基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的鐵路數(shù)據(jù)中心智能巡檢系統(tǒng)

樂建煒，潘紅芹，胡小寧，付 航，王 鵬

（1. 中國鐵路信息科技集團有限公司，北京 100844；

2. 中鐵信弘遠（北京）軟件科技有限責(zé)任公司，北京 100038；3. 中鐵信大數(shù)據(jù)科技有限公司，天津 301737）

近年來，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日臻成熟，其將工業(yè)生產(chǎn)中的設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)相連接，實現(xiàn)智能化生產(chǎn)、監(jiān)測、監(jiān)控管理等功能。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)深度融合了物聯(lián)網(wǎng)、第五代移動通信（5G，5th Generation Mobile Communication）、云計算、人工智能等技術(shù)，具有實時性、智能性、安全性和信息互通性的特點，可以有效提升信息系統(tǒng)的智能化水平。

1 研究現(xiàn)狀

國內(nèi)關(guān)于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和機房智能巡檢系統(tǒng)的研究已取得多項成果，秦鵬[1]對機房運維三維可視化系統(tǒng)進行了設(shè)計與實現(xiàn)，并提出了優(yōu)化措施。黃廣山[2]介紹了5G技術(shù)背景下的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu) 。許雪荷[3]分析了國內(nèi)外工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)幾種發(fā)展模式的優(yōu)劣。文獻[4-5]開發(fā)了包含二維與三維場景的可視化系統(tǒng)。張玄等人[6]對機房運維可視化系統(tǒng)的自動巡檢功能進行性能優(yōu)化。羅智海等人[7]設(shè)計了基于二維碼識別的移動終端巡檢系統(tǒng)，提高了巡檢的質(zhì)量和效率。李威等人[8]采用多種算法進行誤差消除，實現(xiàn)了高精度的室內(nèi)實時定位系統(tǒng)。

上述文獻分別闡述了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)、二維和三維可視化，以及基于通信技術(shù)的移動、自動巡檢技術(shù)。本文對以上技術(shù)進行相關(guān)融合，設(shè)計了基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的鐵路數(shù)據(jù)中心智能巡檢系統(tǒng)（簡稱：本文系統(tǒng)）。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計思想，本文系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集層、通信層、分析預(yù)警層和展示層組成，包括三維展示系統(tǒng)、智能巡檢平臺、專用通信系統(tǒng)、移動巡檢系統(tǒng)、室內(nèi)定位系統(tǒng)、機器人巡檢系統(tǒng)和智能陪伴系統(tǒng)7個子系統(tǒng)。本文系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 本文系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 智能巡檢平臺

智能巡檢平臺包括智能巡檢系統(tǒng)和機器人巡檢系統(tǒng)。智能巡檢系統(tǒng)體現(xiàn)了 “規(guī)范人、輔助人、替代人”的設(shè)計思想。鐵路數(shù)據(jù)中心的巡檢人員身穿集成了室內(nèi)定位標簽、視頻記錄儀、巡檢終端等職能巡檢設(shè)備的巡檢馬甲進行巡檢，通過專用通信網(wǎng)，上報位置和巡檢信息。機器人巡檢系統(tǒng)可以實現(xiàn)無人狀態(tài)下的全自動巡檢。智能巡檢平臺接收巡檢人員和機器人回傳巡檢數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)計分析和預(yù)警。

3 系統(tǒng)功能

3.1 三維展示系統(tǒng)功能

三維展示系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)中心樓層機房的物理環(huán)境、各類設(shè)備設(shè)施的部署情況建立三維場景，用戶可以在三維場景中獲得實時巡檢和監(jiān)控數(shù)據(jù)，掌握巡檢人員、機器人的實時位置、狀態(tài)和報警信息。三 維展示系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 三維展示系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

3.1.1 告警分布

告警分布能夠?qū)?shù)據(jù)中心所有告警信息在三維場景上進行實時展示，顯示范圍分為園區(qū)、樓層、機房和機柜。告警分布示意如圖3所示。

圖3 告警分布示意

3.1.2 訪客信息

訪客信息能夠?qū)崟r顯示非本單位作業(yè)人員在鐵路數(shù)據(jù)中心的作業(yè)位置和作業(yè)狀態(tài)，具有機房作業(yè)安全、風(fēng)險點、作業(yè)內(nèi)容、應(yīng)急報警方法等提示功能，有助于提升機房作業(yè)安全水平。

3.1.3 巡檢信息

3.1.5 巡檢人員信息

巡檢人員信息是指在實時展示巡檢過程中，將鼠標指針移動到系統(tǒng)中人員標志時，系統(tǒng)能夠展示當(dāng)前巡檢人員的基本信息。

3.1.6 巡檢機器人信息

巡檢機器人信息是指在實時展示巡檢過程中，將鼠標指針移動到系統(tǒng)中機器人標志時，系統(tǒng)能夠展示當(dāng)前巡檢機器人的相關(guān)信息及其巡檢信息。

3.1.7 巡檢視頻

巡檢視頻能夠?qū)崟r顯示巡檢人員和巡檢機器人所采集的畫面，并支持回放。

3.1.8 巡檢計劃設(shè)置

巡檢計劃設(shè)置是指在巡檢開始前，根據(jù)本次巡檢的實際需求，制訂巡檢人員和巡檢機器人的巡檢計劃。

巡檢信息能夠?qū)崟r顯示巡檢人員在數(shù)據(jù)中心的具體位置和巡檢信息。同時，巡檢信息還可以調(diào)取巡檢記錄儀和巡檢機器人拍攝的實時畫面，展示各個傳感器采集的溫度和濕度、指示燈狀態(tài)等監(jiān)控數(shù)據(jù) 和巡檢信息。

3.1.4 環(huán)境信息

環(huán)境信息能夠?qū)崟r顯示來自巡檢人員、機器人和其他動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)采集的環(huán)境信息，以熱力圖的形式在三維場景中展現(xiàn)（如溫度、濕度等）。

3.1.9 巡檢路徑設(shè)置

巡檢路徑設(shè)置是指在巡檢開始前，根據(jù)本次巡檢的實際情況及巡檢計劃，設(shè)置巡檢人員和巡檢機器人的相對優(yōu)化的巡檢路徑。

3.2 智能巡檢系統(tǒng)功能

智能巡檢系統(tǒng)是智能巡檢平臺的核心，具有機房管理、告警管理、人員管理、機器人管理、訪客管理等功能，能夠提高機房的巡檢頻次，降低安全風(fēng)險。管理人員可根據(jù)需求，通過智能巡檢系統(tǒng)設(shè)定人工巡檢和機器人巡檢計劃，也可將原有人工巡檢計劃變更為巡檢機器人巡檢計劃，讓機器人根據(jù)計劃自動執(zhí)行機房巡檢任務(wù)。智能巡檢系統(tǒng)功能架構(gòu)，如圖4所示。

圖4 智能巡檢系統(tǒng)功能架構(gòu)

3.2.1 機房管理

機房管理具有設(shè)備設(shè)施管理和資產(chǎn)統(tǒng)計功能。設(shè)備設(shè)施管理能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)中心機柜、信息技術(shù)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、配線架、機柜配件、空調(diào)、不間斷電源（UPS，Uninterruptible Power Supply）、配電柜、電源分配組單元（PDU，Power Distribution Unit）等設(shè)備設(shè)施的數(shù)據(jù)維護。資產(chǎn)統(tǒng)計能夠?qū)崿F(xiàn)資產(chǎn)的到貨、出/入庫、上/下架、連線、上/下線、盤點、調(diào)撥、報廢等操作。

3.2.2 告警管理

告警管理包括告警設(shè)置和告警歷史查詢，可以實現(xiàn)告警的設(shè)置、屏蔽管理、確認流程、工單跟蹤等操作。

3.2.3 人員管理

人員管理包括巡檢計劃和巡檢記錄功能。用戶可以制訂人工巡檢計劃，對歷史巡檢記錄進行查詢和統(tǒng)計。

3.2.4 機器人管理

機器人管理包括機器人巡檢計劃和巡檢記錄功能，負責(zé)制訂機器人巡檢計劃和查詢歷史巡檢記錄。機器人管理可以將人工巡檢任務(wù)切換成機器人巡檢，同時支持遠程查看機器人的狀態(tài)和遠程語音等功能。

3.2.5 訪客管理

訪客管理包括訪客登記和訪客歷史記錄。在無關(guān)人員進入巡檢區(qū)域時，這些人員需要進行訪客登記。訪客管理留存訪客登記信息，生成訪客記錄，便于后期追溯。

3.2.6 歷史數(shù)據(jù)

歷史數(shù)據(jù)包括機器人歷史數(shù)據(jù)、巡檢人員歷史數(shù)據(jù)和操作記錄，記錄并保存他們的巡檢信息及其操作記錄。

3.2.7 報表管理

報表管理包括報表規(guī)則設(shè)置和報表導(dǎo)出。報表規(guī)則設(shè)置是指對報表的各項內(nèi)容進行填報設(shè)置，填報時需按照設(shè)置的規(guī)則進行，其他填報格式無效。報表導(dǎo)出能將已正確填報的報表進行導(dǎo)出。

3.2.8 平臺設(shè)置

平臺設(shè)置包括用戶管理、權(quán)限設(shè)置和服務(wù)器設(shè)置，是管理員對用戶的增刪改查，以及為不同用戶分配不同權(quán)限的設(shè)置，同時可對服務(wù)器進行擴容等相關(guān)設(shè)置。

3.3 專用通信網(wǎng)絡(luò)功能

在數(shù)據(jù)中心搭建基于5G技術(shù)的專用通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)移動巡檢系統(tǒng)、機器人巡檢系統(tǒng)和智能陪伴系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實時且高速傳輸。同時，專用通信網(wǎng)絡(luò)能夠確保巡檢數(shù)據(jù)“不出園區(qū)”，網(wǎng)絡(luò)傳輸安全可靠，避免了遭受來自外部的網(wǎng)絡(luò)攻擊。

專用通信網(wǎng)絡(luò)具有100個視頻監(jiān)控點位，包括智能陪伴系統(tǒng)和巡檢機器人攜帶的高清攝像頭。每個視頻點位的分辨率為1 920×1 080像素。在極限狀態(tài)下，專用通信網(wǎng)絡(luò)支持100個視頻監(jiān)控點位并發(fā)傳輸數(shù)據(jù)。

3.4 移動巡檢系統(tǒng)功能

移動巡檢系統(tǒng)由手持式智能巡檢終端和后臺管理系統(tǒng)組成。

3.4.1 智能巡檢終端功能

智能巡檢終端支持巡檢人員以拍攝、掃碼的形式錄入巡檢設(shè)備信息，進行巡檢工作，代替了傳統(tǒng)的手寫巡檢工單的模式。巡檢人員通過智能巡檢終端的智能巡檢軟件掃描機柜和設(shè)備的二維碼，拍攝儀器儀表顯示讀數(shù)，并通過相關(guān)軟件自動識別后者的讀數(shù)。這些信息經(jīng)巡檢人員確認后，自動生成巡檢工單并實時上傳至后臺管理系統(tǒng)。所上傳的工單支持修改及再次上傳。在巡檢工單生成過程中，智能巡檢終端還可以對帶有閾值的信息項設(shè)置智能提醒。

3.4.2 后臺管理系統(tǒng)功能

后臺管理系統(tǒng)可以實時或定時接收智能巡檢終端上傳的巡檢工單和相關(guān)數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和自動預(yù)警，并自動導(dǎo)出巡檢報表。后臺管理系統(tǒng)的功能架構(gòu)如圖5所示。

圖5 后臺管理系統(tǒng)功能架構(gòu)

3.5 室內(nèi)定位系統(tǒng)功能

在眾多的室內(nèi)定位技術(shù)中，超寬帶（UWB，Ultra Wide Band）技術(shù)具有抗干擾能力強、傳輸速率高、安全性高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單等特點。本文基于UWB技術(shù)，設(shè)計了一套適用于鐵路數(shù)據(jù)中心巡檢人員的室內(nèi)定位系統(tǒng)（簡稱：室內(nèi)定位系統(tǒng)）。

室內(nèi)定位系統(tǒng)利用鐵路數(shù)據(jù)中心作業(yè)人員佩戴的定位標簽，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)中心巡檢、作業(yè)人員和訪客的高精度室內(nèi)定位，并提供作業(yè)行動軌跡、作業(yè)范圍電子圍欄設(shè)置等功能。室內(nèi)定位系統(tǒng)能夠使用戶全面掌握鐵路數(shù)據(jù)中心各類作業(yè)人員的實時位置。當(dāng)突發(fā)事件發(fā)生時，室內(nèi)定位系統(tǒng)有助于及時引導(dǎo)有關(guān)人員到達作業(yè)地點，提升鐵路數(shù)據(jù)中心的作業(yè)安全水平和應(yīng)急響應(yīng)速度。

3.6 機器人巡檢系統(tǒng)功能

機器人巡檢系統(tǒng)由信息機房巡檢機器人、電力機房巡檢機器人和環(huán)境巡檢機器人，以及配套軟件組成。信息機房巡檢機器人能夠?qū)γ總€機柜指示燈、儀表和環(huán)境情況進行監(jiān)控。電力機房巡檢機器人可以對配電柜、UPS設(shè)備、相關(guān)設(shè)備設(shè)施的儀表及指示燈、局部放電等情況進行自動巡檢。環(huán)境巡檢機器人可以完成鐵路數(shù)據(jù)中心的巡檢、作業(yè)人員監(jiān)控、應(yīng)急滅火等任務(wù)。機器人巡檢系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)隔離設(shè)備與其他系統(tǒng)進行雙向數(shù)據(jù)交互，具體如圖6所示。

圖6 智能機器人巡檢系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互

3.7 智能陪伴系統(tǒng)功能

智能陪伴系統(tǒng)由具有錄音錄像和實時傳輸功能的巡檢記錄儀和配套軟件組成。巡檢人員佩戴巡檢記錄儀進行巡檢，在此過程中，巡檢記錄儀將拍攝畫面進行實時反饋，方便技術(shù)專家遠程解決。當(dāng)巡檢過程完成后，巡檢記錄儀能夠?qū)⒀矙z記錄導(dǎo)入存儲設(shè)備，為后期復(fù)查提供依據(jù)。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 專網(wǎng)通信技術(shù)

通信技術(shù)是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，各種智能巡檢設(shè)備運行時會產(chǎn)生大量圖像、視頻和文本類數(shù)據(jù)。本文設(shè)計的智能巡檢系統(tǒng)通過在鐵路數(shù)據(jù)中心內(nèi)部建設(shè)基于5G技術(shù)的專用通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了巡檢圖像視頻數(shù)據(jù)的快速傳輸。5G技術(shù)可以實現(xiàn)1 Gbit/s的傳輸速度，每秒可傳輸約50張巡檢照片和大小為100 MB的視頻文件，實現(xiàn)巡檢圖像、視頻和數(shù)據(jù)的快速下載和分析。

根據(jù)鐵路數(shù)據(jù)中心對網(wǎng)絡(luò)安全、傳輸時延、上下行帶寬的需求，專用通信系統(tǒng)采用5G技術(shù)+移動邊緣計算（MEC，Mobile Edge Computing）的設(shè)計，具體包括在鐵路數(shù)據(jù)中心內(nèi)部部署室內(nèi)分布設(shè)備，保障區(qū)域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，在核心機房或配電間部署室內(nèi)基帶處理單元（BBU，Building Base band Unit）設(shè)備和MEC設(shè)備，確保巡檢數(shù)據(jù)不離開鐵路數(shù)據(jù)中心，在內(nèi)部完成循環(huán)。其中，BBU設(shè)備通過無線接入網(wǎng)連接至核心網(wǎng)，用于信令數(shù)據(jù)傳輸和接入權(quán)限許可。專用通信網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 專用通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

4.2 數(shù)據(jù)中心機器人巡檢技術(shù)

4.2.1 基于激光雷達的SLAM自主導(dǎo)航技術(shù)

本系統(tǒng)采用基于激光雷達的同步定位與地圖構(gòu)建（SLAM，Simultaneous Localization and Mapping）自主導(dǎo)航技術(shù)，實現(xiàn)了巡檢機器人在機房內(nèi)的定位導(dǎo)航。SLAM通過傳感器獲取的信息來進行當(dāng)前位置的推算、軌跡估計與環(huán)境建圖。

激光雷達可對周圍物體實現(xiàn)360°全方位掃描測距，其采集的物體信息呈現(xiàn)出一系列分散的、具有準確角度和距離信息的點，這些點被稱為點云。通常SLAM自主導(dǎo)航技術(shù)通過對不同時刻兩片點云的匹配與比對，計算目標物體相對運動的距離和姿態(tài)（角度）的變化，完成對機器人的定位。

SLAM自主當(dāng)航技術(shù)包含感知、定位和建圖3個過程，具體如下。

（1）感知：機器人通過傳感器（激光雷達或視覺傳感器）獲取周圍的環(huán)境信息。

（2）定位：通過傳感器實時獲取自身位置及姿態(tài)（角度）。

（3）建圖：根據(jù)自身位置及傳感器獲取的信息，描述出當(dāng)下所在環(huán)境的地圖

感知是SLAM自主導(dǎo)航技術(shù)的基礎(chǔ)，只有先感知周圍的環(huán)境信息，才能可靠確定定位及構(gòu)建環(huán)境地圖。

4.2.2 基于六自由度機械臂的自定義巡檢技術(shù)

機械臂是機器人技術(shù)領(lǐng)域中使用最廣泛的自動機械裝置。它們可以接受指令并準確地定位三維（或二維）空間中的點以進行操作。六自由度機械手臂，顧名思義，由6個關(guān)節(jié)組成，由伺服電機機械臂驅(qū)動，具有人類的手臂和手腕類似的能力。巡檢機器人裝備了六自由度機械臂，可以對攝像機進行自定義角度設(shè)置，實現(xiàn)對機柜側(cè)面和頂部、機房地面和頂部進行全方位、無死角的巡檢，同時實現(xiàn)巡檢記錄實時回傳至控制中心，方便控制中心及時處置隱患與報警，形成信息閉環(huán)。這樣既能夠彌補機房監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控死角，也可以驗證與核查機房監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)。機械臂還可以根據(jù)用戶需要，完成更復(fù)雜的操作。

4.3 基于人工智能的圖像識別與機器學(xué)習(xí)技術(shù)

4.3.1 圖像識別技術(shù)

圖像識別技術(shù)是人工智能的一個重要技術(shù)，能夠?qū)D像進行對象識別，以識別不同模式的目標。智能巡檢終端和巡檢機器人通過光學(xué)攝像機和紅外攝像機，基于圖像識別算法，可以對指針儀表讀數(shù)、指示燈顏色、設(shè)備線纜表面溫度進行自動識別，當(dāng)有溫度高于正常范圍時自動預(yù)警，彌補人工讀數(shù)和人眼無法直接判斷溫度的不足，防止事故發(fā)生。

4.3.2 機器學(xué)習(xí)技術(shù)

基于機器學(xué)習(xí)算法，機房巡檢機器人可以在每次巡檢時，對機柜內(nèi)每臺設(shè)備的指示燈狀態(tài)、儀表讀數(shù)、環(huán)境參數(shù)進行積累與學(xué)習(xí)，當(dāng)識別出指示燈狀態(tài)或儀表讀數(shù)與平時不同時自動預(yù)警，及時處理故障和隱患。

5 結(jié)束語

本文針對鐵路數(shù)據(jù)中心人工巡檢工作存在的問題，設(shè)計了基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的鐵路數(shù)據(jù)中心智能巡檢系統(tǒng)，論述了該系統(tǒng)的設(shè)計架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)。經(jīng)過現(xiàn)場試驗表明，本文系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心巡檢工作的智能化、自動化、可視化，提高了巡檢的效率和質(zhì)量，降低了人工巡檢的工作強度，提升了鐵路數(shù)據(jù)中心運維工作的技術(shù)水平。下一步，本文將對智能巡檢算法和后續(xù)功能進行研究。