基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的施工企業(yè)機械設(shè)備管理平臺研究

王亮 唐悅 張凱 曹云華 史衍征 遲慶斌

（1.青島頤杰鴻利科技有限公司，山東 青島 266100；2.中國電力建設(shè)集團有限公司，北京 100048）

近幾年，我國工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)以年增長20%的比例保持快速增長，已經(jīng)成為全球物聯(lián)網(wǎng)市場增長最快的國家 [1]。在信息化與工業(yè)化深度融合的潮流中，工程機械智能化成為引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展的主旋律，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將成為未來實現(xiàn)工程機械智能化、促進工程機械產(chǎn)業(yè)升級的核心技術(shù)之一[2]。

一、研究背景

（一）工程機械聯(lián)網(wǎng)趨勢

工程機械可以分為制造業(yè)、租賃業(yè)、施工企業(yè)三種形式，當前以制造業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展較快。中國市場較為成熟的平臺包括中聯(lián)重科的企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺，徐工集團的工程機械物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研發(fā)中心，三一重工的“工程機械設(shè)備智能服務(wù)系統(tǒng)”等。這些平臺設(shè)計都將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為前端數(shù)據(jù)收集的載體，從遠程控制、收集數(shù)據(jù)入手，為產(chǎn)品研發(fā)、使用、售后進行提效。

（二）施工企業(yè)業(yè)務(wù)技術(shù)痛點

相比制造企業(yè)，國內(nèi)施工企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展還處于起步階段。大型機械設(shè)備雖然提高了施工的效率,但同樣也為設(shè)備現(xiàn)場管理帶去了麻煩。現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)無標準，采集不全，大部分實時運行數(shù)據(jù)無法集中存儲和管理。管理統(tǒng)計大量依賴手工上報，缺少有效的分析工具。管理層及業(yè)務(wù)專家也因缺乏現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)，無法保障遠程指導(dǎo)與管理決策的效益。

工程機械制造與施工企業(yè)在物聯(lián)網(wǎng)平臺建設(shè)中主要存在以下差異：

1.制造平臺收集數(shù)據(jù)為新產(chǎn)品開發(fā)或售后服務(wù)，而較少考慮施工企業(yè)應(yīng)用場景。

2.制造平臺數(shù)據(jù)采集設(shè)備類型單一，主要集中在本企業(yè)的產(chǎn)品，而施工企業(yè)集團的設(shè)備種類多，數(shù)據(jù)接口不統(tǒng)一，需要大量數(shù)據(jù)集成調(diào)測與客戶化協(xié)議開發(fā)。

3.制造平臺基于云提供標準化服務(wù)，施工企業(yè)無法在其平臺上拓展個性化功能。

因此，中國電建集團展開課題，以最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ),進行服務(wù)平臺的設(shè)計，建立統(tǒng)一規(guī)范的體系解決上述問題[4]。

（三）系統(tǒng)設(shè)計：

平臺構(gòu)架設(shè)計對于提高軟件可測試性與可維護性、降低維護成本、提高開發(fā)效率等各方面都非常重要。基于數(shù)據(jù)中臺架構(gòu)的設(shè)計思路，中國電建集團平臺架構(gòu)包含感知層，邊緣層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層，展示層，有利于未來擴容與迭代。

感知層：用于接入包括塔式起重機、門座式起重機、履帶式起重機等100余種現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)。感知層結(jié)合采集模組標準化與調(diào)測管理遠程化，解決了設(shè)備種類繁多、地域分散、運行環(huán)境不穩(wěn)定及規(guī)模龐大等挑戰(zhàn)。

1.邊緣層：平臺邊緣層不僅具備無線傳輸、數(shù)據(jù)加密等能力，且支持邊緣計算客戶化及行業(yè)應(yīng)用算法的插即用。平臺邊緣層與數(shù)據(jù)層形成云邊一體化的彈性數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)。

2.數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層包括高壓實時數(shù)據(jù)存儲，即時關(guān)系數(shù)據(jù)調(diào)用，數(shù)據(jù)清洗，聚合與計算。數(shù)據(jù)層向應(yīng)用提供集成接口與服務(wù)調(diào)用。本平臺數(shù)據(jù)層還預(yù)置了包括組態(tài)，表單，數(shù)據(jù)治理，統(tǒng)計分析，運維管理在內(nèi)的主流開源技術(shù)工具，有效支持企業(yè)的大數(shù)據(jù)管理分析拓展。

3.業(yè)務(wù)應(yīng)用層：面向眾多施工設(shè)備的日常維護，綜合數(shù)據(jù)統(tǒng)計，精益管理分析，支撐所有設(shè)備監(jiān)測管理平臺的應(yīng)用功能開發(fā)。

4.展示層：包含桌面以及移動客戶端應(yīng)用。用戶可以在手機或者IPAD上實時查看或接收到各設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)及技術(shù)參數(shù)，并根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進行管理分析和優(yōu)化。

圖例1：施工企業(yè)工程機械設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)平臺系統(tǒng)架構(gòu)

圖例2：云邊一體化彈性數(shù)據(jù)管理架構(gòu)

二、功能設(shè)計

中國電建平臺通過實時監(jiān)測各設(shè)備的運行與技術(shù)參數(shù)、故障與預(yù)警標準，結(jié)合設(shè)備異常信息提醒功能，可以實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備全壽命周期管理。平臺功能主要包括四部分：

（一）總覽信息看板：平臺支持大量數(shù)據(jù)并發(fā)鏈接，該模塊可實時獲取施工設(shè)備的位置信息，建立相應(yīng)的電子地圖，直觀地呈現(xiàn)各設(shè)備運行狀態(tài)與分布情況。

（二）實時數(shù)據(jù)在線監(jiān)測：實時監(jiān)控設(shè)備的工作時長、運行狀態(tài)、技術(shù)參數(shù)，實現(xiàn)故障報警及健康提醒。為預(yù)防性維護提供參考，支持專家遠程指導(dǎo)及故障分析。

（三）數(shù)據(jù)統(tǒng)計與決策支持：可多維度，細顆粒度地統(tǒng)計設(shè)備全過程運行狀態(tài)及利用率，為科學(xué)配置調(diào)劑管理提供依據(jù)。

（四）基礎(chǔ)信息與系統(tǒng)管理：通過標準檔案管理規(guī)范設(shè)備主數(shù)據(jù)。同時支持系統(tǒng)的多樣化層級，角色，用戶配置管理，可以滿足集團各級組織架構(gòu)的快速拓展與分級管理。

圖例3：施工企業(yè)工程機械設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)平臺功能架構(gòu)

圖例4：施工企業(yè)工程機械設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)平臺功能概覽

三、建設(shè)平臺特點

（一）支持自定義協(xié)議格式，在無需更換硬件的條件下，可支持但不限于工業(yè)以太網(wǎng) RJ45、RS485、RS232 等各類設(shè)備儀器接口。同時集成三一，中聯(lián)，徐工三大主流機械設(shè)備制造物聯(lián)平臺數(shù)據(jù)，在保障多設(shè)備數(shù)據(jù)采集兼容性前提下，實現(xiàn)跨平臺數(shù)據(jù)集成。

（二）支持邊緣計算，若服務(wù)器寬帶負荷較大，可以通過對單體設(shè)備采集數(shù)據(jù)的預(yù)加工，精準傳輸云端所需的部分統(tǒng)計或分析數(shù)據(jù)，大大減少后續(xù)數(shù)據(jù)挖掘及大數(shù)據(jù)分析的計算量。云邊一體的彈性數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)，為加速數(shù)據(jù)檢索與提升算力提供了保障。

（三）高可靠性的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)加密壓縮技術(shù)，在傳輸鏈路故障后自動對實時數(shù)據(jù)進行暫存，支持斷點續(xù)傳，滿足在線監(jiān)測功能的實時要求。

（四）標準化數(shù)據(jù)采集器將能任意適配接入設(shè)備的型號。采集器配備網(wǎng)絡(luò)防火墻，采用動態(tài)密碼加密技術(shù)，確保數(shù)據(jù)安全.同時，數(shù)據(jù)采集方案采用國產(chǎn)自主研發(fā)產(chǎn)品，能適配國內(nèi)外所有主流軟硬件環(huán)境。

（五）平臺具有高可擴展性，實現(xiàn)快速的系統(tǒng)迭代，在數(shù)據(jù)管理采集，數(shù)據(jù)管理與設(shè)備管理平臺功能各個信息管理環(huán)節(jié)完全解耦。可以快速滿足企業(yè)分級推廣、功能拓展，性能迭代等業(yè)務(wù)訴求。

四、結(jié)語

本研究基于工程機械物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，立足施工企業(yè)工程現(xiàn)場機械設(shè)備運營管理難點，通過云邊一體化架構(gòu)進行彈性數(shù)據(jù)管理，建立施工企業(yè)集團級設(shè)備監(jiān)控平臺，對設(shè)備全生命周期的大數(shù)據(jù)收集和智能化分析。基于本研究成果，不僅可以改變當前大型施工企業(yè)機械設(shè)備管理粗放問題，對推動集團內(nèi)部和成員企業(yè)機械設(shè)備管理水平的提高，實現(xiàn)“數(shù)據(jù)透明，精益管理”的目標具有劃時代的意義。而且基于該平臺成果將形成符合我國國情的大型機械設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的技術(shù)標準體系，對國內(nèi)工程建設(shè)企業(yè)機械設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)平臺的建設(shè)具有重要的借鑒意義，對推動我國工程機械設(shè)備管理水平具有重要的應(yīng)用和推廣前景。