CN115776378B - 一种核电工业互联网平台时序数据实时接入方法 - Google Patents
一种核电工业互联网平台时序数据实时接入方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种核电工业互联网平台时序数据实时接入方法，包括以下步骤：采集传感器数据或者PI***数据，将其传输至进入边缘服务器；边缘服务器对时序数据进行缓存和数据清洗、数据转换、数据降频、降维和数据压缩处理；将处理后的数据以MQTT协议或者Kafka协议接入核电工业互联网平台的MQTT服务器或者Kafka中，数据以二进制或JSON数据包方式进行传输；核电工业互联网平台侧接收时序数据并将解析后得到的时序数据信息写入时序数据库中心。其有益效果在于：(1)传感器数据进入边缘服务器之前需要通过安全网闸，保证了数据传输的安全性。
Description
技术领域
本发明属于时序数据实时接入方法，具体涉及一种核电工业互联网平台时序数据实时接入方法。
背景技术
在核电领域，时间序列数据(以下简称时序数据)主要是核电厂内的各类型实时监测、检查与分析设备所采集、产生的数据，一般来讲，时序数据主要来源于PI数据库和现场传感器等。
核电工业互联网平台是在统一的核电数据标准体系框架内，构建全要素的感知体系，打通信息孤岛，搭建核电工业大数据的服务平台，通过接入结构化数据、非结构化数据、时序数据，在此基础上，能够对核电业务***的数据进行整合加工，建立统一的数据标准，支持设备监控、故障诊断、故障预测等多种业务，而时序数据的实时接入是核电工业互联网平台的数据接入方面一项重要的内容。
在进行边缘数据实时接入时，目前核电工业互联网平台支持采用MQTT和Kafka进行接入，而时序数据分为普通时序数据和高频时序数据，如何使用MQTT以及Kafka对这两种时序数据进行高效接入，对核电工业互联网平台建设有着重要的影响。
为了有效支撑时序数据的实时接入，需要提供合理的时序数据实时接入机制和方法，保证数据接入的高效性、安全性和可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种核电工业互联网平台时序数据实时接入方法，能够有效提高时序数据接入的效率，同时保证数据接入的安全性和可靠性。
本发明的技术方案如下：一种核电工业互联网平台时序数据实时接入方法，包括以下步骤：
步骤1：采集传感器数据或者PI***数据，将其传输至进入边缘服务器；
步骤2：边缘服务器对时序数据进行缓存和数据清洗、数据转换、数据降频、降维和数据压缩处理；
步骤3：将处理后的数据以MQTT协议或者Kafka协议接入核电工业互联网平台的MQTT服务器或者Kafka中，数据以二进制或JSON数据包方式进行传输；
步骤4：核电工业互联网平台侧接收时序数据并将解析后得到的时序数据信息写入时序数据库中心。
所述的步骤1包括以下步骤：
步骤11：传感器从现场设备采集设备时序数据，首先将数据传输至边缘网关中，边缘网关将工业现场协议转换成MQTT协议；
步骤12：边缘网关将进行协议转换后的数据传输至安全网闸中；
步骤13：安全网闸将数据传输至边缘服务器中；
步骤14：如果是从PI***中采集时序数据，直接将采集到的数据传输至边缘服务器中。
所述的工业现场协议包括ModBus、RS-232、HART。
所述的步骤2包括以下步骤：
步骤21：边缘服务器在接收到边缘网关发送来的时序数据后，将原始数据存储在本地时序数据库中；
步骤22：对时序数据进行数据清洗，根据中心侧时序数据存储要求设计清洗规则；
步骤23：对测点名称进行转换，按照电厂侧测点名称编码和核电工业互联网平台测点名称编码映射规则，将电厂侧测点名称转换成核电工业互联网平台上的测点名称；
步骤24：对时序数据进行降频和降维处理；
步骤25：对时序数据进行压缩处理。
所述的步骤22包括以下步骤：
步骤221：根据时序数据中的测点名称，确定其测点类型；
步骤222：根据每种类型测点的合理取值范围，检查测点数据是否满足要求；如果不满足要求，则进入步骤224，否则，继续进行后续检查；
步骤223：检查测点值是否为无效值或空值，如果测点值为无效值或空值，则进入步骤224；
步骤224：测点值异常情况处理，如果发现超出正常范围、逻辑上不合理的数据，则对其进行纠正或者丢弃处理；如果发现测点值为无效值或空值，对于无效值，将该条数据进行丢弃，如果出现空值，则使用默认值进行填充。
所述的步骤24包括以下步骤：
步骤241：对于高频时序数据，首先要在电厂侧的边缘服务器中进行厂侧计算分析处理，分析处理完成后，将特征值或者分析处理后的结果通过MQTT传输至核电工业互联网平台中；
步骤242：对于普通时序数据，进行降采样后再传输。
所述的步骤25包括以下：
根据数据规模以及电厂侧与核电工业互联网平台数据中心侧之间的商网带宽实际情况，判断是否需要将发送至核电工业互联网平台中的数据进行数据压缩处理进行数据压缩，如果发送数据占用带宽超过商网带宽的10％，需要进行数据压缩处理，可以采用特定的压缩算法进行压缩，比如：Gzip、Snappy、zlib。
所述的步骤3包括以下步骤：
步骤31：边缘服务器对时序数据进行清洗、转换、降维、压缩处理，处理完成后根据数据规模评估数据传输占用带宽的情况；
步骤32：如果采用JSON数据包进行传输时占用带宽小于商网带宽的10％，采用JSON数据包的方式进行实时数据传输；
步骤33：如果采用JSON数据包进行传输时占用带宽大于或等于商网带宽的10％，需采用二进制数据包的方式进行实时数据传输。
所述的步骤4包括以下步骤：
步骤41：时序数据从边缘侧进入平台侧的MQTT服务器中；
步骤42：如果数据是直接进入MQTT服务器，将MQTT服务器作为消息生产者，将数据写入Kafka集群；
步骤43：Flink程序作为消息消费者，接收Kafka中的消息，接收后，对消息进行解包、解压、解码、和数据标准化处理；
步骤44：如果处理的数据是高频时序数据，使用Flink程序将其写入HBase数据库中，否则，将其写入平台侧时序数据库中。
本发明的有益效果在于：
(1)传感器数据进入边缘服务器之前需要通过安全网闸，保证了数据传输的安全性；
(2)采用边缘服务器对时序数据进行缓存、清洗、转换、降频、降维和压缩处理，既保证了接入数据的质量，又减轻了平台侧的时序数据接入压力；
(3)实时接入时MQTT和Kafka消息报文既可以采用JSON格式报文结构，又可以采用二进制的报文结构，用户可以根据开发效率和边缘侧到平台侧带宽情况进行选择。
附图说明
图1为时序数据采集和传输至边缘服务器流程；
图2为边缘服务器对时序数据进行处理流程；
图3为电厂侧时序数据进行数据清洗过程；
图4为电厂侧时序数据进行数据降频处理过程；
图5为电厂侧时序数据以二进制或JSON数据包方式传输至平台流程图；
图6为平台侧接收时序数据并写入数据库流程。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
在核电厂内的设备在运行过程中会产生大量的时序数据，在有些设备上会安装专门的传感器，这些传感器会实时采集这些设备时序数据，最后这些传感器产生的时序数据会进入核电工业互联网平台中。
对于高频时序数据，在上传至核电工业互联网平台之前，需要进行清洗、转换、降维、压缩处理，对于普通时序数据，比如PI***数据，可以直接采用MQTT或者Kafka接入平台中。
本发明所提供一种核电工业互联网平台时序数据实时接入方法，包括以下步骤：
步骤1：采集传感器数据或者PI***数据，将其传输至进入边缘服务器；
如图1所示，主要包括以下步骤：
步骤11：传感器从现场设备采集设备时序数据，首先将数据传输至边缘网关中，边缘网关将工业现场协议转换成MQTT协议，所述的工业现场协议包括但不限于ModBus、RS-232、HART等；
步骤12：边缘网关将进行协议转换后的数据传输至安全网闸中；
步骤13：安全网闸将数据传输至边缘服务器中；
步骤14：如果是从PI***中采集时序数据，直接将采集到的数据传输至边缘服务器中。
步骤2：边缘服务器对时序数据进行缓存和数据清洗、数据转换、数据降频、降维和数据压缩处理；
如图2所示，主要包括以下步骤：
步骤21：边缘服务器在接收到边缘网关发送来的时序数据后，将原始数据存储在本地时序数据库中；
步骤22：对时序数据进行数据清洗，根据中心侧时序数据存储要求设计合理的清洗规则，比如：空值处理、噪声数据处理等，数据清洗过程如图3所示，清洗过程如下：
步骤221：根据时序数据中的测点名称，确定其测点类型。比如：测点名称中包含“TMP”字母的一般为温度类测点，包含“PT”字母的一般为压力类测点等；
步骤222：根据每种类型测点的合理取值范围，检查测点数据是否满足要求。比如：对于温度类测点，测点值不能超过正常的温度范围，对于压力和流量类测点，测点值不能为负数，如果不满足要求，则进入d)，否则，继续进行后续检查；
步骤223：检查测点值是否为无效值或空值。在测点数据上传的过程中，存在一些无效值或者空值，比如：温度类测点值为中文字符或者为空，测点质量值为空等，如果测点值为无效值或空值，则进入d)，否则，进行后续处理流程；
步骤224：测点值异常情况处理。如果发现超出正常范围、逻辑上不合理的数据，则对其进行纠正或者丢弃处理；如果发现测点值为无效值或空值，对于无效值，将该条数据进行丢弃，如果出现空值，则使用默认值进行填充，比如：如果测点质量值为空，如果测点值有效，则将其质量值置为0(符合质量要求)。
步骤23：对测点名称进行转换，按照电厂侧测点名称编码和核电工业互联网平台测点名称编码映射规则，将电厂侧测点名称转换成核电工业互联网平台上的测点名称，测点名称转换规则如下：
核电工业互联网平台时序数据测点编码由电厂编码，分隔符，电厂侧时序数据测点编码组成；
时序数据测点编码只能使用字母、数字和下划线，且只能以字母开头；
分隔符使用下划线“_”；
如果映射后的时序数据测点编码中存在中划线“-”，需将中划线替换成下划线。
核电工业互联网平台时序数据测点编码中各部分的字符长度限制如表1所示：
表1核电工业互联网平台时序数据测点编码各部分字符串长度限制
| 时序数据测点编码组成部分 | 字符串最大长度 |
| 电厂编码 | 2 |
| 电厂侧测点编码 | 32 |
其中，电厂名称与电厂编码对应信息如表2所示。
表2电厂名称和电厂编码对应表
电厂侧测点与核电工业互联网平台测点转换示例如下：
电厂：福清核电
机组：5号机组
电厂侧测点编码：5RCV002MI_WH01
则核电工业互联网平台中对应的测点编码应为：FQ_5RCV002MI_WH01。
步骤24：对时序数据进行降频和降维处理。数据降维方面，使用特定的数据降维算法，比如：主成分分析算法、局部线性嵌入算法等将原始高维空间中的数据点映射到低维度的空间中，减少冗余信息和噪音信息，降低数据的规模。数据降频方面，对高频时序数据和普通时序数据分别进行处理，数据降频处理方式如图4所示，处理方式如下：
步骤241：对于高频时序数据，首先要在电厂侧的边缘服务器中进行厂侧计算分析处理，分析处理完成后，将特征值或者分析处理后的结果通过MQTT传输至核电工业互联网平台中。比如，对于设备振动数据，只传输计算得到的特征值及频谱分析结果；
步骤242：对于普通时序数据，进行降采样后再传输。比如，对于PI***中的数据，根据业务需要，可以降采样到分钟级进行传输。
步骤25：对时序数据进行压缩处理。根据数据规模以及电厂侧与核电工业互联网平台数据中心侧之间的商网带宽实际情况，判断是否需要将发送至核电工业互联网平台中的数据进行数据压缩处理进行数据压缩，如果发送数据占用带宽超过商网带宽的10％，需要进行数据压缩处理。可以采用特定的压缩算法进行压缩，比如：Gzip、Snappy、zlib等。
步骤3：将处理后的数据以MQTT协议或者Kafka协议接入核电工业互联网平台的MQTT服务器或者Kafka中，数据以二进制或JSON数据包方式进行传输；
如图5所示，主要包括以下步骤：
步骤31：边缘服务器对时序数据进行清洗、转换、降维、压缩处理，处理完成后根据数据规模评估数据传输占用带宽的情况；
步骤32：如果采用JSON数据包进行传输时占用带宽小于商网带宽的10％，可以采用JSON数据包的方式进行实时数据传输；
步骤33：如果采用JSON数据包进行传输时占用带宽大于或等于商网带宽的10％，需采用二进制数据包的方式进行实时数据传输。
步骤4：核电工业互联网平台侧接收时序数据并将解析后得到的时序数据信息写入时序数据库中心。
如图6所示，主要包括以下步骤：
步骤41：时序数据从边缘侧进入平台侧的MQTT服务器中；
步骤42：如果数据是直接进入MQTT服务器，要将MQTT服务器作为消息生产者，将数据写入Kafka集群；
步骤43：Flink程序作为消息消费者，接收Kafka中的消息，接收后，对消息进行解包、解压、解码、和数据标准化处理；
步骤44：如果处理的数据是高频时序数据，使用Flink程序将其写入HBase数据库中，否则，将其写入平台侧时序数据库中。
本发明的主要优点如下：
本发明考虑了时序数据中的高频时序数据接入和普通时序数据接入两种场景，针对不同的时序数据类型，制定相应的接入方式；
边缘网关数据进入边缘服务器之前需通过单向网闸，可以有效保证数据传输的安全性；
针对高频时序数据规模较大的特点，在电厂侧边缘服务器中进行高频时序数据的计算、处理和分析，只将特征值和分析结果上传至核电工业互联网平台中，进一步降低了对带宽的占用；
时序数据接入时，可以采用JSON和二进制方式数据包，让用户可以自行选择合适的数据包格式；
提供了多种数据压缩算法供用户选择，一方面可以让用户根据实际业务需求，选择合适的压缩算法；另一方面，能够进一步降低时序数据传输时网络带宽的占用率；
时序数据接入核电工业互联网平台之后，数据包的解压、解包和写入数据库操作由平台自动完成，无需相关的开发工作。
Claims (5)
1.一种核电工业互联网平台时序数据实时接入方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采集传感器数据或者PI***数据，将其传输至进入边缘服务器；
包括：
步骤11：传感器从现场设备采集设备时序数据，首先将数据传输至边缘网关中，边缘网关将工业现场协议转换成MQTT协议；
步骤12：边缘网关将进行协议转换后的数据传输至安全网闸中；
步骤13：安全网闸将数据传输至边缘服务器中；
步骤14：如果是从PI***中采集时序数据，直接将采集到的数据传输至边缘服务器中；
步骤2：边缘服务器对时序数据进行缓存和数据清洗、数据转换、数据降频、降维和数据压缩处理；
包括：
步骤21：边缘服务器在接收到边缘网关发送来的时序数据后，将原始数据存储在本地时序数据库中；
步骤22：对时序数据进行数据清洗，根据中心侧时序数据存储要求设计清洗规则；
步骤23：对测点名称进行转换，按照电厂侧测点名称编码和核电工业互联网平台测点名称编码映射规则，将电厂侧测点编码转换成核电工业互联网平台上的测点编码；
步骤24：对时序数据进行降频和降维处理；
包括：
步骤241：对于高频时序数据，首先要在电厂侧的边缘服务器中进行厂侧计算分析处理，分析处理完成后，将特征值或者分析处理后的结果通过MQTT传输至核电工业互联网平台中；
步骤242：对于普通时序数据，进行降采样后再传输；
步骤25：对时序数据进行压缩处理；
步骤3：将处理后的数据以MQTT协议或者Kafka协议接入核电工业互联网平台的MQTT服务器或者Kafka中，数据以二进制或JSON数据包方式进行传输；
包括：
步骤31：边缘服务器对时序数据进行清洗、转换、降维、压缩处理，处理完成后根据数据规模评估数据传输占用带宽的情况；
步骤32：如果采用JSON数据包进行传输时占用带宽小于商网带宽的10%，采用JSON数据包的方式进行实时数据传输；
步骤33：如果采用JSON数据包进行传输时占用带宽大于或等于商网带宽的10%，需采用二进制数据包的方式进行实时数据传输；
步骤4：核电工业互联网平台侧接收时序数据并将解析后得到的时序数据信息写入时序数据库中心。
2.如权利要求1所述的一种核电工业互联网平台时序数据实时接入方法，其特征在于：所述的工业现场协议包括ModBus、RS-232、HART。
3.如权利要求1所述的一种核电工业互联网平台时序数据实时接入方法，其特征在于，所述的步骤22包括以下步骤：
步骤221：根据时序数据中的测点名称，确定其测点类型；
步骤222：根据每种类型测点的合理取值范围，检查测点数据是否满足要求；如果不满足要求，则进入步骤224，否则，继续进行后续检查；
步骤223：检查测点值是否为无效值或空值，如果测点值为无效值或空值，则进入步骤224；
步骤224：测点值异常情况处理，如果发现超出正常范围、逻辑上不合理的数据，则对其进行纠正或者丢弃处理；如果发现测点值为无效值或空值，对于无效值，将该数据进行丢弃，如果出现空值，则使用默认值进行填充。
4.如权利要求1所述的一种核电工业互联网平台时序数据实时接入方法，其特征在于，所述的步骤25包括以下：
根据数据规模以及电厂侧与核电工业互联网平台数据中心侧之间的商网带宽实际情况，判断是否需要将发送至核电工业互联网平台中的数据进行数据压缩处理进行数据压缩，如果发送数据占用带宽超过商网带宽的10%，需要进行数据压缩处理，采用Gzip、Snappy或zlib压缩算法进行压缩。
5.如权利要求1所述的一种核电工业互联网平台时序数据实时接入方法，其特征在于，所述的步骤4包括以下步骤：
步骤41：时序数据从边缘侧进入平台侧的MQTT服务器中；
步骤42：如果数据是直接进入MQTT服务器，将MQTT服务器作为消息生产者，将数据写入Kafka集群；
步骤43：Flink程序作为消息消费者，接收Kafka中的消息，接收后，对消息进行解包、解压、解码、和数据标准化处理；
步骤44：如果处理的数据是高频时序数据，使用Flink程序将其写入HBase数据库中，否则，将其写入平台侧时序数据库中。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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