速度更快。

（8）数据报警。

通过对实时数据评估、历史数据分析，实现对设备运行状态的诊断、未来状态的预测等，可以通过与规则控制服务、数据分发服务交互，达到设备故障自动处理、故障预警等功能。为上层决策提供数据依据。

4 应用平台

应用平台是最上层的业务平台，为系统的稳定运行提供业务支撑。包括系统运营中心、物模型配置管理、监控页面配置、数据查询分析、数据监控显示、实时曲线监控等一系列应用。

（1）系统运营中心。

系统运营中心为整个系统提供统一认证、门户入口、用户权限等功能，是整个运营系统的入口。服务分为系统门户、系统管理、统一认证三个部分。

1）系统门户。系统门户以分组的形式对应用进行分类，根据用户权限显示对应的应用列表，分监视及控制、设计与准备、管理与运维三大类。监视与控制类主要实现系统的实时监控功能，主要包括数据监视、门户、采集控制、实时曲线、数据分析、控制管理等应用。设计及准备类指平台提供的项目系统集成开发应用模块，包括测量设计、控制设计和组态设计等应用。管理及运维类指实现对系统、设备及物模管理的应用模块，主要包括系统管理、设备管理、物模型管理以及基础数据管理。

2）系统管理。系统管理为统一认证服务提供用户管理、角色管理、权限管理、应用管理、字典管理等功能，其他服务只需接入统一认证服务，即可共用一套用户系统，无需再对用户、权限等功能进行实现，解决其他系统中各应用账号、权限体系不统一，操作方式不一致，用户在使用过程中需要使用多套账号体系的问题，既确保了系统安全性，也降低了运维成本和复杂度。

3）统一认证。统一认证是以统一身份认证服务为核心的服务使用模式。用户登录统一身份认证服务后，即可使用所有支持统一身份认证服务的管理应用系统。

（2）物模型配置管理。

物模型配置管理中，将同一型号的设备抽象为一种产品，而设备作为该产品下的实例，具有该产品所定义的所有属性。物模型配置管理服务包含产品管理和设备管理两部分。

1）产品管理。产品管理模块用于对某同一类设备进行对象定义，如断路器、隔离开关、调速器等，支持定义该物理设备的应用协议、传输协议、存储策略；还支持定义该设备对象的属性、功能、事件、标签、告警等，对某一类设备进行对象的描述。

2）设备管理。设备是产品的实例化。某设备配置完成后，该设备的配置数据被同步到设备接入服务，通过数据分发服务即可获得该设备的实时运行状态参数。

用户还可以通过设备管理服务对设备进行告警信息配置。同样，配置数据同步到数据报警服务后，可实现设备运行状态的报警处理。

（3）监控页面配置。

监控页面配置服务是平台的监控页面制作工具，提供拖拽式的图形界面，通过内置一系列常用的图标、组件等资源，帮助用户方便、快捷地设计出需要的监控页面。同时，监控页面配置服务还支持用户自定义设计图标、导入资源、设计动画等功能，如图3所示。

图3 监控页面配置示意图Figure 3 Monitoring page configuration diagram

为能实时显示各个设备的运行状态，监控页面配置服务还提供了参数绑定功能，用户可以通过图标或组件绑定某个设备的属性。在实时运行环境下，可按绑定的设备属性监视设备的运行状态。

监控页面配置服务还提供了事件处理功能，内置的图标、组件添加常用的事件处理，可以在监控显示页面对图标、组件进行操作，达到操控设备的目的。同样地，服务也支持用户自定义事件，在设计页面时更加灵活。

（4）数据监控显示。

数据监控显示服务是监控页面配置服务的运行时服务，用户在通过监控页面配置服务设计完成所需的监控页面，在本服务下可以监视查看设备的实时运行状态，完成设备操控等操作，如图4所示。

图4 数据监控显示示意图Figure 4 Schematic diagram of data monitoring display

服务通过接入数据分发服务，订阅、接收设备实时数据，通过对接设备接入服务来实现设备操控等操作，向设备发送操控信息。

（5）数据查询分析。

数据查询分析服务提供设备历史数据的查询与分析功能，包括原样数据查询、采样查询、越限标注、差值计算等基础功能，还支持多参数、双维度在同一图表的分栏、综合比较显示。支持数据的模糊查询，如按IO点名、设备名、时间等进行模糊查询。

（6）实时曲线监视。

实时曲线监视服务用于实时显示设备各项指标的运行状态，并保留一段时间，便于观察趋势。服务提供了多参数、多维度、多面板展示等多种显示方式，方便用户监视、比较多个关联数据的趋势变化，可广泛适用于试验数据分析、故障分析等场景。实时曲线可在系统门户、数据监控显示等多处进行调用，方便使用。监视的参数、叠加方式及曲线样式等均可用户在线定义。

（7）流程规则配置。

流程规则配置服务提供了一套可视化的开发界面，内置一系列的流程节点，包括方法、网络IO、数据解析、文件存储等，用户可以通过拖拽的方式对流程进行编排，实现业务流程的自动化处理，如图5所示。

图5 自动化流程规则示意图Figure 5 Schematic diagram of automated process rules

5 结束语

该平台作为一种基于工业互联网的统一智慧平台，提供了智慧应用的标准化系统架构和服务功能，并提供了场景应用的开发、运行与维护环境。目前已完成三层服务功能的开发，并已在光伏发电、航天军工等行业得到推广应用。该平台可广泛应用于各类企业的智慧化建设，构建智慧水电厂的计算机监控系统、水库调度自动化系统、设备状态趋势监视与分析系统等专业应用系统，满足水电企业智慧化建设对数据平台及专业应用平台的要求。