近日，在National Instruments(美國國家儀器公司，以下簡稱NI)于上海舉辦的NIDays 2017上，中車青島四方在Keynote環(huán)節(jié)分享的案例備受矚目，其采用由NI與北京天澤智云科技有限公司(以下簡稱天澤智云)共同研發(fā)的基于NI InsightCMTM以及CompactRIOTM架構的高鐵PHM(Prognostics Health Management，故障預測與健康管理)車載樣機，而這一PHM系統(tǒng)在實驗室的臺架實驗中準確率高達90%，并將率先應用在高鐵軸箱軸承部件的預測性維護場景中!
致力節(jié)省數(shù)十億，這個NI平臺搭建的高鐵PHM系統(tǒng)有點牛!
隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，中國智能制造2025、美國先進制造伙伴計劃、德國工業(yè)4.0等一系列國家戰(zhàn)略的提出與實施，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(Industrial Internet of Things，以下簡稱IIoT)應運而生，成為全球工業(yè)體系智能化變革的重要推手。根據(jù)IDC對2016年全球物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)支出的相關統(tǒng)計，前3大支出行業(yè)——制造業(yè)、交通運輸業(yè)和公用事業(yè)均為IIoT的子行業(yè)，并伴隨IIoT在未來幾年的爆發(fā)增長趨勢，呈現(xiàn)巨大的市場潛力。
圖1：IDC對2016年全球物聯(lián)網(wǎng)前3大行業(yè)支出的統(tǒng)計
中國高鐵的創(chuàng)新舉世矚目算是其中的代表案例，“復興號”高達350公里時速正式運營，標志著中國成為世界高鐵商業(yè)運營速度最高的國家。據(jù)相關數(shù)據(jù)表明，截止2016年底中國投入運行的高鐵數(shù)量達到了2586列，其中43%是由中國中車青島四方機車車輛股份有限公司(以下簡稱中車青島四方)生產(chǎn)制造。
圖2：中車青島四方張志強主任闡述與NI、天澤智云合作的高鐵案例
據(jù)中車青島四方、國家工程實驗室試驗部主任張志強介紹，“在現(xiàn)有的運營規(guī)模下，高速動車組每年將產(chǎn)生數(shù)十億元的維修費用，這對高鐵的可持續(xù)發(fā)展形成了很大的負擔與財務費用?！币援斍案哞F軸箱軸承的運維為例，當軸箱軸承經(jīng)過不同里程的磨損后，采用的是無差別對待的定期多級維修方式(如一級修、二級修、三級修等)，從而產(chǎn)生了大量的維修冗余和費用。因此，作為IIoT交通運輸業(yè)的關鍵一環(huán)——高鐵系統(tǒng)從“周期性的定期多級維修方式”轉向“狀態(tài)監(jiān)測和可預測維修方式”就顯得尤為必要。
預測性維護方案通過對車輛的安全性能、動力性能和整車的運行性能、安全舒適度進行監(jiān)測。只要軸箱軸承的相關參數(shù)處于安全的范圍之內(nèi)、性能狀態(tài)指標不發(fā)生惡化，即無須進行周期性檢修，從而節(jié)省了一大筆的維修成本。“這就是為什么中車青島四方選擇與PHM領域處于領先地位的NI和天澤智云開展深度合作的原因!”張志強透露，“基于NI平臺搭建的高鐵軸箱軸承預測性維護方案預計在2018年初正式裝車使用，這在中國IIoT應用中處于十分領先的地位!”
“IIoT是NI一直持續(xù)關注的方向，如最新基于TSN技術的平臺系統(tǒng)，在IIoT領域的預測性維護場景中優(yōu)勢十分顯著。” NI全球技術與市場總監(jiān)Rahman Jamal在NIDays期間接受媒體專訪時這樣說道。事實上，NI面向工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)市場正在持續(xù)發(fā)力，推出新的產(chǎn)品與解決方案，如早期發(fā)布的InsightCMTM平臺、最新推出的SystemLink遠程系統(tǒng)管理軟件以及相關的軟件工具包等。
基于平臺化軟硬件，NI著力打造一個管理所有工業(yè)設備的端到端架構
隨著IIoT的不斷發(fā)展，IIoT在工業(yè)資產(chǎn)管理與設備維護之外，更需要通過有效的數(shù)據(jù)分析為企業(yè)提供更優(yōu)化的商業(yè)決策。這無疑對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的架構提出了新的挑戰(zhàn)!而基于NI的平臺能夠構建一個全新的端到端工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構，可用于管理所有的聯(lián)網(wǎng)工業(yè)設備。其中，NI開放的數(shù)據(jù)采集和控制平臺不僅擔任著復雜的邊緣節(jié)點，更能夠提供高質量、集中的數(shù)據(jù)管理。
首先，復雜的邊緣節(jié)點挑戰(zhàn)在于需要一個強大的處理性能來整合來自不同傳感器的多種不同類型信號，并在邊緣側進行實時的邊緣預處理和控制。因此，為保證系統(tǒng)之間的同步，需要引入全新的網(wǎng)絡功能——時間敏感網(wǎng)絡Time Sensitive Network(以下簡稱TSN)。在現(xiàn)有及未來針對于應用更加廣泛、需求更加迫切的數(shù)據(jù)采集領域，NI推出一款全新的硬件產(chǎn)品——基于TSN的CompactDAQ以太網(wǎng)機箱。這款機箱可以基于TSN技術為系統(tǒng)提供一個基于網(wǎng)絡的標準時鐘，實現(xiàn)設備之間高于微秒級別的同步。同時這款全新的以太網(wǎng)機箱內(nèi)置的開關功能能夠以菊花鏈的方式實現(xiàn)系統(tǒng)擴展，大大地減少了外部連接和系統(tǒng)的復雜性。
圖3：NI已正式推出基于TSN的CompactDAQ以太網(wǎng)機箱
同時，為實現(xiàn)集中的數(shù)據(jù)管理，NI面向IIoT領域正式發(fā)布SystemLink系統(tǒng)管理軟件。SystemLink為分布式測試、測量和控制解決方案提供了集中管理功能，具有強大的大批量部署和遠程診斷功能。在硬件方面，SystemLink可以同時支持CompactRIOTM(NI Linux Real-Time操作系統(tǒng))、PXI(Windows操作系統(tǒng))以及Windows PC等多種不同硬件平臺的連接。在部署了集中管理軟件后，通過對數(shù)據(jù)的進一步分析和挖掘，獲取有效信息和趨勢，從而導向更優(yōu)化的商業(yè)決策。
因此，NI嵌入式技術市場工程師易曦露在NIDays主題演講中亦強調(diào)，基于NI平臺構建的端到端工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構，可以為所有的工業(yè)設備、運行資產(chǎn)以及測試設備提供有效實時在線狀態(tài)監(jiān)測，帶來巨大的價值。
由點及面的平臺化策略，NI多維度全線發(fā)力IIoT
“NI通過平臺化的方式，根據(jù)客戶的實際需求，提供針對應用場景的整體解決方案。” Rahman Jamal稱，“對于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)而言，一方面是硬件，如NI CompactRIOTM平臺就屬于典型的基于FPGA和異構架構的系統(tǒng)，區(qū)別于傳統(tǒng)的PLC系統(tǒng)硬件?！?他補充道，“另一方面NI基于LabVIEW推出的一系列軟件工具包，可實現(xiàn)應用于大數(shù)據(jù)的機器學習和邊緣計算的硬件部署等?！边@是NI從產(chǎn)品層面在IIoT發(fā)力的一個維度。
圖4：NI全球技術與市場總監(jiān)Rahman Jamal(右)，天澤智云技術研發(fā)副總裁劉宗長(左)正與媒體交流
“當然，一個完善的解決方案僅僅有NI一家技術是不夠的。所以在智慧電網(wǎng)、智慧核電、智能制造等全方位工業(yè)領域，NI已經(jīng)與更多客戶開展了交流合作!而在交通運輸領域的案例，則是NI攜手中車青島四方、天澤智云開展合作。”Rahman Jamal表示，NI與各產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)合作，將加速實現(xiàn)IIoT。
當被問及與NI的合作細節(jié)時，天澤智云技術研發(fā)副總裁劉宗長分享道：“天澤智云采用NI InsightCMTM搭載CompactRIOTM的數(shù)據(jù)采集方案，在分布式在線狀態(tài)監(jiān)測方面有巨大的優(yōu)勢，比如從方案設計到測試實施的周期僅僅花了一個星期，且采集到軸箱軸承部件的數(shù)據(jù)質量非常高;為開發(fā)預測性維護用的機器學習算法，短時間內(nèi)就獲取了大量數(shù)據(jù)用于模型訓練。”同時，他補充說：“通過對NI平臺進行二次開發(fā)，能夠實現(xiàn)更多軸箱軸承等性能狀態(tài)監(jiān)測的邊緣計算功能，將有價值的信息上傳到云端，進行遠程調(diào)度和管理，從而實現(xiàn)邊緣計算與云計算的優(yōu)勢整合。”
圖5：天澤智云技術研發(fā)副總裁劉宗長闡述與NI合作案例
誠然，上下游企業(yè)的合作不可或缺!但短期合作亦無法實現(xiàn)IIoT的一蹴而就，必須是長期逐步推進。對此，中車青島四方張志強表示，“三方合作是一項長期計劃。高鐵PHM可預測性維護方案在設計之初即考慮了全面開展的需求，現(xiàn)在軸箱軸承的率先實施僅僅是一個點，由點及面、逐步向前，最終實現(xiàn)高鐵整車的可預測性維護，全面實現(xiàn)IIoT的落地!”
產(chǎn)品方案和客戶合作是NI在IIoT領域布局的兩項重要舉措。Rahman Jamal總結道：“還有一個重要的舉措是NI聯(lián)合眾多領先公司共同組建IIoT實驗室。”例如位于美國奧斯汀總部的IIoT實驗室，就是NI聯(lián)合Intel、PTC、HPE以及Xilinx等一流公司組建的業(yè)界先進技術實驗室。同時，“秉承平臺化與生態(tài)化的理念， NI為上下游企業(yè)提供了針對性的系統(tǒng)解決方案，并聯(lián)手合作伙伴與客戶加速IIoT的落地，這是NI與合作伙伴一直以來的重要共識?！盢I物聯(lián)網(wǎng)市場經(jīng)理崔鵬最后說道。
關于NI
自1976年以來，NI () 一直致力于提供各種強大的基于平臺的系統(tǒng)來幫助工程師和科學家提高效率和加速創(chuàng)新，以解決全球面臨的重大工程挑戰(zhàn)。從醫(yī)療、汽車、消費電子產(chǎn)品到粒子物理等各行各業(yè)的客戶正在使用NI的集成軟硬件平臺來改善我們生活的環(huán)境。
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