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一、項目概況

1. 項目背景
“工業(yè)大數(shù)據(jù)應用技術國家工程實驗室”屬于國家發(fā)改委大數(shù)據(jù)領域創(chuàng)新能力建設專項，是我國目前唯一一家工業(yè)大數(shù)據(jù)研究及產(chǎn)業(yè)化支撐機構，哈電集團作為聯(lián)合申報單位負責工業(yè)大數(shù)據(jù)在電力裝備行業(yè)中深度應用。

2. 項目簡介
發(fā)電設備工業(yè)大數(shù)據(jù)應用技術平臺是基于信息—物理系統(tǒng)（CPS）、工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺和故障預測與健康管理（PHM）理念，結合IoT、大數(shù)據(jù)分析、協(xié)同優(yōu)化、可視化等技術構成的智能體系，為遠程運維、智能制造等業(yè)務場景提供了應用技術支撐，同時為哈電集團工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺建設及產(chǎn)品全方位全周期管理打下了堅實基礎，促進集團從傳統(tǒng)制造業(yè)向服務型制造業(yè)的轉型升級。

3. 項目目標
通過對哈電集團發(fā)電設備工業(yè)大數(shù)據(jù)應用技術平臺（一期）項目的建設及應用示范，建立覆蓋產(chǎn)品全方位全周期管理的發(fā)電設備工業(yè)大數(shù)據(jù)應用技術平臺，實現(xiàn)“數(shù)據(jù)驅動”，打造大數(shù)據(jù)采集分析、遠程運維等服務型制造新模式。

二、項目實施概況

1. 項目總體架構
發(fā)電設備工業(yè)大數(shù)據(jù)應用技術平臺在總體框架設計上遵循微服務化的思想，遵從組件化的模式開發(fā)，并提供開發(fā)規(guī)范和指導，以支持應用組件的獨立部署、升級與維護，并能夠與第三方應用較便利地交互與集成。平臺總體架構如下圖所示：

圖 1平臺架構示意圖

 

平臺主要組成部分功能描述如下：
（1）數(shù)據(jù)資源層：該層主要為電廠內各設備的運行數(shù)據(jù)源，例如風機、電池、各傳感器等產(chǎn)生的實時數(shù)據(jù)源，以及存儲歷史數(shù)據(jù)的外部數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。
（2）邊緣層：該層的核心功能是對數(shù)據(jù)資源層的各種數(shù)據(jù)源進行數(shù)據(jù)收集，該層主要由硬件設備構成，通常部署在設備現(xiàn)場。該層主要由認證服務、組態(tài)配置、信號采集、協(xié)議解析、邊緣計算、數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)緩存、訪問控制等模塊構成，以此構建了平臺的數(shù)據(jù)基礎。
（3）數(shù)據(jù)接入和交換層：該層主要負責實時數(shù)據(jù)包或離線數(shù)據(jù)文件的接入、解密、解析和轉換工作。接入模塊和交換模塊耦合，以拉取的方式實現(xiàn)兩模塊的數(shù)據(jù)傳輸，保證實時數(shù)據(jù)包可以穩(wěn)定接收不堵塞，數(shù)據(jù)解密、解析和轉換有條不紊。
（4）工業(yè)大數(shù)據(jù)存儲和管理層：該層主要承載數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)高性能計算、資源管控、控制監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)管理工具五大功能。滿足大規(guī)模存儲應用的需要；為數(shù)據(jù)應用高速響應和數(shù)據(jù)極速查詢等數(shù)據(jù)服務提供有力支撐；為平臺的底層計算、存儲等資源提供堅實保障；為平臺提供綜合治理和管控；提供數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)運維等工具。
（5）數(shù)據(jù)應用層：該層主要由微服務中心、工業(yè)智能建模工具和企業(yè)級模型運行引擎三大模塊構成。微服務中心是平臺的創(chuàng)新功能，依照平臺的微服務框架思路，該模塊建立了可由多用戶共建數(shù)據(jù)應用的可拓展開放系統(tǒng)；工業(yè)智能建模工具為用戶提供 “拖拉拽”畫布式建模方式和工業(yè)組件，幫助用戶構建基于工業(yè)領域的算法模型；企業(yè)級模型引擎可以實現(xiàn)算法上傳部署和全面的可視化模型執(zhí)行管理和環(huán)境分析監(jiān)控。
（6）業(yè)務應用層：包括狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、運維優(yōu)化、健康評估、趨勢預測等，并提供基于Web的統(tǒng)一門戶訪問界面，通過數(shù)據(jù)可視化、報表等手段，清晰展現(xiàn)平臺的各種應用數(shù)據(jù)，支撐用戶快速分析與決策。

2. 主要建設內容
廣泛整合利用現(xiàn)有先進技術、知識和硬件資源，打造行業(yè)級的開放平臺。平臺整體采用了分布式云技術架構、模塊化功能設計和多層次開放性接口的思想，滿足多種類設備上云、多語言APP開發(fā)、多維度數(shù)據(jù)管理、多模式服務部署等工業(yè)大數(shù)據(jù)應用的關鍵需求。

（1）工業(yè)大數(shù)據(jù)應用技術平臺建設
工業(yè)大數(shù)據(jù)應用技術平臺對外提供多種形式的數(shù)據(jù)接口API，內部集成可視化建模IDE、算法模型運行引擎和基于微服務的業(yè)務應用運行環(huán)境。主要功能模塊包括數(shù)據(jù)接入管理、設備管理、數(shù)據(jù)運維管理、工業(yè)智能算法建模工具、企業(yè)級模型運行引擎、微服務注冊及管理、系統(tǒng)管理等功能，可視化界面如下所示：

圖2 平臺可視化界面

 

平臺提供工業(yè)智能算法建模工具來實現(xiàn)業(yè)務知識抽象化，該工具為算法工程師提供包括數(shù)據(jù)質量檢測、數(shù)據(jù)清洗、可視化、特征提取、特征選擇、機器學習算法、行業(yè)模板、模型評估等功能，算法組件庫內含百余個算法組件，算法開發(fā)人員在可視化環(huán)境下通過“拖拉拽”畫布式實現(xiàn)工業(yè)算法建模。算法模型可直接上傳至模型庫和企業(yè)級模型運行引擎，實現(xiàn)模型快速部署運行。工業(yè)智能算法建模工具如下圖所示：

圖3 可視化集成建模環(huán)境

 

（2）數(shù)據(jù)采集終端解決方案
平臺配套研發(fā)了“數(shù)據(jù)采集及邊緣計算一體化終端” ，該硬件具有通用性、滿足定制化需求、可靠性和安全性的特點，將異構數(shù)據(jù)采集、高復雜度邊緣計算、數(shù)據(jù)標準化、數(shù)據(jù)緩存、網(wǎng)絡安全策略等功能模塊集于一體。

圖4 數(shù)據(jù)采集及邊緣計算一體化終端結構圖

 

終端支持多協(xié)議、多種數(shù)據(jù)庫通訊接口及原始模擬/數(shù)字量的直接采集，采用多種安全策略，解決了工業(yè)現(xiàn)場原始信號不易采集、數(shù)據(jù)種類多、接口協(xié)議繁雜、數(shù)據(jù)傳輸不安全等技術瓶頸；信號采集及邊緣計算前端實現(xiàn)高復雜度的邊緣計算，如高頻信號采集、信號處理、特征提取、壓縮加密、故障預警、工況智能變頻采集等，大大降低了平臺的網(wǎng)絡和計算資源需求。

（3）新能源設備上云
新能源設備上云是項目的關鍵示范點，特別是多種新能源設備同時上云。為了體現(xiàn)平臺的優(yōu)勢，基于發(fā)電設備工業(yè)大數(shù)據(jù)應用技術平臺的遠程運維服務示范電站多能互補智能運維系統(tǒng)包括100kW和30kW永磁直驅風電機組、100kWp光伏發(fā)電、儲能系統(tǒng)容量為110kWh、海水淡化系統(tǒng)負荷為42kW、灌裝線負荷為16kW、380V交流配電系統(tǒng)和微網(wǎng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)。
利用平臺一體化數(shù)據(jù)采集解決方案提供了數(shù)據(jù)收集，總體運維服務包括狀態(tài)監(jiān)測、故障預警、歷史查詢、數(shù)據(jù)分析四大模塊，利用了故障預測與健康管理（PHM）的技術概念，全面開展以“故障預測”替代“故障診斷”，“專家系統(tǒng)”與“人工智能”相結合的運維新模式。可視化運維界面如圖5所示：

圖5 基于發(fā)電設備工業(yè)大數(shù)據(jù)應用技術平臺遠程運維服務界面

 

圖6展示了基于支持向量機的偏航對風不正分析界面，表1列舉了示范項目中利用人工智能或PHM方法的共14個APP。

表1 利用人工智能或PHM方法的APP
 

圖6 偏航對風不正分析界面

 

三、下一步實施計劃

進一步擴展升級發(fā)電設備工業(yè)大數(shù)據(jù)應用技術平臺建設，發(fā)揮平臺作用，面向集群用戶開展遠程診斷工作，同時應用具備自主知識產(chǎn)權的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)保證機組數(shù)據(jù)安全、可控、規(guī)范；綜合開展以數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)管理、大數(shù)據(jù)分析、智能診斷、智能運維以及智能制造為核心的發(fā)電設備全生命周期大數(shù)據(jù)應用技術研究，逐步形成業(yè)務生態(tài)圈，業(yè)務機理同大數(shù)據(jù)科學相結合，在滿足發(fā)電設備遠程運維需求的同時為設計生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

四、目創(chuàng)新點和實施效果

1. 項目先進性及創(chuàng)新點
（1）一體化數(shù)據(jù)采集解決方案
平臺配套“數(shù)據(jù)采集及邊緣計算一體化終端”實現(xiàn)了廣泛接入、邊緣計算及智能變頻采集等功能，真正以大數(shù)據(jù)的思想和架構應對海量工業(yè)數(shù)據(jù)采集場景。
（2）多源異構數(shù)據(jù)融合技術
利用多源異構數(shù)據(jù)融合技術，將不同種類發(fā)電設備數(shù)據(jù)轉化為面向發(fā)電設備對象的統(tǒng)一信息模型，完成了時間、空間關聯(lián)的數(shù)據(jù)斷面和不同業(yè)務數(shù)據(jù)的一致表達，解決了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理過程中的標準化和一致性問題。
（3）海量數(shù)據(jù)并行處理技術
利用海量異構數(shù)據(jù)實時、批量處理分析技術，構建在線監(jiān)測、在線分析和在線計算等實時數(shù)據(jù)處理平臺。平臺內存計算引擎采用改進后的ApacheSpark，消除了頻繁的I/O 磁盤訪問，同時具有極低的調度和啟動開銷，滿足計算量大且對于實時性要求高的場景。
（4）微服務架構技術
為了實現(xiàn)平臺生態(tài)建設，開發(fā)過程中充分考慮應用服務及應用算法的擴展，采用微服務技術框架。以模塊化的方式實現(xiàn)服務的開發(fā)與運行，標準化了平臺所有服務的網(wǎng)絡通信訪問，實現(xiàn)了平臺各數(shù)據(jù)服務之間的解耦、重用，可以自動化運維、部署、編排與資源分配，提高了平臺的可用性和可靠性。
（5）可視化建模分析工具
平臺集成了可視化工業(yè)智能建模工具（IDE）降低了工業(yè)APP的開發(fā)門檻并加快了開發(fā)速度，解決了現(xiàn)有專家知識難以沉淀的困難。通過專業(yè)團隊的總結提煉，將標準、通用的分析建模方法和流程包裝為行業(yè)經(jīng)驗模板，大幅減輕算法工程師對行業(yè)知識的依賴。
（6）健康預測代替故障診斷
平臺采用故障預測與健康管理（PHM）的模式，代替出故障、找根源的傳統(tǒng)運維模式，以系統(tǒng)工程的角度利用歷史數(shù)據(jù)及同類比較數(shù)據(jù)對設備未來運行狀況進行判斷，提前預測故障風險，安排檢修計劃，提升發(fā)電系統(tǒng)綜合經(jīng)濟效益。

2. 實施效果
發(fā)電設備工業(yè)大數(shù)據(jù)應用技術平臺的實施應用，能夠實現(xiàn)發(fā)電設備數(shù)據(jù)的實時采集、集中存儲，并基于數(shù)據(jù)資源開展數(shù)據(jù)管理工作，從業(yè)務與技術角度梳理業(yè)務數(shù)據(jù)模型，形成數(shù)據(jù)資源地圖，方便業(yè)務人員和技術人員隨時查詢和應用數(shù)據(jù)分析域的數(shù)據(jù)資源，支撐統(tǒng)一數(shù)據(jù)服務的構建。

經(jīng)濟效益方面，平臺實現(xiàn)向市場提供“制造+服務”的模式。平臺作為哈電集團向服務型制造轉型的衍生產(chǎn)品不僅可帶來新的經(jīng)濟增長點，幫助設計生產(chǎn)部門優(yōu)化工藝，同時還幫助發(fā)電站減少檢修（維修）次數(shù)和縮短檢修時間，降低電站運營成本，有利于實現(xiàn)我國現(xiàn)代數(shù)字化電站的建設需求。

技術效益方面，平臺根據(jù)業(yè)務經(jīng)驗積累集數(shù)據(jù)采集技術、云平臺技術以及機器學習等先進的智能化技術于一體，通過多年業(yè)務經(jīng)驗，將裝備從生產(chǎn)制造到運維的工業(yè)知識沉淀為哈電集團智能專家知識庫和工業(yè)APP庫，提升哈電集團整體軟實力，助力企業(yè)的轉型升級。

社會效益方面，平臺為遠程運維和智能制造等業(yè)務場景提供了有力的應用技術支撐，逐步形成支撐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)展的技術體系和產(chǎn)業(yè)體系，增強中國裝備的國際競爭力。