廠級(jí)時(shí)序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及分析系統(tǒng)技術(shù)研究

景應(yīng)剛 羅俊 徐奎 蘭洋 何栓 方華建

逐步實(shí)現(xiàn)核電國(guó)產(chǎn)化、自主化是我國(guó)既定的政策和計(jì)劃，是發(fā)展核電的必由之路。在《國(guó)家信息化發(fā)展戰(zhàn)略綱要》戰(zhàn)略目標(biāo)的指引下，對(duì)核電企業(yè)在生產(chǎn)、運(yùn)維、管理等流程產(chǎn)生的工業(yè)大數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)著核電企業(yè)不斷推進(jìn)信息化建設(shè)。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)廠級(jí)時(shí)序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及分析系統(tǒng)，完成對(duì)核電時(shí)序數(shù)據(jù)的可視化展示和處理，能夠減小關(guān)鍵技術(shù)對(duì)外部的依賴，在實(shí)現(xiàn)時(shí)序數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)與充分分析展示的同時(shí)，完成關(guān)鍵技術(shù)國(guó)產(chǎn)化。

一、 引言

核電廠在生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生海量的時(shí)序數(shù)據(jù)，時(shí)序數(shù)據(jù)是核電工業(yè)場(chǎng)景中關(guān)鍵數(shù)據(jù)，記錄了核電工藝流程相關(guān)的各種運(yùn)行狀態(tài)，可以為核電廠生產(chǎn)提供實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控和歷史數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)支撐。核電時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)及分析系統(tǒng)曾長(zhǎng)期由美國(guó)為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家所壟斷。中國(guó)大陸接近60%核電廠都在使用，且中國(guó)核能電力股份有限公司已建成的核電廠所用的數(shù)據(jù)庫(kù)全部都是美國(guó)公司提供。經(jīng)過(guò)十多年研制和改進(jìn)，國(guó)內(nèi)已涌現(xiàn)出多家擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)級(jí)時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)供應(yīng)廠商，并且其產(chǎn)品已在國(guó)內(nèi)核電站得到穩(wěn)定應(yīng)用。

為響應(yīng)核電行業(yè)國(guó)產(chǎn)化、自主化的政策指導(dǎo)，確保基礎(chǔ)設(shè)施的可用性、避免信息安全方面的隱患，本文提出核電廠級(jí)時(shí)序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及分析系統(tǒng)，基于國(guó)產(chǎn)工業(yè)級(jí)時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)時(shí)序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和時(shí)序數(shù)據(jù)基礎(chǔ)服務(wù)的功能，再結(jié)合核電業(yè)務(wù)需求特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)自主化的核電特色組件，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)國(guó)產(chǎn)化。

二、廠級(jí)時(shí)序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及分析系統(tǒng)

（一） 總體架構(gòu)

現(xiàn)有的時(shí)序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及分析系統(tǒng)僅提供IT基礎(chǔ)功能（存儲(chǔ)、訪問(wèn)的基礎(chǔ)服務(wù)），缺乏對(duì)核電業(yè)務(wù)理解和支持，并且對(duì)高頻震動(dòng)數(shù)據(jù)接入支持差，存儲(chǔ)及查詢耗時(shí)長(zhǎng)。

本文提出的廠級(jí)時(shí)序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及分析系統(tǒng)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和基礎(chǔ)服務(wù)通過(guò)與國(guó)內(nèi)成熟的商業(yè)化工業(yè)級(jí)時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)供應(yīng)商合作實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化需求，結(jié)合核電業(yè)務(wù)需求特點(diǎn)，通過(guò)自研的方式設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)核電數(shù)據(jù)接入和核電特色組件，可解決核電廠管理網(wǎng)時(shí)序數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析及可視化展示的需求，實(shí)現(xiàn)自主化。總體架構(gòu)如圖1所示。

（二） 時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)

1.時(shí)序數(shù)據(jù)

時(shí)序數(shù)據(jù)，即時(shí)間序列數(shù)據(jù)，我們把按時(shí)間戳的大小順序排列的一系列記錄值的數(shù)據(jù)稱為時(shí)間序列數(shù)據(jù)（Time Series Data）。來(lái)自生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的全生命周期的時(shí)序數(shù)據(jù)是提高生產(chǎn)水平和管理水平的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。獲取生產(chǎn)運(yùn)行的時(shí)序數(shù)據(jù)，能夠?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)管理、生產(chǎn)系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)服務(wù)，打破流程工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的“數(shù)據(jù)壁壘”，為設(shè)備健康管理和工藝系統(tǒng)優(yōu)化提供依據(jù)。

核電廠生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)環(huán)境下需采集的時(shí)序數(shù)據(jù)量巨大，具有以下典型特征：采集頻率高，周期為毫秒級(jí)；單條數(shù)據(jù)不長(zhǎng)，但是數(shù)量很大；一個(gè)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)源是唯一的；數(shù)據(jù)以寫(xiě)入操作為主，讀出操作為輔；數(shù)據(jù)流量平穩(wěn)，可較為準(zhǔn)確地計(jì)算；數(shù)據(jù)根據(jù)指定的時(shí)間段和區(qū)域進(jìn)行分析和可視化展示。

2.時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)特性

時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)即存儲(chǔ)時(shí)序數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)。它允許快速寫(xiě)入、持久化、多維度地聚合查詢時(shí)序數(shù)據(jù)等操作。根據(jù)核電業(yè)務(wù)特點(diǎn)和實(shí)際需求，本文使用的時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)需滿足以下要求如表1所示。

3.定義時(shí)序數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)

基于核電時(shí)序數(shù)據(jù)儲(chǔ)存及分析應(yīng)用需求定義時(shí)序數(shù)據(jù)訪問(wèn)的接口標(biāo)準(zhǔn)，此接口標(biāo)準(zhǔn)可用于訪問(wèn)核電廠的數(shù)據(jù)采集設(shè)備、傳感器和時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)中的各種時(shí)序數(shù)據(jù)。

三、時(shí)序數(shù)據(jù)的核電工具集應(yīng)用

（一） 時(shí)序數(shù)據(jù)可視化

數(shù)據(jù)本身是抽象的概念，隨著數(shù)據(jù)量的不斷增大，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法很難滿足用戶去理解數(shù)據(jù)本身的含義，而數(shù)據(jù)可視化作為一項(xiàng)新興且蓬勃發(fā)展的技術(shù)，已經(jīng)在自然科學(xué)、工程科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、通信及商業(yè)金融等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用并取得了很多卓有成效的進(jìn)展。相對(duì)數(shù)字來(lái)說(shuō)，人類(lèi)似乎天生對(duì)圖表更加的敏感，數(shù)據(jù)可視化這種方法通過(guò)圖像、表格等視覺(jué)載體承載數(shù)據(jù)，讓數(shù)據(jù)看起來(lái)更加直觀與美觀。

（二） 核電工具集

基于時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)，結(jié)合核電業(yè)務(wù)需求特點(diǎn)，核電時(shí)序數(shù)據(jù)應(yīng)用至少包含以下工具：

1.核電時(shí)序數(shù)據(jù)分析工具

通過(guò)時(shí)序數(shù)據(jù)算法建模工具，用戶可在管理網(wǎng)內(nèi)通過(guò)該工具可以實(shí)現(xiàn)對(duì)核電廠的設(shè)備、報(bào)警、工況等應(yīng)用的實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)分析。

2.核電流程圖組態(tài)工具

通過(guò)核電流程圖組態(tài)工具，在管理網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)對(duì)核電的運(yùn)行監(jiān)控。

3.核電報(bào)警工具

通過(guò)核電報(bào)警工具，配置報(bào)警等級(jí)、抑制條件、報(bào)警閾值等報(bào)警屬性，為用戶在管理網(wǎng)內(nèi)提供核電的運(yùn)行報(bào)警監(jiān)控。

4.核電報(bào)表工具

通過(guò)核電報(bào)表工具，生成核電的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表和歷史數(shù)據(jù)報(bào)表。

5.核電數(shù)據(jù)安全工具

基于滿足核電廠信息安全要求的核電數(shù)據(jù)安全工具，保障核電時(shí)序數(shù)據(jù)的采集、儲(chǔ)存、訪問(wèn)的安全。

6.核電數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理工具

基于滿足核電廠數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理流程及規(guī)范的核電數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理工具，用于核電數(shù)據(jù)的權(quán)限管理、數(shù)據(jù)發(fā)布、數(shù)據(jù)審批等管理功能。

五、結(jié)語(yǔ)

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的大背景下，工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)投放了大量的設(shè)備傳感器和監(jiān)控系統(tǒng)。二者提供的數(shù)據(jù)能夠反映設(shè)備及系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，其中的大多數(shù)據(jù)都是時(shí)序數(shù)據(jù)，這些海量的時(shí)序數(shù)據(jù)有著多樣化的分析需求和重要的參考價(jià)值。在核電廠生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的場(chǎng)景下，結(jié)合核電業(yè)務(wù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)廠級(jí)時(shí)序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及分析功能的系統(tǒng)，能夠?yàn)樘峁┛梢暬\(yùn)維、預(yù)測(cè)性維護(hù)、遠(yuǎn)程智能管理等方面提供依據(jù)，降本增效，同時(shí)加速工業(yè)化與信息化的深度融合，促進(jìn)核電國(guó)產(chǎn)化、自主化發(fā)展，響應(yīng)《國(guó)家信息化發(fā)展戰(zhàn)略綱要》戰(zhàn)略目標(biāo)號(hào)召，產(chǎn)生社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

作者單位：中核武漢核電技術(shù)股份有限公司