基建現(xiàn)場多類型物聯(lián)感知數(shù)據(jù)接入技術研究

于顯浩，邱 偉，黃文龍，黃建榮，宋文志

（1．福建廈門抽水蓄能有限公司，福建省廈門市 361108；2．北京國電通網(wǎng)絡技術有限公司，北京市 100070）

0 引言

面對電網(wǎng)傳統(tǒng)業(yè)務及智慧能源等新興業(yè)務，電網(wǎng)設備及客戶側感知、采集和監(jiān)控等需求日益增強，亟須構建一套標準化、互動化、智能化的物聯(lián)管理體系，以能實時感知各類設備及客戶側的海量運行信息，并對傳感設備進行統(tǒng)一接入管理，實現(xiàn)智慧物聯(lián)、深度感知、友好互動的建設目標[2]。隨著信息技術快速發(fā)展，抽水蓄能電站工程建設現(xiàn)場物聯(lián)網(wǎng)應用已具有一定基礎，基建現(xiàn)場施工安全、施工質量、施工進度等業(yè)務管控過程中，產生大量的物聯(lián)感知設備，由于感知終端應用及其廣泛，接口樣式繁多，無法集中管理。

未來的萬物互聯(lián)的應用服務程序需要一種新的計算模型替代傳統(tǒng)云計算模型，邊緣計算是一種在網(wǎng)絡邊緣執(zhí)行計算任務的新型計算模型，因而較好地解決這些問題[3]。本文以抽水蓄能電站基建項目現(xiàn)場多類型物聯(lián)感知數(shù)據(jù)接入為背景，開展廠站級物聯(lián)接入裝置及邊端計算系統(tǒng)研究，實現(xiàn)終端統(tǒng)一的管理，解決現(xiàn)場多類型物聯(lián)感知數(shù)據(jù)接入困擾，對抽水蓄能電站基建信息化建設具有重要的意義。

1 基建現(xiàn)場物聯(lián)感知設備應用現(xiàn)狀與接入需求

1.1 基建現(xiàn)場各業(yè)務系統(tǒng)物聯(lián)感知終端梳理分析

本文通過對抽水蓄能電站現(xiàn)場物聯(lián)感知系統(tǒng)應用調研收集，分析現(xiàn)場施工安全、施工質量、施工進度等業(yè)務領域中業(yè)務系統(tǒng)采用的設備及協(xié)議形成物聯(lián)系統(tǒng)建設表（見表1）。

表1 抽水蓄能電站物聯(lián)系統(tǒng)建設表Table 1 Construction table of IOT system of Pumped Storage Power Station

1.2 基建現(xiàn)場物聯(lián)感知終端接入目標與意義

1.2.1 提升邊緣計算能力，賦能基建管理

通過對現(xiàn)場物聯(lián)感知終端接入與管理，利用邊端側物聯(lián)代理裝置的網(wǎng)絡、計算、存儲等能力，實現(xiàn)對現(xiàn)場物聯(lián)感知終端數(shù)據(jù)處理。通過邊緣物聯(lián)代理就地分析處理能力，重點解決占用資源大和實時性要求高視頻監(jiān)控業(yè)務的智能分析，實現(xiàn)基建現(xiàn)場人臉識別、安全帽識別、著裝監(jiān)測、煙火監(jiān)測等功能，通過邊端側服務，將處理提取后的主要特征信息上傳統(tǒng)一物聯(lián)管理中心系統(tǒng)，有效減輕集中數(shù)據(jù)處理的負擔，提高處理時效，發(fā)揮數(shù)據(jù)的價值，為廠站側的管理提供輔助決策，賦能抽水蓄能基建管理。

1.2.2 統(tǒng)一接口標準，提升接入管理能力

利用邊緣物聯(lián)代理裝置實現(xiàn)廠站側通信協(xié)議的全覆蓋，包括網(wǎng)絡通訊模塊、RS485通訊模塊、模擬量輸入模塊，支持4G、NB-IoT、LoRa、ZigBee等低功耗物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，全面實現(xiàn)各類物聯(lián)終端的泛在連接，現(xiàn)場物聯(lián)感知設備借助邊緣物聯(lián)代理裝置接口標準，實現(xiàn)與物聯(lián)管理中心系統(tǒng)的連接，實現(xiàn)基建現(xiàn)場多類型物聯(lián)終端設備統(tǒng)一標準接入。

1.2.3 加強安全防護，實現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡接入

基建現(xiàn)場物聯(lián)感知終端設備類型多、標準不一，在安全防護設計方面更是缺乏設計。邊緣物聯(lián)代理裝置安全接入則統(tǒng)一采用專用的安全協(xié)議規(guī)范來實現(xiàn)安全防護，包括終端接入前的密鑰協(xié)商以及終端接入后的通信過程中通過硬件加密卡進行加解密，有效保證接入終端安全合規(guī)性及數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ腊踩Ｍ瑫r，邊緣物聯(lián)代理裝置按照安全接入要求，采用經(jīng)過安全加固的無線終端，通過安全接入平臺的終端接入認證、傳輸通道加密、業(yè)務訪問控制等安全防護措施，可將基建現(xiàn)場物聯(lián)終端數(shù)據(jù)信息接入信息內網(wǎng)，實現(xiàn)內網(wǎng)環(huán)境下安全、可靠、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。

2 基建現(xiàn)場物聯(lián)感知接入技術方案

2.1 基于邊端側物聯(lián)代理的傳感器接入方案

隨著物聯(lián)網(wǎng)應用的不斷展開，大量移動終端設備參與服務計算，傳統(tǒng)的云計算模型已經(jīng)不能滿足網(wǎng)絡邊緣設備產生數(shù)據(jù)的速度，邊緣計算模型應運而生，并成為近幾年的研究熱點[4]。抽水蓄能電站基建現(xiàn)場物聯(lián)感知設備面臨數(shù)量繁多，各感知設備存在非標接口現(xiàn)象，各類型終端設備接口不一導致接入較難且工作量較大，為避免各類接口不一問題，本文提出采用邊端側物聯(lián)代理裝置來實現(xiàn)現(xiàn)場物聯(lián)感知設備接入，解決現(xiàn)場物聯(lián)傳感接入難問題。

如圖1所示，邊緣物聯(lián)代理裝置是建立在網(wǎng)絡層之上的協(xié)議轉換器，是連接各物聯(lián)傳感器設備與統(tǒng)一物聯(lián)管理中心系統(tǒng)的橋梁[5]。通過邊緣物聯(lián)代理裝置提前建立各類傳感器資源，并形成統(tǒng)一接入標準，借助其對現(xiàn)場傳感設備進行接入，可最大化降低現(xiàn)場物聯(lián)接入管理難題，降低實施接入工作量，滿足基建現(xiàn)場物聯(lián)傳感設備統(tǒng)一接入需求。

圖1 物聯(lián)傳感接入結構圖Figure 1 IOT sensor access structure diagram

2.2 基建現(xiàn)場邊端側物聯(lián)代理應用部署方案

如圖2所示，邊緣代理裝置是連接現(xiàn)場物聯(lián)傳感器網(wǎng)絡與物聯(lián)代理中心系統(tǒng)接入與控制設備，傳感器收集的數(shù)據(jù)通過邊緣代理裝進行互聯(lián)互通，并進一步實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉換及轉發(fā)[6]。邊端側物聯(lián)代理裝置是連接現(xiàn)場物聯(lián)傳感器網(wǎng)絡與統(tǒng)一物聯(lián)管理系統(tǒng)中心接入與控制設備，現(xiàn)場物聯(lián)傳感器收集的數(shù)據(jù)通過邊端側物聯(lián)代理裝置實現(xiàn)與統(tǒng)一物聯(lián)管理系統(tǒng)中心連接，并實現(xiàn)對統(tǒng)一物聯(lián)管理系統(tǒng)中心數(shù)據(jù)上報與處理。

圖2 現(xiàn)場部署圖Figure 2 Site deployment diagram

2.3 邊端側物聯(lián)代理裝置硬件模塊設計

邊緣物聯(lián)代理裝置設計方案參照公司智慧物聯(lián)體系的整體框架，針對抽水蓄能電站基建業(yè)務特點研發(fā)面向施工作業(yè)現(xiàn)場的邊緣物聯(lián)代理裝置，實現(xiàn)現(xiàn)場感知終端的數(shù)據(jù)接入、邊緣計算、數(shù)據(jù)上傳到上級管理平臺和區(qū)域自治服務等功能于一體的軟硬件系統(tǒng)。該邊緣物聯(lián)代理要能夠適應基建現(xiàn)場的環(huán)境條件，尤其是工程存在的網(wǎng)絡條件差、供電條件差、工作地點不固定的情況。邊緣物聯(lián)代理裝置為適應現(xiàn)場各類通信協(xié)議標準（例如：WiFi、ZigBee、Lora、RS485等）傳感器接入；邊緣物聯(lián)代理裝置的系統(tǒng)硬件架構必須靈活多變以適應各種復雜的現(xiàn)場環(huán)境。圖3為邊緣物聯(lián)代理裝置硬件結構。

圖3 邊緣物聯(lián)代理裝置硬件結構圖Figure 3 Hardware structure diagram of edge IOT agent device

2.4 邊端側物聯(lián)代理功能設計

邊緣物聯(lián)代理軟件架構主要參考《國家電網(wǎng)有限公司可信邊緣計算框架技術白皮書》的架構要求，在其要求基礎上針對嵌入式環(huán)境作了針對性調整。邊緣物聯(lián)代理架構主要包含：設備接入層、基礎服務層、支持服務層、邊緣應用層、對外交互層（見圖4）。

圖4 功能架構圖Figure 4 Functional architecture diagram

2.4.1 設備接入層

設備接入層主要作用是數(shù)據(jù)接入，通過不同種類的硬件通訊接口接入各類傳感器設備，采集數(shù)據(jù)。根據(jù)具體傳感器協(xié)議接口類型進行劃分，如表2所示。

表2 傳感器協(xié)議接口類型劃分表Table 2 StationSensor protocol interface type division table

每種協(xié)議模塊針對該協(xié)議類型實現(xiàn)一個通用通訊協(xié)議框架，用于采集不同種類設備的數(shù)據(jù)。比如RS485實現(xiàn)一個基于RS485接口的通用通訊協(xié)議，例如MODBUS協(xié)議，要求接入的設備必須符合該協(xié)議，否則屬于定制性開發(fā)。

設備接入層支持第三方應用部署，不同應用可以實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)接入?yún)f(xié)議，極大提升邊緣物聯(lián)代理設備的可擴展性。同時可配合上層平臺，提供Docker應用下載、部署、管理等功能。

2.4.2 基礎服務層

基礎服務層包含設備控制、應用升級、數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)存儲等基礎模塊。

設備控制。提供界面和API，可對邊緣物聯(lián)代理設備進行系統(tǒng)配置管理。支持參數(shù)設置功能，平臺可通過該功能改變邊緣物聯(lián)代理工作狀態(tài)，如設置IP地址等。用戶可通過訪問邊緣物聯(lián)代理的界面，查詢狀態(tài)，更改配置。

應用升級。提供軟件在線升級功能。

數(shù)據(jù)緩存。將數(shù)據(jù)分析處理后的數(shù)據(jù)緩存到本地，最多支持3天存儲。根據(jù)網(wǎng)絡環(huán)境決定是否啟用該功能，如果網(wǎng)絡環(huán)境較差，數(shù)據(jù)無法上傳平臺，啟用該功能，網(wǎng)絡環(huán)境恢復后，關閉該功能，數(shù)據(jù)直接上傳。

數(shù)據(jù)存儲。提供本地數(shù)據(jù)存儲服務?？捎糜诖鎯浖?shù)、配置參數(shù)等信息，或者存儲數(shù)據(jù)解析結果等。

2.4.3 支撐服務層

支撐服務層提供視頻AI服務、AI模型管理服務、數(shù)據(jù)解析服務、數(shù)據(jù)計算服務等。

視頻AI服務。對視頻數(shù)據(jù)進行AI智能解析，將視頻數(shù)據(jù)轉化為結構化數(shù)據(jù)。默認搭載的AI智能分析算法為山火檢測、工程作業(yè)車輛檢測。

AI模型管理服務。用于管理AI算法模型和NPU加速硬件，初始化NPU硬件，對NPU硬件負載做均衡，載入、調度AI算法，實現(xiàn)算法可替換性。

數(shù)據(jù)解析服務。提供兩種主要功能：將傳感器設備等原始數(shù)據(jù)解析成數(shù)值數(shù)據(jù)，將視頻流解析成圖像幀。數(shù)據(jù)解析服務利用邊緣物聯(lián)代理網(wǎng)關自帶的硬件加速數(shù)據(jù)解析速度，可極大降低CPU的占用率，比如利用硬件解碼芯片對視頻H.264解碼。

數(shù)據(jù)計算服務。對數(shù)值數(shù)據(jù)進行分析計算，包括傳感器數(shù)據(jù)分析過濾、濾波等。

2.4.4 邊緣應用層

邊緣應用層用于部署各類業(yè)務應用。默認自帶應用是山火和工程車輛檢測應用。

邊緣業(yè)務層基于設備接入層、基礎服務層、支持服務層提供的核心功能，開發(fā)業(yè)務應用。比如基于山火檢測等AI服務，開發(fā)警報上傳、告警記錄等業(yè)務應用，基于溫度傳感器接入服務，開發(fā)高溫告警、溫度預測等業(yè)務應用。

邊緣應用層支持第三方應用部署，不同應用可以各自業(yè)務功能，極大提升邊緣物聯(lián)代理設備的功能可擴展性。同時可配合上層平臺，提供Docker應用下載、部署、管理等功能。

2.4.5 對外交互層

對外交互層負責提供對外對接功能，包括MQTT通訊協(xié)議、多端發(fā)送、數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)安全加密等模塊。

3 基建現(xiàn)場物聯(lián)感知設備接入應用情況

通過選取現(xiàn)場部分視頻監(jiān)控終端設備進行接入，進一步論證了通過邊緣物聯(lián)代理裝置可實現(xiàn)對現(xiàn)場物聯(lián)傳感設備接入與管理，邊緣代理設備及末端感知設備的在線、離線心跳狀態(tài)，點擊邊緣設備、切換相關聯(lián)的末端感知設備論證現(xiàn)場物聯(lián)應用進行深化應用，如圖5所示。

圖5 邊緣代理設備管理Figure 5 Edge agent device management

同時，實現(xiàn)對視頻監(jiān)控設備狀態(tài)及監(jiān)控數(shù)據(jù)分析。如圖6所示，對接入設備數(shù)據(jù)統(tǒng)計（包括：各工程總人數(shù)、未佩戴安全帽人數(shù)、佩戴安全帽人數(shù)柱形圖統(tǒng)計等）。與現(xiàn)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行連接，達到在營地辦公樓、應急中心、各管理項目部能夠實時查看施工現(xiàn)場的影像，并且能夠形成區(qū)域集中化管理，精準完成對高清攝像機進行遠程控制操作、數(shù)據(jù)存儲、OCR識別、畫面捕捉等多元化應用，為未來的其他系統(tǒng)、傳感器以及硬件設備上的接入提供寶貴經(jīng)驗。

圖6 基建現(xiàn)場物聯(lián)接入應用Figure 6 Infrastructure site IOT access application

4 結論

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）是近幾年來興起的一種大規(guī)模虛擬網(wǎng)絡技術，它通過各種接入技術實現(xiàn)電子設備與互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)，進而完成信息匯聚與交互[7]。抽水蓄能電站工程建設正處于快速發(fā)展時期，物聯(lián)網(wǎng)成熟技術應用已經(jīng)成為企業(yè)數(shù)字化轉型、數(shù)字新基建必經(jīng)之路，現(xiàn)場將有大量的物聯(lián)感知設備需要進行統(tǒng)一接入與管理，并通過邊端側數(shù)據(jù)實時處理技術、分布式泛可擴展的實時智能分析能力，支持各類應用功能，最終實現(xiàn)現(xiàn)場物聯(lián)感知采集數(shù)據(jù)加工與分析[8]。因此，本文研究提出的基建現(xiàn)場物聯(lián)感知設備借助邊緣物聯(lián)代理裝置實現(xiàn)對物聯(lián)數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入管理方案，可有效提升電站物聯(lián)管理能力，解決抽水蓄能電站基建現(xiàn)場物聯(lián)感知設備通信接口標準不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)價值挖掘不夠充分、安全防護能力薄弱等管理難題。