基于物联网的设备测控信息管理初探

2015-06-29丛林

中国管理信息化 2015年21期

丛林

（天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072）

设备是人类社会各项活动的主要物质基础。设备的技术状态是指设备达到规定功能和技术指标的程度。设备保持良好的技术状态，是设备安全可靠运行的基础。如果设备的技术状态出现问题，则可能会产生严重后果，例如，近期频繁报道的电梯伤人事件，其根本原因，就在于这些电梯没有保持良好的技术状态。为此，需要采取适当方法对设备有效进行测控［1］，并加强设备测控信息管理工作，对设备的技术状态进行有效监控。这既是一个急需解决的紧迫课题，也是一个非常复杂的、非常困难的课题，本文主要基于物联网技术对设备测控信息管理问题进行探讨。

1 物联网技术及其应用

1.1 物联网的涵义

物联网的思想始于20世纪90年代，1999年，在美国召开的移动计算和网络国际会议上正式提出了物联网的概念。

物联网是指通过信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络［2］。

物联网本质上就是“物物相连的互联网”［3］。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。因此，物联网要基于三个条件：第一个是全面感知，对物品信息进行识别、采集；第二个是可靠传递，就是通过通信网络将信息进行可靠传输；第三个是智能处理，通过后台的庞大系统来进行智能分析和管理。

物联网概念提出以后，其重要意义迅速被世界各国所公认，其内涵也在不断发展。例如，2009年奥巴马就任美国总统后，美国将新能源和物联网列为振兴经济的两大重点；2008年11月在北京大学举行的第二届中国移动政务研讨会上，提出移动技术、物联网技术的发展代表着新一代信息技术，并带动经济社会的创新变革，当前，“互联网＋”已经发展成为我国的国家战略，其中，物联网技术的发展和应用具有重要地位。

从物联网的本质上看，物联网是现代信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术提升，将各种感知技术、现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成应用，使人与物智慧对话，创造一个智慧的世界。随着物联网技术的快速发展，无所不在的“物联网”时代即将来临，世界上所有的物体都可以通过网络（物联网）进行信息交换，联为一个有机整体。人类在信息世界里将获得一个新的沟通维度，从任何时间任何地点的人与人之间的沟通连接扩展到人与物和物与物之间的沟通连接。

1.2 物联网的技术结构

物联网和互联网的关系是密不可分、相辅相成的。但是物联网和互联网在网络的组织形态、网络功能以及性能上的要求都是不一样的。与互联网相比，物联网对于实时性、安全可信性、资源保证性等方面的要求更高。

从技术架构上来看，物联网可分为三层：感知层、网络层和应用层［3］，如图1所示。其中，第一层即感知层至关重要，物体的感知和数据的采集就是靠这一层。

感知层由各种传感器以及传感器网关构成，包括温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、二维码标签、RFID标签和读写器、摄像头、全球定位信息设备等感知终端。

网络层由各种有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，负责传递和处理感知层获取的信息。

应用层是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。

1.3 物联网的应用

物联网的应用极其广泛，渗透在国民经济和社会生活的各个方面。通过在各种设施设备上大量设立传感器，捕捉运行过程中的各种信息，然后通过传感网，进入互联网，通过计算机分析处理发出智慧指令，再反馈回去，极大提高效率，产生更大的效益。

总结起来，物联网的应用主要有三种基本模式：

1.3.1 对象的识别

通过二维码，RFID等技术标识特定的对象，用于区分对象个体。目前，该类应用最成熟，也最广泛，例如，在物流行业就广泛应用这一层面的物联网技术，极大提高了工作效率。但这只是物联网应用的初级阶段。

1.3.2 对象的监控和跟踪

利用多种类型的传感器和分布广泛的传感器网络，可以实现对某个对象的实时状态的获取和特定对象行为的监控，如对设备的技术状态进行监控，通过GPS标签跟踪车辆位置等。这是物联网的核心应用，也是目前物联网技术的主要发展方向之一，将极大改变人类的生产生活。

1.3.3 对象的智能控制

物联网基于云计算平台和智能网络，可以依据传感器网络利用获取的数据进行决策，进行控制和反馈，改变对象的行为。例如根据光线的强弱调整路灯的亮度，根据车辆的流量自动调整红绿灯间隔等。这是物联网高层次的应用。

2 设备信息及其管理

2.1 设备信息的特点

各种设备在运行过程中，会不断产生大量信息，其中，核心是设备的技术状态信息［4］。设备的技术状态信息主要通过对设备进行技术检查来获取，所谓的设备技术检查，是指为判明设备的技术状态而进行的检测，包括对设备的完整性、性能参数、磨损程度等的检查。通过开展技术检查，就可以获取设备的各方面信息，通过这些信息，就可以准确、全面、及时地了解、掌握设备的工作状态，并通过对这些信息的分析，发现可能存在的问题，及时消除隐患，确保设备处于良好状态，确保设备可靠、安全地运行。

但设备信息非常复杂，归纳起来，设备信息主要有以下特点：

（1）信息量大。现代设备结构复杂、技术含量高，特别是一些大型复杂设备，这一问题尤为突出，对设备进行技术检查，需要采用各种不同原理，对设备的各个方面的信息进行采集；另一方面，设备需要持续运行，在运行过程中，会持续产生信息。因此，即使是某一台设备，其信息量也很大，而各种不同设备作为一个整体，其信息量就更为庞大，属于典型的“大数据”。如何对这些大量的信息进行有效管理，是一个极其重要也非常复杂的问题。

（2）及时性要求高。高质量的设备信息是设备信息管理的基础。信息质量是一个非常复杂的问题，包括信息的准确性、完整性、及时性、针对性等方面［5］。但对于设备信息来讲，及时性的要求尤为突出，通常情况下，需要实时采集信息。否则，超过了信息的时效，设备信息的功用就会大大降低。

（3）自动化程度要求高。传统上，设备技术检查主要依靠人工来进行，工作效率低、信息的准确性、全面性、及时性难以得到保证。在信息化条件下，各种传感器和检测仪器设备（以下简称检测设备）的广泛应用，使设备的自动技术检查成为可能。

2.2 设备信息管理

为此，需要对设备信息科学地进行管理。目前，信息管理已经有了一套比较成熟的理论与方法，主要包括：信息获取与采集、信息传输、信息组织与存储、信息处理、信息利用等基本环节［6］。具体到设备信息的管理，也应包括这些基本环节，如图2所示。

图2 设备信息管理示意图

2.2.1 设备信息采集

设备信息的采集，是指采用科学的方法，借助各种传感器、检测设备等对设备各方面的信息自动进行采集，其核心是设备技术状态信息的采集。

信息采集的传感主要包括：温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、压力传感器、振动传感器、摄像头等。

检测设备主要包括各种通用和专用检测设备，如电路检测设备、无损检测设备等。检测设备主要用于对设备的技术状态进行检测和监控。

无论是使用传感器还是检测设备，信息采集的核心都是对设备的技术状态进行检测，并以各种不同的信息形态进行表示。

2.2.2 设备信息传输

设备信息的传输，普遍存在于设备信息工作流程中，离开了信息传输，信息工作流程就无从展开。

设备信息的传输方法很多，当前，主要采用基于网络的信息传输方法。基于网络的信息传输方法由于具有快速、准确、容量大、与信息系统集成度高等突出优势，不但能够高效传输并充分共享信息，而且由于与信息系统的各种功能高度集成，能够实现信息传输的自动化、精确化、定制化，迅速成为了设备信息传输的主流方法。

2.2.3 设备信息组织与存储

获取的设备信息，需要以一定方式进行组织和存储，才能有效进行处理和利用。

无序的信息既不方便信息的存储、传输和处理，更不利于信息的使用。设备信息的组织，即设备信息的序化，是按照一定的科学规则和方法，通过对设备信息的外在特征和内容特征的描述和序化，实现无序信息向有序信息的转化。其中，信息的内容特征是信息组织的主要着眼点，也就是说，通过对信息内容的揭示，并以适当方法进行表示，是信息组织的基本方法，主要包括：分类方法、主题法以及元数据描述方法等。

信息必须存储在一定的介质上，才能便于处理和使用。设备信息的存储，是在对设备信息进行组织的基础上，采用适当的方法进行存储。基本的方法是采用数据库来存储信息。数据库既是信息存储的基本方法，也是信息组织的有效形式，是信息组织和信息存储的有机结合，是设备信息存储的基本方法。因此，在信息化条件下，研究设备信息的存储问题，核心就是设备信息数据库建设问题。

2.2.4 设备信息处理

设备信息的处理，就是通过一定的方法对设备信息进行加工处理，并产生新的信息的过程。

设备信息的处理非常复杂，主要包括：信息融合、知识提取等。

信息融合，就是把不同来源的信息通过比对、分析、综合、插值等方法，形成更加准确、完整的信息。例如，某一设备的技术状态信息，可以采取不同传感器或检测设备进行采集，这些信息单独来看，既不完整，也不一定准确，但通过信息融合，则可以获得更加准确、完整的信息。其中，核心问题是能够通过设备信息对设备的技术状态进行诊断，例如，设备健康管理就是一种典型应用。

知识提取，是对大量信息进行深度理解和处理的基础上，发现蕴含在这些信息中的规律性的东西。设备信息的数量很大，这就需要通过对大量设备信息的深度挖掘与处理，发现设备信息中蕴含的规律。例如，设备技术状态信息，单独来看，只是表明设备在某一特定时刻的某一指标的状态，但如果把一段时间内各种指标的设备信息综合进行分析，就很可能会发现设备本身的某些规律，这一过程，就是知识提取的过程。

设备信息的知识提取，是设备信息内容处理的高级形态，难度很大。知识提取一般由综合运用数据挖掘、人工智能、专家系统等最新信息技术的专业软件完成。

2.2.5 设备信息利用

设备信息的利用就是把设备信息应用于设备工作中。设备信息的利用是前述各项设备信息工作的最终目的和归宿，各项设备信息工作的的效果，也要通过设备信息的利用来进行检验。

设备信息的应用主要包括两个方面：一是利用设备信息对设备进行反馈控制，确保设备处于规定的良好工作状态，这是设备信息的基本应用；二是利用设备信息对设备进行改造、升级、完善，这是设备信息的高层次应用。

以上各个环节构成了设备信息管理的闭环，主要依靠信息系统来自动完成，需要的时候，也可以进行人为干预，从而构成人在回路的闭环管理。

3 基于物联网的设备测控信息管理基本构想

设备的测控信息是指通过检测来采集设备的状态信息以及通过信息对设备进行反馈控制［1］，是设备信息管理流程的起始和最终实现，是设备信息管理中的两个关键环节，事实上代表了设备信息管理的整个流程。

设备测控信息的管理非常复杂，要求也很高，物联网技术为设备信息管理提供了新的可能。通过物联网，就可以把设备信息管理的各个环节有效联结为一个有机整体，自动开展设备信息管理的各项工作。基于物联网的设备信息管理的基本构想如图3所示。

图3 基于物联网的设备信息管理构想图

3.1 物联网基础设施

正如互联网基础设施是互联网服务的基本条件一样，物联网基础设施也是利用物联网开展各种服务的基本条件。没有较为完善的物联网基础设施，基于物联网的设备测控信息管理就无从实现。

物联网基础设施主要包括：有线与无线相结合的物联网网络、交互设备、网络接口、物联网协议等。其中，与一般的互联网相比，由于物联网是“物物相连”的网络，包括设备在内的各种“物”都可以联入物联网，因此，其网络带宽和网络地址数量等方面的要求都远远高于一般的互联网。

3.2 能联入物联网的智能设备

一般的设备，并不能直接联入物联网。要能联入物联网，并开展基于物联网的设备信息管理，设备本身必须具备一定的条件，也就是说，必须首先对设备进行信息化改造，使之成为“智能”设备。如图4所示。

图4 能联入物联网的智能设备示意图

图中箭头所示的方向为信息流动的方向。

3.2.1 信息采集模块

包括采用各种不同原理的能采集设备状态信息的各种传感器和检测设备，而且这些传感器和检测设备都应是数字化的，以便通过统一的信息接口联入物联网。

3.2.2 控制模块

能根据反馈信息对设备进行控制的控制电路和动作装置，以便能够利用控制信息来远程操控该设备，包括使设备停止运行或改变设备的运行状态等。

控制模块也要通过统一的信息接口联入物联网，并通过物联网来实现远程操控。

3.2.3 信息接口

信息采集模块和控制模块中的各种传感器、检测设备、控制电路的原理千差万别，信息的形式和内容也各不相同，如果分别直接联入物联网，不但会造成网络资源的巨大浪费，而且也不易实现，为此，应设置统一的信息接口，采用统一的信息交换协议和数据交换格式，再通过该接口把信息采集模块和控制模块统一联入物联网。

3.3 厂商

任何设备都是某一厂商设计生产的，即使设备交付给用户，厂商也应对设备能够处于良好的技术状态承担责任。

在厂商的售后部门，应设立专门的与物联网相连的设备信息管理中心，集中对销售给用户的设备的状态信息进行管理。为此，应根据设备的特点和设备信息管理的实际需要，科学设计并建设设备信息数据库，各设备的状态信息，自动地通过物联网传回该数据库并通过该数据库进行集中存储和管理。同时，应研发并配备能对设备信息具有自动分析处理功能的软件，以便对设备运行状态进行自动监测，一旦设备出现问题或故障，或者出现了故障的苗头，系统能自动报警，及时通过物联网发出相应的控制信息，停止设备运行或改变设备的运行状态，同时，通过物联网自动向用户报警，以便用户能及时采取相应措施，实现厂商与用户的联动。这样，厂商就能够变被动服务为主动服务，极大提高服务质量。

另一方面，通过对长时间累积的大量的设备状态信息进行挖掘处理，就有可能发现设备存在的问题或缺陷，就可以有针对性地改进、完善设备，或者为开发新一定设备提供依据。