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泛在电力物联网分析—架构形式

国家电网公司在2019年3月7日发布了泛在电力物联网建设大纲,对于电力物联网的建设和发展进行了工作部署。根据文件内容,通过三年攻坚,到2021年初步建成泛在电力物联网;通过三年提升,到2024年建成泛在电力物联网。本文以大纲中提供的信息来分析泛在电力物联网的架构形式。

泛在电力物联网的架构形式同其他形式的物联网系统一样,分为4层,分别为:感知层、网络层、平台层和应用层,因为平台层为整个物联网系统的核心,所以通常来说,以平台层为界限,往上至应用层的方向称为北向,往下至感知层的方向为南向,而平台层又会被称为中台。

感知层

感知层是物联网系统4层的最底层,也是北向上层结构的基础。其主要的功能为负责信息采集和信号处理。通过感知识别技术,让物与物通过网络连接,这是物联网区别于其他网络的最独特的部分。

感知层目前面临的最大的困难是现场设备终端种类众多,造成终端的操作系统不统一,而终端提供的数据和信息在到达平台层之前需要经过网关来进行区域信息的整合和边缘计算处理。没有一个统一的终端设备操作系统对于数据的清洗、加密、编码、解码和权限控制等必须的处理手段都会造成影响。

从国家电网的大纲中可以明确看到,对于感知层的几个要求首先是“实现终端标准化统一接入”这个标准化主要指的就是操作系统的标准化。物联网操作系统和一般的操作系统不同的地方在于需要满足轻量级、低功耗,快速启动等特性,支持多传感协同,同时支持多架构处理器,有统一的应用开发平台,支持长短距连接,实现全连接覆盖。

其次为“通信、计算等资源共享”,物联网终端数据的种类包括结构化数据和半结构化数据,又以半结构化的数据为主,如JASON格式、XML格式等,由于需要保证传输安全和区分不同设备的原因,这些呈现为文件形式的数据在北向传输至平台层后,平台层需要有一个解码过程来读取数据内容,而平台层南向将控制信息下发到终端时,需要将数据文件编码成机器语言。因此编码和解码的规范将会成为通信、计算等资源能否共享的关键。

最后大纲的要求为“在源端实现数据融通和边缘智能。”,由于泛在电力物联网的终端设备数量极其庞大,数据即呈现强时序的特性也有时空的属性,因此如果计算都在平台层进行处理,会对服务器集群产生极大的压力,利用边缘计算在网关处理一些区域化的计算任务是减轻平台层服务器集群计算压力的很好手段,在感知层就完成了部分数据和信息的整合处理。

网络层

网络层的作用为通过现有的互联网、移动通信网、卫星通信网等基础网络设施,对来自感知层的信息进行接入和传输。在物联网系统中网络层接驳感知层和平台层,具有强大的纽带作用。

大纲内并未提及网络层的具体要求,因为网络层不管是哪种通讯协议,都有很明确的规范,在传输方式上,有线无线共有十几种,有线的包括最常用的RS485、PLC(电力载波通信)等,无线的包括ZIGBEE、LORA、NB-IOT和LTE等,在泛在物联网中都有可能用到,具体用何种形式的传输方式需要根据设备与平台或者网关的距离、功能、对功耗的要求等来进行选择。但是从大纲附件的课题中可以发现,PLC(电力载波通信)是泛在电力物联网中研究的重点,其工作方式是以高频将信息和数据通过电流进行传输。在物联网传输协议上,MQTT协议和COAP协议已经成为了公认的物联网通讯协议,有明确的规范可以遵循。

平台层

从平台层的要求来看,国家电网对于泛在电力物联网平台的未来规划会和目前大型的互联网公司一样采用大中台。在服务器集群或者数据中心的环境下,平台层的作用为将网络内海量的信息资源通过计算力整合成一个可互联互通的大型网络,解决数据存储、检索、使用、挖掘和安全隐私保护等问题。平台层位于感知层和网络层之上,处于应用层之下,是物联网的核心。通常把物联网应用冠以“智慧”的名称,其中的智慧就来自于这一层。

应用层

应用层是物联网系统的用户接口,位于架构的最顶端,通过分析处理后的数据为用户提供丰富的特定服务。应用层接收平台层传来的信息,并对信息进行处理和决策,再通过平台层和网络层南向发送信息以控制感知层的设备终端。应用层可以是以网站的形式存在,也包括APP、公众号、小程序等方式,只要涉及到人机互动的都可以归入应用层的范围。

根据大纲对于应用层的对象划分,分为面向内部对象的业务和外部对象的业务,特别对于外部对象的业务,又细分为很多产品,不同的产品实现不同的功能,其实对于应用层的要求已经非常明确,就是“依托企业中台,共享平台服务能力,支撑各类应用快速构建”。只有做到一个大中台,才能达到所有业务所需要的下游数据信息来自同一个平台,才能支撑快速构建应用的需要。

根据泛在电力物联网建设大纲,分析下4层结构的特点和要求可以发现,平台层建设为统一的大中台的速度直接关系着泛在电力物联网的建设成果。因为感知层包括操作系统、硬件和网关的选择和统一可以和平台层的建设同时进行,并且由于感知层的终端会通过网关进行初步整合所以感知层的建设是并行式的,而平台层的建设即使采用分区域的并行建设方式也无法像感知层分得那么细,而最上层应用层的业务产品和功能能否做到大纲提出的要求也完全取决于平台对于数据的整合能力,所以对于泛在电力物联网的建设过程需要特别关注平台层的建设进度。

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