一種面向生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計

內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司信息通信分公司 汪 嘯

內(nèi)蒙古電力交易中心有限公司 羅幃策

內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司信息通信分公司 王曉陽 李 奇

在5G時代，大量部署在生產(chǎn)現(xiàn)場的采集裝置持續(xù)不斷監(jiān)測并回傳信息，實現(xiàn)從不同維度獲取監(jiān)測對象的信息，在實時性、準(zhǔn)確性、全面性等方面也較4G時代有所改善，通過數(shù)據(jù)接入、處理、分析等工作，實現(xiàn)異常報警、決策輔助等功能。

物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層、應(yīng)用層共四個層次，本文結(jié)合企業(yè)特點、業(yè)務(wù)模式及實際場景，設(shè)計一種面向物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集框架。

1 物聯(lián)網(wǎng)感知層

物聯(lián)網(wǎng)感知層是通過傳感原件將模擬信號采集、過濾，再通過“模擬-數(shù)字”轉(zhuǎn)換，形成數(shù)字信號并進(jìn)行計算處理，經(jīng)過處理而生成的采集數(shù)據(jù)，是信息采集的基礎(chǔ)部分，實現(xiàn)了對生產(chǎn)現(xiàn)場的感知。另外，感知層的協(xié)議規(guī)范，包括數(shù)據(jù)格式、使用網(wǎng)絡(luò)和用戶識別等協(xié)議。

2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層是指感知層向服務(wù)器傳輸?shù)男诺?，包括：?）基于采集裝置附設(shè)網(wǎng)關(guān)及其范圍內(nèi)的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)；（2）以主站為核心的傳輸網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)處理單元。

內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的作用是收集采集裝置管理覆蓋范圍下的數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)發(fā)送至主站。通信方式包括私網(wǎng)WiFi、LoRa、NB-IoT、以太網(wǎng)、Zigbee、專網(wǎng)5G等。在通用方式之外，還存在特種網(wǎng)絡(luò)或?qū)Ｓ蟹绞?，例如基于RS485/RS232總線的通信、專有無線電頻段、電力線纜載波等方式。

3 物聯(lián)網(wǎng)平臺層

3.1 主站前端

3.1.1 基礎(chǔ)設(shè)施

主站平臺建立在云平臺之上。云平臺提供IaaS和PaaS層服務(wù)，包括計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲資源，以及微服務(wù)調(diào)度、分布式軟件調(diào)度、消息隊列、流式數(shù)據(jù)庫、緩存數(shù)據(jù)庫等。

3.1.2 協(xié)議轉(zhuǎn)換

考慮到存量的采集裝置遵循的協(xié)議不一致的問題，將上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一。實現(xiàn)對不同配置方式、不同版本的協(xié)議兼容。

3.1.3 安全防護(hù)

設(shè)備安全。通過SIM卡、密鑰、SN號等信息，對設(shè)備信息進(jìn)行分類識別，對設(shè)備實時日志進(jìn)行提取，實現(xiàn)在線實時監(jiān)控和往期回溯。

接入安全。采用基于無代理架構(gòu)的設(shè)備準(zhǔn)入技術(shù)對入網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行隔離、檢測。在雙向驗證通過后，綁定設(shè)備的SIM卡、密鑰、SN號，并根據(jù)業(yè)務(wù)特點、安全等級等條件設(shè)置認(rèn)證方式。

路由安全。對路由節(jié)點進(jìn)行安全評估，基于風(fēng)險、威脅自評估相關(guān)算法，自動阻塞節(jié)點，防御入侵行為，通過路由控制技術(shù)阻隔非法入侵。

通信加密。常見加密方式是基于網(wǎng)絡(luò)層的IPSEC和基于傳輸層的SSL/TLS，在網(wǎng)關(guān)到主站之間實現(xiàn)通信加密。從傳感器到網(wǎng)關(guān)常使用基于數(shù)據(jù)鏈路層的私有加密協(xié)議。

3.2 云平臺

3.2.1 設(shè)計概述

在云平臺建設(shè)完成的基礎(chǔ)上，部署大數(shù)據(jù)處理平臺。屬于IaaS層和PaaS層安全套件由相應(yīng)層提供。對于數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)資源運營、分析與共享方面的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)中臺提供。

3.2.2 基礎(chǔ)框架

依托IaaS層實現(xiàn)軟件服務(wù)層功能，提供軟件服務(wù)，包括：數(shù)據(jù)管理工具、運維工具。依托IaaS層實現(xiàn)基礎(chǔ)服務(wù)層功能，提供組件服務(wù)，包括：分布式文件系統(tǒng)，數(shù)據(jù)同步/遷移/復(fù)制工具。

3.2.3 硬件設(shè)計

服務(wù)器基本設(shè)計，主要控制點為計算能力、存儲容量和冗余性。性能指標(biāo)包括：物理服務(wù)器的CPU主頻、內(nèi)存容量、硬盤數(shù)量和RAID級別、網(wǎng)卡數(shù)量和端口速率。

硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計受到服務(wù)器用戶影響。在本項目中，服務(wù)器的主要用途有：操作組件，提供高可靠、高可用、數(shù)據(jù)安全服務(wù)，主要功能包括：軟件安裝部署、監(jiān)控告警、4A、運行診斷等。存儲組件，提供容量管理、組件管理、節(jié)點管理、接口管理等服務(wù)；計算組件，提供數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)開發(fā)服務(wù)，主要包括：分析查詢、流式數(shù)據(jù)分析能力。應(yīng)用區(qū)組件，提供數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)安全、標(biāo)簽管理、模型管理等服務(wù)。

3.2.4 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

組網(wǎng)方式分為單平面和雙平面。單平面組網(wǎng)，管理平面和業(yè)務(wù)平面不進(jìn)行區(qū)分，而雙平面組網(wǎng)則需分離。

本次選取研究對象為120例急性冠脈綜合征患者,于2016年02月01日至2018年02月27日收治,分為兩組,即對照組于常規(guī)治療的基礎(chǔ)上給予口服氯吡格雷治療、觀察組于常規(guī)治療基礎(chǔ)上給予替格瑞洛治療,各60例,且對兩組患者的TLML血流變化及不良反應(yīng)發(fā)生率進(jìn)行觀察及評估。

性能需求優(yōu)先情況下，統(tǒng)一接入管理平面。管理節(jié)點可混合部署，數(shù)據(jù)節(jié)點獨立部署。

常見IDC內(nèi)子網(wǎng)劃分為一個C段，故同網(wǎng)段集群IP地址不超最大容量的80%。若處于不同子網(wǎng)，需要通過三層交換機(jī)互聯(lián)，不同子網(wǎng)中節(jié)點數(shù)量需近似相等。

對于OLAT和OLTP數(shù)據(jù)庫，需要將數(shù)據(jù)庫業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)和存儲網(wǎng)絡(luò)邏輯隔離。形成邏輯隔離后，保護(hù)后端存儲數(shù)據(jù)，降低因通道復(fù)用造成的資源征用，滿足MPP型數(shù)據(jù)庫對網(wǎng)絡(luò)的獨占性要求。

3.2.5 容量設(shè)計

邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計為集群部署架構(gòu)，其中，管理節(jié)點、控制節(jié)點、數(shù)據(jù)節(jié)點的比例為1:1:5。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)劃分為業(yè)務(wù)和管理兩個平面，平面間進(jìn)行隔離。管理平面對接運維網(wǎng)絡(luò)，管理集群及運行。業(yè)務(wù)平面對接生產(chǎn)或業(yè)務(wù)平臺網(wǎng)絡(luò)，提供數(shù)據(jù)接入、處理、共享等業(yè)務(wù)服務(wù)。管理節(jié)點、控制節(jié)點，數(shù)據(jù)節(jié)點使用IP地址數(shù)量比例為1:1:2，在此基礎(chǔ)上，浮動IP比例為10%，預(yù)留比例25%。

容量設(shè)計：結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、日志類數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的比例為1:3:2，三年復(fù)合增長率為11%。物理服務(wù)或虛擬機(jī)設(shè)計：OLAP服務(wù)器、OLTP服務(wù)器、數(shù)據(jù)計算和存儲服務(wù)器的資源比例為1:1:10。

3.3 數(shù)據(jù)中臺

3.3.1 基礎(chǔ)框架

依托PaaS層實現(xiàn)平臺服務(wù)層功能，包括：數(shù)據(jù)倉庫及其分布式關(guān)系數(shù)據(jù)庫、分布式并行數(shù)據(jù)庫、分部列式數(shù)據(jù)庫、內(nèi)存數(shù)據(jù)庫、批量/流/內(nèi)存計算組件。依托PaaS層實現(xiàn)接口服務(wù)層功能，包括：分布式服務(wù)總線、服務(wù)目錄、消息隊列。

數(shù)據(jù)庫模塊包括集群管理、同步管理、數(shù)據(jù)庫管理、同步時鐘、定制化任務(wù)?；A(chǔ)層為數(shù)據(jù)庫資源存儲，節(jié)點層為數(shù)據(jù)庫管理，控制層為集群管理、同步管理、同步時鐘和定制化任務(wù)。

3.3.3 數(shù)據(jù)計算和存儲模塊

數(shù)據(jù)計算和存儲模塊基于虛擬機(jī)部署。資源節(jié)點部署分布式存儲組件、分布式計算組件及緩存加速組件。成果節(jié)點部署商業(yè)智能組件、數(shù)據(jù)服務(wù)組件。

3.3.4 數(shù)據(jù)接入模塊

有集中和分離部署兩種方式。集中部署適用于數(shù)據(jù)源端、數(shù)據(jù)復(fù)制服務(wù)器、數(shù)據(jù)目標(biāo)端處在同一個IDC中的情況，此種情況下網(wǎng)絡(luò)通道質(zhì)量較好，適合大量數(shù)據(jù)連續(xù)復(fù)制。分離式部署適用于數(shù)據(jù)源端、數(shù)據(jù)復(fù)制服務(wù)器、數(shù)據(jù)目標(biāo)端處在不同IDC中的情況，此種情況下存在著不同程度的網(wǎng)絡(luò)速率、延遲、丟包等問題，不適合大量數(shù)據(jù)連續(xù)復(fù)制。在源端局域網(wǎng)、目標(biāo)端分別部署一臺數(shù)據(jù)復(fù)制服務(wù)器，并在源端數(shù)據(jù)復(fù)制服務(wù)器進(jìn)行緩存和校驗，具備斷點重傳功能。

3.3.5 數(shù)據(jù)運營模塊

數(shù)據(jù)運營模塊包括：數(shù)據(jù)治理組件、元數(shù)據(jù)采集組件、數(shù)據(jù)標(biāo)簽組件、數(shù)據(jù)模型組件。本地冗余設(shè)備為集群設(shè)計。

4 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層

4.1 典型應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的最上層，是用戶與平臺交互的技術(shù)基礎(chǔ)。用戶可以組織下級層次的資源、協(xié)調(diào)設(shè)備間適配模式、控制下級層次的設(shè)備運行方式、管理下級層次的設(shè)備運行狀態(tài)。相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)還可以通過數(shù)據(jù)中臺獲取應(yīng)用層輸出的數(shù)據(jù)，支撐其他系統(tǒng)輸出全景結(jié)果。

客戶服務(wù)優(yōu)化典型應(yīng)用。利用服務(wù)網(wǎng)點信息、客戶地理位置信息及支付模式等信息，按區(qū)域、時段、用戶類型等多個維度進(jìn)行分析，展示服務(wù)網(wǎng)點地域覆蓋程度、飽和程度、客戶習(xí)慣、服務(wù)成本等，評估現(xiàn)有客服服務(wù)渠道建設(shè)合理性，輔助服務(wù)網(wǎng)點布設(shè)規(guī)劃。

客戶信息數(shù)據(jù)典型應(yīng)用。基于客戶基本信息、消費記錄、賬戶情況、消費能力等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，建立客戶信用評級指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行客戶信用評價，分析客戶信用變化趨勢，并對風(fēng)險項進(jìn)行提示，及時管控潛在風(fēng)險。將客戶數(shù)據(jù)與外部獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析處理，可建立客戶價值評級指標(biāo)體系及相應(yīng)評級標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)對客戶價值等級的評估。

公共管理輔助決策支持典型應(yīng)用?；诘貐^(qū)、行業(yè)、企業(yè)、客戶消費行為等信息，開展與商品（服務(wù)）價格、補(bǔ)貼、能耗指標(biāo)等的關(guān)聯(lián)分析，協(xié)助公共管理機(jī)構(gòu)了解并預(yù)測區(qū)域和行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r及各種政策措施的執(zhí)行效果。為公共管理機(jī)構(gòu)就產(chǎn)業(yè)調(diào)整、宏觀調(diào)控、微觀調(diào)整等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4.2 統(tǒng)一規(guī)劃與治理

注重統(tǒng)一規(guī)劃。對于需要對跨業(yè)務(wù)單元、多場景應(yīng)用進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃的情況，形成一致的協(xié)議規(guī)范、技術(shù)規(guī)范。從而避免協(xié)議不兼容，網(wǎng)絡(luò)安全系數(shù)低，數(shù)據(jù)源多頭出現(xiàn)、重復(fù)建設(shè)、重復(fù)采集等現(xiàn)象，降低建設(shè)運維的時間成本和經(jīng)濟(jì)成本。

注重感知層技術(shù)規(guī)范。感知層設(shè)計要做好傳感器設(shè)計、電路設(shè)計、程序設(shè)計、算法設(shè)計。實現(xiàn)零配件及配套系統(tǒng)模塊化、結(jié)構(gòu)化、通用化。實現(xiàn)采集源端數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)共享、多源數(shù)據(jù)融合貫通等需求。

注重共治共享。推動采集裝置、采集數(shù)據(jù)等資源共享共用、協(xié)調(diào)聯(lián)動，支撐“一個終端、多個功能，一次采集，處處使用”。借助運維平臺、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)手段，厘清責(zé)任邊界，及時推送至相關(guān)人員進(jìn)行設(shè)備維護(hù)、數(shù)據(jù)維護(hù)、算法維護(hù)。

注重統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。制定統(tǒng)一的物聯(lián)信息模型和接入標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)各層級、各類型的數(shù)據(jù)接入標(biāo)準(zhǔn)化。

注重運行管控。建設(shè)統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理平臺，實現(xiàn)終端統(tǒng)一接入、統(tǒng)一管控、在線升級和遠(yuǎn)程診斷，提高終端智能化管控能力。