基于工业互联网的远程设备运维系统和方法

技术领域

本发明涉及设备远程运维技术领域，具体地，涉及一种基于工业互联网的远程设备运维系统和方法。

背景技术

随着工业互联网概念的提出和发展，中国工业界关注的问题就逐渐从数字化建设转向自动化、智能化和服务化的应用，制造业模式也从传统的“生产型制造”向现代的“服务型制造”转变，随着工业产品的广泛应用而来的各种安全问题、质量问题、运行故障问题等，都让社会对工业产品的管理方式提出了新的要求。

远程运维服务作为智能制造模式的环节之一，是主动预防型运维，是运维服务在新一代信息技术与制造装备融合集成创新和工程应用发展到一定阶段的产物，它打破了人、物和数据的空间与物理界限，是智慧化运维在智能制造服务环节的集中体现，更是未来运维行业发展的必然趋势。

同时，传统的设备运维方式需要指定专人管理，定期的清扫，周维护，月保养，保养和维护工作是否到位难以管控，另外在设备运行过程中，是否异常运行，超负荷运行，没有界定依据，特别是对于陈旧设备是修是换，无法进行综合的成本核算。传统的设备管理方式犹如隔靴搔痒，难以抓住关键点，解决关键问题。

现有技术中最接近技术(为申请号201210591686.7的中国专利，公开了“一种IT设备远程运维的方法和系统”)。然而该专利的运维方式仍然使用人工判断设备故障的运维方法，没有为设备建立模型，无法自动化批量处理同类设备故障，没有通过模型积累故障数据的设计；该专利远程通信的方式主要为web浏览器，方式单一；该专利缺乏故障预测模块，无法对设备的故障进行提前预测，也没有和备件采购系统对接的设计，无法做到提前预测设备故障，不能通过提前预备备件等方式提升运维效率。

专利文献CN109857020A(申请号：CN201910086195.9)公开了一种远程运维管理系统。包括远程设备维护管理中心，与远程设备维护管理中心连接的现场智能控制装置，及其相应的云远程管理系统，其通过云远程管理系统实时采集现场相关设备的相应数据信息并传输到工业智能网关，工业智能网关通过互联网传输到云服务器，再由云远程管理系统的相应的功能模块通过现场智能控制装置，对现场设备实施包括参数调整和设定、运行情况、故障诊断和维护的相应运行、监控操作管理。然而该专利缺乏故障预测模块，无法对设备的故障进行提前预测，也没有和备件采购系统对接的设计，无法做到提前预测设备故障，不能通过提前预备备件等方式提升运维效率。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于工业互联网的远程设备运维系统和方法。

根据本发明提供的基于工业互联网的远程设备运维系统，包括：

设备安全认证模块：检测设备运行环境的健康状态，同时负责导入设备安全认证秘钥文件，与工业互联网平台远程设备进行安全认证；

运维基础服务组件接收模块：接收工业互联网平台下发的远程运维服务组件，并启动相应组件进行远程运维通信；

运维命令解析模块：接收工业互联网平台下发的运维指令，对指令进行安全性检查，然后对指令进行内容解析并分发执行；

设备状态获取与上传模块：根据指令内容获取设备当前的运行状态信息以及日志信息，然后上传至工业互联网平台。

优选的，还包括：远程设备认证管理模块：负责设备的权限认证，对于每个通过权限认证的设备根据其设备ID号生成公钥文件和私钥文件，将私钥文件存放在服务器上，将公钥文件发放给远程设备作为其认证授权的基础。

优选的，还包括：设备物模型管理模块：对物模型进行管理，包括创建、复制和删除物模型，所述物模型通过属性、事件、服务反映物理设备的各维度信息；

设备物模型映射模块：对物模型和实际物理设备进行映射，得到物模型实例，通过物模型实例对相应的物理设备进行设备维护。

优选的，还包括：设备运维分析模块：根据设备类型选择相应的远程运维基础服务组件并下发，通过远程运维基础服务组件建立通信链路，获取设备日志和状态信息，对设备内部链路进行检测判断是否为内部链路问题，如果不是则进一步结合日志和历史信息进行分析，预测设备未来故障概率，提前下达采购指令，缩短运维周期；

远程运维基础服务组件下发模块：根据设备类型下发WebSocket、VPN、SSH、Telnet四种通信协议中选择的服务组件类型；

远程设备控制模块：与下发到远程设备中的运维基础服务组件建立通信链路，并下发运维控制指令。

根据本发明提供的基于工业互联网的远程设备运维方法，包括：

步骤1：进行物模型建立和认证秘钥生成与分发：

步骤2：在远程设备加电后检查远程设备工作环境，读取远程设备中的私钥文件，生成加密认证信息然后向云端进行注册，在云端和远程设备之间建立安全链接后，通过云端获取设备信息，将已建立的物模型和远程设备进行绑定，通过物模型控制和诊断远程设备；

步骤3：根据物模型自身信息判断并选择远程设备支持的通信协议，接收工业互联网平台发送的运维基础服务组件，校验组件文件传输是否有误，如果有误则重新传输，如果无误则启动运维服务组件并建立通信；

步骤4：获取设备状态信息和设备日志并上传至云端，对设备故障进行分析，根据分析结果发送诊断维护命令由远程设备执行，同时对设备故障进行预测，根据预测结果采购设备备件。

优选的，所述步骤1包括：

步骤1.1：在云端创建设备物模型，通过属性、事件、服务反映设备的功能和特性；

步骤1.2：在云端内置基本设备物模型，包括设备ID、设备名、设备描述和模式信息，新设备物模型选择继承基本设备物模型或组合方式生成；

步骤1.3：在云端中存储物模型的属性、事件、服务，在创建新设备物模型时直接选择添加；

步骤1.4：在云端对远程设备进行认证管理，根据设备唯一SN码生成公钥文件和私钥文件，将私钥文件存放在服务器上，将公钥文件发放给远程设备作为其认证授权的基础。

优选的，所述步骤2包括：

步骤2.1：对远程设备进行功能烧录；

步骤2.2：在远程设备加电后，检测设备进程、当前设备磁盘剩余容量、电源状态和私钥文件的合法性，当检测通过时生成认证凭证信息并发送到云端进行认证，如果设备认证不通过则重新进行检测认证；

步骤2.3：在远程设备通过安全认证后，根据设备信息选择物模型进行关联绑定，然后通过物模型控制和诊断远程设备。

优选的，在云端通过发送命令修改远程设备中的日志等级，日志级别由高到低分别为：CRITICAL、ERROR、WARNING、INFO、DEBUG、TRACE，等级越低日志信息越详细，日志信息越详细输出的日志文件越大；根据日期、等级进行条件筛选，获得日志文件。

优选的，根据日志信息和状态信息对设备进行诊断，如果是仅查看当前设备状态，则生成当前设备状态查询指令并下发获取最新的设备状态信息，然后在云端页面展示；

如果需要诊断当前故障，则发送内部链路检查指令，得到通信状态信息，分析是否是链路问题；如果是链路问题则向设备发送重置链路的命令，如果不是则进一步分析是否是设备自身问题，然后根据日志状态信息判断是软件问题还是硬件问题，如果是软件问题则通过已经建立的运维链路远程对软件进行修改、重启或者升级，如果不是软件问题则通过硬件接口信息、芯片状态信息判断是否是硬件问题，如果是硬件问题则更换硬件，如果没有硬件则启动设备配件采购流程。

优选的，通信协议包括WebSocket、VPN、SSH和Telnet；

如果远程设备所在运行环境需要通过VPN连接，则选择发送VPN服务组件；如果远程设备为Windows平台，则选择发送Telnet服务组件；如果远程设备中运行类UNIX系统，则选择SSH服务组件；如果需通过Web页面展示日志信息，则选择WebSocket服务组件。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明能够在保证工业设备安全性前提下，将设备接入工业互联网进行远程运维，解决了运维人员需要出差到现场进行维护的问题，降低了人员成本，提升了效率；

(2)支持设备物模型快速绑定，支持设备故障历史统计与设备故障处理方案模型化，实现自动化批量处理问题，提升了设备故障解决效率。

(3)本发明可以按需求指定上传不同设备不同时间段的日志信息，能够对设备日志信息进行汇总统计提升问题定位效率，同时本发明支持WebSocket、VPN(虚拟隧道专用网)、SSH、Telnet四种远程通信协议，满足工业生产环境中各种不同设备对通信协议的要求，方案适用性广；

(4)本发明中设计有设备故障预测模块，能够同类设备历史故障模型对设备当前运行状态进行健康诊断，预测设备故障发生概率，同时对接设备配件采购模块提前提对可能损坏的配件进行提前采购避免由于没有合适配件导致设备维修流程长的问题发生。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明设计框架图；

图2为本发明设备物模型继承生成模式示意图；

图3为本发明设备物模型组合生成模式示意图；

图4为本发明远程运维流程图；

图5为设备故障分析流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例：

本发明旨在提供一种基于工业互联网的远程设备运维系统。本发明能够在保证工业设备安全性前提下，将设备接入工业互联网进行远程运维，支持设备物模型快速绑定，支持设备故障历史统计与设备故障处理方案模型化，实现故障批量处理提升设备故障解决效率，本发明可以按需求指定上传不同设备不同时间段的日志信息，能够对设备日志信息进行汇总统计提升问题定位效率，同时本发明支持WebSocket、VPN、SSH、Telnet四种远程通信协议，满足工业生产环境中各种不同设备对通信协议的要求，本发明中设计有设备故障预测模块，能够同类设备历史故障模型对设备当前运行状态进行健康诊断，预测设备故障发生概率，同时对接设备配件采购模块提前提对可能损坏的配件进行采购提升设备维修效率。

本发明涉及的模块分别部署在远程设备和工业联网设备运维组件中，见图1。在远程设备中有设备安全认证模块、运维基础服务组件接收模块、运维命令解析模块和设备状态获取与上传模块，其中设备安全认证模块负责检查设备运行环境是否健康，同时负责导入设备安全认证秘钥文件deviceIDXX_public.CSR与工业互联网平台远程设备认证管理模块进行安全认证。运维基础服务组件接收模块负责接收工业互联网平台运维组件选择下发过来的远程运维服务组件，随后启动相应组件的以提供远程运维通信server服务。运维命令解析模块，接收工业互联网平台下发的运维指令，对指令进行安全性检查，指令通过安全性检查后解析对其内容进行解析并分发执行。设备状态获取与上传模块，按指令要求获取设备当前的运行状态信息以及日志信息，然后根据需求上传至工业互联网平台。

在工业互联网平台的设备运维组件中有设备物模型管理模块，远程设备认证管理模块，设备物模型映射模块，设备运维分析模块，远程设备控制模块，远程运维基础服务组件下发模块。远程设备认证管理模块，负责设备的权限认证，对于每个合法设备通过其设备ID号，生成2个密钥文件，一个是公钥文件deviceIDXX_public.CSR，另外一个是私钥deviceIDXX_private.key，私钥文件存放在服务器上，公钥文件发放给远程设备作为其认证授权的基础。设备物模型管理模块负责对物模型进行管理，物模型是物理设备在数字层面的抽象，物模型可以通过属性、事件、服务反映物理设备的各维度信息，设备物模型管理模块负责创建、复制、删除物模型，是物模型和设备映射的基础。设备物模型映射模块负责物模型和实际物理设备映射，映射完毕后可以生成物模型实例，平台通过物模型实例对相应的物理设备进行设备维护。设备分析模块会根据设备类型选择合适的远程运维基础服务组件下发，通过远程运维基础服务组件建立通信链路，设备运维分析模块获取设备日志和状态信息，对设备内部链路进行检测判断是否是内部链路问题，如果不是则进一步结合日志，历史信息进行分析，设备运维分析模块具备故障预测模块，能够预测设备未来故障概率，通过对接设备配件采购模块提前下达采购指令，缩短运维周期。远程运维基础服务组件下发模块，根据设备运维分析模块决策结果，下发WebSocket、VPN、SSH、Telnet四种通信协议中选择的服务组件类型。远程设备控制模块负责与下发到远程设备中的运维基础服务组件建立通信链路，并下发运维控制指令。

根据本发明提供的一种基于工业互联网的远程设备运维方法，包括如下步骤：

步骤1：物模型建立和认证秘钥生成与分发：在工业互联网云端(后面简称云端)通过设备物模型管理模块M101创建设备物模型，物模型是设备的数字抽象，物模型使用属性，事件，服务反映设备的功能和特性，物模型可以选择通过继承和组合方式生成。完成物模型设计后，云端具备设备认证管理权限的角色，在远程设备管理模块M102中创建设备安全认证秘钥文件，一个是公钥文件deviceIDXX_public.CSR，另外一个是私钥deviceIDXX_private.key，私钥文件存放在服务器上，公钥文件发放给远程设备作为其认证授权的基础。

步骤2：在远程设备M20中烧录设备安全认证模块M201、运维命令解析模块M202、运维基础服务组件接收模块M203、设备状态获取与上传模块M204，同时导入私钥deviceIDXX_private.key文件，完成模块烧录后设备成为本发明中可以支持远程运维设备，在远程设备加电后，安全认证模块M201检查远程设备M20工作环境正常后，读取远程设备中的私钥文件，检查完秘钥合法性后，生成加密认证信息然后向云端进行注册。云端和远程设备建立安全链接后，云端获取设备信息，设备物模型映射模块M103将已建立的物模型和远程设备进行绑定，绑定后物模型成为控制和诊断远程设备的操作模型。

步骤3：运维分析模块M110通过物模型中的基本信息判断远程设备支持的通信协议，通过远程运维基础服务组件下发模块M105发送WebSocket、VPN、SSH、Telnet四种通信协议中选择的设备支持的最优服务组件类型。远程设备M20中，运维基础服务组件接收模块M203，接收平台发送的运维基础服务组件，校验组件文件传输是否有误，如果有误则重新传输，如果无误则在远程设备M20中启动运维服务组件，云端远程设备控制模块M104通过设备中的运维基础服务组件建立通信。

步骤4：完成云端与远程设备控制通信链路后，远程设备控制模块M104会自动发送一条设备日志和状态上传指令，远程设备M20中运维命令解析模块M202获取命令，通过设备状态获取与上传模块M204将设备日志和状态信息上传到云端设备运维分析与故障批处理模块M110。模块M110对故障进行分析，根据分析结果发送诊断维护命令由远程设备执行，同时M110模块对设备故障进行预测，根据预测结果和设备备件采购模块M116进行对接。

所述步骤1包含以下步骤：

步骤1.1：物模型建立。在本发明中对于每个需要远程维护的设备均会关联一个物模型。在云端通过设备物模型管理模块M101创建设备物模型，物模型是设备的数字抽象，物模型使用属性、事件、服务反映设备的功能和特性，物模型可以选择通过继承和组合方式生成。

步骤1.2：设备物模型继承生成模式如图2，云端默认内置一个基本设备物模型其包含设备ID，设备名，设备描述，模式等信息，如下：

{

"deviceid":"",//新建设备时自动生成唯一ID

"name":"defaultdevice",

"desc":"这是一个默认设备",

"required":true,

"mode":"rw",//属性的模式，r代表读，w代表写

}

所有新建的设备物模型均会继承基本设备物模型，继承的物模型会由系统自动生成一个独一无二的设备ID，设备名、设备描述、模式部分会要求继承的物模型重新填写，对于模型中的属性域、事件域、服务域则会继承上一级的物模型相关域例如，图2中扩展设备物模型1为：

/>

步骤1.3：设备物模型组合生成模式如图3，云端中可以存储一些物模型中常见的属性、事件、服务，类似汽配仓库中存放了汽车外壳、轮胎、发动机，在需要创建设备模型时可以从模型仓库中选择已有的属性、事件、服务添加到模型中，以节省模型的创建时间。

步骤1.4：完成物模型设计后，云端具备设备认证管理权限的角色，在远程设备管理模块M102中输入设备唯一SN号，点击相应的秘钥生成按钮，随后生成2个设备安全认证秘钥文件，一个是公钥文件deviceIDXX_public.CSR，另外一个是私钥deviceIDXX_private.key，私钥文件存放在服务器上，公钥文件发放给远程设备作为其认证授权的基础。

公钥和文件都是一个哈希文件串，两个文件一一对应，用于安全认证。

公钥文件示例：

-----BEGINCERTIFICATEREQUEST-----

MIICozCCAYsCAQAwXjEaMBgGA1UEAwwRY2hlbnhpYW9mYW5nLnNpdGUxDzANBgNVBAoMBnFjbG91ZDEQMA4GA1UEBwwHQmVpamluZzEQMA4GA1UECAwHQmVpamluZzELMAkGA1UEBhMCQ04wggEiMA0GCSqGSIb3DQEBAQUAA4IBDwAwggEKAoIBAQCdQGlTWpYaGUxetXrFhlXSVzi6LS4GOj9ffFb6lqmitjhXfMFZKCU6rf0MRdtxUlf13TKwai2gAQ5u0RiS0xt8Brd/z+E3TSBVbQV3gTMJTfknJTpiXa2zQ1OhPlLRRY6Oif03TCx2/CN28QaeE2yxSxUttjuOtA1udycQOtl3NxIyd6Xr4CrsRW04iSxxIKcBSodIZ6Q+qSOMk7x＝＝

-----ENDCERTIFICATEREQUEST-----

私钥文件示例：

-----BEGINRSAPRIVATEKEY-----

PPxwcDEuW3d6HJALH+09gmvpyKovLOX9/wO+vo8CgYEAuaRRMxayfABT60xeqUkHdZEIqOFbxMEk0cxeoEY9hvlhXKoBeSvbIG739yOeRSwDyoZiidrInensCuyROFck98ehz11tN3vZn8wRMBVksihKDt7MJmRzgPMNcXLzz+789HE1r/0F3o8d6vwAYvA4FKoX8CtAAqVwZpXiCsHeTO0CgYAZWPgqW3LDKBd2CTH3EAImRZ1eppz4jOVkrxfaQqXjk0JejDPtMZmFxaq+xInjFgrQsqYNsRgZlxdWVBQLcHoP7ZSo6eOYsnLivwtj

-----ENDRSAPRIVATEKEY-----

所述步骤2包含以下步骤：

步骤2.1：远程设备要使用本发明的远程运维方法需要提前进行功能模块烧录，在远程设备M20中烧录设备安全认证模块M201、运维命令解析模块M202、运维基础服务组件接收模块M203、设备状态获取与上传模块M204。

步骤2.2：远程设备烧录上述模块的同时导入私钥deviceIDXX_private.key文件，完成模块烧录后设备成为本发明中可以支持远程运维设备，在远程设备加电后，安全认证模块M201检查远程设备M20中当前系统是否正常如图4中S1流程，检查是否有可疑进程，当前设备磁盘剩余容量是否大于50M(用于安装远程运维基础服务组件)，当前设备电源状态是否充足，当前设备中的私钥文件是否合法，当检测通过时生成认证凭证信息见流程S2，然后将信息发送到云端远程设备认证管理模块M102进行认证流程S3，如果设备认证不通过则重新进行检测重新认证，如果认证通过则进入下一步骤。

步骤2.3：设备通过安全认证之后流程S4，远程设备认证管理模块M102将设备信息提交给设备物模型管理模块M101，M101和设备物模型映射模块M103根据设备信息选择合适的物模型进行关联绑定，绑定后物模型成为控制和诊断远程设备的操作模型。云平台可以根据物模型中提供的服务产生各类诊断控制命令，如设备状态获取命令，日志上传命令，重启命令等维护诊断命令。

所述步骤3包含以下步骤：

步骤3.1：运维分析模块M110通过物模型中的基本信息判断远程设备支持的通信协议，通过远程运维基础服务组件下发模块M105发送WebSocket、VPN、SSH、Telnet四种通信协议中选择的设备支持的最优服务组件类型如流程S8。如果远程设备运行在安全性较高场所需要通过VPN连接则选择发送VPN服务组件，如果远程设备为Windows平台则选择发送Telnet服务组件，如果远程设备中运行类UNIX系统则选择SSH服务组件，如果希望通过Web页面展示日志信息则选择WebSocket服务组件。

步骤3.2：远程设备M20加电后会一直运行运维基础服务组件接收模块M203，运维基础服务组件接收模块M203，接收平台发送的运维基础服务组件，校验组件文件传输是否有误，如果有误则重新传输，如果无误则在远程设备M20中启动运维服务组件，云端远程设备控制模块M104通过设备中的运维基础服务组件建立通信。

步骤4：完成云端与远程设备控制通信链路后，远程设备控制模块M104会自动发送一条设备日志和状态上传指令，远程设备M20中运维命令解析模块M202获取命令，通过设备状态获取与上传模块M204将设备日志和状态信息上传到云端设备运维分析与故障批处理模块M110。模块M110对故障进行分析，根据分析结果发送诊断维护命令由远程设备执行，同时M110模块对设备故障进行预测，根据预测结果和设备备件采购模块M116进行对接。

所述步骤4包含以下步骤：

步骤4.1：完成云端与远程设备控制通信链路后，远程设备控制模块M104会自动发送一条设备日志和状态上传指令，远程设备M20中运维命令解析模块M202获取命令，通过设备状态获取与上传模块M204将设备日志和状态信息上传到云端设备运维分析与故障批处理模块M110。

步骤4.2：远程设备控制模块M104可以通过发送命令修改远程设备中的日志等级，日志级别由高到低分别为：CRITICAL、ERROR、WARNING、INFO、DEBUG、TRACE。等级越低日志信息越详细，日志信息越详细输出的日志文件越大。云服务平台根据需求可以指定日志按照时间日期，等级，指定模块等筛选条件获得日志文件。设备状态获取与上传模块M204根据当前邀请上传所需日志和状态信息到设备运维分析模块M110的子模块设备日志接收模块M112。

步骤4.3：设备运维分析模块M110根据日志信息和状态信息对设备进行诊断，如图5，获取到设备日志和状态信息后，维护人员根据当前的需求进行诊断场景选择：

如果是仅查看当前设备状态，则生成当前设备状态查询指令通过远程设备控制模块M104下发获取最新的设备状态信息，然后在云端页面展示；

如果需要诊断当前故障首先调用设备内部链路检查模块M114发送内部链路检查指令，该指令会要求远程设备中每个模块发送通信链路状态信息，从模块通信状态信息分析是否是链路问题。如果是链路问题则向设备发送重置链路的命令，如果不是则进一步分析是否是设备自身问题，然后根据日志状态信息判断是否是软件问题还是硬件问题，如果是软件问题可以通过已经建立的运维链路远程对软件进行远程修改，重启或者升级，如果不是软件问题则通过硬件接口信息，芯片状态信息如电压，温度等判断是否是硬件问题，如果是硬件问题则更换硬件，如果没有硬件则与运行设备配件采购模块对接，启动采购流程。

故障诊断模块还会根据当前和历史日志信息预测设备未来故障，本模块提取日志中关键信息结合设备故障预测模块M115中故障专家推理模型进行预测，例如设备某个转动部件在某个短时间内经常出现角速度异常、抖动，结合其他工作情况可以预测该转动部件在未来出现故障概率诊断，当出现故障达到某个阈值时运行设备配件采购模块对接，启动采购流程，将备件提前准备好，可以提高设备配件更新效率，避免由于没有合适配件导致设备维修流程长的问题发生。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。