基于智慧物聯(lián)體系及邊緣計算的全鏈路監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)與應用

施 溈，周 鵬，富 思

（1.東南大學 電氣工程學院，南京 210009；2.南京大學 計算機科學與技術系，南京 210093；3.北京理工大學自動化學院，北京 100089）

近幾年，隨著新興技術的發(fā)展，越來越多諸如云計算、大數(shù)據(jù)和區(qū)塊鏈等信息技術得到廣泛的應用，數(shù)據(jù)信息化革新席卷各個行業(yè)[1]。 同樣，互聯(lián)網(wǎng)能源面臨上億級終端接入、海量數(shù)據(jù)高效處理、業(yè)務應用融合創(chuàng)新等一系列問題[2]。 并且當前電力企業(yè)的電網(wǎng)也正在向數(shù)字電網(wǎng)進行轉型升級，但由于電網(wǎng)中各個業(yè)務的應用系統(tǒng)相對獨立，往往缺乏統(tǒng)一的標準規(guī)范[3]，在運營和功能實現(xiàn)上通常參差不齊，在系統(tǒng)層面沒有統(tǒng)籌規(guī)劃，導致電網(wǎng)業(yè)務模塊之間的協(xié)同不是十分有效[4]。 因此借鑒互聯(lián)網(wǎng)領域的經(jīng)驗進行技術升級是電力行業(yè)迫在眉睫的任務。 目前在整個電力系統(tǒng)中，運用傳感器、智能電表的終端設備以及服務管理平臺[5]，形成全鏈路的監(jiān)測是重要的發(fā)展趨勢。 邊緣計算可彌補電力數(shù)據(jù)傳輸和存儲的問題。 智慧物聯(lián)體系是能源互聯(lián)網(wǎng)建設的技術基石，而其中的邊緣計算框架是實現(xiàn)終端統(tǒng)一接入管理、數(shù)據(jù)共享共用等需求的核心。 本文提出的全鏈路監(jiān)測，是一種基于智慧物聯(lián)體系和邊緣計算的新型監(jiān)控手段，可助力電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)升級轉型。

1 研究背景

近年來，在國內(nèi)外針對物聯(lián)網(wǎng)領域，各國都開展了各項研究和應用，在國外尤其以歐美國家為主[6-7]。 電力網(wǎng)絡規(guī)模越來越大，電力負荷數(shù)據(jù)爆炸性增長[8]，利用邊緣計算技術對電力服務進行有效地業(yè)務場景監(jiān)控是十分重要的。 研究的核心主體也逐漸由物聯(lián)網(wǎng)技術的應用進一步發(fā)展成對頂層架構的研究[9]，物聯(lián)網(wǎng)技術的體系架構多種多樣，有效賦能前端業(yè)務應用和業(yè)務設計的靈活調(diào)整[10]。 通過這類的體系架構的實現(xiàn)，可以完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理的功能[11]，對整體的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設計目標形成良好的指導意義。 以美國的麻省理工學院的Auto-ID 實驗室為例[12]，該實驗室提出的Networked Auto-ID 體系結構可以實現(xiàn)自動化的物聯(lián)網(wǎng)標識[13]。 美國弗吉尼亞大學提出的Physical-net 體系也對物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展產(chǎn)生實際的進步意義[14]。除此之外，歐洲電信標準組織提出的M2M 架構與歐盟FP7 計劃提出的IoT-A，SENSEI 架構是眾多歐盟國家主導的物聯(lián)網(wǎng)體系架構[15-16]，具有十分重要的戰(zhàn)略地位。 而在亞洲，以日本和韓國的物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展最為迅速，日本的基于uID 的物聯(lián)網(wǎng)體系結構和韓國的泛在傳感器網(wǎng)絡體系結構USN 是物聯(lián)網(wǎng)架構的重要代表[17]。 為了縮短與國外在物網(wǎng)技術方面的差距，我國在2009年提出了“感知中國”戰(zhàn)略[18]，大力發(fā)展中國的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)。 以物聯(lián)體系的基礎設施為首，打造新興的科技模式和應用模式，尤其以區(qū)塊鏈技術和云計算為主的軟件基礎設施正在大力建設中。自2019年開始，國網(wǎng)公司開始進行智慧物聯(lián)體系的相關建設工作，智慧物聯(lián)體系包括物聯(lián)管理平臺、邊緣物聯(lián)代理以及營銷、配電等多個專業(yè)的業(yè)務終端。

2 總體架構設計及關鍵技術

2.1 智慧物聯(lián)體系

智慧物聯(lián)體系是電力物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集和業(yè)務應用的基礎，其核心是物聯(lián)管理平臺、邊緣物聯(lián)代理以及各類型終端的標準化接入[19]。 本文實現(xiàn)的智慧物聯(lián)體系整體架構如圖1 所示。

圖1 智慧物聯(lián)體系架構Fig.1 Smart IoT system architecture

該架構分為感知層、平臺層、應用層3 個層次。感知層是整體架構的基礎，包括配電終端、變電終端、輸電終端等，通過邊緣物聯(lián)代理與平臺層進行智能交互，交互方式為MQTT 協(xié)議。 平臺層為物聯(lián)管理平臺和業(yè)務中臺，物聯(lián)管理平臺與國網(wǎng)（一級）物聯(lián)平臺和ISC 進行實時聯(lián)動，為應用層提供服務。應用層為國網(wǎng)應用以及配電主站。

2.2 邊緣計算框架

邊緣計算是指在實際物體或者數(shù)據(jù)源的邊緣側構建應用平臺，該平臺由于緊鄰數(shù)據(jù)源可以高效地提供計算、存儲等服務，以實現(xiàn)服務能力的最大化。 邊緣物聯(lián)代理部署在現(xiàn)場具備邊緣計算能力，其核心是邊緣計算框架。 本文研究的邊緣計算框架運行于硬件設備上，為電網(wǎng)的邊緣應用APP 提供應用開發(fā)和運行環(huán)境。 該框架的云邊交互協(xié)議是基于物聯(lián)網(wǎng)通用的消息隊列傳輸協(xié)議（即MQTT 協(xié)議，輕量級開放協(xié)議），實現(xiàn)了與平臺的智能交互。 云邊交互框架設計如圖2 所示。

圖2 云邊交互框架圖Fig.2 Cloud edge interaction framework diagram

用戶在應用商店下載相關業(yè)務APP，與邊緣計算側進行交互，利用MQTT 協(xié)議與物聯(lián)管理平臺產(chǎn)生數(shù)據(jù)連接。 通過REST API 與物聯(lián)管理平臺實現(xiàn)聯(lián)動完成對用戶用電信息的采集工作。 配電云主站與企業(yè)中臺、企業(yè)中臺與物聯(lián)管理平臺間也實時聯(lián)動。 在實現(xiàn)的邊緣計算框架支撐下，全鏈路間的各節(jié)點間通信方式統(tǒng)一化，構建出全鏈路監(jiān)測系統(tǒng)的運行基礎。

2.3 全鏈路監(jiān)測系統(tǒng)

服務具有不同的維度，依照服務維度進行劃分，多個服務功能經(jīng)常會蘊含在一次應用請求中。 互聯(lián)網(wǎng)的軟件模塊可能是由不同的團隊開發(fā)、使用不同的編程語言來實現(xiàn)、分布在幾千臺服務器，橫跨多個不同的數(shù)據(jù)中心[20]。 全鏈路性能監(jiān)控依據(jù)維度層次，從系統(tǒng)整體出發(fā)，落實到系統(tǒng)的局部維度，考量各個維度的各項指標。 全鏈路性能監(jiān)控是針對智慧物聯(lián)的所有跨鏈應用的性能集中調(diào)度和監(jiān)測，綜合整體和局部的性能， 用于減少排查故障的時間，并且對于系統(tǒng)的故障分析也提供相應的保障手段。

TTU（transformer terminal unit）是裝設在配電變壓器、箱變等變壓器設備旁，監(jiān)測變壓器運行狀況的終端裝置。 TTU 的主要作用是采集并處理配電變壓器低壓側的各種電量等參數(shù)，并將這些參數(shù)向上級傳輸，監(jiān)視變壓器運行狀況，當變壓器發(fā)生故障時及時上報。

全鏈路監(jiān)測系統(tǒng)包括：物聯(lián)管理平臺—邊緣計算框架—全鏈路監(jiān)測APP—TTU 采集APP—采集終端。 核心APP 運行于TTU 或邊緣代理上，監(jiān)測底層數(shù)據(jù)在硬件端及各APP 間鏈路的通暢性與實時性是全鏈路監(jiān)測APP 的主要功能與任務。其監(jiān)測流程為：①在物聯(lián)管理平臺增加相關控制指令下發(fā)功能，以模擬停（復）電指令為例，平臺端向TTU 下發(fā)模擬停復電指令；②邊緣計算框架通過監(jiān)聽云邊交互協(xié)議指定的Topic，獲取到平臺端發(fā)送的指令；③通過邊緣計算框架認證后，將指令繼續(xù)轉發(fā)給全鏈路監(jiān)測APP； ④全鏈路監(jiān)測APP 接收到指令后，將指令通過TTU 本地Topic 繼續(xù)轉發(fā)至TTU 采集APP；⑤TTU 采集APP 接收到模擬停（復）電指令后，通過發(fā)送相關報文對下層端設備下發(fā)模擬停（復）電控制指令； ⑥全鏈路監(jiān)測APP 實時監(jiān)聽TTU 本地Topic，在接收到采集APP 反饋到端設備報文消息后，將其轉發(fā)至邊緣計算框架；⑦邊緣計算框架將返回報文通過指定Topic 轉發(fā)上傳回平臺； ⑧物聯(lián)管理平臺接收到返回報文，并在前端界面呈現(xiàn)全鏈路監(jiān)測過程中各級鏈路間聯(lián)通實況，至此本次全鏈路監(jiān)測過程結束。 全鏈路監(jiān)測系統(tǒng)的總體實現(xiàn)流程如圖3 所示。

圖3 全鏈路監(jiān)測系統(tǒng)的總體實現(xiàn)流程Fig.3 Overall implementation flow chart of full link monitoring system

若在此過程中，某級鏈路間存有斷點導致指令或業(yè)務數(shù)據(jù)報文無法正常流通，則下層端設備不會正常響應發(fā)送的停（復）電指令，且在平臺端能直觀可見鏈路斷點在鏈路中所處位置。

3 全鏈路監(jiān)測的應用構建與驗證

3.1 實際應用開發(fā)與調(diào)試

應用開發(fā)是基于自描述語法格式，在應用開發(fā)中需要對設備所需的全部信息進行描述。 而設計的系統(tǒng)接口是指物聯(lián)終端接收控制命令，并做出相應動作的描述。 接口需要符合一定的格式，在應用開發(fā)中，首先要對設計的物理模型接口進行定義，具體如表1 所示。

表1 接口定義Tab.1 Interface definition

本文邊緣計算的構建中設計了2 類邊緣計算的方式， 第1 類為基于事件觸發(fā)設備控制操作，其開發(fā)流程如圖4 所示，當營銷APP 采集的數(shù)據(jù)通過規(guī)則引擎比對后，將根據(jù)規(guī)則觸發(fā)APP 對某個設備的控制行為，負責終端設備的接入和管理。 在應用層，借助遠程通信技術，物聯(lián)管理平臺能夠與邊緣計算網(wǎng)關之間形成交互，借助本地通信技術建立與采集終端之間的通信。依照要求對不同的APP 應用進行加載，以實現(xiàn)功能。

圖4 基于事件觸發(fā)設備控制的邊緣計算流程Fig.4 Edge computing flow chart of based on event triggered device control

APP 采集的數(shù)據(jù)通過規(guī)則引擎比對后，符合條件時將觸發(fā)某個函數(shù)的計算，函數(shù)計算的實例由本地函數(shù)計算、后臺引擎統(tǒng)一管理。 規(guī)則引擎只需要指明需要執(zhí)行的函數(shù)名稱，并調(diào)用后臺引擎接口即可啟動函數(shù)，對采集的數(shù)據(jù)進行處理。 交互協(xié)議的設備升級的消息模式如表2 所示。

表2 交互協(xié)議中設備升級的消息格式Tab.2 Message format of device upgrade in interactive protocol

測試過程包括通信、數(shù)據(jù)采集與處理、遙控觸發(fā)等環(huán)節(jié)。 在檢查相關功能未發(fā)現(xiàn)問題的情況下，對客戶端ID 與網(wǎng)關連接地址進行配置，測試參數(shù)如表3 所示，終端設備的統(tǒng)計結果如圖5 所示。

表3 測試參數(shù)Tab.3 Test parameters

圖5 終端設備的統(tǒng)計結果Fig.5 Statistical results of terminal equipment

3.2 應用場景驗證

本項目的全鏈路監(jiān)測技術實測現(xiàn)場布設于南通供電公司。 依照上述的開發(fā)過程，在實際應用全鏈路監(jiān)測系統(tǒng)時，運維人員在云主站前端界面點擊下發(fā)一條遙測或停（復）電指令，鏈路即會開始執(zhí)行自檢操作， 自檢的反饋結果會即時在日志中記錄。南通云主站運行自檢主頁面如圖6 所示。

圖6 南通云主站運行自檢主界面Fig.6 Main interface of Nantong cloud master station operation self-check

日志系統(tǒng)不僅會完整記錄每臺設備下執(zhí)行的每一次歷史操作與其操作結果，而且每次監(jiān)測鏈路間的詳細通信情況都會被展示，異常節(jié)點能夠直觀顯示。 全鏈路自檢成功界面如圖7 所示。

圖7 全鏈路自檢成功界面Fig.7 Successful interface of full link self-check

此外，在全鏈路監(jiān)測中還加入故障智能分析功能。 當反饋結果為失敗，鏈路不通暢時，系統(tǒng)即可針對斷點所在位置智能分析本次自檢失敗原因，全鏈路自檢失敗原因分析如圖8 所示。 相比人工排錯，大大降低運維成本。

圖8 全鏈路自檢失敗原因分析Fig.8 Reason analysis of the failure of the full link self-test

4 結語

智慧物聯(lián)體系推廣建設過程中，涉及大量的設備安裝、數(shù)據(jù)接入、現(xiàn)場聯(lián)調(diào)、數(shù)據(jù)校核等工作。 迫切需要一套工程化實施管控系統(tǒng)實現(xiàn)智慧臺區(qū)推廣建設標準化作業(yè)、設備規(guī)范化安裝、跨專業(yè)業(yè)務數(shù)據(jù)標準化轉換等實施工作“一站式”智能化管控?；诖?，通過采用邊緣計算技術，開發(fā)并驗證了一套全鏈路監(jiān)測系統(tǒng)，使得在現(xiàn)有物聯(lián)體系下，利用該系統(tǒng)可擴展建設千萬級終端、百萬級并發(fā)的接入能力。 本系統(tǒng)的應用降低了各專業(yè)系統(tǒng)建設運維成本， 提升電網(wǎng)資源共享能力和標準化建設能力，支撐并推動電力物聯(lián)行業(yè)升級與轉型。