南水北调东线一期工程调度运...统边缘网关与物联网平台应用_陈祥.pdf

91已建成的计算机网络系统建设根据需求的不同，按照业务类别对网络进行物理划分，形成工程监控网、管理调度网、外网三网物理架构。工程监控网对安全性和可靠性要求较高，独立承载工程监控业务，不与其他业务共用一张物理网络，本次监控系统即布置在该网段内；管理调度网涉及水文，地理信息等有敏感信息的数据，需要在相应的安全级别下才能与Internet互联，承载视频监视、管理调度及对外发布业务，本次其余系统均布置在该网段内；外网负责内部用户的互联网访问。目前系统的总体网络架构图如图1所示。1.2 计算机网络系统建设情况边缘网关与物联网平台将通过已建的网络通讯来实现现地与云端的通讯。1 南水北调东线一期工程调度运行管理系统建设调度运行管理系统建设内容包括：信息采集系统、通信系统、计算机网络、工程监控与视频监视系统、数据中心、应用系统、实体运行环境和网络信息安全8个部分。江苏水源公司按照“省公司、分公司、现场管理单位”三级管理体系开展工程管理和运行工作。采用“统一调度二级控制三级管理”的调度管理模式。江苏水源公司作为一级机构，统一负责运行管理体系构建和制度建设，部署年度运行管理工作并督促落实，指导二、三级机构运行管理工作开展及年度考核等；分公司作为江苏水源公司派出机构，具体负责年度运行管理目标任务落实，并重点对辖区内三级管理机构运行管理工作进行日常监管和组织协调等；水文水质监测中心承担南水北调江苏境内水文观测、水工观测以及调水沿线的水质监测；维修检测中心主要负责组织实施南水北调东线江苏段泵站维修养护、电气试验、应急抢险、自动化运维等工作；科技信息中心主要承担江苏段工程信息采集处理存储、系统维护、应急调度、宣传展示等相关职能；现场管理所具体负责工程的日常管理、运行维护、安全生产等工作。1.1 调度运行管理系统建设简述南水北调东线一期江苏境内调度运行管理系统工程（以下简称“调度运行管理系统”）位于江苏省境内，主要分布于南京、扬州、泰州、淮安、宿迁、盐城、徐州等市，共涉及26座泵站、22处省市县际交水断面、5个水环境监测中心、2处自动水质监测站、8个水文站点、4个湖泊、15座控制建筑物、18条河道以及119个分水口门，覆盖南水北调东线工程江苏段的业务应用系统、应用支撑平台和基础设施。南水北调东线一期工程调度运行管理系统边缘网关与物联网平台应用陈 祥 范林皓摘 要：南水北调东线一期工程全线14座泵站的运行数据原本在各现场泵站保存。从建成至今的历年运行中，数据分散、格式不统一无法集中管理、数据丢失等情况屡见不鲜。为了更好地收集、管理各站运行数据，从工业自动化走向智能化，水源公司在泵站现场部署一套边缘网关软件，负责将现地站的监控数据在网络正常和异常断网情况下传输到监控中心的专有云，实现数据及设备接入、物模型转换；在省公司调度中心部署一套统一物联网平台，负责全线泵站PLC、传感器以及未来扩展物联网设备的统一接入与管理，负责全线泵站数据的统一清洗、处理、存储与交互以及各类水利事件的运营管理，实现现地边缘端与云端交互与数据存储。（南水北调东线江苏水源有限责任公司科技信息分公司，江苏 南京 210019）关键词：南水北调东线；泵站群；物联网平台；边缘网关中图分类号：TN915.05 文献标识码：A 文章编号：1008-6609（2023）01-0091-07作者简介：陈祥（1994），男，江苏泰州人，本科，工程师，研究方向为水利自动化、物联网。电脑与电信DOI:10.15966/ki.dnydx.2023.z1.02492在省公司调度中心部署一套统一物联网平台，负责全线泵站PLC、传感器以及未来扩展物联网设备的统一接入与管理，负责全线泵站数据的统一清洗、处理、存储与交互以及各类水利事件的运营管理，实现与现地边缘端实现云端交互与数据存储。2.1 边缘网关的设计思路2.2 边缘网关的应用现地监控系统以及远程监控系统通过监控系统采集服务（监控工作站）汇聚来自PLC的传感器数据，并通过OPC DA协议对外提供数据服务。本次水源公司提供的边缘计算网关通过OPC DA协议同步南瑞开发的监控工作站的全量采样数据，包括泵站的各种运行数据、泵站的振动实时数据和频谱分析数据，通过TCP/WEB API私有协议同步到定制驱动，再由定制驱动转换为标准物模型后发送至物联网平台，最终数据将全部汇总至统一物联网平台中。2.3 数据通讯方式物联网边缘计算，又名Link IoT Edge（以下简称“LE”），是阿里云能力在边缘端的拓展。它继承了阿里云安全、存储、计算、人工智能的功能，可部署于不同量级的智能设备和计算节点中，通过定义“物模型”连接不同协议、不同数据格式的设备，提供安全可靠、低延时、低成本、易扩展、弱依赖的本地计算服务。物模型指将物理空间中的实体数字化，并在云端构建该实体的数据模型。在物联网平台中，定义物模型即定义产品功能。完成功能定义后，系统将自动生成该产品的物模型。物模型描述产品是什么、能做什么、可以对外提供哪些服务。LE提供了快速设备接入方案，本次数据采集中通过OPC DA驱动、自定义的振动实时采样数据及频谱分析数据驱动，把南瑞系统接入的设备数据、东华系统的振动数据及频谱分析数据快速接入进来，满足业务端的应用需求。1.3 边缘网关及物联网平台建设内容本次项目中，LE承担了各个站点设备的数据采集、转发、事件上报等功能，LE承担了把数据通过MQTT协议上报给物联网平台的职能，在将数据推送至物联网平台的同时，也提供边缘接口如OPEN API及MQTT-BROKER接口，为本地端的业务提供实时的数据接口支持。边缘网关OPC DA数据通过OPC DA驱动来进行采集，由于OPC DA为Windows专有接口，而LE为Linux系统服务，因此LE的OPC DA驱动需要通过OPC DA代理来获取南瑞监控工作站数据接口服务OPC DA Server的数据，OPC DA驱动把获取到的泵站的各类实时数据提2 边缘网关设计边缘网关：在现地站配置2台边缘网关服务器，部署一套边缘网关软件，负责将现地站的监控数据在网络正常和异常断网情况下传输到监控中心的专有云，实现数据及设备接入、物模型转换；部署一套时序数据库，负责振动数据以及实时监控数据等全量数据的本地存储。图1 总体网络架构图现状电脑与电信93目前在管理调度网和工程监控网之间设置有一个单向网闸。数据只能够从工程监控网以单向的UDP协议流入管理调度网。管理调度网的数据无法流入工程监控网，如图3所示。OPC DA代理是负责传递转换OPC DA驱动和OPC DA服务器数据的中间代理。OPC DA代理以Windows系统服务形式运行，在安装中默认指定为开机启动。3 物联网平台的设计供给LE，再由LE把这些数据提交给统一物联网平台。OPC DA驱动采集的数据直接或间接来源于一系列的设备，以洪泽站为例，主要采集1号机组、公用PLC、辅机PLC、变电站、水轮发电机、挡洪闸、进水闸、地涵PLC、叶调PLC的实时数据。这些设备就是转换成物联网物模型的依据。具体站点采集的设备物模型如表1所示。Windows服务是指Windows NT操作系统中的一种运行在后台的计算机程序。它在概念上类似于Unix守护进程（即daemon）。监控工作站以双主互备方式运行，因此需要在两台主机上各安装一个OPC DA代理，边缘主网关OPC DA驱动支持主设备采集及备用设备采集双配置方式，实现采集南瑞监控工作站数据的高可用无缝切换，当某个监控工作站数据采集失败时，自动切换到另外一个工作站继续采集数据，如图2所示。物联网平台为整个项目提供物联基础能力支撑，是智能化及数字化转型的底座和基础设施。平台提供海量工程监控网管理调度网边缘网关监控工作站图3 单向网闸方案边缘网关监控工作站单向网闸（南向北）统一物联网平台边缘网关监控工作站表1 设备列表数据直接或间接来源的设备列表1号机组、公用PLC、辅机PLC、变电站、水轮发电机、挡洪闸、进水闸、地涵PLC、叶调PLC主机、进线、站变、水泵、仪表、110kV段、110kV段、10kV段、6kV段电压、电流、有功、无功数据。cmd变电所、cmd挡洪闸、直流屏_变电所、直流屏_三站、风机、液压门系统、变频泵、励磁系统、10KV合闸、三站公共PLC1号机组、2号机组、3号机组、4号机组、5号机组、辅机1、辅机2、辅机3、辅机4、辅机5、励磁系统、水泵数据、风机、空冷器冷却水变频器、合闸、水泵、电机高压柜、准备启动机组、励磁柜、电机加热器、地柜控制电源、风机、工作闸门、变频、空调、渗漏排水泵、集水井水位、检修泵、公用设备、SJ30B、公用柜、公用PLC柜、断路器、电动阀、直流系统、变电站、温湿度、消防供水泵、稳压泵、控制电源开关、表计电压开关、稳压罐、就地控制箱、油压装置、保护装置主变、110KV（进线开关、计量电压开关、保护电压开关）、断路器、其他气室、油压、PT柜手车、空压柜总电源站点洪泽站淮阴三站淮四泵站泗洪站泗阳站宝应泵站机组、前锋励磁、液压站PLCPLCOPC DA服务OPC DA服务振动实时采样数据已处理的频谱分析数据监控工作站 1监控工作站 2轮动COMCOM轮动OPC DA代理OPC DA代理图2 监控采集软件对接边缘网关TCP/HTTPTCPTCPOPC DA驱动定制驱动边缘网关（主）边缘网关（备）LinkEdge核心服务物模拟数据HTTP统一物联网平台边缘网关监控工作站电脑与电信图4 物联网产品架构注：其中框图的底部的设备和顶部应用内容非平台本身架构，而是为了说明平台和硬件设备、软件应用及阿里集团各产品之间的关系而增加的示意内容。图5 平台应用架构注：平台和上层应用主要通过AMPQ消息与OpenAPI交互。94电脑与电信图6 平台系统架构3.1 平台应用架构物联网平台用统一用“物模型”来定义泵站设备和存储数据，是设备接入的基本条件。本次项目中将现地站的机组、变电站、水轮发电机、挡洪闸、进水闸等设备定义成物模型进行统一管理。如图5所示，连接管理平台包括设备接入中心和设备消息网关，主要实现设备的网络接入和消息分发。设备管理平台包括设备中心、设备元数据、固件管理，主要实现物模型、设备基础管理、设备控制服务、设备数据服务等设备相关的基础能力。业务服务平台包括服务中心和开放中心，前者提供用户、组织、权限、消息、工作流等业务基础服务，后者提供平台API服务的开放能力。物联平台包括门户及配置中心、数据可视化、感知设备管理、感知数据管理、事件运营5个部分，是物联网智能化运营管理的运转核心。物联网平台整体业务架构如图4所示。平台包括物联网基础（负责解决设备连接与安全）、感知设备管理、感知数据管理、事件运营、数据可视化、应用中心、平台门户、配置中心等核心模块。3.4 泵站设备物模型3.3 平台数据架构本次江苏水源的物联网平台根据物联网业务的能力要求，其核心部件由连接管理平台（泵站边缘网关的连接）、设备管理平台（对于泵站设备的生命周期管理）、业务服务平台、物联平台4个应用集组成。平台支持数据的共享，数据能够在物联网平台与大数据引擎间流转，流转工作需要应用服务商结合具体的场景操作完成。另外，应用标段的系统可以消息监听的方式获取物联网平台的设备数据。平台采用微服务理念设计，核心系统明细见表2。3.2 平台系统架构（图6）本次物联网平台整体的数据流向有两个源头，如图7所示，一边是从设备往平台的感知数据的流转，另一边是业务数据。这两个数据汇聚之后产生全新的模型数据，并且驱动事件的产生或者可视化呈现。物联网平台的网络流量走向（图8）：感知设备的统一接入和生命周期管理、多领域标准数据模型沉淀及统一权限管控、物理空间和实体部件的数字镜像构建、数据可视化呈现的灵活配置、基于事件驱动的资源调度规则的编排、统一的应用（存量及新增）接入及管理等核心模块，可以帮助集成商、应用开发商快速、高质量完成物联网项目的集成、交付，帮助水源公司基于平台构建持续化运营的能力，最终达到“全时空感知”“全领域在线”“全要素联动”“全周期迭代”的新型智能物联网的运行模式，满足泵站物联网治理的需要。3.5 平台网络拓扑LoRa设备LoRa网关阿里云LinkWAN服务接（1）设备接入物模型将产品功能类型分为三类：设备属性、设备服务和设备事件。定义了这三类功能，即完成了物模型的定义。其中设备属性承担了设备数据归一化的功能，它把设备上报的数据按照不同的类型进行统一格式的存储，例如：水尺上报的水位，水泵上报的Y轴振动幅度。95电脑与电信96图7 平台数据架构职责设备（本次项目中的边缘网关服务器）接入、身份认证、消息分发设备（本次项目中现地站的各种设备）模型、设备管理、设备增值服务。业务通用服务支撑API服务的开放物联网业务核心，物联网基础能力的业务出口核心系统MQTT接入（as-mqtt）、接入认证（base）、消息分发（message-broker）、消息流转规则引擎（data-gateway）设备模型（prod）、设备中心（device center）、数据分发（data-bus）、ota（固件管理）、data-algo（数据协议转换）消息中心（msg-center）、用户中心（uc）、账号管理（account）、权属中心（rbac）API网关（api-gateway）、API管控（api-admin）门户及配置中心（chp）、数据可视化（cdvp）、感知设备管理（cdmp）、感知数据管理（cdop）、事件运营（comp、cccp）名称连接管理平台设备管理平台服务中心开放中心物联核心表2 平台核心系统明细表图8 平台网络拓扑电脑与电信97Application of Edge Gateway and IoT Platform in Dispatching Operation Management System of the First Phase of East Route of South-to-North Water Transfer ProjectKeywords：east route of south-to-north water transfer;pump station group;Internet of Things platform;edge gatewayAbstract:The operation data of 14 pumping stations along the first phase of the Eastern route of the South-to-North Water Diversion Project is originally stored in each field pumping station.In the years of operation since its establishment,data dispersion,inconsistent format,data loss and other situations are common.In order to better collect and manage the operation data of each station,the Water Source Company has deployed a set of edge gateway software on the pump station site,which is responsible for transmitting the monitoring data of the local station to the private cloud of the monitoring center in the case of normal or abnormal network disconnection,so as to realize data and equipment access and object model conversion.The provincial company has deployed an unified Internet platform,which is responsible for all the pump station of PLC,sensor and future extension unified access and management of Internet equipment,and responsible for the pumping station data cleaning,processing,storage and interaction,and all kinds of water conservancy event operations management,to implement the edge field interacting with the cloud and data storage.CHEN Xiang FAN Lin-hao(Science and Technology Information Branch of Jiangsu Water Source Co.,LTD.,East Route of South-to-North Water Diversion Project,Nanjing 210019,Jiangsu)（4）互联对接物联网平台VPCNAT出口互联网出口区公网服务参考文献：1吴文霞,朱金秀,陈奋远,等.基于物联网的水质污染监控系统的设计与实现J.水利信息化,2016(4):36-40+44.2张娟娟,栾燕,陶炜,等.基于多PLC协同的边缘计算网关测试平台设计J.测控技术,2022,41(5):38-44.3袁瑞,蒋伟,胡静,等.应用于物联网边缘网关的队列调度算法研究J/OL.测控技术:1-62022-07-14.6王杨.智慧高速物联网平台建设创新型思考J.北方交通,2022(8):79-82.7张恒飞,李小龙,梅林辉.水利智能物联感知平台的设计与实现J.水利水电快报,2022,43(8):118-121.8钱志鸿,王义君.物联网技术与应用研究J.电子学报,2012,40(5):1023-1029.入区物联网平台VPC（经典SLB）（2）平台用户访问4郝艳莉,张尚铎.基于物联网平台的智慧园区系统设计J.电气时代,2022(4):73-75WIFI、以太网设备专网接入区物联网平台VPC（经典SLB）4 结语（3）专有云内访问用户网络接入区物联网平台VPC（经典SLB）蜂窝网络/NB设备基站运营商网络接入区物联网平台VPC（经典SLB）物联网SaaS应用物联网平台VPC（内部SLB）边缘计算及物联网平台可以对大型泵站群的运行数据进行清洗整理、汇总，为进一步数据分析处理做准备。对任何一项工程来说，拥有足够规范、准确、庞大的数据都是从自动化走向智能化的坚实基础。南水北调工程是国家级战略工程，本文对南水北调东线一期调度系统的边缘网关及物联网平台的建设从设计、应用、系统架构、通讯方式、数据模型等方面进行深度剖析，对其他大型数据工程的建设有较大的参考价值。在未来的工程建设方面，物联网平台的建设将是工程建设走向智能化的重要环节。5李华勋.物联网平台的运维监控系统的设计与实现D.北京:北京邮电大学,2021.电脑与电信