發(fā)電設(shè)備工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)平臺
一、項目概況
1. 項目背景
“工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室”屬于國家發(fā)改委大數(shù)據(jù)領(lǐng)域創(chuàng)新能力建設(shè)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(gòu)，哈電集團作為聯(lián)合申報單位負責(zé)工業(yè)大數(shù)據(jù)在電力裝備行業(yè)中深度應(yīng)用。
2. 項目簡介
發(fā)電設(shè)備工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)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(yù)測與健康管理（PHM）理念，結(jié)合IoT、大數(shù)據(jù)分析、協(xié)同優(yōu)化、可視化等技術(shù)構(gòu)成的智能體系，為遠程運維、智能制造等業(yè)務(wù)場景提供了應(yīng)用技術(shù)支撐，同時為哈電集團工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺建設(shè)及產(chǎn)品全方位全周期管理打下了堅實基礎(chǔ)，促進集團從傳統(tǒng)制造業(yè)向服務(wù)型制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。
3. 項目目標(biāo)
通過對哈電集團發(fā)電設(shè)備工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)平臺（一期）項目的建設(shè)及應(yīng)用示范，建立覆蓋產(chǎn)品全方位全周期管理的發(fā)電設(shè)備工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)平臺，實現(xiàn)“數(shù)據(jù)驅(qū)動”，打造大數(shù)據(jù)采集分析、遠程運維等服務(wù)型制造新模式。
二、項目實施概況
1. 項目總體架構(gòu)
發(fā)電設(shè)備工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)平臺在總體框架設(shè)計上遵循微服務(wù)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(dǎo)，以支持應(yīng)用組件的獨立部署、升級與維護，并能夠與第三方應(yīng)用較便利地交互與集成。平臺總體架構(gòu)如下圖所示：
圖 1平臺架構(gòu)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(nèi)各設(shè)備的運行數(shù)據(jù)源，例如風(fēng)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(shè)備構(gòu)成，通常部署在設(shè)備現(xiàn)場。該層主要由認證服務(wù)、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(gòu)成，以此構(gòu)建了平臺的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
（3）數(shù)據(jù)接入和交換層：該層主要負責(zé)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)用的需要；為數(shù)據(jù)應(yīng)用高速響應(yīng)和數(shù)據(jù)極速查詢等數(shù)據(jù)服務(wù)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(yīng)用層：該層主要由微服務(wù)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(gòu)成。微服務(wù)中心是平臺的創(chuàng)新功能，依照平臺的微服務(wù)框架思路，該模塊建立了可由多用戶共建數(shù)據(jù)應(yīng)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(gòu)建基于工業(yè)領(lǐng)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(wù)應(yīng)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(yù)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(yīng)用數(shù)據(jù)，支撐用戶快速分析與決策。
2. 主要建設(shè)內(nèi)容
廣泛整合利用現(xiàn)有先進技術(shù)、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(shù)架構(gòu)、模塊化功能設(shè)計和多層次開放性接口的思想，滿足多種類設(shè)備上云、多語言APP開發(fā)、多維度數(shù)據(jù)管理、多模式服務(wù)部署等工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用的關(guān)鍵需求。
（1）工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)平臺建設(shè)
工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)平臺對外提供多種形式的數(shù)據(jù)接口API，內(nèi)部集成可視化建模IDE、算法模型運行引擎和基于微服務(wù)的業(yè)務(wù)應(yīng)用運行環(huán)境。主要功能模塊包括數(shù)據(jù)接入管理、設(shè)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(wù)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(wù)知識抽象化，該工具為算法工程師提供包括數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測、數(shù)據(jù)清洗、可視化、特征提取、特征選擇、機器學(xué)習(xí)算法、行業(yè)模板、模型評估等功能，算法組件庫內(nèi)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(gòu)數(shù)據(jù)采集、高復(fù)雜度邊緣計算、數(shù)據(jù)標(biāo)準化、數(shù)據(jù)緩存、網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)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(shù)瓶頸；信號采集及邊緣計算前端實現(xiàn)高復(fù)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(yù)警、工況智能變頻采集等，大大降低了平臺的網(wǎng)絡(luò)和計算資源需求。
（3）新能源設(shè)備上云
新能源設(shè)備上云是項目的關(guān)鍵示范點，特別是多種新能源設(shè)備同時上云。為了體現(xiàn)平臺的優(yōu)勢，基于發(fā)電設(shè)備工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)平臺的遠程運維服務(wù)示范電站多能互補智能運維系統(tǒng)包括100kW和30kW永磁直驅(qū)風(fēng)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(wù)包括狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)警、歷史查詢、數(shù)據(jù)分析四大模塊，利用了故障預(yù)測與健康管理（PHM）的技術(shù)概念，全面開展以“故障預(yù)測”替代“故障診斷”，“專家系統(tǒng)”與“人工智能”相結(jié)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(shè)備工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)平臺遠程運維服務(wù)界面
圖6展示了基于支持向量機的偏航對風(fēng)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
| 編號 | APP |
| 1 | 風(fēng)機偏航對風(fēng)不正 |
| 2 | 風(fēng)機發(fā)電機繞組溫度異常 |
| 3 | 風(fēng)機風(fēng)速儀卡滯 |
| 4 | 風(fēng)機風(fēng)速儀松動 |
| 5 | 風(fēng)機葉片結(jié)冰 |
| 6 | 風(fēng)機發(fā)電量和可靠性評估 |
| 7 | 光伏設(shè)備發(fā)電性能在線評估 |
| 8 | 光伏設(shè)備發(fā)電性能衰退評估 |
| 9 | 光伏發(fā)電設(shè)備運行效能評估與報表 |
| 10 | 電池SoC評估 |
| 11 | 電池性能衰退評估 |
| 12 | 海水淡化設(shè)備性能在線評估 |
| 13 | 海水淡化設(shè)備性能衰退評估 |
| 14 | 海水淡化設(shè)備運行效能評估與報表 |
圖6 偏航對風(fēng)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(shè)備工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)平臺建設(shè)，發(fā)揮平臺作用，面向集群用戶開展遠程診斷工作，同時應(yīng)用具備自主知識產(chǎn)權(quán)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(shè)備全生命周期大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)研究，逐步形成業(yè)務(wù)生態(tài)圈，業(yè)務(wù)機理同大數(shù)據(jù)科學(xué)相結(jié)合，在滿足發(fā)電設(shè)備遠程運維需求的同時為設(shè)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(gòu)應(yīng)對海量工業(yè)數(shù)據(jù)采集場景。
（2）多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)
利用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將不同種類發(fā)電設(shè)備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為面向發(fā)電設(shè)備對象的統(tǒng)一信息模型，完成了時間、空間關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)斷面和不同業(yè)務(wù)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(biāo)準化和一致性問題。
（3）海量數(shù)據(jù)并行處理技術(shù)
利用海量異構(gòu)數(shù)據(jù)實時、批量處理分析技術(shù)，構(gòu)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(nèi)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(diào)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(wù)架構(gòu)技術(shù)
為了實現(xiàn)平臺生態(tài)建設(shè)，開發(fā)過程中充分考慮應(yīng)用服務(wù)及應(yīng)用算法的擴展，采用微服務(wù)技術(shù)框架。以模塊化的方式實現(xiàn)服務(wù)的開發(fā)與運行，標(biāo)準化了平臺所有服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)通信訪問，實現(xiàn)了平臺各數(shù)據(jù)服務(wù)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(jié)提煉，將標(biāo)準、通用的分析建模方法和流程包裝為行業(yè)經(jīng)驗?zāi)０澹蠓鶞p輕算法工程師對行業(yè)知識的依賴。
（6）健康預(yù)測代替故障診斷
平臺采用故障預(yù)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(shè)備未來運行狀況進行判斷，提前預(yù)測故障風(fēng)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(shè)備工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)平臺的實施應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電設(shè)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(wù)與技術(shù)角度梳理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)模型，形成數(shù)據(jù)資源地圖，方便業(yè)務(wù)人員和技術(shù)人員隨時查詢和應(yīng)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(wù)的構(gòu)建。
經(jīng)濟效益方面，平臺實現(xiàn)向市場提供“制造+服務(wù)”的模式。平臺作為哈電集團向服務(wù)型制造轉(zhuǎn)型的衍生產(chǎn)品不僅可帶來新的經(jīng)濟增長點，幫助設(shè)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(shè)需求。
技術(shù)效益方面，平臺根據(jù)業(yè)務(wù)經(jīng)驗積累集數(shù)據(jù)采集技術(shù)、云平臺技術(shù)以及機器學(xué)習(xí)等先進的智能化技術(shù)于一體，通過多年業(yè)務(wù)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(zhuǎn)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(wù)場景提供了有力的應(yīng)用技術(shù)支撐，逐步形成支撐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)展的技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)體系，增強中國裝備的國際競爭力。
聲明
本報告所載的材料和信息，包括但不限于文本、圖片、數(shù)據(jù)、觀點、建議，不構(gòu)成法律建議，也不應(yīng)替代律師意見。本報告所有材料或內(nèi)容的知識產(chǎn)權(quán)歸工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟所有（注明是引自其他方的內(nèi)容除外），并受法律保護。如需轉(zhuǎn)載，需聯(lián)系本聯(lián)盟并獲得授權(quán)許可。未經(jīng)授權(quán)許可，任何人不得將報告的全部或部分內(nèi)容以發(fā)布、轉(zhuǎn)載、匯編、轉(zhuǎn)讓、出售等方式使用，不得將報告的全部或部分內(nèi)容通過網(wǎng)絡(luò)方式傳播，不得在任何公開場合使用報告內(nèi)相關(guān)描述及相關(guān)數(shù)據(jù)圖表。違反上述聲明者，本聯(lián)盟將追究其相關(guān)法律責(zé)任。
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