đồ án 1 Phân tích dữ liệu IoT hỗ trợ xử lý giảm thiểu rủi ro công nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG o0o BÁO CÁO ĐỒ ÁN I Đề tài Phân tích dữ liệu IoT hỗ trợ xử lý giảm thiểu rủi ro công nghiệp Giảng viên hướng dẫn T S Phạm Văn Tiến Nhóm Sinh viê.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

………o0o………

BÁO CÁO ĐỒ ÁN I

Đề tài: Phân tích dữ liệu IoT

hỗ trợ xử lý giảm thiểu rủi ro công nghiệp

Giảng viên hướng dẫn: T.S Phạm Văn Tiến

Nhóm Sinh viên:

Nguyễn Thị Lan 20182629 Điện tử 08 – K63

Lê Khánh Hòa 20182531 Điện tử 08 – K63

MỤC LỤC

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH i

DANH MỤC BẢNG BIỂU ii

Lời nói đầu iii

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU ĐỀ TÀI 1

1.1 Giới thiệu chung về hệ thống: 1

1.2 Giới thiệu về RBI (Risk Base Inspection) 1

1.2.1 Định nghĩa RBI 1

1.2.2 Ứng dụng của RBI 2

1.3 Giới thiệu chung về IoT 2

1.3.1 Cấu trúc hệ thống IoT 3

1.3.2 Ưu và nhược điểm của IoT 3

1.3.3 Ứng dụng IoT trong công nghiệp 3

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 4

2.1 Phân tích hệ thống 4

2.1.1 Yêu cầu hệ thống 4

2.1.2 Mục đích xây dựng hệ thống 4

2.1.3 Cấu trúc chung của hệ thống 4

2.2 Xây dựng hệ thống 6

2.2.1 Khối thu thập dữ liệu đầu vào 6

2.2.2 Khối phần mềm quản lý, tính toán, phân tích dữ liệu và lưu trữ 9

CHƯƠNG 3 PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM 10

3.1 Phân tích phần mềm 10

3.1.1 Xây dựng sơ đồ ca sử dụng (Use case diagram) 10

3.1.2 Xây dựng biểu đồ hoạt động (Acivity diagram) 13

3.2 Thiết kế phần mềm 17

3.2.1 Yêu cầu phần mềm 17

3.2.2 Thiết kế các khối chức năng 17

3.2.3 Thiết kế cơ sở dữ liệu (Database) 19

CHƯƠNG 4 KIỂM THỬ 20

4.1 Kết quả thực nghiệm 20

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 24

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 - Cấu trúc hệ thống 5

Hình 2.2 - Sơ đồ khối thu thập dữ liệu 6

Hình 2.3 - Thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm 6

Hình 2.4 - Thiết bị Gateway 8

Hình 2.5 - Mô hình truyền tải dữ liệu sử dụng giao thức MQTT 9

Hình 2.6 - Cấu trúc khối xử lý tính toán và phân tích 9

Hình 3.1 - Biểu đồ ca của hệ thống 10

Hình 3.2 - Biểu đồ ca phân rã chức năng hỏi đáp trực tuyến 11

Hình 3.3 - Biểu đồ phân rã chức năng quản lý các thiết bị nhà máy 11

Hình 3.4 - Biểu đồ hoạt động chức năng đăng kí tài khoản 13

Hình 3.5 - Biểu đồ hoạt động chức năng hỏi đáp trực tuyến 14

Hình 3.6 - Biểu đồ hoạt động chức năng đăng nhập của hệ thống 15

Hình 3.7 - Biểu đồ ca hoạt động chức năng yêu cầu phân tích của hệ thống 15

Hình 3.8 - Biểu đồ hoạt động chức năng yêu cầu kiểm định của hệ thống 16

Hình 3.9 - Giao diện đăng nhập tài khoản 17

Hình 3.10 - Giao diện quản lý các nhà máy 18

Hình 3.11 - Giao diện hỏi đáp trực tuyến 18

Hình 3.12 - Một phần cơ sở dữ liệu quản lý nhà máy và các trang thiết bị 19

Hình 3.13 - Một phần cơ sở dữ liệu quản lý dữ liệu thu thập từ nhà máy 19

Hình 4.1 - Kết quả tính toán xác suất lỗi thiết bị 20

Hình 4.2 - Kết quả tính toán thiệt hại 21

Hình 4.3 - Ma trận kết quả phân loại rủi ro 22

Hình 4.4 - Tính toán tốc độ ăn mòn 22

Hình 4.5 - Đồ thị tính toán ước lượng rủi ro 23

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 - Ưu và nhược điểm của IoT 3

Bảng 2.1 - Thông số kỹ thuật module nhiệt độ, độ ẩm 8

Bảng 2.2 - Thông số cơ bản Gateway (Raspberry Pi Việt Nam, n.d.) 9

Bảng 3.1 - Yêu cầu phần mềm 17

Lời nói đầu

Internet of Things, hay IoT, internet vạn vật là đề cập đến hàng tỷ thiết bị vật lý trên khắp

thế giới hiện được kết nối với internet, thu thập và chia sẻ dữ liệu Nhờ bộ xử lý giá rẻ và mạng không dây, có thể biến mọi thứ, từ viên thuốc sang máy bay, thành một phần của IoT Điều này bổ sung sự “thông minh kỹ thuật số” cho các thiết bị, cho phép chúng giao tiếp

mà không cần có con người tham gia và hợp nhất thế giới kỹ thuật số và vật lý Trong lĩnh vực công nghiệp, các nhà sản xuất ứng dụng IoT nhằm giúp các công ty phát hiện ra khi một thành phần có khả năng lỗi và trao đổi nó trước khi nó gây ra thiệt hại, giảm thiểu nguy

cơ rủi ro công nghiệp cũng như làm cho hệ thống và chuỗi cung ứng của họ hiệu quả hơn, bởi vì họ sẽ có dữ liệu chính xác hơn nhiều về những gì đang thực sự xảy ra

Chính vì đó, nhận thấy sự thiết thực của đề tài, nhóm chúng em sẽ tìm hiểu về IoT và ứng dụng IoT để tính toán rủi ro, hỗ trợ lên kế hoạch kiểm định và tái kiểm định cho từng loại thiết bị công nghiệp có thể bị hỏng hóc

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu chung về hệ thống:

Khi nhà máy công nghiệp vận hành, sẽ luôn có một rủi ro nhất định có thể phải gánh chịu nếu thiết bị của nhà máy đó bị hỏng hóc Với cách thức truyền thống, để giảm sự rủi ro này chúng ta sẽ thường đưa ra một chu kỳ kiểm tra thiết bị (ví dụ: 4 năm, 8 năm ) Tại mỗi chu

kỳ, nhà máy phải tạm dừng hoạt động để thực hiện bảo trì thiết bị, đồng thời sẽ xảy ra các vấn đề sau:

• Rủi ro của các thiết bị sẽ không ổn định mà sẽ tăng dần theo từng năm (do xác suất lỗi của thiết bị tăng)

• Với các thiết bị hoạt động lâu năm, các thiết bị thường sẽ bị hỏng hóc trước khi đến chu kỳ tiến hành kiểm tra

• Với những thiết bị mới lắp đặt, thường không bị hỏng hóc ở những chu kỳ đầu tiên

• Việc dừng hoạt động của toàn nhà máy gây thiệt hại lớn về kinh doanh cho nhà máy

Để khắc phục những vấn đề trên, chúng ta phải đưa ra một mô hình tính toán rủi ro và hỗ trợ lên kế hoạch tái kiểm tra thiết bị trước khi thiết bị xảy ra hỏng hóc Ở đây, ta sử dụng tiêu chuẩn đánh giá RBI 581 của Viện Dầu khí Hoa Kỳ để đánh giá mức độ rủi ro của thiết

bị công nghiệp, đồng thời đưa ra thời điểm cần tiến hành kiểm tra trước khi xảy ra hỏng hóc ở thiết bị Qua mô hình này, việc kiểm tra và đánh giá thiết bị sẽ chiếm ít thời gian hơn Đồng thời, ta sẽ không cần thiết phải dừng hoạt động của toàn bộ hệ thống máy móc trong nhà máy, nhà máy sẽ hoạt động bình thường trong quá trình kiểm tra thiết bị Hệ thống hỗ trợ kiểm tra, đánh giá sẽ được thiết kế dưới dạng phần mềm

1.2 Giới thiệu về RBI (Risk Base Inspection)

1.2.1 Định nghĩa RBI

Kiểm định dựa trên kỹ thuật phân tích rủi ro (Risk-based Inspection) là một phương pháp

giúp lập kế hoạch kiểm tra trang thiết bị dựa trên những phân tích, đánh giá về rủi ro của một sự kiện lỗi Nói cách khác, nó là một kỹ thuật ưu tiên quá trình lập kế hoạch kiểm tra được sử dụng chủ yếu trong ngành dầu khí, hỗ trợ xác định mức độ ưu tiên trong quá trình kiểm tra Trong kỹ thuật kiểm định dựa trên phân tích rủi ro (RBI), chúng ta sẽ kết hợp

đánh giá xác suất xảy ra lỗi của thiết bị và thiệt hại nhà máy có thể sẽ phải gánh chịu nếu lỗi này xảy ra

1.2.2 Ứng dụng của RBI

Như ta biết, với cách truyền thống, các thiết bị sẽ được lên kế hoạch kiểm tra theo một chu

kỳ nhất định (ví dụ: 4 năm, 8 năm…) Với cách lập kế hoạch này gặp các vấn đề:

• Xác suất lỗi của những thiết bị khác nhau là khác nhau, phụ thuộc vào điều kiện hoạt động của thiết bị, loại thiết bị, vật liệu…

• Xác suất lỗi của những thiết bị dùng lâu năm khác với những thiết bị mới

• Các thiết bị có thể hỏng hóc trước khi tới ngày tiến hành kiểm tra định kỳ

Việc kiểm tra này sẽ gây ra thiệt hại cho nhà máy do phải dừng hoạt động của các thiết bị trong thời gian dài Khi đó, việc ứng dụng kỹ thuật RBI vào nhà máy có tác dụng:

• Đánh giá xác suất lỗi của thiết bị với điều kiện hoạt động và vật liệu khác nhau

• Đánh giá xác suất lỗi hiện tại của các thiết bị có thời gian hoạt động khác nhau

• Lên kế hoạch kiểm tra cho từng loại thiết bị độc lập, đảm bảo thiết bị được kiểm tra trước khi xác suất lỗi của thiết bị tăng cao

• Giảm chi phí và thời gian bảo trì Việc bảo trì thiết bị sẽ được thực hiện riêng rẽ, nhà máy vẫn vận hành bình thường, chỉ cần ngắt kết nối thiết bị kiểm tra với dây chuyền sản xuất, thời gian bảo trì ngắn hơn, do đó thiệt hại giảm xuống rõ rệt

1.3 Giới thiệu chung về IoT

IoT, viết tắt của Internet of Things, nghĩa là Internet vạn vật, là một hệ thống các thiết bị

tính toán, máy móc cơ khí và kỹ thuật số hoặc con người có liên quan với nhau và khả năng truyền dữ liệu qua mạng mà không yêu cầu sự tương tác giữa con người với máy tính

1.3.1 Cấu trúc hệ thống IoT

Một hệ thống IoT sẽ bao gồm 4 thành phần chính:

• Thiết bị (Things),

• Trạm kết nối (Gateways),

• Hạ tầng mạng (Network and Cloud),

• Bộ phân tích và xử lý dữ liệu (Services-creation and Solution Layers)

1.3.2 Ưu và nhược điểm của IoT

Bảng 1.1 - Ưu và nhược điểm của IoT

- Truy cập thông tin từ mọi lúc,

mọi nơi trên mọi thiết bị

- Cải thiện việc giao tiếp giữa các

thiết bị điện tử được kết nối

- Chuyển dữ liệu qua mạng

Internet giúp tiết kiệm thời

gian và tiền bạc

- Tự động hóa các nhiệm vụ giúp

cải thiện chất lượng dịch vụ của

doanh nghiệp

- Khi nhiều thiết bị được kết nối và nhiều thông tin được chia sẻ giữa các thiết bị, có thể lấy cắp thông tin bí mật

- Các doanh nghiệp có thể phải đối phó với số lượng lớn thiết bị IoT và việc thu thập và quản lý dữ liệu

1.3.3 Ứng dụng IoT trong công nghiệp

Khi ứng dụng của IoT được áp dụng vào trong nhà máy, việc quản lý hệ thống sẽ thông qua Internet Chúng ta có thể điều khiển các thiết bị được kết nối ở bất kỳ nơi nào trên thế giới thông qua Internet

Như vậy, qua việc kết nối các thiết bị trong nhà máy, chúng ta sẽ biết được máy móc vận hành, điều khiển thiết bị từ xa, kiểm soát mức nhiên liệu, các nguyên vật liệu…

Ba yếu tố cơ bản để kết nối các thiết bị lên Internet:

• Các cảm biến trong nhà máy phải kết nối được với truyền thông Modbus

• Từ truyền thông Modbus phải thông qua bộ chuyển đổi trung gian từ Modbus lên Internet

• Để truy cập vào hệ thống của nhà máy Chúng ta cần thêm Webserver

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG

2.1 Phân tích hệ thống

2.1.1 Yêu cầu hệ thống

Qua phần xác định cấu trúc hệ thống chúng em xác định được yêu cầu chung của hệ thống như sau:

• Thu thập dữ liệu của nhà máy và lưu lại dưới dạng các file excel

• Dịch vụ phân tích dữ liệu hoạt động ổn định, chính xác, có giao diện trực quan dễ

sử dụng thân thiện với người dùng

• Báo cáo của quá trình phân tích đầy đủ, chi tiết dễ hiểu cho người sử dụng

• Tích hợp với hệ thống thu thập dữ liệu tự động dựa trên nền IoT

2.1.2 Mục đích xây dựng hệ thống

• Thu thập dữ liệu, phân tích và đánh giá mức độ rủi ro của các máy móc, thiết bị trong các nhà máy công nghiệp

• Kịp thời đưa ra thời gian cũng như các phương thức bảo trì, kiểm định hệ thống nhằm tránh xảy ra các rủi ro cũng như thiệt hại mà nó gây ra

2.1.3 Cấu trúc chung của hệ thống

Hệ thống sẽ có 3 thành phần chính sau:

• Cơ quan quản lý: là cơ quan đứng đầu của cả hệ thống Đây là nơi sẽ ra quyết định

các yêu cầu cho các nhà máy nhằm yêu cầu các nhà máy thực hiện kiểm định

• Cơ sở công nghiệp: là các cơ sở có nhu cầu thực hiện kiểm tra, kiểm định nhà máy

sau một thời gian dài hoạt động Các cơ sở này sẽ gửi dữ liệu của nhà máy sau khi tiến hành thu thập đến cho Data Center để tiến hành phân tích, đánh giá mức độ rủi

ro và đưa ra các giải pháp bảo trì cho hệ thống

• Data Center: tiếp nhận dữ liệu từ các cơ sở công nghiệp gửi đến, tiến hành phân

tích, đánh giá Sau đó, xuất ra báo cáo kết quả phân tích đến cơ quan quản lý

Hình 2.1 - Cấu trúc hệ thống

Mỗi chu kỳ đánh giá - kiểm định trải qua 9 bước tuần tự gồm:

Bước 1: Cơ quan quản lý giám sát cơ sở nhà máy về công tác kiểm định máy móc thiết bị

tại nhà máy;

Bước 2+3: Cơ sở nhà máy thu thập dữ liệu tại chỗ và gửi về hệ thống CSDL trung tâm; Bước 4+5: Phần mềm xử lý dữ liệu trung tâm tiến hành phân tích theo định chuẩn và trình

bày kết quả cho người quản lý;

Bước 6+7: Trên cơ sở phân tích dữ liệu, cơ quan quản lý có thể kiểm soát được kế hoạch

kiểm định và phương án bảo dưỡng, sửa chữa thiết bị, hay yêu cầu báo cáo bổ sung;

Bước 8+9: Cơ sở nhà máy sẽ tiến hành thủ tục kiểm định và báo cáo kết quả về CSDL

trung tâm

2.2 Xây dựng hệ thống

2.2.1 Khối thu thập dữ liệu đầu vào

Hệ thống phân tích cần thu thập một lượng dữ liệu rất lớn, bao gồm: nhiệt độ, áp suất, điều kiện môi trường… Để đo đạc các thông số ta cần các thiết bị máy móc và sensor cảm biến chuyên dụng giúp thu thập dữ liệu một cách chính xác Chúng em đã hợp tác với nhóm phần cứng thiết kế và xây dựng các sensor hỗ trợ thu thập dữ liệu một cách tự động như: cảm biến thu thập nhiệt độ, độ ẩm… Dữ liệu thu thập được gửi về gateway thông qua mạng Zigbee và Lora, sau đó được xử lý và gửi về Data Center thông qua Internet

Hình 2.2 - Sơ đồ khối thu thập dữ liệu

2.2.1.1 Thiết bị thu thập dữ liệu

Module đo nhiệt độ, độ ẩm

Hình 2.3 - Thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm

Việc xây dựng sensor giám sát nhiệt độ, độ ẩm của thiết bị đã sử dụng các loại cảm biến và linh kiện sau đây

Bảng 2.1 - Thông số kỹ thuật module nhiệt độ, độ ẩm

Pic24FJ128GA306 16MIPs, thuộc họ PIC24F 16 bit

Memory Flash Program 128Kbyte, SRAM 8Kbytes

I/O 64 chân kết nối, 53 chân I/O

Giao tiếp ngoại vi SPI (2 bộ), I2C (2 bộ), UART (4 bộ)

Thiết bị thu phát Zigbee: Sử dụng tần số 2.4Ghz với tốc độ 250kbps

hệ điều hành khác nhau giúp thuận tiện cho quá trình phát triển Dưới đây là bảng những thông số kĩ thuật cơ bản trên bo nhúng Raspberry Pi 3

Bảng 2.2 - Thông số cơ bản Gateway (Raspberry Pi Việt Nam, n.d.)

CPU Broadcom BCM2837B0, quad-core A53 (ARMv8) 64-bit SoC

@1.4GHz

Giao tiếp ngoại vi

2.4GHz and 5GHz IEEE 802.11 b/g/n/ac wireless LAN, Bluetooth 4.2, BLE, Gigabit Ethernet over USB 2.0 (Tối đa 300Mbps), Mở rộng: 40-pin GPIO, Cổng USB: 4 x 2.0

2.2.1.3 Mô hình truyền tải dữ liệu về trung tâm

Quá trình truyền tải dữ liệu từ nhà máy về hệ thống Data Center được dựa trên mô hình của giao thức MQTT - Message Queue Telemetry Transport MQTT là một giao thức truyền tải tin nhắn gọn nhẹ được thiết kế để liên lạc giữa các thiết bị Việc truyền tải dựa trên một Broker đơn giản được coi như trung tâm kết nối nữa gateway và trung tâm CSDL Việc sử dụng giao thức truyền tải MQTT là rất hữu ích giúp truyền thông tin hiệu quả, dữ liệu truyền tải lớn tốn ít băng thông… Dưới đây là kiến trúc mô hình truyền tải của hệ thống

Broker

Data Center Wireless

Dữ liệu thu được tại cơ sở nhà máy sẽ được gửi về cơ sở dữ liệu trung tâm của hệ thống thông qua nhiều kênh khác nhau Phần mềm sẽ cung cấp những những tiện ích giúp gửi dữ liệu trực tiếp thường xuyên thông qua mạng Internet Các dữ liệu sẽ được cung cấp cho hệ thống tính toán một cách tự động khi có yêu cầu

2.2.2 Khối phần mềm quản lý, tính toán, phân tích dữ liệu và lưu trữ

Khi dữ liệu được chuyển đầy đủ về cơ sở dữ liệu của trung tâm, cơ quan quản lý chuyển đổi, chuẩn hóa dữ liệu trước khi đưa đến trung tâm và khối xử lý tính toán Dưới đây là sơ

đồ chi tiết của khối xử lý trung tâm được thể hiên qua hình sau

Tiền xử lý dữ liệu (Data Pre- processing)

Tính toán và phân tích dữ liệu (Data Analysis and Computing)

Giao diện vận hành (Operations Plane)

Báo cáo và trình bày kết quả phân tích (Data reporting and presentation)

Cơ quan quản lý (Administrative Authorities)

Chuyên gia (Expert)

Cơ sở sản xuất (Factory Owner)

Công chúng (Public)

CSDL trung tâm (Central DB)

Phân tích theo yêu cầu

Định chuẩn phân tích (on-demand )

Chú thích

Thông tin/lệnh

Luồng dữ liệu

Hình 2.6 - Cấu trúc khối xử lý tính toán và phân tích

Từ hình 2.6 ta có thể thấy dữ liệu được đưa vào trung tâm xử lý theo nhiều cách khác nhau,

dữ liệu này sẽ được đi qua khối tiền xử lý giúp chuẩn hóa dữ liệu trước khi được lưu trữ tại

cơ sở dữ liệu trung tâm và khối phân tích tính toán Sau khi tính toán rủi ro, các thông số này sẽ được chuyển đến khối giao diện nhằm hiển thị và giao tiếp với người sử dụng