CN112306779B - 一种开放式旋转机械监测平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开放式旋转机械监测平台，它包括开放式硬件平台、可重构软件两个层面，其中开放式硬件平台是信息处理中心，采用符合国际规范的开放式体系架构和接口标准，采用高速RapidIO数据交换、1Gbps以太网控制数据交换的两层数据全交换模式，可实现硬件平台的全互连；采用IPM监测各模块的状态以及对机箱温度智能管理。本发明采用设计了一种应用于旋转机械状态监测的开放式体系，能够支持系统各个硬件模块的互联互通，可升级、可扩展方面极大提高；软件设计采用应用软件与底层硬件解耦合方式，支持系统功能重构、应用功能即插即用。

Description

一种开放式旋转机械监测平台

技术领域

本发明属于计算机领域，适用于旋转机械状态的监测，实现采集数据的高速、可靠传输和计算等。具体涉及一种开放式平台体系。

背景技术

现代机械工程中的机械设备朝着大型化、重载化和高度自动化等方向发展，同时也出现了大量的强度、结构、振动、可靠性以及材料和工艺等问题，设备损坏事件时有发生。当机械设备即将出现故障和出现故障时，它无法像人一样通过语言来表达，因而得不到及时的维护维修，最终可能导致装备的损坏甚至报废。据统计，大型旋转机械装备全寿命周期的使用和保障费用占总费用的72％，装备保障费用日益庞大，经济可承受性不可回避。为此，围绕着提高装备运行安全性、任务可靠性、降低设备生命周期成本(LCC)的专业需求，通过采集各类传感数据(环境数据、性能数据、状态数据等)，采用信息处理平台，建立旋转设备健康管理工业互联网，具有现实意义。

传统的信息处理平台研制开发方式带来的主要问题具体表现在三个方面，一是信息处理平台采用相对封闭的体系结构，设备间的兼容性和通用性较差，维修保障困难；二是信息处理平台计算功能与硬件绑定，系统升级改造难以通过软件重构实现；三是信息处理平台研制面向硬件，研制周期长、资源消耗大、研制费用高。

本发明采用开放式理念设计一种信息处理平台体系，满足高速实时计算任务的计算要求，实现处理系统资源共享、协同工作和按需处理。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种开放式旋转机械监测平台，通过软/硬件设计实现了一种开放式平台体系，满足了旋转机械状态实时监测的需求。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种开放式旋转机械监测平台，包括硬件和软件两个方面：硬件平台采用开放式设计，通过总线和协议的标准化，实现监测系统各个硬件模块的互联互通，可升级、可扩展；软件采用可重构设计，通过实现应用软件与底层硬件解耦合，以及中间件技术，实现系统功能重构、应用功能即插即用。

所述开放式硬件平台，采用符合国际规范的开放式体系架构和接口标准，便于功能模块的在线升级；所有计算节点通过高速总线连接，通过对不同计算节点功能进行划分，实现不同模式下的信息处理硬件重构，使系统能快速完成各类计算任务；增加系统设计的灵活性，支持任务可迁移、功能可重组、系统可重构。

可选的，开放式硬件平台由刀片服务器内插计算刀片、交换刀片、采集刀片组成，所有刀片均遵照标准进行加固设计，以使系统具备抗恶劣条件工作的特性。

进一步，开放式硬件平台基于标准总线协议，采用网络高速数据交换和灵活的拓扑结构，满足不同任务实时、高效的数据传输及交换需求，实现系统的柔性扩展。

进一步，开放式硬件平台的硬件层采用高速RapidIO数据交换、1Gbps以太网控制数据交换的两层数据全交换模式，实现硬件平台的全互连。其中RapidIO数据交换网络是数据交换的数据通道，用于实现平台内部模块间大容量数据交换；1Gbps网络是控制通道，用于管理、控制和系统资源监控等功能，包括内部计算节点的回波和中间处理数据的交换和分发；

进一步，采用IPMI(智能平台管理总线)监测各模块的状态以及对设备状态的智能管理。

进一步，开放式硬件平台基于高速总线和标准协议全互连架构，各计算节点相互独立；各扩展平台通过标准总线和接口实现数据交互，实现系统扩展与重构。

所述可重构软件，其处理平台为适合并行计算、结构上可灵活重构的高性能刀片服务器，实现信息处理系统一体化设计，通过高速标准化总线和协议实现计算节点互联，拓扑结构灵活可变，平台可重构、扩充。

可选的，采用基于ROSA的软件化架构设计，通过软件与底层硬件解耦合，以支持系统功能重构、应用功能即插即用和系统功能扩充，方便系统递进式开发,并支持用户二次开发。

可选的，采用中间件和软总线技术以支持软件的即插即用，适应了系统多功能多任务部署、软件升级换代、新算法新技术验证和移植等需求。

进一步，采用开放式架构，支持系统软件可扩展、可裁剪；

进一步，采用层次化的设计，各层次之间相对独立，采用松耦合设计，实现应用层与底层软硬件解耦。

可选的，可重构软件架构包括应用构件层、系统管理层、软总线、中间件层、基础软件层，所述应用构件层，各功能模块基于软总线(模块构件化集成框架)进行集成，支持振动监测与温度监测、测量控制、算法处理等功能即插即用，面向需求快速构建，支持二次开发；所述构件层的构件采用XML语言对构件参数和构件间数据流通信接口进行描述，系统中构件可升级、可扩展；所述系统管理，为信息处理与控制提供统一的管理与调度平台，提供系统硬件资源管理、构件管理、数据管理、软件健康管理等功能，支持应用功能的动态部署可重构、负载均衡的任务调度和运行状态的实时监测；所述软总线，系统的标准化通信协议，基于发布/订阅机制，符合DDS标准，为系统各功能构件提供异步的数据读写服务，支持构件进行插接式集成，支持构件间一对多、多对一、多对多的数据通信，支持功能构件的动态加载、即插即用；所述中间件层，包含计算中间件和通信中间件，中间件对底层硬件平台的计算指令集、通信协议等硬件细节进行统一设计与封装，为上层提供标准接口服务，实现系统软硬件解耦；所述基础软件包括操作系统、数据库、硬件设备支持包等底层软件，对应用层提供基本功能服务。

进一步，相互独立的层次使得应用软件与底层硬件隔离，既屏蔽底层硬件细节差异，也为应用软件提供统一接口，实现系统的软硬件解耦。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明为一种开放式旋转机械监测平台，按开放式、软件化思想进行设计，实现系统的“多功能、自适应、可重构、易升级、灵活高效”的应用需求。平台采用开放式智能化的架构设计，从硬件平台、软件架构两个层面实现系统功能的可扩展、可重构，并支持二次开发和功能升级。

附图说明

图1为本发明的开放式旋转机械监测平台的开放式处理平台。

图2为图1中本发明的开放式软件架构图。

图3为图1中本发明的平台体系架构图。

图4为图1中本发明的开放式平台数据交换架构图。

图5为图1中本发明的智能平台管理的软件组成。

图6为图1中本发明的计算中间件框图。

图7为图1中本发明的通信中间件开发途径图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本实施例的一种开放式旋转机械监测平台开放式平台包括硬件和软件两个方面：硬件平台采用开放式设计，通过总线和协议的标准化，实现监测系统各个硬件模块的互联互通，可升级、可扩展；软件采用可重构设计，通过实现应用软件与底层硬件解耦合，以及中间件技术，实现系统功能重构、应用功能即插即用。所述开放式硬件平台，采用符合国际规范的开放式体系架构和接口标准，便于功能模块的在线升级；所有计算节点通过高速总线连接，通过对不同计算节点功能进行划分，实现不同模式下的信息处理硬件重构，使系统能快速完成各类计算任务；增加系统设计的灵活性，支持任务可迁移、功能可重组、系统可重构。所述可重构软件，其处理平台为适合并行计算、结构上可灵活重构的高性能刀片服务器，实现信息处理系统一体化设计，通过高速标准化总线和协议实现计算节点互联，拓扑结构灵活可变，平台可重构、扩充。

参照图1、3，开放式硬件平台按照层次分为应用层、平台管理、集群处理平台三层，所述应用层是面向系统功能的，包含各型传感器的采集以及旋转机械状态控制等；所述平台管理是面向自身处理功能的，包含资源池化、资源管理、任务调度等；所述集群处理平台是整个硬件平台进行信息处理的核心，由计算节点、交换节点、管理节点、存储节点组成，通过内部总线(监测总线、数据总线、管理总线)和标准协议进行互联。

可选的，开放式硬件平台由刀片服务器内插计算刀片、交换刀片、采集刀片组成，刀片服务器是基础硬件环境，可以像普通计算机一样进行工作；计算刀片用于完成对采集数据的数据清洗和规整，以及运用合理模型对数据进行深度处理得到告警、预测等信息；交换刀片用于完成数据间的交换工作；采集刀片用于完成对温度、加速度等各型传感器数据的采集工作，所有刀片均遵照标准进行加固设计，以使系统具备抗恶劣条件工作的特性。

进一步，开放式硬件平台工作于标准总线协议，比如VPX总线，数据交换采用高速网络，通过配置灵活的拓扑结构，可以满足不同任务实时、高效的数据传输及交换需求，系统的柔性扩展得到保证。具体的，采用高速RapidIO数据交换、1Gbps以太网控制数据交换的两层数据全交换模式，实现硬件平台的全互连。其中RapidIO数据交换网络是数据交换的数据通道，用于实现平台内部模块间大容量数据交换；1Gbps网络是控制通道，用于管理、控制和系统资源监控等功能，包括内部计算节点的回波和中间处理数据的交换和分发；采用IPMI(智能平台管理总线)监测各模块的状态以及对设备状态的智能管理。

进一步，开放式硬件平台基于高速总线和标准协议全互连架构，各计算节点相互独立；各扩展平台通过标准总线和接口实现数据交互，实现系统扩展与重构。

进一步，在硬件平台上部署高效的系统服务，包括系统监控、资源部署、任务调度和故障管理等，通过基于订阅/发布机制的软总线连接，便于功能的动态扩展和系统移植，实现各计算模块的协同工作和高效能计算。

参照图2，可重构软件架构包括应用构件层、系统管理层、软总线、中间件层、基础软件层，所述应用构件层，各功能模块基于软总线(模块构件化集成框架)进行集成，支持振动监测与温度监测、测量控制、算法处理等功能即插即用，面向需求快速构建，支持二次开发；所述构件层的构件采用XML语言对构件参数和构件间数据流通信接口进行描述，系统中构件可升级、可扩展。基于标准构件建立了可复用构件库，构件库按专业、领域分类管理，制定了构件入库、变更、发布、使用规范化管理，实现系统基于构件库的增量式开发。所述系统管理，为信息处理与控制提供统一的管理与调度平台，提供系统硬件资源管理、构件管理、数据管理、软件健康管理等功能，支持应用功能的动态部署可重构、负载均衡的任务调度和运行状态的实时监测；所述软总线，系统的标准化通信协议，基于发布/订阅机制，符合DDS标准，为系统各功能构件提供异步的数据读写服务，支持构件进行插接式集成，支持构件间一对多、多对一、多对多的数据通信，支持功能构件的动态加载、即插即用；所述中间件层，包含计算中间件和通信中间件，中间件对底层硬件平台的计算指令集、通信协议等硬件细节进行统一设计与封装，为上层提供标准接口服务，实现系统软硬件解耦；所述基础软件包括操作系统、数据库、硬件设备支持包等底层软件，对应用层提供基本功能服务。

可选的，采用基于ROSA的软件化架构设计，通过软件与底层硬件解耦合，以支持系统功能重构、应用功能即插即用和系统功能扩充，方便系统递进式开发,并支持用户二次开发。

可选的，采用中间件和软总线技术以支持软件的即插即用，适应了系统多功能多任务部署、软件升级换代、新算法新技术验证和移植等需求。

进一步，采用开放式架构，支持系统软件可扩展、可裁剪；

进一步，采用层次化的设计，各层次之间相对独立，采用松耦合设计，实现应用层与底层软硬件解耦。

进一步，相互独立的层次使得应用软件与底层硬件隔离，既屏蔽底层硬件细节差异，也为应用软件提供统一接口，实现系统的软硬件解耦。

进一步，参照图4，采用双冗余拓扑结构解决星形拓扑网络结构单中心节点问题，将系统互连通道分为公共通道、数据通道、控制通道、管理通道、计算通道，交换模块采用帧交换的实现方式，路由、带宽、延时可控。帧交换采用虚链路技术，完成物理层和链路层功能，为通信端口间提供专用的连接，具有低延时、高带宽的特点。

参照图5，平台管理一方面全面监测各模块的状态信息，主要为电压、温度、链路通断等健康状态，为故障诊断提供依据；另一方面，监测管理各类资源的使用信息，包括处理器使用率、内存使用率、高速链路使用率，为资源部署、负载均衡提供判据。平台管理是实现故障迁移、软硬件资源重构等高级功能的必要条件。

进一步，参照图5，采用实时的平台管理架构，使得信息处理平台能够根据计算环境快速构建不同处理模式的开放式实时综合处理系统；实现对多种传感器信息进行分布式高速数据处理融合和计算管理，同时具有较高的系统可靠性、可维护性和环境适应性。

进一步，参照图5，采用统一的资源管理机制，实现对平台计算资源、存储资源、交换带宽分配等高速传输资源的统一管理与实时监测，使得信息处理开发人员摆脱复杂的底层软硬件管理设计，只专注于核心算法开发与功能实现，提高信息处理系统的开发效率。

进一步，参照图5，采用系统级实时任务调度机制，依据应用处理特点及平台特性，将平台计算节点统一管理，通过系统级调度策略对任务进行动态部署，实现任务在计算平台上的处理性能最优化、各计算节点的负载均衡。

进一步，参照图6，计算中间件的优化方法采用VSIPL标准，兼容国际通用接口，实现标准化。在VSIPL标准基础上，对计算中间件进行性能优化，实现单核并行优化、多核并行优化以及单核/多核并行自适应择优，大幅提升计算效率。优化过程：计算中间件的API接口在处理器上进行功能定义，将该功能定义进行矢量化转换和处理器的并行算法建模；通过研究主流的支持并行计算的标准和实现方法，根据处理器的指令集特点、多核架构进行计算中间件的功能设计；利用SIMD、预取等特性完成高性能数学、信号处理等计算的优化；根据处理器的多核架构特点进行数据与算法多线程分割，最终形成标准规范的计算中间件。

进一步，参照图7，通信中间件对RapidIO、千兆网等通信接口、数据收发机制等进行统一封装，为应用提供统一的点播、多播、流量控制等通信服务。其优化方法：采用封装硬件平台优势特性、分析关键路径操作耗时、优化数据结构、高效内存管理、透穿设计以及报文适应性发送等方式来优化性能。通信中间件针对复杂硬件结构的内存访问，根据结构中不同存储模块的内存访问差别来安排内存分配，根据处理器核数以及各核上分配任务的特征参数来确定通信中间件在系统中的任务对于处理器核的依附性，以充分利用硬件特点，提高通信中间件的性能，使得中间件具备低延时、较高的稳定性和可靠性。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种开放式旋转机械监测平台，包括开放式硬件平台和可重构软件两部分，其特征在于：

所述开放式硬件平台用于采集监视用各类传感数据，实时监视设备运行数据，动态评估装备技术状态；对故障进行预警，并从使用层面及维修层面做出决策支撑；开放式硬件平台由刀片服务器和功能刀片组成，采用符合国际规范的开放式体系架构和接口标准；刀片内联与外联采用高速RapidIO数据交换、1Gbps以太网控制数据交换的两层数据全交换模式；采用IPMI监测各模块的状态以及对机箱温度智能管理；

所述可重构软件用于实现各型数据采集、处理、交换和传输，以及FFT、神经网络、遗传算法和深度学习算法的实现，达到监测和预警目的，可重构软件通过高速标准化总线和协议实现计算节点互联，拓扑结构灵活多变，可重构、扩充；

通过软件与底层硬件解耦合，采用基于ROSA的软件化系统架构设计，以支持功能重构、应用功能即插即用和扩充，方便系统递进式开发, 并支持二次开发；

采用中间件和软总线技术以支持软件的即插即用，适应多功能多任务部署、软件升级换代、新算法新技术验证和移植需求；

所述开放式硬件平台分为应用层、平台管理、集群处理平台三层，所述应用层是面向系统功能的，包含各型传感器的采集以及旋转机械状态控制；所述平台管理是面向自身处理功能的，包含资源池化、资源管理和任务调度；所述集群处理平台是整个硬件平台进行信息处理的核心，由计算节点、交换节点、管理节点和存储节点组成，通过内部总线和标准协议进行互联；

所述开放式硬件平台的刀片服务器内插计算刀片、交换刀片和采集刀片，计算刀片用于完成对采集数据的数据清洗和规整，以及运用合理模型对数据进行深度处理得到告警、预测信息；交换刀片用于完成数据间的交换工作；采集刀片用于完成各型传感器数据的采集工作，所有刀片均遵照标准进行加固设计，以使系统具备抗恶劣条件工作的特性；

可重构软件架构包括应用构件层、系统管理层、软总线、中间件层和基础软件层，所述应用构件层，各功能模块基于软总线进行集成，支持振动监测与温度监测、测量控制、算法处理功能即插即用，面向需求快速构建，支持二次开发；所述系统管理层为信息处理与控制提供统一的管理与调度平台，提供系统硬件资源管理、构件管理、数据管理、软件健康管理功能，支持应用功能的动态部署可重构、负载均衡的任务调度和运行状态的实时监测；所述软总线为系统的标准化通信协议，基于发布/订阅机制，符合DDS标准，为系统各功能构件提供异步的数据读写服务，支持构件进行插接式集成，支持构件间一对多、多对一、多对多的数据通信，支持功能构件的动态加载、即插即用；所述中间件层包含计算中间件和通信中间件，中间件对底层硬件平台的计算指令集、通信协议的硬件细节进行统一设计与封装，为上层提供标准接口服务，实现系统软硬件解耦；所述基础软件包括操作系统、数据库、硬件设备支持包，对应用层提供功能服务；

所述IPMI采用实时的平台管理架构，使得信息处理平台能够根据计算环境快速构建不同处理模式的开放式实时综合处理系统；实现对多种传感器信息进行分布式高速数据处理融合和计算管理。

2.根据权利要求1所述的一种开放式旋转机械监测平台，其特征在于：所述开放式硬件平台采用开放式计算体系架构技术，通过不同协议高速总线以及总线间节点互联，建立层次化的模块间、模块内部的数据通路，设计出满足实时计算要求的计算平台。

3.根据权利要求1所述的一种开放式旋转机械监测平台，其特征在于：所述可重构软件采用星形冗余拓扑结构将相邻两个路由节点、计算节点与路由节点以及计算节点与计算节点之间进行连接，并采用高速串行互联的交换架构满足通用性、复用性和可扩展性要求，实现了高速大容量数据交换技术。

4.根据权利要求1所述的一种开放式旋转机械监测平台，其特征在于：所述中间件技术采用计算中间件和通信中间件实现应用软件与底层硬件解耦，通过对底层的硬件指令集和通信协议进行封装和接口标准化，既屏蔽硬件细节差异，也为应用软件提供统一接口，实现应用功能软硬件解耦。

5.根据权利要求4所述的一种开放式旋转机械监测平台，其特征在于：所述计算中间件采用VSIPL标准设计计算中间件，并优化性能，兼容国际通用接口，实现标准化、单核并行优化、多核并行优化以及单核/多核并行自适应择优，大幅提升计算效率。

6.根据权利要求4所述的一种开放式旋转机械监测平台，其特征在于：所述通信中间件性能优化采用封装硬件平台优势特性、分析关键路径操作耗时、优化数据结构、高效内存管理、透穿设计以及报文适应性发送方式来进行。