基于AIoT平台的用户端智能配电多场景应用研究与实现

吴 彬, 胡 敏

[1.上海电器科学研究所(集团)有限公司, 上海 200063;2.上海电器科学研究院, 上海 200063]

0 引 言

我国房地产、工业、电网、基础设施都呈现出较强的增长态势[1],各类需求应运而生,例如智能配电网建设推动用户端智能配电整体发展;新能源发电市场高速增长,推动专用型用户端电器技术快速进步;电动汽车充电桩市场需求快速增长和通信数据行业高速发展,引致高性能用户端电器产品需求等。

以上各类需求以及对应的场景应用,如果按照传统工业互联网平台的实现,只能是单一场景应用对应单一工业互联网平台。单场景应用平台的缺点很明显,从开发到运营运维,增加了成本,还极大地影响交付效率,无法满足客户的快速响应并提供定制化的、敏捷化的需求。

因此,需要通过人工智能物联网(AIoT)平台来实现用户端智能配电多场景应用[2]。每个场景应用都需要针对性、定制化的实施来满足各企业的不同需求。而如何很好地满足客户定制化的需求一直以来都是个难点。本文基于AIoT平台的多场景应用[3],在充分调研智能配电站、智能箱变、5G等多个场景应用实施过程的基础上进行开发,较好地解决了上述问题。

1 AIoT平台总体方案

1.1 AIoT平台结构

人工智能物联网(AIoT)=人工智能(AI)+物联网(IoT)[4]。传统的物联网是通过有线和无线网络,实现物-物、人-物之间的相互连接。与传统的IoT区别在于,AIoT不仅是实现设备和场景间的互联互通,还要实现物-物、人-物、物-人、人-物-服务之间的连接和数据的互通,以及人工智能技术对物联网的赋能进而实现万物之间的相互融合[5]。

随着信息技术的发展,AIoT平台的设计原则如下:

(1) 可扩展性:水平可扩展的平台,使用领先的开源技术构建。

(2) 容错性:不会出现单点故障,群集中的每个节点都是相同的。

(3) 高效性:单个服务器节点可以处理数万台设备,具体取决于实际应用。

(4) 持久性:平台支持队列实现,以提供极高的消息持久性。

(5) 可定制性:使用可自定义的部件和规则引擎节点便可以轻松增加新功能。

(6) 高可靠性:海量设备同时联网,低延时、动态扩容,先进的云边端协同机制,充分利用云端强大的计算能力,为智能化数字设备充分赋能。

AIoT平台体系结构图如图1所示。

图1 AIoT平台体系结构图

由图1可知,AIoT平台体系结构功能如下:

(1) 设备层:设备具备与平台通信的协议,直接连接平台。大部分设备支持的协议是工业领域的,因此需要智能网关,对接相应的设备协议进行采集数据。

(2) 传输层:协议 API 都由单独的服务器组件提供,并且MQTT 协议传输还提供了网关 API,目的是扩展连接设备的种类和传感器设备等。传输层从设备层接收到数据消息后,会对其进行分析并将其推送到持久消息队列。

(3) 核心层:核心模块负责处理REST API调用和WebSocket订阅;负责存储有关活动设备会话的最新信息,并监视设备的连接状态;规则引擎负责处理具有用户定义的逻辑和数据流的传入消息;数据库区分了静态数据库(SQL)和时序数据库(NoSQL),极大地提高了存储效率和空间。

(4) 用户层:用户通过静态Web页面配置数据,同时支持WebSocket实时查看数据;平台提供丰富的REST API接口,供第三方应用程序定制化使用;平台可以将数据推送到外部系统,将处理数据完成后的结果报告进行可视化呈现。

1.2 AIoT平台功能

AIoT平台最基本的功能是用于数据收集、处理、可视化和设备管理。通过行业标准的物联网协议MQTT、CoAP和HTTP,可实现设备通信连接。AIoT的平台功能如下。

(1) 多租户账号体系:采用开箱即用的多租户管理方式。租户管理员具有多个子租户以及设备和客户。

(2) 遥测数据采集:以可靠的方式采集和存储遥测数据,避免网络和硬件故障,使用自定义的Web仪表板或服务器端API展示数据。

(3) 多场景应用化:通过平台的基本要素(仪表板、部件、规则链、规则节点、资产、设备)的相互关联组合,快速完成多场景应用的构建;完全通过非代码化的开发,仅通过浏览器可视化配置,就可以完成场景应用的项目使用。

(4) 数据可视化:在多场景应用的菜单中,提供丰富的小部件,通过内置编辑器进行定制化属于租户自己的小部件。内置了丰富的折线图、数字和模拟仪表、地图等。

(5) 规则引擎:基于实体属性或者消息,使用灵活的规则链处理传入的设备数据。将数据转发到内外部系统,通过拖放式规则链设计器灵活地自定义数据逻辑流;还可以配置复杂的告警逻辑。

(6) 设备管理:提供注册和管理设备,监测客户端属性和预配服务器端设备属性,为服务器端应用程序提供相应的API接口,通过RPC命令发送到设备,反之亦然。

(7) 资产管理:提供注册和管理资产,配置服务器端资产属性并监控其相关警报,使用关系构建实体的层次结构。

(8) 安全方面:支持MQTT和HTTP协议的传输加密;支持设备身份验证和设备凭据管理。

2 多场景应用的实现

2.1 AIoT平台场景应用开发与配置

AIoT平台的场景应用开发主要集中在平台的方案模板。AIoT平台的方案模板逻辑设计图如图2所示。

图2 AIoT平台的方案模板逻辑设计图

(1) 平台的角色分类说明如下:

① 平台管理员:整个平台的系统管理员具有最高权限。

② 租户:租户是独立的业务实体,是具有包括设备和资产的组织。租户管理员拥有多个子租户。

③ 客户:客户也是一个独立的业务实体,但是其设备和资产都是通过租户进行分配过来的,能够查看所属的设备和资产信息。

(2) 平台的实体说明如下:

① 设备:带通信协议并能产生遥测数据的IoT实体,例如仪表、开关、传感器等。

② 资产:与其他设备和资产相关的抽象物联网实体,例如工厂、车间、柜体、回路等。

③ 仪表板:物联网数据的可视化面板,以及通过用户界面可以控制设备的能力。

④ 规则节点:传入消息的节点,具有实体生命周期事件等的处理单元模块。

⑤ 规则链:由多个规则节点组成的逻辑单元模块。

(3) 方案模板逻辑说明如下:

① 平台管理员创建租户需要的方案模板菜单(即场景应用菜单)。

② 平台管理员导入该方案模板的仪表板和规则链。

③ 平台管理员分配该方案模板到租户管理员的方案模板库。

④ 租户管理员接收到平台管理员分配到方案模板后,通过权限进行控制菜单显示;另外,可以通过项目分配客户方案模板。

⑤ 租户管理员下的客户接收到租户管理员分配的方案模板后,通过权限进行控制菜单显示。

⑥ 子租户和子租户下的客户也是同④和⑤流程逻辑说明。

2.2 多场景应用的实现与效果

AIoT平台的智能配电房解决方案菜单图如图3所示。

图3 AIoT平台的智能配电房解决方案菜单图

AIoT平台的智能配电场景应用效果图如图4所示。

图4 AIoT平台的智能配电场景应用效果图

AIoT平台的充电桩场景应用效果图如图5所示。

AIoT平台的智能微型断路器场景应用效果图如图6所示。

3 多场景应用的关键技术

3.1 挖掘工业数据深层次价值

智能配电多场景应用的关键需求有:能源系统数据整体管控,对能耗深度分析、智能预测、精细化管控;多类型能源协调管理,实现多种类型能源的综合接入与协调控制;功率平衡控制,建立发、储和用协同功率调控机制,确保电能高效利用。

图5 AIoT平台的充电桩场景应用效果图

开展用户端智能配电机理知识的深度研究,形成多维度、高价值机理模型库,实现平台App智能化赋能。最终提供一站式的稳定、高效、易用、开放的数据挖掘及AI分析建模平台,全面释放工业数据深层次价值[6]。

3.2 遥测数据采集技术

AIoT平台针对遥测数据[7]的采集,采用了各种通信协议模板和高集成度,来完成从设备端的采集过程。

采集后的遥测数据会以时间序列数据存储在SQL(PostgreSQL)或NoSQL(Cassandra)数据库中,与传统设计相比,极大地降低了资源存储空间,同时也提高了使用效率,具有灵活的聚合查询功能。

使用了WebSocket订阅模式下的数据更新方式,可真正做到实时显示和数据分析。数据持久性方面,采用当下流行的队列技术Kafka,将包含时序数据的消息发送到AIoT平台,通过规则引擎队列进行精准控制消息流向。

3.3 仪表板和部件技术

AIoT平台提供了创建和管理仪表板的功能,每个仪表板都可以包含大量的小部件;显示实体的数据(如设备、资产等);同时还可以将仪表板分配给客户。

部件技术是指部件库里的各类图表样式、各类仪表样式等,主要是以前端js/css/html技术为核心的开发元素。AIoT平台的部件库如图7所示。

图7 AIoT平台的部件库

部件的数据处理功能如图8所示。

图8 部件的数据处理功能

3.4 规则引擎技术

规则引擎技术是一种框架技术,用于构建事件工作流。主要组成如下:

(1) 规则节点:对传入消息进行执行的函数。会有许多不同的节点类型可以实施过滤、转换或对传入消息执行某些操作的功能。

(2) 消息:任何传入事件。主要是来自设备的传入数据、设备生命周期事件、REST API 事件、RPC 请求等。

(3) 规则链:节点通过关系相互连接,从上一个连接的规则节点的出站消息发送到下一个连接的规则节点。

规则链的使用如图9所示。

图9 规则链的使用

AIoT平台的规则引擎是一个高度可自定义和可配置的模块,主要用于复杂的事件处理,完全可以理解成自定义数据流的控制中心。通过借助规则引擎,可以过滤、控制、转换由IoT设备和相关资产发起的传入消息;还可以触发各种操作,例如:推送消息、发送邮件、发送短信或者是与外部系统的通信。

4 结 语

本文基于AIoT平台的多场景应用在智能用户端行业的研究,已经服务于多家客户,有智能配电站、智能箱变、智能微型断路器。通过这些项目实例,可以完成每个定制化、具有针对性的场景应用;可以很好地满足各个企业客户的需求,加速创新研发新产品和新服务,使得数字化的应用场景不断拓展。

数字化已经完全贯穿整体工业制造的全流程,该项研究可以拓展到新型电力系统的其他典型应用,例如虚拟电厂、智慧实验室、智慧教室、智慧园区等,为实现“碳达峰、碳中和”目标提供解决方案。