近日，在National Instruments(美国国家仪器公司，以下简称NI)于上海举办的NIDays 2017上，中车青岛四方在Keynote环节分享的案例备受瞩目，其采用由NI与北京天泽智云科技有限公司(以下简称天泽智云)共同研发的基于NI InsightCMTM以及CompactRIOTM架构的高铁PHM(Prognostics Health Management，故障预测与健康管理)车载样机，而这一PHM系统在实验室的台架实验中准确率高达90%，并将率先应用在高铁轴箱轴承部件的预测性维护场景中!
致力节省数十亿，这个NI平台搭建的高铁PHM系统有点牛!
随着物联网技术的快速发展，中国智能制造2025、美国先进制造伙伴计划、德国工业4.0等一系列国家战略的提出与实施，工业物联网(Industrial Internet of Things，以下简称IIoT)应运而生，成为全球工业体系智能化变革的重要推手。根据IDC对2016年全球物联网行业支出的相关统计，前3大支出行业——制造业、交通运输业和公用事业均为IIoT的子行业，并伴随IIoT在未来几年的爆发增长趋势，呈现巨大的市场潜力。
图1：IDC对2016年全球物联网前3大行业支出的统计
中国高铁的创新举世瞩目算是其中的代表案例，“复兴号”高达350公里时速正式运营，标志着中国成为世界高铁商业运营速度最高的国家。据相关数据表明，截止2016年底中国投入运行的高铁数量达到了2586列，其中43%是由中国中车青岛四方机车车辆股份有限公司(以下简称中车青岛四方)生产制造。
图2：中车青岛四方张志强主任阐述与NI、天泽智云合作的高铁案例
据中车青岛四方、国家工程实验室试验部主任张志强介绍，“在现有的运营规模下，高速动车组每年将产生数十亿元的维修费用，这对高铁的可持续发展形成了很大的负担与财务费用。”以当前高铁轴箱轴承的运维为例，当轴箱轴承经过不同里程的磨损后，采用的是无差别对待的定期多级维修方式(如一级修、二级修、三级修等)，从而产生了大量的维修冗余和费用。因此，作为IIoT交通运输业的关键一环——高铁系统从“周期性的定期多级维修方式”转向“状态监测和可预测维修方式”就显得尤为必要。
预测性维护方案通过对车辆的安全性能、动力性能和整车的运行性能、安全舒适度进行监测。只要轴箱轴承的相关参数处于安全的范围之内、性能状态指标不发生恶化，即无须进行周期性检修，从而节省了一大笔的维修成本。“这就是为什么中车青岛四方选择与PHM领域处于领先地位的NI和天泽智云开展深度合作的原因!”张志强透露，“基于NI平台搭建的高铁轴箱轴承预测性维护方案预计在2018年初正式装车使用，这在中国IIoT应用中处于十分领先的地位!”
“IIoT是NI一直持续关注的方向，如最新基于TSN技术的平台系统，在IIoT领域的预测性维护场景中优势十分显著。” NI全球技术与市场总监Rahman Jamal在NIDays期间接受媒体专访时这样说道。事实上，NI面向工业物联网市场正在持续发力，推出新的产品与解决方案，如早期发布的InsightCMTM平台、最新推出的SystemLink远程系统管理软件以及相关的软件工具包等。
基于平台化软硬件，NI着力打造一个管理所有工业设备的端到端架构
随着IIoT的不断发展，IIoT在工业资产管理与设备维护之外，更需要通过有效的数据分析为企业提供更优化的商业决策。这无疑对工业物联网的架构提出了新的挑战!而基于NI的平台能够构建一个全新的端到端工业物联网架构，可用于管理所有的联网工业设备。其中，NI开放的数据采集和控制平台不仅担任着复杂的边缘节点，更能够提供高质量、集中的数据管理。
首先，复杂的边缘节点挑战在于需要一个强大的处理性能来整合来自不同传感器的多种不同类型信号，并在边缘侧进行实时的边缘预处理和控制。因此，为保证系统之间的同步，需要引入全新的网络功能——时间敏感网络Time Sensitive Network(以下简称TSN)。在现有及未来针对于应用更加广泛、需求更加迫切的数据采集领域，NI推出一款全新的硬件产品——基于TSN的CompactDAQ以太网机箱。这款机箱可以基于TSN技术为系统提供一个基于网络的标准时钟，实现设备之间高于微秒级别的同步。同时这款全新的以太网机箱内置的开关功能能够以菊花链的方式实现系统扩展，大大地减少了外部连接和系统的复杂性。
图3：NI已正式推出基于TSN的CompactDAQ以太网机箱
同时，为实现集中的数据管理，NI面向IIoT领域正式发布SystemLink系统管理软件。SystemLink为分布式测试、测量和控制解决方案提供了集中管理功能，具有强大的大批量部署和远程诊断功能。在硬件方面，SystemLink可以同时支持CompactRIOTM(NI Linux Real-Time操作系统)、PXI(Windows操作系统)以及Windows PC等多种不同硬件平台的连接。在部署了集中管理软件后，通过对数据的进一步分析和挖掘，获取有效信息和趋势，从而导向更优化的商业决策。
因此，NI嵌入式技术市场工程师易曦露在NIDays主题演讲中亦强调，基于NI平台构建的端到端工业物联网架构，可以为所有的工业设备、运行资产以及测试设备提供有效实时在线状态监测，带来巨大的价值。
由点及面的平台化策略，NI多维度全线发力IIoT
“NI通过平台化的方式，根据客户的实际需求，提供针对应用场景的整体解决方案。” Rahman Jamal称，“对于工业物联网而言，一方面是硬件，如NI CompactRIOTM平台就属于典型的基于FPGA和异构架构的系统，区别于传统的PLC系统硬件。” 他补充道，“另一方面NI基于LabVIEW推出的一系列软件工具包，可实现应用于大数据的机器学习和边缘计算的硬件部署等。”这是NI从产品层面在IIoT发力的一个维度。
图4：NI全球技术与市场总监Rahman Jamal(右)，天泽智云技术研发副总裁刘宗长(左)正与媒体交流
“当然，一个完善的解决方案仅仅有NI一家技术是不够的。所以在智慧电网、智慧核电、智能制造等全方位工业领域，NI已经与更多客户开展了交流合作!而在交通运输领域的案例，则是NI携手中车青岛四方、天泽智云开展合作。”Rahman Jamal表示，NI与各产业链上下游企业合作，将加速实现IIoT。
当被问及与NI的合作细节时，天泽智云技术研发副总裁刘宗长分享道：“天泽智云采用NI InsightCMTM搭载CompactRIOTM的数据采集方案，在分布式在线状态监测方面有巨大的优势，比如从方案设计到测试实施的周期仅仅花了一个星期，且采集到轴箱轴承部件的数据质量非常高;为开发预测性维护用的机器学习算法，短时间内就获取了大量数据用于模型训练。”同时，他补充说：“通过对NI平台进行二次开发，能够实现更多轴箱轴承等性能状态监测的边缘计算功能，将有价值的信息上传到云端，进行远程调度和管理，从而实现边缘计算与云计算的优势整合。”
图5：天泽智云技术研发副总裁刘宗长阐述与NI合作案例
诚然，上下游企业的合作不可或缺!但短期合作亦无法实现IIoT的一蹴而就，必须是长期逐步推进。对此，中车青岛四方张志强表示，“三方合作是一项长期计划。高铁PHM可预测性维护方案在设计之初即考虑了全面开展的需求，现在轴箱轴承的率先实施仅仅是一个点，由点及面、逐步向前，最终实现高铁整车的可预测性维护，全面实现IIoT的落地!”
产品方案和客户合作是NI在IIoT领域布局的两项重要举措。Rahman Jamal总结道：“还有一个重要的举措是NI联合众多领先公司共同组建IIoT实验室。”例如位于美国奥斯汀总部的IIoT实验室，就是NI联合Intel、PTC、HPE以及Xilinx等一流公司组建的业界先进技术实验室。同时，“秉承平台化与生态化的理念， NI为上下游企业提供了针对性的系统解决方案，并联手合作伙伴与客户加速IIoT的落地，这是NI与合作伙伴一直以来的重要共识。”NI物联网市场经理崔鹏最后说道。
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