ZIIoT: цифровая платформа для промышленности

Цифровые промышленные платформы являются основой Индустрии 4.0, в которой данные — это основное сырье для создания новых продуктов, формирования новых рынков и экономики в целом. Платформы помогают извлекать сведения из локальных систем и оборудования, анализировать их, предоставлять к ним доступ, что в сочетании с инструментарием для разработки облегчает специалистам промышленного предприятия процесс создания прикладных решений. Как следствие, крупные промышленные операторы, в частности Siemens, Bosch и General Electric, развивают свои собственные платформы, составляя конкуренцию ИТ-компаниям. Цифровые платформы не только раскрывают потенциал промышленных данных, но и выступают связующим звеном между поставщиками приложений и пользователями [1].

Роль платформы в промышленном ИТ-ландшафте

Сегодня промышленные предприятия уже реализовали множество проектов автоматизации и обзавелись разнообразными ИТ-системами, внедрение которых обычно не было централизованным, и, соответственно, мало кто предусматривал их взаимодействие и возможный синергетический эффект. Одна из задач единой цифровой платформы — помочь предприятиям достичь такого эффекта без внесения изменений в исторически сложившийся «зоопарк» систем автоматизации.

В различных ИТ-системах предприятия собираются производственные данные в разных форматах, а платформа призвана аккумулировать эти данные, привести их к единому формату и предоставить единую точку доступа к ним для решения производственных задач: управления качеством, сокращения материальных потерь, оптимизации загрузки ресурсов, контроля исполнения планов и пр. Разработкой приложений для решения подобных задач могут заниматься как сторонние разработчики, так и внутренние команды промышленного предприятия. Причем прослеживается тенденция в сторону собственной разработки: технологии воспринимаются промышленниками как инструменты конкурентной борьбы, и каждое предприятие хочет получить преимущество за счет инвестиций в собственную команду, а не с помощью доступных на рынке решений.

Для разработки собственных систем требуется соответствующая среда, которую либо приобретают у внешних поставщиков, либо создают собственными силами. У обоих вариантов есть недостатки: зависимость от вендоров приводит к регулярным затратам на техническую поддержку, а возможности создания среды собственными ресурсами ограничены квалификацией имеющихся специалистов.

Отечественная платформа Zyfra Industrial Internet of Things Platform (ZIIoT) — инструмент для автоматизации бизнес-процессов управления производством, включающий готовый набор решений и встроенную среду разработки. Помимо базовых функций, платформа позволяет реализовывать отдельные компоненты для решения локальных задач силами собственной команды предприятия — без дополнительных затрат на приобретение лицензий и техническую поддержку. А поскольку все приложения размещаются в общей экосистеме платформы, то они по умолчанию могут оперировать собранными производственными данными без необходимости реализации дополнительных модулей сбора и хранения.

Рис. 1. Место ZIIoT в промышленном ИТ-ландшафте

Таким образом, в промышленном ИТ-ландшафте платформа играет две роли (рис. 1): цифровой слой, агрегирующий данные от производственных активов и связывающий их с прикладными решениями; среда для разработки приложений.

Архитектура платформы

Платформа ZIIoT построена на микросервисной архитектуре, что позволяет снизить сложность ИТ-ландшафта, увеличить его устойчивость к возможным сбоям, относительно просто и быстро изменять и добавлять функции без риска разрушить все решение [2, 3]. Сервисы можно разрабатывать малыми командами, подбирая для каждого инструменты, которые лучше всего подойдут для реализации конкретной бизнес-логики [2].

Платформа состоит из сотни пользовательских и системных микросервисов, взаимодействующих друг с другом через REST API. При развертывании используется виртуализация, что делает платформу независимой от операционных систем клиентов. Все сервисы поддерживают горизонтальное и вертикальное масштабирование, а при их создании активно используются готовые решения категории Open Source.

Сервисы сгруппированы в отдельные связанные друг с другом «блоки» или слои (рис. 2). Можно выделить пять больших блоков.

Рис. 2. Функциональная архитектура платформы

Сервисы сбора и хранения. С помощью этих сервисов осуществляется сбор производственных данных из локальных систем автоматизации, обработка потоков и пакетов данных, а также хранение временных рядов, событий и неструктурированных данных. Источниками данных на производственном предприятии могут выступать автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП/SCADA), системы коммерческих и технологических учетов, бортовое оборудование, лабораторные системы и др. Для обеспечения надежности передачи данных предусмотрены механизмы кластеризации и масштабирования коллекторов.

Сервисы структурирования и обработки данных. Это слой для структуризации потоков разнообразных данных, поступающих из различных производственных систем и обычно содержащих тысячи параметров и миллионы значений. Для этого используется объектная модель — иерархическая древовидная структура описания активов предприятия на основе международного стандарта ISA -95, регламентирующего подходы к описанию моделей для бизнес-приложений (ресурсные модели, модели управления производством и модели работ). В этом же стандарте описывается формат взаимодействия между информационными системами — Business-to-Manufacturing Markup Language (B2MML) — язык разметки связи между бизнесом и производством, понятный всем системам при обмене данными. Благодаря поддержке B2MML платформа ZIIoT может взаимодействовать с другими приложениями: ERP, LIMS (Laboratory Information Management System — «управление лабораторной информацией»), MDM (Master Data Management — «управление основными данными») и пр. Если этот стандарт не поддерживается внешней информационной системой, то можно воспользоваться имеющимся в платформе набором готовых интерфейсов, позволяющих в том числе напрямую запрашивать данные в объектные модели из реляционных баз данных. Также есть возможность разрабатывать специфические интерфейсы, используя возможности сервисов сбора на базе Apache NiFi — зарекомендовавшего себя ETL-инструмента извлечения, преобразования и загрузки данных с большим набором готовых процессоров.

Сервисы настройки и разработки пользовательских интерфейсов. Слой включает все необходимые инструменты для создания пользовательского интерфейса платформы — дизайнеры мнемосхем, отчетов, бизнес-графики и витрин данных, доступные для использования в обычном веб-браузере. В личном кабинете пользователи могут создать комфортную среду под свои нужды и конкретные задачи.

Сервисы разработки приложений. Основная задача этого слоя состоит в том, чтобы структурировать и автоматизировать процесс разработки, контроля качества и доставки нового функционала конечному пользователю. Сюда входят среда управления требованиями, менеджер репозиториев исходного кода с системой контроля версий, система автоматизированной сборки приложений (Continuous Integration, CI), система для обеспечения непрерывной доставки (Continuous Delivery, CD), программная платформа для управления документацией, набор анализаторов исходного кода (в частности, проверки качества кода, проверки зависимых библиотек и поиска уязвимостей). Этот набор позволяет быстро разрабатывать новые приложения для пользователей как силами внутренней команды, так и с привлечением внешних разработчиков.

Сервисы администрирования. На этом слое размещается набор инструментов для управления пользователями, доступом к ресурсам и сервисам, лицензиями, а также для управления программно-аппаратной инфраструктурой и для мониторинга функциональности.

Вначале средства платформы осуществляют первичный сбор, валидацию и обработку данных из локальных систем автоматизации, чаще всего с уровня АСУТП, после чего сохраняют их в базе данных временных рядов с возможностью использования функции сжатия. Затем выполняется структурирование данных: в зависимости от клиентских задач формируются объектные модели оборудования, персонала, материалов, процессов, операций и т. д. Все данные, собранные из производственных систем, привязываются к конкретным объектам моделей через настроенные свойства. Например, если речь идет о каком-либо промышленном резервуаре, то его свойством может быть уровень продукта, измеряемый уровнемером. Для этого резервуара в платформе в модели оборудования создается объект «резервуар» со свойством «уровень продукта», и все данные, поступающие с уровнемера , через привязку к тегу базы данных временных рядов становятся доступны из объектной модели. Далее доступ к текущим и архивным значениям осуществляется через объектную модель. Структурированные данные проходят обработку аналитическими инструментами платформы. Например, расчетный модуль по собранным с уровнемера данным и градуировочной таблице может вычислить объем продукта в резервуаре, а далее — по заданной методике ее массу. Затем данные приводятся к необходимому потребителю виду и передаются конечным пользователям через различные интерфейсы или передаются в прикладные системы.

Базовые функции ZIIoT обеспечиваются компонентами Open Source и собственными сервисами платформы, расширяющими функциональность. Например, Apache Cassandra, представляющая собой NoSQL базу данных, с помощью сервисов платформы приобретает свойства средства управления временными рядами.

Для достижения максимальных эффектов от внедрения платформы часто необходимо не только развернуть и настроить ПО, но и изменить бизнес-процессы на предприятии. Для этого привлекают отраслевых экспертов, исследующих существующие бизнес-процессы на производстве и предлагающих рекомендации по их корректировке.

Для малых и средних предприятий предусмотрен облегченный вариант поставки платформы в виде виртуальной машины с базовым набором сервисов. В результате предприятия получают готовую среду для сбора производственных данных с доступом к отчетам, мнемосхемам и витринам через обычный веб-браузер.

Для распространения и использования созданных на базе платформы приложений имеется торговая площадка Zyfra Industrial Marketplace — экосистема, объединяющая вендоров, разработчиков решений для цифровизации промышленности и потребителей (предприятия из различных промышленных секторов: нефтегазового, нефтехимического, горно-металлургического, машиностроительного и др.). В экосистему вовлечено несколько технологических партнеров, предоставляющих сервисы по созданию цифровых двойников производственных объектов, по оптимизации производства, для прогнозной диагностики оборудования, отслеживания работы различных служб предприятия, управления работой мобильных бригад, решения задач в сфере промышленной безопасности, использования компьютерного зрения на производстве.

Площадка дает возможность промышленным компаниям выбирать и приобретать требуемые приложения, включая решения класса «Цифровой НПЗ», «Цифровое месторождение», «Цифровой ГОК» для управления производственными активами на основе цифровых двойников и оптимизации производственных процессов с использованием моделей машинного обучения.

Платформа ZIIoT поддерживает как собственные решения «Цифры», так и решения других разработчиков, создающих свои цифровые продукты на микросервисной архитектуре, что снимает необходимость длительного и дорогостоящего внедрения. Встроенные инструменты ZIIoT позволяют получать цифровые решения по подписке.

***

Платформа ZIIoT не имеет какой-то отраслевой специфики и может применяться на производственных предприятиях любого профиля, однако в каждой отрасли существует ряд узкоспециализированных задач, решаемых с помощью отраслевых прикладных сервисов, интегрируемых в платформу, — в частности, для машиностроения и металлообработки, горной отрасли, непрерывного производства. ZIIoT стала основой для цифровой промышленной платформы нефтегазовой отрасли: совместно с компанией «Газпром нефть» создано предприятие «Цифровая индустриальная платформа» для доработки уже существующих сервисов платформы под специфические нужды нефтегазовой отрасли, а также разработки новых прикладных решений для оперативного управления производством, контроля технологических процессов и решения других задач, в том числе с применением технологий искусственного интеллекта. Апробация решений осуществляется на Омском НПЗ и на площадках предприятия «Газпромнефть — Битумные материалы».

Литература

1.  Pauli  T.,  Fielt E., Matzner  M.  //  Digital Industrial Platforms. Bus Inf Syst  Eng. — 2021. — Vol. 63. — P.  181–190.  URL:  https://doi.org/10.1007/s12599-020-00681-w (дата обращения:  26.04.2021). 

2. Крис  Ричардсон.  Микросервисы. Паттерны разработки и  рефакторинга. СПб.:  Питер,  2019. —  544 с.

3. Максим Смирнов. Микросервисная архитектура в корпоративном ИТ-ландшафте // Открытые системы СУБД. — 2017. —  № 4.  —  С. 38–41.  URL: https://www.osp.ru/os/2017/04/13053389 (дата обращения: 21.05.2021).

Игорь Колобов, Федор Арефьев (info@zyfra.com)  —  старшие менеджеры продукта, ГК «Цифра» (Москва).