Архитектура индустриального интернета: вызовы в энергетике

Индустрия 4.0 — это концепция, которая описывает четвертую промышленную революцию, основанную на использовании новых технологий, таких как интернет вещей (IoT), искусственный интеллект (AI), автоматизация производства и т.д. Она предполагает создание «умных» фабрик и цифровых экосистем, где устройства, оборудование и люди будут взаимодействовать между собой, обмениваясь данными и принимая решения на основе анализа больших объемов информации. Индустрия 4.0 направлена на увеличение производительности и эффективности производства, уменьшение затрат и повышение качества продукции.

Интернет вещей (Internet of Things или IoT) — одно из наиболее активно развивающихся направлений всеобщей цифровизации. Цифровизация идет и в промышленности, где набирают обороты индустриальный интернет вещей (Industrial Internet of Things или IIoT) и сама концепция Индустрии 4.0. Одним из первых в России разработчиков программного обеспечения с использованием эталонной архитектуры IIoT в сфере энергетики является Лаборатория ПРОСТОР. Генеральный директор компании Михаил Королев рассказывает, чем так важна эталонная архитектура IIoT и какую роль она может сыграть в импортозамещении и устранении технологического отставания России.

Что такое эталонная архитектура индустриального интернета?

Идеи интернета вещей стали разрабатываться в развитых странах более 20 лет назад. Сейчас это направление развивается по всему миру, лидерами являются такие страны, как Германия и США. Интернет вещей задумывался для соединения миллиардов сенсоров, поэтому в экосистеме IoТ очень большое внимание уделяется стандартизации протоколов обмена данными между компонентами, для того чтобы решения от различных поставщиков могли взаимодействовать друг с другом, чтобы не было границ для данных, которые любят создавать производители для своей выгоды. Для разработки общих правил и стандартов в системах индустриального интернета функционирует международный Industry IoT Consortium. В него входят такие компании как HUAWEI, Kaspersky Lab, China Telecom, Fraunhofer Gesellschaft, MOXA, Princeton University, TOSHIBA и многие другие. Внутри консорциума разработан документ The Industrial Internet Reference Architectureкоторый определяет эталонную архитектуру для таких систем. 

Эталонная архитектура — это основанная на стандартах открытая архитектура для систем IIoT. Она содержит рекомендации по разработке системных архитектур, решений и приложений. В ней содержатся общие и непротиворечивые определения систем IIoT, декомпозиции и шаблоны проектирования, а также общий словарь. На сегодняшний день используется версия 1.10 эталонной архитектуры от 11.07.2022. Такие компании как Microsoft ориентируются в своих рекомендациях по созданию IIoT систем на эталонную архитектуру. Ее преимущество заключается в том, что она учитывает интересы разных участников процесса – разработчиков систем, конкретных пользователей, а также бизнеса в целом. Серьезный поставщик решений в этой области обязательно должен соответствовать эталонной архитектуре, иначе он не может считаться полноценным поставщиком решений IIoT.
В Российском сегменте  эталонная архитектура не упоминается и не используется. Пионером внедрения и идеологом в российском энергетическом секторе стала Лаборатория ПРОСТОР, которая на сегодняшний день является чуть ли ни единственной в России компанией, не просто предлагающей отечественные программные решения для генерирующих энергетических компаний с использованием эталонной архитектуры, но и имеющая промышленные внедрения, реализованные и функционирующие на энергетических объектах уже несколько лет. 

По словам генерального директора Лаборатории ПРОСТОР Михаила Королева, компания заинтересовалась индустриальным интернетом около пяти лет назад, обратив внимание, что его активно использует одна из передоовых зарубежных компаний в своих решениях для отрасли.

«Мы работаем в электроэнергетике, на электрических станциях множество функциональных задач, и, заинтересовавшись инструментами Индустрии 4.0, мы начали экспериментировать с технологиями, проводить всевозможные тесты, анализировать различные компоненты и возможности для автоматизации этих задач», — рассказывает Королев.

Мир индустриального интернета вещей — это мир поставщиков разнообразных программных продуктов. Это — всемирная экосистема разработчиков, позволяющая выработать своеобразный симбиоз решений. Лаборатория ПРОСТОР использовала разные компоненты на пути развития, к примеру, базу данных ClickHouse от Яндекс. На сегодняшний день Лаборатория ПРОСТОР предлагает российским энергетикам ПО соответствующее эталонной архитектуре; решения уже внедрены и отлично себя показали на объектах ПАО «Мосэнерго», Хуадянь-Тенинской ТЭЦ, Шахтинской ГТЭС, Загорской ГАЭС, Бурейской ГЭС, а также на ряде других объектов.

Но почему же так важно соответствовать эталонной архитектуре?

Слияние IT-миров

Промышленный Интернет вещей представляет собой соединение двух традиционно разных областей: ИТ (информационные технологии) и OT (операционные технологии).

В ИТ все сводится к битам, которые используются для решения любых задач — от суммы чисел в столбце до систем электронной почты и планирования задач оптимизации. Сложность такого подхода, отмеченная как одна из фундаментальных проблем в сообществе искусственного интеллекта, заключается в так называемой проблеме заземления символов. Символы в машине (числа, передаваемые процессором) соответствуют «миру» программистов — они не имеют никакого значения для машины. В OT «элементы управления» (традиционно аналоговые) относятся непосредственно к физическим процессам без какой-либо попытки создания символов или моделей. 

«Одной из главных задач IIoT является как раз объединение этих “двух миров” — операционных и информационных технологий, — отмечает Королев. — Добавление «цифры» позволяет использовать  искусственный интеллект, сложных математических алгоритмов, служащих для обработки измерений  с тысяч датчиков и т. д. В результате появляются огромные информационные массивы, которые называются “озером данных”. Такой подход позволяет создать новую полезность при управлении, более эффективно — а значит, прибыльно — управлять электростанциями».

Опираясь на постоянное развитие вычислительных и коммуникационных технологий, промышленный Интернет кардинально меняет системы управления промышленностью. Новые технологии обнаружения предоставляют все более и более точные данные. Большая встроенная вычислительная мощность позволяет более углубленно анализировать эти данные и лучше моделировать состояние физической системы и среды, в которой она работает. В результате этой комбинации системы управления преобразуются из просто автоматических в интеллектуальные и автономные, что позволяет им реагировать эффективнее и быстрее. 

Собирая данные датчиков со всех систем управления и применяя аналитические данные, включая модели, разработанные с помощью машинного обучения, мы можем получить представление о деятельности бизнеса. Благодаря этой информации мы улучшаем процесс принятия решений и оптимизируем работу систем посредством автоматической и автономной оркестровки.

 «Озеро данных» и «болото данных»

Однако уже при первых попытках объединить операционные и информационные технологии выявилось много сложных задач, и первая из них оказалась связана именно с «озером данных». Простой сбор информации из разных систем приводит к тому что образуются огромные массивы данных извлечь пользу из которых сложно.

«Каждый конкретный датчик стоит в определенном месте технологической схемы, но где конкретно – по названию сигнала не определишь. Обозначение того или иного сигнала знает только инженер, который настраивал всю систему, — поясняет Михаил Королев. — А инженер этот, зачастую, уже уволился, спросить не у кого. Пользователь видит таблицу с названиями сигналов, но не понимает ни где стоит датчик, ни по какому времени, к примеру, он ведет измерение — по местному, по московскому, или вообще по UTC».

И если в паре сотен сигналов разобраться еще возможно, то когда их десятки тысяч, часто перепутанных, шансов разобраться — нет. Массив сигналов превращается в бессмысленный набор данных. И в результате получается уже не «озеро», а «болото» — хранилище данных, полезность которых стремится к нулю. Отдельной проблемой является также извлечение данных из хранилища.

««Озеро данных» должно быть “прозрачным”, — подчеркивает Королев. — А это невозможно без применения эталонной архитектуры».

По словам гендиректора Лаборатории ПРОСТОР, прозрачность — суть стандартизации. «Занимаясь своими разработками, мы постоянно сверялись с эталонной архитектурой, чтобы не породить “монстра Франкенштейна” от IT», — рассказывает Михаил Королев.

Важный момент: эталонная архитектура от IIC рекомендует не делать систему монолитной. Напротив, она должна состоять из отдельных заменяемых блоков, причем эти «строительные кирпичики» могут быть от совершенно разных производителей. Фактически речь идет о всем понятной микросервисной архитектуре ПО. Но чтобы разные блоки между собой не конфликтовали, они должны соединяться унифицированными, понятными для всех протоколами, например, через API. Для межуровневого обмена данными в распределенных системах должны использоваться тоже унифицированные, защищенные протоколы. Одним из рекомендованных протоколов является протокол передачи данных OPC UA (разработка промышленного консорциума OPC Foundation, определяющая передачу данных и взаимодействие устройств в промышленных сетях).

«Разумеется, есть промышленные протоколы, которые уже используются на предприятиях, но в IIC считают, что этого мало, — отмечает Королев. — Для того, чтобы превратить данные в знания, нужно, чтобы протоколы умели передавать тот контекст, в котором порождались измерения. Например, для принятия решения о прогнозе выхода из строя оборудования на основе вибраций, нам важно знать не только абсолютные величины вибраций, но и нагрузку на оборудование, период времени после ремонта, точное синхронное время измерений и другие важные параметры, составляющие контекст для данного сценария использования системы. Информация, лишенная контекста не позволит получить новые знания и, преимущества IIoT не будут реализованы.

Впрочем, чтобы передать контекст, ряду требований должны соответствовать не только протоколы, но и информационная модель системы. Так, в документации к эталонной архитектуре говорится, что для всех блоков/микросервисов/функций должна быть общая информационная модель. И такая модель уже разработана Лабораторией ПРОСТОР, она расширяется и внедряется. Важность наличия информационной модели сложно переоценить. Именно она и позволяет сохранять контекст данных, создавать с его помощью новые знания в смежных системах, добавлять новые сценарии использования без переписывания всей системы.

Сложности внедрения

На сегодняшний день процесс внедрения эталонной архитектуры в российской энергетике идет крайне медленно, так как отрасль сама по себе очень консервативна. С 2022 года в отрасли активно занялись темой импортозамещения.  Сложность задачи в том, что замещение зачастую происходит на решения, которые архитектурно уже устарели на 10-15 лет.

«Такой подход только закрепит технологическое отставание, — уверен гендиректор Лаборатории ПРОСТОР. — А ведь даже при правильной архитектуре еще потребуется годы, для того чтобы архитектура полностью раскрыла свой потенциал. Не просто создать “озеро данных”, но и “вырастить” вокруг него множество полезных инструментов».

Даже сегодня многие специалисты в области IT в России или разработчики АСУ ТП про архитектуру Индустрии 4.0 мало что знают. Нет понимания, что для того, чтобы «озеро» данных не превратилось в «болото», нужна информационная модель, нужны те самые блоки и протоколы.

«А такое понимание критически важно. Без всего этого заведомо будет создано именно “болото данных”, — предупреждает Королев. — Это, в свою очередь, приведет к лишним расходам заказчиков. Во-первых, средства будут затрачены на создание “болота”». Во-вторых, извлечение из него потом полезных данных будет очень дорого стоить, а зачастую это будет и вовсе невозможно. Мы понимаем важность архитектуры Индустрии 4.0, и рассказываем об этом клиентам. Но сколько должно пройти времени, сколько будет потрачено впустую средств прежде, чем клиенты осознают эту необходимость? На данный момент компаний, работающих в такой парадигме, я в стране не знаю. Этой архитектурой для энергетики, кроме Лаборатории ПРОСТОР в РФ попросту никто больше не занимается. Наша задача — продвигать ее, рассказывать о необходимости и полезности внедрения и абсолютной безопасности использования международных стандартов. 

Что будет дальше?

Михаил Королев уверен, что сейчас важно переосмыслить суть взаимодействия человека с машиной. Индустриальный интернет вещей позволяет создавать киберфизические системы, и роль человека в них будет весьма важной, но уже иной: человек должен быть «последней инстанцией» принимающей обдуманное и взвешенное решение, а киберсистема должна быть «советчиком/помощником» все помнящим и перемалывающем огромные массивы информации. Сотрудники предприятий, работающие с киберсистемами должны постоянно повышать свой уровень знаний, совершенствоваться, учиться и тогда киберфизическая система может постоянно наращивать свою эффективность. Но пока это — некий фронтир. На данный момент сложно прогнозировать, какие возможности промышленный интернет вещей откроет людям. Компьютер, по словам Королева, в буквальном смысле сможет предоставить человеку некие сверхспособности, как это в свое время сделали, например, приборы ночного видения. И речь идет не только о дополненной, или виртуальной реальности — они станут лишь элементами нового процесса взаимодействия.