基于AIoT平臺的用戶端智能配電多場景應(yīng)用研究與實現(xiàn)

吳 彬, 胡 敏

[1.上海電器科學(xué)研究所(集團)有限公司, 上海 200063;2.上海電器科學(xué)研究院, 上海 200063]

0 引 言

我國房地產(chǎn)、工業(yè)、電網(wǎng)、基礎(chǔ)設(shè)施都呈現(xiàn)出較強的增長態(tài)勢[1],各類需求應(yīng)運而生,例如智能配電網(wǎng)建設(shè)推動用戶端智能配電整體發(fā)展;新能源發(fā)電市場高速增長,推動專用型用戶端電器技術(shù)快速進步;電動汽車充電樁市場需求快速增長和通信數(shù)據(jù)行業(yè)高速發(fā)展,引致高性能用戶端電器產(chǎn)品需求等。

以上各類需求以及對應(yīng)的場景應(yīng)用,如果按照傳統(tǒng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的實現(xiàn),只能是單一場景應(yīng)用對應(yīng)單一工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。單場景應(yīng)用平臺的缺點很明顯,從開發(fā)到運營運維,增加了成本,還極大地影響交付效率,無法滿足客戶的快速響應(yīng)并提供定制化的、敏捷化的需求。

因此,需要通過人工智能物聯(lián)網(wǎng)(AIoT)平臺來實現(xiàn)用戶端智能配電多場景應(yīng)用[2]。每個場景應(yīng)用都需要針對性、定制化的實施來滿足各企業(yè)的不同需求。而如何很好地滿足客戶定制化的需求一直以來都是個難點。本文基于AIoT平臺的多場景應(yīng)用[3],在充分調(diào)研智能配電站、智能箱變、5G等多個場景應(yīng)用實施過程的基礎(chǔ)上進行開發(fā),較好地解決了上述問題。

1 AIoT平臺總體方案

1.1 AIoT平臺結(jié)構(gòu)

人工智能物聯(lián)網(wǎng)(AIoT)=人工智能(AI)+物聯(lián)網(wǎng)(IoT)[4]。傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)是通過有線和無線網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)物-物、人-物之間的相互連接。與傳統(tǒng)的IoT區(qū)別在于,AIoT不僅是實現(xiàn)設(shè)備和場景間的互聯(lián)互通,還要實現(xiàn)物-物、人-物、物-人、人-物-服務(wù)之間的連接和數(shù)據(jù)的互通,以及人工智能技術(shù)對物聯(lián)網(wǎng)的賦能進而實現(xiàn)萬物之間的相互融合[5]。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展,AIoT平臺的設(shè)計原則如下:

(1) 可擴展性:水平可擴展的平臺,使用領(lǐng)先的開源技術(shù)構(gòu)建。

(2) 容錯性:不會出現(xiàn)單點故障,群集中的每個節(jié)點都是相同的。

(3) 高效性:單個服務(wù)器節(jié)點可以處理數(shù)萬臺設(shè)備,具體取決于實際應(yīng)用。

(4) 持久性:平臺支持隊列實現(xiàn),以提供極高的消息持久性。

(5) 可定制性:使用可自定義的部件和規(guī)則引擎節(jié)點便可以輕松增加新功能。

(6) 高可靠性:海量設(shè)備同時聯(lián)網(wǎng),低延時、動態(tài)擴容,先進的云邊端協(xié)同機制,充分利用云端強大的計算能力,為智能化數(shù)字設(shè)備充分賦能。

AIoT平臺體系結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 AIoT平臺體系結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知,AIoT平臺體系結(jié)構(gòu)功能如下:

(1) 設(shè)備層:設(shè)備具備與平臺通信的協(xié)議,直接連接平臺。大部分設(shè)備支持的協(xié)議是工業(yè)領(lǐng)域的,因此需要智能網(wǎng)關(guān),對接相應(yīng)的設(shè)備協(xié)議進行采集數(shù)據(jù)。

(2) 傳輸層:協(xié)議 API 都由單獨的服務(wù)器組件提供,并且MQTT 協(xié)議傳輸還提供了網(wǎng)關(guān) API,目的是擴展連接設(shè)備的種類和傳感器設(shè)備等。傳輸層從設(shè)備層接收到數(shù)據(jù)消息后,會對其進行分析并將其推送到持久消息隊列。

(3) 核心層:核心模塊負責(zé)處理REST API調(diào)用和WebSocket訂閱;負責(zé)存儲有關(guān)活動設(shè)備會話的最新信息,并監(jiān)視設(shè)備的連接狀態(tài);規(guī)則引擎負責(zé)處理具有用戶定義的邏輯和數(shù)據(jù)流的傳入消息;數(shù)據(jù)庫區(qū)分了靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(SQL)和時序數(shù)據(jù)庫(NoSQL),極大地提高了存儲效率和空間。

(4) 用戶層:用戶通過靜態(tài)Web頁面配置數(shù)據(jù),同時支持WebSocket實時查看數(shù)據(jù);平臺提供豐富的REST API接口,供第三方應(yīng)用程序定制化使用;平臺可以將數(shù)據(jù)推送到外部系統(tǒng),將處理數(shù)據(jù)完成后的結(jié)果報告進行可視化呈現(xiàn)。

1.2 AIoT平臺功能

AIoT平臺最基本的功能是用于數(shù)據(jù)收集、處理、可視化和設(shè)備管理。通過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議MQTT、CoAP和HTTP,可實現(xiàn)設(shè)備通信連接。AIoT的平臺功能如下。

(1) 多租戶賬號體系:采用開箱即用的多租戶管理方式。租戶管理員具有多個子租戶以及設(shè)備和客戶。

(2) 遙測數(shù)據(jù)采集:以可靠的方式采集和存儲遙測數(shù)據(jù),避免網(wǎng)絡(luò)和硬件故障,使用自定義的Web儀表板或服務(wù)器端API展示數(shù)據(jù)。

(3) 多場景應(yīng)用化:通過平臺的基本要素(儀表板、部件、規(guī)則鏈、規(guī)則節(jié)點、資產(chǎn)、設(shè)備)的相互關(guān)聯(lián)組合,快速完成多場景應(yīng)用的構(gòu)建;完全通過非代碼化的開發(fā),僅通過瀏覽器可視化配置,就可以完成場景應(yīng)用的項目使用。

(4) 數(shù)據(jù)可視化:在多場景應(yīng)用的菜單中,提供豐富的小部件,通過內(nèi)置編輯器進行定制化屬于租戶自己的小部件。內(nèi)置了豐富的折線圖、數(shù)字和模擬儀表、地圖等。

(5) 規(guī)則引擎:基于實體屬性或者消息,使用靈活的規(guī)則鏈處理傳入的設(shè)備數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到內(nèi)外部系統(tǒng),通過拖放式規(guī)則鏈設(shè)計器靈活地自定義數(shù)據(jù)邏輯流;還可以配置復(fù)雜的告警邏輯。

(6) 設(shè)備管理:提供注冊和管理設(shè)備,監(jiān)測客戶端屬性和預(yù)配服務(wù)器端設(shè)備屬性,為服務(wù)器端應(yīng)用程序提供相應(yīng)的API接口,通過RPC命令發(fā)送到設(shè)備,反之亦然。

(7) 資產(chǎn)管理:提供注冊和管理資產(chǎn),配置服務(wù)器端資產(chǎn)屬性并監(jiān)控其相關(guān)警報,使用關(guān)系構(gòu)建實體的層次結(jié)構(gòu)。

(8) 安全方面:支持MQTT和HTTP協(xié)議的傳輸加密;支持設(shè)備身份驗證和設(shè)備憑據(jù)管理。

2 多場景應(yīng)用的實現(xiàn)

2.1 AIoT平臺場景應(yīng)用開發(fā)與配置

AIoT平臺的場景應(yīng)用開發(fā)主要集中在平臺的方案模板。AIoT平臺的方案模板邏輯設(shè)計圖如圖2所示。

圖2 AIoT平臺的方案模板邏輯設(shè)計圖

(1) 平臺的角色分類說明如下:

① 平臺管理員:整個平臺的系統(tǒng)管理員具有最高權(quán)限。

② 租戶:租戶是獨立的業(yè)務(wù)實體,是具有包括設(shè)備和資產(chǎn)的組織。租戶管理員擁有多個子租戶。

③ 客戶:客戶也是一個獨立的業(yè)務(wù)實體,但是其設(shè)備和資產(chǎn)都是通過租戶進行分配過來的,能夠查看所屬的設(shè)備和資產(chǎn)信息。

(2) 平臺的實體說明如下:

① 設(shè)備:帶通信協(xié)議并能產(chǎn)生遙測數(shù)據(jù)的IoT實體,例如儀表、開關(guān)、傳感器等。

② 資產(chǎn):與其他設(shè)備和資產(chǎn)相關(guān)的抽象物聯(lián)網(wǎng)實體,例如工廠、車間、柜體、回路等。

③ 儀表板:物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的可視化面板,以及通過用戶界面可以控制設(shè)備的能力。

④ 規(guī)則節(jié)點:傳入消息的節(jié)點,具有實體生命周期事件等的處理單元模塊。

⑤ 規(guī)則鏈:由多個規(guī)則節(jié)點組成的邏輯單元模塊。

(3) 方案模板邏輯說明如下:

① 平臺管理員創(chuàng)建租戶需要的方案模板菜單(即場景應(yīng)用菜單)。

② 平臺管理員導(dǎo)入該方案模板的儀表板和規(guī)則鏈。

③ 平臺管理員分配該方案模板到租戶管理員的方案模板庫。

④ 租戶管理員接收到平臺管理員分配到方案模板后,通過權(quán)限進行控制菜單顯示;另外,可以通過項目分配客戶方案模板。

⑤ 租戶管理員下的客戶接收到租戶管理員分配的方案模板后,通過權(quán)限進行控制菜單顯示。

⑥ 子租戶和子租戶下的客戶也是同④和⑤流程邏輯說明。

2.2 多場景應(yīng)用的實現(xiàn)與效果

AIoT平臺的智能配電房解決方案菜單圖如圖3所示。

圖3 AIoT平臺的智能配電房解決方案菜單圖

AIoT平臺的智能配電場景應(yīng)用效果圖如圖4所示。

圖4 AIoT平臺的智能配電場景應(yīng)用效果圖

AIoT平臺的充電樁場景應(yīng)用效果圖如圖5所示。

AIoT平臺的智能微型斷路器場景應(yīng)用效果圖如圖6所示。

3 多場景應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 挖掘工業(yè)數(shù)據(jù)深層次價值

智能配電多場景應(yīng)用的關(guān)鍵需求有:能源系統(tǒng)數(shù)據(jù)整體管控,對能耗深度分析、智能預(yù)測、精細化管控;多類型能源協(xié)調(diào)管理,實現(xiàn)多種類型能源的綜合接入與協(xié)調(diào)控制;功率平衡控制,建立發(fā)、儲和用協(xié)同功率調(diào)控機制,確保電能高效利用。

圖5 AIoT平臺的充電樁場景應(yīng)用效果圖

開展用戶端智能配電機理知識的深度研究,形成多維度、高價值機理模型庫,實現(xiàn)平臺App智能化賦能。最終提供一站式的穩(wěn)定、高效、易用、開放的數(shù)據(jù)挖掘及AI分析建模平臺,全面釋放工業(yè)數(shù)據(jù)深層次價值[6]。

3.2 遙測數(shù)據(jù)采集技術(shù)

AIoT平臺針對遙測數(shù)據(jù)[7]的采集,采用了各種通信協(xié)議模板和高集成度,來完成從設(shè)備端的采集過程。

采集后的遙測數(shù)據(jù)會以時間序列數(shù)據(jù)存儲在SQL(PostgreSQL)或NoSQL(Cassandra)數(shù)據(jù)庫中,與傳統(tǒng)設(shè)計相比,極大地降低了資源存儲空間,同時也提高了使用效率,具有靈活的聚合查詢功能。

使用了WebSocket訂閱模式下的數(shù)據(jù)更新方式,可真正做到實時顯示和數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)持久性方面,采用當(dāng)下流行的隊列技術(shù)Kafka,將包含時序數(shù)據(jù)的消息發(fā)送到AIoT平臺,通過規(guī)則引擎隊列進行精準(zhǔn)控制消息流向。

3.3 儀表板和部件技術(shù)

AIoT平臺提供了創(chuàng)建和管理儀表板的功能,每個儀表板都可以包含大量的小部件;顯示實體的數(shù)據(jù)(如設(shè)備、資產(chǎn)等);同時還可以將儀表板分配給客戶。

部件技術(shù)是指部件庫里的各類圖表樣式、各類儀表樣式等,主要是以前端js/css/html技術(shù)為核心的開發(fā)元素。AIoT平臺的部件庫如圖7所示。

圖7 AIoT平臺的部件庫

部件的數(shù)據(jù)處理功能如圖8所示。

圖8 部件的數(shù)據(jù)處理功能

3.4 規(guī)則引擎技術(shù)

規(guī)則引擎技術(shù)是一種框架技術(shù),用于構(gòu)建事件工作流。主要組成如下:

(1) 規(guī)則節(jié)點:對傳入消息進行執(zhí)行的函數(shù)。會有許多不同的節(jié)點類型可以實施過濾、轉(zhuǎn)換或?qū)魅胂?zhí)行某些操作的功能。

(2) 消息:任何傳入事件。主要是來自設(shè)備的傳入數(shù)據(jù)、設(shè)備生命周期事件、REST API 事件、RPC 請求等。

(3) 規(guī)則鏈:節(jié)點通過關(guān)系相互連接,從上一個連接的規(guī)則節(jié)點的出站消息發(fā)送到下一個連接的規(guī)則節(jié)點。

規(guī)則鏈的使用如圖9所示。

圖9 規(guī)則鏈的使用

AIoT平臺的規(guī)則引擎是一個高度可自定義和可配置的模塊,主要用于復(fù)雜的事件處理,完全可以理解成自定義數(shù)據(jù)流的控制中心。通過借助規(guī)則引擎,可以過濾、控制、轉(zhuǎn)換由IoT設(shè)備和相關(guān)資產(chǎn)發(fā)起的傳入消息;還可以觸發(fā)各種操作,例如:推送消息、發(fā)送郵件、發(fā)送短信或者是與外部系統(tǒng)的通信。

4 結(jié) 語

本文基于AIoT平臺的多場景應(yīng)用在智能用戶端行業(yè)的研究,已經(jīng)服務(wù)于多家客戶,有智能配電站、智能箱變、智能微型斷路器。通過這些項目實例,可以完成每個定制化、具有針對性的場景應(yīng)用;可以很好地滿足各個企業(yè)客戶的需求,加速創(chuàng)新研發(fā)新產(chǎn)品和新服務(wù),使得數(shù)字化的應(yīng)用場景不斷拓展。

數(shù)字化已經(jīng)完全貫穿整體工業(yè)制造的全流程,該項研究可以拓展到新型電力系統(tǒng)的其他典型應(yīng)用,例如虛擬電廠、智慧實驗室、智慧教室、智慧園區(qū)等,為實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標(biāo)提供解決方案。