基于物联网技术的大型机械设备智能管理系统开发_张寅.pdf

53SOLUTION 解决方案中国仪器仪表 CHINA INSTRUMENTATION2023年 第2期基于物联网技术的大型机械设备智能管理系统开发Development of Intelligent Management System for Large Machinery Equipment Based on Internet of Things张 寅 李 斌 杨 冬（北京市地铁运营有限公司线路分公司，北京 100082）Zhang Yin,Li Bin,Yang Dong(Beijing Metro Line Branch,Beijing 100082)摘要：随着北京地铁的快速发展，地铁运营里程数不断增加，日均客流量逐渐增大，地铁线路的维护工作日益加重，大型养路机械设备的配置数量也逐步增多。传统的纸质管理、手工台账化的管理方式已不能满足目前高效、便捷、物联的设备化管理需求。笔者公司结合“六个一”的设备信息化管理需求，基于物联网技术、4G/5G技术等，搭建了一套大型机械设备智能管理系统，以实现大型养路机械设备数字化、物联化管理。关键词：线路维护 大型养路机械 物联网技术 4G/5G技术Abstract：With the rapid development of Beijings metro,the number of operating mileage of the metro continues to increase,the average daily passenger flow is gradually increasing,the maintenance of the metro rail line is getting heavier,and the number of large railway maintenance machinery is also gradually increasing.The traditional paper management and manual record management can no longer meet the current equipment management requirements of efficient,convenient and Internet of Things.In combination with the requirements for independent management of single machine,the company has built a set of intelligent management system for large mechanical equipment based on Internet of Things technology,4G/5G technology,etc.,to realize the digitalization and Internet of Things management of large railway maintenance machinery.Key words：Line maintenance Large railway maintenance machinery and equipment Internet of Things technology 4G/5G technology收稿日期：2022-11-11作者简介：张寅（1986-），男，汉族，工科学士，高级工程师，主要研究方向为大型机械设备在线路维修和养护中的应用，具有丰富的机械设备使用经验。地铁发展迅速，线路运载能力不断提升，地铁运行的安全与稳定离不开轨道性能，这使得轨道养护维保工作压力倍增，在施工效率、施工安全和施工质量等各方面都面临巨大挑战。近年来，随着大型机械设备配置逐步完善，建立一套大型机械设备54解决方案 SOLUTION CHINA INSTRUMENTATION2023年 第2期（7）系统能实现大型机械设备发生故障时的故障信息及时反馈。（8）系统能实现大型机械设备存在周期性保养、维修操作的计划配置和定时提醒。（9）系统能实现与大型机械设备日常运维相关的物料信息管理，包括物料信息的上传存储和数据操作。（10）系统满足“一车一评估”要求，能实现各大型机械设备日常运维、油耗等的分析评估；包括作业量分析、兑现率分析和油耗分析。（11）系统能实现系统权限的动态配置，能根据公司组织架构设计有效的权限控制。（12）系统能对数据安全机制进行有效设计，保障系统数据安全。（13）系统能预留数据采集接口，为后续大型机械设备数据接入提供接口准备。2 系统架构设计2.1 系统总体架构设计系统的总体架构设计作为整个系统正常运行的基础，是系统设计最关键的部分，主要目的是确定系统的主要性能参数、技术指标及外观性状等重要参数。所以，在进行系统总体架构设计时，必须对需求充分了解，并充分考虑目前及可预见的功能和系统安全性、稳定性、扩展性等性能，确保整体架构能适配当前需求并能适应需求的调整1。本系统总体架构分为5层进行架构，分别是数据集成层、数据接口层、数据层、服务层和应用层。系统总体架构如图1所示。（1）数据采集层负责平台所需数据的集成，数据包括：设备基础台账，设备定位数据，设备随机资料、制度、预案、指导性文件数据，设备作业过程数据，设备维修、保养数据，设备故障数据，设备维保周期数据，物料数据。（2）数据接口层提供文件数据（支持Excel、Txt格式等平台可识别的文件格式）导入导出及第三方接口自动对接。（3）数据层负责各种业务数据、采集数据、文智能管理系统，实现管理数字化、资源物联化已成为笔者公司的目标。系统的建设对笔者公司发展具备科技创新、降本增效等重要意义。不仅能够提高大型机械设备全生命周期的管理效率和能力，还能通过科技创新引领笔者公司线路维修的业务创新，开拓地铁运维“智慧+管理+服务”新型业务模式。1 需求分析设计研发的系统功能是否能最大程度匹配笔者公司对大型机械设备的管理需求，取决于需求的挖掘和分析。系统需求作为系统功能的决定性因素，需求的挖掘剖析尤为重要。系统基于笔者公司大型机械设备“一车一台账、一车一制度、一车一流程、一车一视频、一车一预案、一车一评估”的管理要求，并紧密结合笔者公司线路维护的工作需求，满足以下需求：（1）系统满足“一车一台账”要求，能实现对大型机械设备的基础台账和设备随机资料的管理，如基础信息的记录，随机资料的存储、共享。（2）系统满足“一车一制度”要求，能实现大型机械设备保养制度、操作制度和设备的一一绑定及制度文件的管理，如制度文件的信息记录，文件的存储、共享。（3）系统满足“一车一预案”要求，能实现大型机械设备预案文件和设备的一一绑定及预案文件的管理，如预案文件的信息记录，文件的存储、共享。（4）系统满足“一车一流程”要求，能实现大型机械设备日常作业的全过程数据的管理，如作业计划的新增、按部门下发，作业计划因故取消的整套流程，作业完成后的反馈数据的上传管控；实现一车一作业流程的全记录和指定查询。（5）系统满足“一车一视频”要求，能实现各大型机械设备具有指导性的指导文件和教学视频的管理，如作业指导书、教学视频的文件信息记录，文件的存储、共享。（6）系统能实现大型机械设备日常保养、维修过程数据的记录管理。55SOLUTION 解决方案中国仪器仪表 CHINA INSTRUMENTATION2023年 第2期理、物料管理、综合分析和系统管理8个模块。系统软件架构如图2所示。2.3 网络架构设计系统网络架构设计主要包括网络环境和服务器支撑环境，系统设置1台服务器，用于数据存储及功能应用部署，同时开放公网数据接入端口，供设备定位信号及移动App应用接入。试点项目部，PC端应用通过地铁公司内网，互联互通。系统网络架构设计如图3所示。3 系统设计实现由于系统的使用对象具有“多部门、多职能”的工作特点，且应用场景复杂，系统根据不同使用对象和应用场景，搭建了两套应用软件；分别是基于PC端浏览器的应用网站和基于移动端的应用App。件的存储。本系统中数据主要存储在MySQL中，以及文件存储。其中Mysql提供结构化数据的存储，FastDFS用于存储文件格式的数据。（4）服务层为应用层提供基础台账数据管理服务、制度管理服务、预案管理服务、作业管理服务、维修保养管理服务、故障数据管理服务、维保周期管理服务和物料管理服务等。（5）应用层包括基于浏览器的客户端应用和基于移动端的App应用，主要提供设备基础台账管理、定位管理、制度管理、预案管理、作业管理、维修保养管理、故障信息管理、维保周期管理、物料管理、综合分析等用户交互应用。2.2 软件架构设计系统软件架构设计基于需求分析，主要分为数据大屏、基础台账、制度管理、作业管理、维保管图1 系统总体架构56解决方案 SOLUTION CHINA INSTRUMENTATION2023年 第2期3.1.2 数据级权限设计数据级权限管理主要是在功能级权限的基础上，通过功能级权限判断各功能页面中的数据的展示范围和数据操作按钮的显示隐藏。系统数据级权限管理由于系统两个应用软件的数据级权限各有不同，需分别配置，故系统数据级权限为内置权限，未做可视化配置。（1）PC端网站数据级权限设计考虑PC端网站使用对象的不同，并存在多侧重点展示的需求，PC端网站在确定系统功能模块的基础上，基于功能级权限，对同一功能划分两个维度进行功能展示，分别为调度维度和设备维度。其中，具有“调度”功能权限的用户对两个维度的功能均可使用，具有“作业部”功能权限的用户可使用设备维度的功能。调度维度功能基于当前公司所有设备的数据，包括“六个一”要求的功能数据的展示，和其他功能的数据录入、编辑等。设备维度功能基于登录人员所在作业部管辖的某一台设备，包括“六个一”要求的功能数据的增删改查，和其他功能的数据展示。（2）移动端App数据级权限设计考虑移动端App的应用场景，移动端App在登录后，所有功能均先对登录用户的功能及权限进行3.1 权限设计考虑系统使用对象的工作特点和两个应用软件使用场景，系统权限设计有功能级权限设计和数据级权限设计。3.1.1 功能级权限设计功能级权限管理主要从系统管理层面出发，让系统的“管理员”给用户分配角色，用户通过角色绑定可操作的功能列表，使用列表中的平台功能。系统配置有的功能级权限主要分为3大类，分别是调度权限，作业部权限和系统管理员权限。系统支持权限调整，但不支持权限删除，避免已绑定该角色的用户无权限对应，无法使用平台。图 2 系统软件架构图3 系统网络架构57SOLUTION 解决方案中国仪器仪表 CHINA INSTRUMENTATION2023年 第2期（2）移动端App功能设计移动端App通过顶部标题栏、底部标签栏和中部内容区域进行功能展示，主要执行系统各功能的数据展示操作和设备定位功能的定位录入、故障上传功能的故障上传操作。基于移动端App的权限设计，用户登录App后，软件后台自动记录该用户的功能权限，并跳转到“主页”，首页金刚区聚合App八大核心功能入口，排列展示App的八大功能入口，标签栏聚合“首页”、“个人中心”和App两大核心功能入口。其中，涉及除“一车一流程”外的其他“五个一”管理要求的功能，在点击功能入口后，均会跳转到设备选择页面，设备选择页面展示的设备信息，将会根据后台记录的用户功能权限，展示该权限可见的作业部对应的设备信息。在选择设备后，即可跳转到功能入口对应的功能页面，展示选中设备的对应功能。涉及“一车一流程”和其他未做“一车一管理”要求的功能，App将会直接根据后台记录的用户功能权限进行权限可见的功能数据展示。3.3 数据库设计数据库设计基于系统功能需求和软件架构，通过对数据库概念结构、逻辑结构、物理结构的依次设计，最终生成支撑系统功能的数据库。PC端网站和移动端App的功能共用1套后台服务和1套数据库，所以在进行数据库设计时，需充