基于数智一体的电力设备管理系统研究

摘 要：随着电力行业进一步发展，电力设备的动态服务管理诉求日益提升。本研究构建的一体化数智系统，以工业互联网相关技术为依托，提供了包括设备管理、异常通知、时序预测和报修审批等功能在内的全过程管理服务，实现了服务效能的提升、运维成本的压缩和设备的安全运行。

关键词：电力设备；数智系统；工业互联网；全过程管理

一、研究背景

当前，以数字化、网络化、智能化为主要特征的第四次工业革命，推动了制造业转型的进程。作为第四次工业革命的重要基石，工业互联网引领着第四次工业革命的发展方向。工业互联网的初始概念由美国通用电气公司（GE）于2012年提出，其内涵在于将人、机器、分析系统通过网络融合在一起，借助数据、硬件、软件和分析决策的交互过程，提升创新能力，优化过程管理，提升生产效率，进而带动整个工业经济的发展。工业互联网通过将工业设备、产品及服务与互联网连接，实现了工业数据的全面感知、自由流动和智能分析，从而有效提升了企业运营绩效，并推动了业务增长。工业互联网与工业制造各环节的深度融合，极大地推动了云计算、物联网和人工智能等技术的进步发展，其成果在以电力行业为代表的流程制造业得到了广泛应用。无论是电力设备的复杂化、大型化和连续化等新型特征，还是传统运维监测系统和服务管理平台难以应对大规模的任务调度和数据分发压力，都要求基于工业互联网技术，构建以数智化为特征的设备管理一体化系统。

在电力设备的信息化管理系统建设方面，许多发达国家的工厂不仅具备成熟的设备管理系统，还拥有完整的技术框架和可迭代代码的系统支撑。例如，美国的GE公司开发了Predix维护管理平台，将机器、数据、人员和其他资产连接起来，通过分布式计算、大数据分析和资产数据管理等通信技术，实现了对电力设备的在线监测、智能预警、故障诊断和运维管理，提高了设备的可靠性和安全性，降低了设备运维成本，进而帮助企业提高生产率和运营效率。国内许多大型企业和研究机构都对电力设备的信息化管理进行了相关研究，特别是在电力设备的状态预警、故障诊断和分析预测等领域取得了显著进展。例如，中国电力科学研究院提出了基于物联网的电力设备在线监测与预警技术，包括电力设备在线监测技术、数据处理技术、智能预警技术等，并基于云计算、大数据和人工智能技术围绕电力设备的在线故障诊断和预测技术进行研究。国网电力科学研究院则提出了基于大数据技术的电力设备状态监测与预警系统、基于人工智能的电力设备故障诊断系统和基于物联网的电力设备在线监测系统，并发展了基于数据驱动的电力设备预测与健康评估方法。这些研究和应用在推动国内电力设备管理的智能化与信息化方面发挥了重要作用。

二、技术背景

工业互联网相关技术的应用推广为建设集数字化、智能化为一体的服务管理平台，实现设备服务的全过程管理提供了技术可能。本研究主要采用云数据服务平台、 EMQX物联网服务器、时间序列模型预测、微信小程序开发和MySQL关系型数据库等工业互联网相关技术来进行数据智能平台构建。以下是对相关技术的介绍：

（一）云数据服务平台

云数据服务平台是一种基于互联网计算资源的服务提供模式，它将计算资源、存储资源和网络资源封装成独立的虚拟环境，进而为用户提供计算能力、数据存储和网络服务。根据其服务类型和应用场景，可以分为IaaS（基础设施即服务）、PaaS（平台即服务）和SaaS（软件即服务）。本设计中使用的阿里云平台，具有全球领先的技术实力、产品业务线和价格优势。

（二）EMQX物联网服务器

EMQX是基于MQTT协议的开源分布式物联网服务器，能够连接海量的物联网设备并接入设备数据。EMQX服务器支持分布式、集群式的扩展，能够高效处理流入的信息和数据。在数据通信过程中使用的MQTT协议，主要通过TCP/IP协议提供有序且无损的双向连接，采用发布订阅的模式并提供服务质量管理，在物联网领域得到了广泛使用。

（三）时间序列模型预测

时间序列（Time Series）是根据时间顺序排列的同一现象在不同时间点上的连续观察值，广泛存在于能源工业领域。其中，差分自回归移动平均模型（ARIMA）模型适用于单变量平稳时间序列数据的预测；针对非平稳序列，极限学习机（ELM）由于其出色的拟合能力和训练效率受到青睐。在本设计中，InfluxDB开源时序数据库用于存储设备的历史数据。

（四）微信小程序开发

微信小程序开发融合了前端技术与后端开发，由于内嵌在微信APP中，能够通过调用配置中的合法域名下的接口完成程序功能，并与数据库进行交互，从而实现跨平台适配。本研究中的微信小程序开发主要通过JavaScript实现业务处理和与服务器的交互，并以JSON格式传输数据。

（五）MySQL关系型数据库

作为免费开源的关系型数据库管理系统，MySQL能够支持Windows、Linux（Ubuntu）和MacOS等多种操作环境，被广泛应用于中小企业的Web开发，具有易用性、扩展性和灵活性等优势。从逻辑架构上来看，MySQL分为连接层（连接处理和用户鉴权等）、服务层（查询解析和系统管理等）和引擎层（数据存储和提取交互等）。

三、数智平台功能设计

本研究中的数智平台是以电力设备为核心的智能服务平台，旨在为工业企业提供高效、便捷、清晰的设备管理渠道。数智平台应具有以下核心功能：

（一）电力设备的统一数据管理

数智平台的数据主要来源于EMQX物联网服务器。EMQX物联网服务器通过MQTT协议将设备数据传入工业设备智能平台，后者需要能够接收、解析MQTT协议数据并将数据转发至需要数据的功能模块。工业设备智能平台也需要将部分数据封装为MQTT协议数据发送至EMQX物联网服务器，以完成设备信息的平台监测。除此之外，为了满足用户对设备、设备数据等信息进行实时查询和管理的需求，数智平台需实现用户、设备和数据的统一管理功能。

（二）设备异常信息的策略报警

在工业生产过程中，对电力设备异常进行及时报警十分重要。在数智平台中，企业用户可以设定设备数据异常的条件和报警规则，由平台根据接入设备的数据判定是否符合数据异常条件。若接入的设备数据为异常事件数据，或是设备数据满足用户事先设定的异常条件，平台将生成报警信息；当指定的报警信息产生时，平台可以自动通知设备维修商，或是对产生报警的设备进行动作控制，从而降低设备出现异常时发生安全事故的风险。

（三）人工智能时序模型训练

数智平台通过接入EMQX物联网服务器，获得了大量设备数据，这些数据大部分带有时间标签，并且可以作为人工智能模型的数据基础，用于训练多种人工智能模型。在众多人工智能场景中，工业企业用户尤为关注对设备数据未来趋势的预测功能，以便更好地监管设备。因此，平台需要具备训练多种人工智能模型的能力，在此基础上，还应拥有对设备未来的数据进行时序预测的功能。

（四）设备服务的申报审批

除了通过传感器采集数据方式外，用户还可以通过扫码登记设备资产信息，在线创建服务工单，填写故障描述、上传设备资料与用户联系人信息等信息，后台审批人员在PC端通过数智平台进行派单审批后，第一时间推送给工人进行线下服务。此外，小程序还具备进度查询、发票管理等功能，旨在为用户提供自助申报服务和便捷的全过程管理渠道。

四、数智平台功能实现

在阿里云服务器与EMQX平台部署的基础上，数智平台的功能实现主要包括基于EMQX平台的设备管理和运行监测、基于人工智能的ARIMA和ELM时序模型训练、微信小程序自主报修与桌面流程审批的智能申报审批，实现了设备管理、运行监测、时序预测和审批联动。

（一）设备管理服务：设备信息、设备列表与设备数据

数智平台的设备管理服务主要包含用户信息管理、设备列表管理和设备数据管理三项子功能，这些功能主要依托于EMQX平台的管理模块。

首先，数智平台的设备管理功能以设备接入和权限设置为基础。用户注册登录后，可在设备管理处进行设备注册，将设备的详细信息录入设备列表，然后通过添加按钮调用后台服务进行设备注册。EMQX物联网服务器利用注册的设备身份用户名和密码上传数据，并将数据发送至工业设备智能平台。用户可以使用设备ID和密码通过MQTT协议连接到EMQX服务器，服务器通过插件emqx_auth_username进行身份验证，如认证成功，设备将被允许连接到MQTT服务器并发布或订阅消息。

其次，设备列表管理模块的主要功能是对电力设备列表进行分组管理与设备移除。此项功能中，可根据设备类型或用户需求进行灵活分组。通过将设备按类型分组，管理员可以更方便地对相同类型的设备进行批量管理和配置，快速应对特定类型设备的参数设置调整、设备信息更新等需求。此外，还可以根据业务逻辑将设备划分为不同的组别，进而使得管理员能够根据自己的工作流程和管理策略来组织设备，从而更好地管理和监控其运行状态。

最后，设备数据管理模块的主要作用是为用户提供数据查询操作，主要包括设备的历史数据查询以及设备的实时数据查询功能，支持对设备数据进行导出并存储在本地。用户通过设备列表管理页面对设备进行实时数据查询与历史数据查询操作，设备历史数据包含了设备接入平台后的所有数据，也可以通过设备历史数据页面进行设备数据的持久化存储，支持导出格式为JSON的文件保存在本地。一旦设备成功注册和接入系统，即可进行数据管理操作。设备的实时数据和历史数据将被系统接收和存储起来，以供后续的管理操作使用。实时数据是设备在运行过程中生成的即时信息，包括传感器数据、状态更新等。历史数据则是设备过去所产生的数据记录，可以是以时间序列方式存储的设备数据。设备数据管理操作可以涵盖数据存储、查询、分析、可视化等多个方面，以满足用户对设备数据的不同需求。

（二）运行监测服务：策略配置和通知报警

首先，策略配置模块的主要功能是对报警通知动作的设备数据条件进行设置、启动和停止。用户可以增加、删除、修改、查看相应的策略配置。在启动设备后策略配置会调用规则引擎模块自动生成该策略对应的规则知识，从而在设备数据转发模块中能够自动调用该规则对上传至平台的设备属性数据进行匹配。操作完成后，策略状态将更新并保存至MySQL数据库中，由策略模块将携带策略信息的事务消息发送至规则引擎模块。规则引擎模块根据策略生成或删除规则知识，并更新至MySQL报警知识库表中。具体流程包括策略设置、策略删除、策略启停和策略返还。

其次，报警模块负责生成报警信息并通知用户，报警模块拥有对报警规则的增加、删除、查找、修改等基础功能。平台中产生报警的来源有两种，分别为命中策略配置产生的报警以及设备上传的报警事件，报警规则建立后可以绑定策略配置或设备上传的报警事件。报警规则启动后，平台会自动形成该报警规则的报警信息。具体功能包括定义增删、查询处理和订阅增删。

最后，通知与动作模块主要用于生成报警的通知信息，并确保将通知信息发送给报警订阅的用户。报警订阅用户在产生报警信息时可以通过微信、短信、邮件等指定方式收到通知消息。此外，通知与动作模块还拥有设备动作控制功能。设备模块中可以将设备控制封装为定时、定期的任务。对于用户即刻控制设备的需求，动作与通知模块拥有即时对设备控制的功能。手动控制设备动作功能会下发设备控制动作参数，根据动作控制的参数生成动作控制消息，发送至EMQX数据适配与转发子系统，并由数据适配模块发送至EMQX物联网服务器。具体流程包括信息解析、方式选择和通知发送。

（三）人工智能服务：时序预测模型训练

人工智能服务旨在利用传入工业设备智能平台中的大量设备数据进行模型训练。由于电力设备的数智平台拥有大量设备的时序数据，因此可以建立关于电力设备的时序数据预测任务，用于展示未来时间段中指定设备的预测数据，即数智平台拥有预测设备数据的功能，方便用户把握设备数据的发展趋势。具体流程包括信息采集、数据清洗、模型训练和优化部署。

（四）智能申报审批：小程序自主报修与桌面流程审批

智能申报审批系统由阿里云服务器、EMQX平台、微信小程序和Windows桌面程序组成多平台系统。阿里云服务器负责存储数据和图片，并向EMPQ平台提供数据连接；EMQX平台负责设备信息管理、运行状态监测、时序模型训练和各项信息表存储等功能；微信小程序供电力设备用户报修人员使用，提供报修及其流程查询服务；Windows桌面程序由电力设备企业管理人员使用，可进行设备报修管理、计量管理和维修发票管理。本部分主要对服务器部署、微信小程序功能和Windows桌面功能进行阐述。

首先，在服务器部署方面，采用云服务器部署和物联网平台联动阿里云两大方式。一方面，阿里云服务器ECS部署了Apache服务，使用PHP7.4.10、MySQL5.7.31和Python3.5.3，其中，PHP脚本提供云服务器与微信小程序的程序接口，实现读取设备信息、维修编号和维修时间的功能；同时，云服务器部署了MySQL数据库，建立设备维修信息表、发票信息表、设备信息表和设备计量信息表，以提供数据存储服务。另一方面，阿里云服务器通过调用EMQX提供的API接口进行数据接收、发送和同步，就设备管理、警告通知和时序模型等MySQL库的数据进行共享。数据同步过程中，消息队列服务作为数据交换中间件，阿里云服务器通过消息队列实现数据的高吞吐量同步，并支持分布式部署和容错处理。

其次，微信小程序主要通过连接阿里云服务器，基于JavaScript实现业务处理和与服务器的交互，以JSON格式传输数据，实现电力设备报修流程电子化功能。具体流程为生成维修编号、进行设备信息共享、故障信息填报、确认发送、进度查询。

最后，Windows桌面程序主要基于C#语言进行开发。相较于系统开发常用的B/ S结构，由于电力设备维修管理工作岗位较为固定，且内网访问需求度较低，C#编程语言具有原码开放、 跨平台场景和面向对象等优势，便于接入其他硬件，为增加票据和合同记录的高拍仪、二维码扫码枪、各种质控设备和自研设备的接入提供了可能。Windows桌面程序主要处理企业设备报修的维修信息、维修工程师的业务信息查询和设备档案管理（包括计量管理和维修发票管理），具体功能为信息读取、生成模板、发票管理。

五、结论与展望

随着工业企业加快数字化转型，越来越多的企业将工业设备通过传感器把数据上传至如EMQX的物联网服务器。然而，存储在物联网服务器中的数据没有得到有效利用，无法发挥数据的最大价值。为此，本文设计并实现了面向电力设备的一体化数智系统，该系统主要用于获取EMQX物联网服务器中的设备数据，通过阿里云服务平台和EMQX物联网服务器实现了设备数据的高效互通与利用，并通过时间序列预测模型为企业的管理水平和业务效益提升贡献数据支持和决策依据，此外，基于微信的小程序开发也保证了以用户为中心的申请报修能够得到高效审批处理。

总而言之，数智系统以工业互联网相关技术为依托，集成了云数据服务平台、EMQX物联网服务器、时间序列模型预测和微信小程序开发等先进技术，实现了电力设备的全过程智能化管理，提供了设备统一数据管理、异常信息策略报警、人工智能时序模型训练和设备服务申报审批等功能，不仅有效提升了服务管理效率，降低了设备运维成本，还保证了相关设备的安全可靠运行。

展望未来，为进一步提升用户体验和系统功能，面向电力设备的数智一体化系统仍有许多优化空间。具体而言，可以考虑包括多种物联网服务器接入、项目部署轻量化整改、微服务数据安全提示和时间预测模型优化等在内的提升工作。这些改进将有助于系统在未来更好地满足用户需求，提升整体的性能与可靠性。

参考文献

[1]陆国君，金勤芳，张慧丽.基于MQTT网关连接PLC与阿里云物联网平台的工业物联网系统[J].物联网技术，2019，9（12）：58-60+63.

[2]幸大树，佘文魁，顾思明等.基于 Emqxbroker架构的物联平台设备数据安全研究[J].科技资讯，2021，19（12）：54-57.

[3]MindSphere：基于云的开放式IoT操作系统[J].智能制造，2019（07）：24-27.

[4]李潇睿，班晓娟，袁兆麟等.工业场景下基于深度学习的时序预测方法及应用[J].工程科学学报，2022，44（04）：757-766.

[5] Calheiros R N， Masoumi E， Ranjan R， et al. Workload Prediction Using ARIMA Model and Its Impact on Cloud Applications’ QoS[J]. IEEE Transactions on Cloud Computing， 2015， 3（4）：449-458.

（刘强强系浙江嘉恒科创有限公司副总经理、高级工程师；侯瑞系华北电力大学苏州研究院副研究员）

Research on Power Equipment Management System Based on Digital and Intelligent Integration

Liu Qiangqiang Hou Rui

Abstract： With the further development of the power industry， the demand for dynamic service management of power equipment is increasing. The integrated digital and intelligent system constructed in this study， relying on industrial Internet-related technologies， provides full-process management services including equipment management， abnormal notification， time series prediction， and repair approval， achieving improved service efficiency， reduced operation and maintenance costs， and safe operation of equipment.

Keywords： Power Equipment； Digital and Intelligent System； Industrial Internet； Full-process Management.