北斗时空数据在工业领域的应用实践.pdf
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1、特别报道 Special ReportIM12 2024年第2期工业大数据Industrial Big DataSpecial Report 特别报道IM 2024第2期 13投稿网站:工业大数据Industrial Big Data自2020年工信部发布关于工业大数据发展的指导意见以来,针对工业大数据的工作推进机制、资金人才支持和国际交流合作等相关政策不断建立和完善,工业大数据从探索起步阶段迈入纵深发展阶段,进入快速发展的机遇期。工业大数据作为工业与数字经济之间的桥梁纽带,对加快工业数字化转型、推进数实融合、支撑新型工业化建设意义重大。IM主题策划 Theme Plan14 2024年第2期
2、北斗时空数据在工业领域的应用实践李霖,史劼,张红军,姜元*(中国工业互联网研究院,北京 100102)摘要:时空数据是基于统一时空基准、与位置直接或间接相关联的时空信息要素,在工业场景定位中发挥重要作用。针对当前工业场景中设备空间感知弱、空间数据精度低、时间不同步等问题,本文构建了基于北斗时空数据的工业互联网平台,探讨了利用北斗卫星导航系统进行全天时全天候定位、授时和数据传输,实现自主可控的工业互联网系统和应用。具备高精度时空属性的工业互联网平台,已在智慧化工园区、自动化集装箱码头、船只海运管理等应用场景发挥重要作用,将有效助力我国制造业高端化、智能化、绿色化发展,加快推动新型工业化进程。关键
3、词:工业互联网;时空数据;北斗卫星导航系统;数据管理中图分类号:TN919.3文献标志码:A1引言当前全球新一轮产业变革蓬勃兴起,与我国制造业转型升级形成历史性交汇。与此同时,以云计算、大数据、物联网、移动计算、人工智能和区块链技术为代表的数字化浪潮席卷全球,与工业制造深度融合,工业互联网应运而生并迅猛发展1-3。工业互联网作为新一代信息技术与制造业深度融合的产物,正在成为各国产业竞争的新焦点。工业互联网平台是工业互联网的中枢,以智能技术为主要支撑,面向制造业数字化、网络化、智能化发展的需求,通过连接工业全要素、全产业链、全价值链,构建基于云平台的海量数据采集、汇聚、分析服务体系,支撑制造资源
4、泛在连接、弹性供给、高效配置,正在催生出一系列产用融合、制造与服务融合、资源协同、共创分享的新业态新模式,成为产业升级和经济高质量发展的新引擎4。我国工业互联网平台在国家政策引导下进入快速发展的阶段,但也面临一些发展问题和关键制约。一是工业设备、系统及产品的空间位置感知弱,主要表现在空间数据精度不足、空间位置感知弱。二是工业系统时间准确度不够,不同设备间时间不同步,不同系统间时间和数据不同步。三是多源传感器接口、通信协议不统一,影响设备互联互通。为实现大规模推广应用,工业互联网亟需突破现有技术瓶颈。我国北斗卫星导航系统逐渐成熟,成为继美国的全球定位系统(Global Positioning S
5、ystem,GPS)、俄罗斯基金项目:国家重点研发计划(2022YFB2702800);国家重点研发计划(2021YFB3301500)*通信作者:姜元投稿网站:Theme Plan 主题策划IM 2024年第2期 15的格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)之后第三个成熟的卫星导航系统5,已经初步具备区域导航、定位和授时能力。基于北斗卫星导航系统的北斗时空数据正逐渐落地应用于各个工业应用场景,可以赋能工业生产数据时空属性,以时空基准作为工业大数据管理的主键,还能够实现工业场景中不同类型、不同协议的设备边缘层数量柔性接入6,有效解决工业互联网平台现存需求和问题,释放平台发展潜能,为产业转型升级
6、提供了新动力。因此利用我国自主研发设计、独立运行的北斗卫星导航系统,构建北斗时空工业互联网平台,对于我国工业融合创新发展和自主可控至关重要7。2北斗时空工业互联网平台北斗时空工业互联网平台基于工业互联网、北斗技术,融合工业互联网数据和北斗数据,提供工业互联网+北斗的应用服务,可有效弥补已有工业互联网平台空间数据精度不足、时间数据准确度不够、工业设备或产品空间位置感知弱的瓶颈,促使工业互联网企业专注于模型算法、业务流程、人机交互和用户体验。北斗时空工业互联网平台总体架构设计遵循工业互联网体系架构 2.0 建设纲要,采用“四横两纵”式的云服务体系结构。边缘层包括网络通信层及数据集成和边缘处理技术组
7、件。通信层由 4G/5G、NB-IoT/LoRa、互联网、卫星通信、企业专网等构成。数据集成和边缘处理技术组件包含设备接入、协议解析和边缘数据处理。边缘层之上有三层,分别是基础设施层IaaS、平台服务层 PaaS、应用层 SaaS。北斗时空工业互联网平台架构如图 1 所示。图 1北斗时空工业互联网平台架构IaaS 为用户提供计算资源、存储资源和网络资源,并对资源进行监控、部署、管理、调度和控制等管控。PaaS 为用户提供在线平台开发。北斗时空基准服务组件、工业数据建模和分析组件即位于该层,包括 GIS服务、高精度分级位置服务、北斗综合位置服务和高精度授时服务等模块。此外,PaaS 层还包括工业
8、数据建模和分析组件、应用开发服务技术组件、数据管理技术组件和平台使能技术组件。IM主题策划 Theme Plan16 2024年第2期SaaS 为用户提供软件服务,实现业务示范应用和平台对外展示。具体包括化工园区示范应用、港口海运示范应用、整船运输示范应用和其他工业示范应用,以及平台业务管理系统。平台两纵由安全体系、标准体系构成。安全体系包括网络安全、设施安全、数据安全、应用安全及访问安全。标准体系包括行业数据标准、数据服务接口标准、数据接入标准和平台建设标准。北斗时空工业互联网平台基于工业互联网、北斗技术,融合工业互联网数据和北斗数据,提供工业互联网+北斗的应用服务,有效弥补已有工业互联网平
9、台空间数据精度不足、时间数据准确度不够、工业设备或产品空间位置感知弱的瓶颈,促使工业互联网企业专注于模型算法、业务流程、人机交互和用户体验。3北斗时空数据接入和管理规范3.1数据接入流程(1)接入框架基于高精度定位授时服务的北斗时空工业互联网平台由数据接入服务、数据处理服务等相关服务组件组成,高精度导航定位终端的定位、授时数据接入到北斗时空工业互联网平台后,由平台对接入数据进行处理,为应用系统提供 GIS 服务数据、业务数据和终端/设备数据,支撑北斗时空基准服务组件对外提供高精度分级(亚米级、厘米级、毫米级)位置服务、高精度授时服务等。外部终端/设备与北斗时空工业互联网平台之间的数据传输满足
10、GB/T 370182018 和 GB/T 370192018 等要求。北斗时空数据接入框架如图 2 所示。图 2北斗时空数据接入框架图(2)接入原则其中平台数据接入须遵守规范化、安全性、保密性三大原则。一是接入平台的设备应具备标准化产品功能,并通过相关主管单位的产品质量认定;二是设备工作应处于稳定运行状态,保证数据传输过程安全、完整;三是设备数据应具备安全保密协议,通过授权方可使用,防止非法授权。(3)基本要求北斗时空工业互联网平台数据接入的基本要求为:1)设备要求:设备应配备硬件通信模块,具备在室外环境下实时定位功能,支持 RTCM 标准协议;2)设备状态:应能实时监测终端状态,并给出相应
11、的视觉和(或)音响提示信息;3)安全授权:接入北斗时空工业互联网平台的设备,应通过平台安全授权;4)数据接口:至少提供一个数据接口,以便于与外部设备进行数据通信;5)数据要求:在室外环境下支持实时定位;6)传输要求:支持 3G、4G、5G、NB-IoT 网络、北斗短报文通信方式中的一种或者多种。(4)接入流程各类设备接入北斗时空工业互联网平台的通用接入流程如图 3 所示。投稿网站:Theme Plan 主题策划IM 2024年第2期 17图 3通用接入流程设备接入北斗时空工业互联网平台,需要将设备推送数据目的参数指向平台,然后申请将终端唯一识别号入库到平台,最后由平台完成终端协议解析、数据处理
12、,即完成接入。用户通过注册平台账号、绑定完成接入的设备即可以获取相关的数据。该流程环节涉及四种角色:1)应用开发者:负责在本地开发应用程序、打包生成程序包等;2)应用运维者:负责应用的创建、启动和停止,应用部署过程中负责将程序包与中间件进行绑定、上传代码及生成 APP 等操作;3)应用服务管理者:负责使用中间件服务接入、服务申请创建和服务绑定等操作,并可对已有服务的运行状态进行监控;4)应用监管者:负责监测应用网络流量、访问用户量、CPU运行状态、内存资源占用情况和应用健康情况等,可对应用的监控报警进行设置,实现应用自动启停。相关角色在不同阶段进行不同操作步骤,首先开发人员在本地使用开发类接口
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- 北斗 时空 数据 工业 领域 应用 实践
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