Đang tải... (xem toàn văn)
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 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 Hà Nội, 8/2021 MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH i DANH MỤC BẢNG BIỂU ii Lời nói đầu iii CHƯƠNG TÌM HIỂU ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu chung hệ thống: 1.2 Giới thiệu RBI (Risk Base Inspection) 1.2.1 Định nghĩa RBI 1.2.2 Ứng dụng RBI 1.3 Giới thiệu chung IoT 1.3.1 Cấu trúc hệ thống IoT 1.3.2 Ưu nhược điểm IoT 1.3.3 Ứng dụng IoT công nghiệp CHƯƠNG PHÂN TÍCH VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 2.1 Phân tích hệ thống 2.1.1 Yêu cầu hệ thống 2.1.2 Mục đích xây dựng hệ thống 2.1.3 Cấu trúc chung hệ thống 2.2 Xây dựng hệ thống 2.2.1 Khối thu thập liệu đầu vào 2.2.2 Khối phần mềm quản lý, tính tốn, phân tích liệu lưu trữ CHƯƠNG 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 khối chức 17 3.2.3 Thiết kế sở liệu (Database) 19 CHƯƠNG KIỂM THỬ 20 4.1 Kết thực nghiệm 20 CHƯƠNG KẾT LUẬN 24 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 - Cấu trúc hệ thống Hình 2.2 - Sơ đồ khối thu thập liệu Hình 2.3 - Thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm Hình 2.4 - Thiết bị Gateway Hình 2.5 - Mơ hình truyền tải liệu sử dụng giao thức MQTT Hình 2.6 - Cấu trúc khối xử lý tính toán phân tích Hình 3.1 - Biểu đồ ca hệ thống 10 Hình 3.2 - Biểu đồ ca phân rã chức hỏi đáp trực tuyến 11 Hình 3.3 - Biểu đồ phân rã chức quản lý thiết bị nhà máy 11 Hình 3.4 - Biểu đồ hoạt động chức đăng kí tài khoản 13 Hình 3.5 - Biểu đồ hoạt động chức hỏi đáp trực tuyến 14 Hình 3.6 - Biểu đồ hoạt động chức đăng nhập hệ thống 15 Hình 3.7 - Biểu đồ ca hoạt động chức yêu cầu phân tích hệ thống 15 Hình 3.8 - Biểu đồ hoạt động chức yêu cầu kiểm định hệ thống 16 Hình 3.9 - Giao diện đăng nhập tài khoản 17 Hình 3.10 - Giao diện quản lý nhà máy 18 Hình 3.11 - Giao diện hỏi đáp trực tuyến 18 Hình 3.12 - Một phần sở liệu quản lý nhà máy trang thiết bị 19 Hình 3.13 - Một phần sở liệu quản lý liệu thu thập từ nhà máy 19 Hình 4.1 - Kết tính tốn xác suất lỗi thiết bị 20 Hình 4.2 - Kết tính tốn thiệt hại 21 Hình 4.3 - Ma trận kết phân loại rủi ro 22 Hình 4.4 - Tính tốn tốc độ ăn mòn 22 Hình 4.5 - Đồ thị tính tốn ước lượng rủi ro 23 i DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 - Ưu nhược điểm IoT Bảng 2.1 - Thông số kỹ thuật module nhiệt độ, độ ẩm Bảng 2.2 - Thông số Gateway (Raspberry Pi Việt Nam, n.d.) Bảng 3.1 - Yêu cầu phần mềm 17 ii Lời nói đầu Internet of Things, hay IoT, internet vạn vật đề cập đến hàng tỷ thiết bị vật lý khắp giới kết nối với internet, thu thập chia sẻ liệu Nhờ xử lý giá rẻ mạng khơng dây, biến thứ, từ viên thuốc sang máy bay, thành phần IoT Điều bổ sung sự “thông minh kỹ thuật số” cho thiết bị, cho phép chúng giao tiếp mà khơng cần có người tham gia hợp giới kỹ thuật số vật lý Trong lĩnh vực công nghiệp, nhà sản xuất ứng dụng IoT nhằm giúp công ty phát thành phần có khả lỗi trao đổi trước gây thiệt hại, giảm thiểu nguy rủi ro công nghiệp làm cho hệ thống chuỗi cung ứng họ hiệu hơn, họ có liệu chính xác nhiều thực sự xảy Chính đó, nhận thấy sự thiết thực đề tài, nhóm chúng em tìm hiểu IoT ứng dụng IoT để tính toán rủi ro, hỗ trợ lên kế hoạch kiểm định tái kiểm định cho loại thiết bị cơng nghiệp bị hỏng hóc iii CHƯƠNG TÌM HIỂU ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu chung hệ thống: Khi nhà máy cơng nghiệp vận hành, ln có rủi ro định phải gánh chịu thiết bị nhà máy bị hỏng hóc Với cách thức truyền thống, để giảm sự rủi ro chúng ta thường đưa chu kỳ kiểm tra thiết bị (ví dụ: năm, năm ) Tại chu kỳ, nhà máy phải tạm dừng hoạt động để thực bảo trì thiết bị, đồng thời xảy vấn đề sau: • Rủi ro thiết bị không ổn định mà tăng dần theo năm (do xác suất lỗi thiết bị tăng) • Với thiết bị hoạt động lâu năm, thiết bị thường bị hỏng hóc trước đến chu kỳ tiến hành kiểm tra • Với thiết bị lắp đặt, thường không bị hỏng hóc chu kỳ • Việc dừng hoạt động toàn nhà máy gây thiệt hại lớn kinh doanh cho nhà máy Để khắc phục vấn đề trên, chúng ta phải đưa mô hình tính tốn rủi ro hỗ trợ lên kế hoạch tái kiểm tra thiết bị trước thiết bị xảy hỏng hóc Ở đây, ta sử dụng tiêu chuẩn đánh giá RBI 581 Viện Dầu khí Hoa Kỳ để đánh giá mức độ rủi ro thiết bị công nghiệp, đồng thời đưa thời điểm cần tiến hành kiểm tra trước xảy hỏng hóc thiết bị Qua mơ hình này, việc kiểm tra đánh giá thiết bị chiếm ít thời gian Đồng thời, ta không cần thiết phải dừng hoạt động tồn hệ thống máy móc nhà máy, nhà máy hoạt động bình thường trình kiểm tra thiết bị Hệ thống hỗ trợ kiểm tra, đánh giá thiết kế dạng phần mềm 1.2 Giới thiệu RBI (Risk Base Inspection) 1.2.1 Định nghĩa RBI Kiểm định dựa kỹ thuật phân tích rủi ro (Risk-based Inspection) phương pháp giúp lập kế hoạch kiểm tra trang thiết bị dựa phân tích, đánh giá rủi ro sự kiện lỗi Nói cách khác, kỹ thuật ưu tiên trình lập kế hoạch kiểm tra sử dụng chủ yếu ngành dầu khí, hỗ trợ xác định mức độ ưu tiên trình kiểm tra Trong kỹ thuật kiểm định dựa phân tích rủi ro (RBI), chúng ta kết hợp đánh giá xác suất xảy lỗi thiết bị thiệt hại nhà máy phải gánh chịu lỗi xảy 1.2.2 Ứng dụng RBI Như ta biết, với cách truyền thống, thiết bị lên kế hoạch kiểm tra theo chu kỳ định (ví dụ: năm, năm…) Với cách lập kế hoạch gặp vấn đề: • Xác suất lỗi thiết bị khác khác nhau, phụ thuộc vào điều kiện hoạt động thiết bị, loại thiết bị, vật liệu… • Xác suất lỗi thiết bị dùng lâu năm khác với thiết bị • Các thiết bị hỏng hóc trước tới ngày tiến hành kiểm tra định kỳ Việc kiểm tra gây thiệt hại cho nhà máy phải dừng hoạt động thiết bị thời gian dài Khi đó, việc ứng dụng kỹ thuật RBI vào nhà máy có tác dụng: • Đánh giá xác suất lỗi thiết bị với điều kiện hoạt động vật liệu khác • Đánh giá xác suất lỗi thiết bị có thời gian hoạt động khác • Lên kế hoạch kiểm tra cho loại thiết bị độc lập, đảm bảo thiết bị kiểm tra trước xác suất lỗi thiết bị tăng cao • Giảm chi phí thời gian bảo trì Việc bảo trì thiết bị thực riêng rẽ, nhà máy vận hành bình thường, cần ngắt kết nối thiết bị kiểm tra với dây chuyền sản xuất, thời gian bảo trì ngắn hơn, thiệt hại giảm xuống rõ rệt 1.3 Giới thiệu chung IoT IoT, viết tắt Internet of Things, nghĩa Internet vạn vật, hệ thống thiết bị tính tốn, máy móc khí kỹ thuật số người có liên quan với khả truyền liệu qua mạng mà không yêu cầu sự tương tác người với máy tính 1.3.1 Cấu trúc hệ thống IoT Một hệ thống IoT bao gồm thành phần chính: • Thiết bị (Things), • Trạm kết nối (Gateways), • Hạ tầng mạng (Network and Cloud), • Bộ phân tích xử lý liệu (Services-creation and Solution Layers) 1.3.2 Ưu nhược điểm IoT Bảng 1.1 - Ưu nhược điểm IoT Ưu điểm Nhược điểm - Truy cập thông tin từ lúc, - Khi nhiều thiết bị kết nối nhiều thông tin nơi thiết bị chia sẻ thiết bị, lấy cắp thơng - Cải thiện việc giao tiếp tin bí mật thiết bị điện tử kết nối - Các doanh nghiệp phải đối phó với số lượng - Chuyển liệu qua mạng lớn thiết bị IoT việc thu thập quản lý liệu Internet giúp tiết kiệm thời từ thiết bị thách thức gian tiền bạc - Nếu có lỗi hệ thống, có khả thiết - Tự động hóa nhiệm vụ giúp bị kết nối bị hỏng cải thiện chất lượng dịch vụ - Vì khơng có tiêu chuẩn quốc tế khả tương doanh nghiệp thích cho IoT, khó để thiết bị từ nhà sản xuất khác giao tiếp với 1.3.3 Ứng dụng IoT công nghiệp Khi ứng dụng IoT áp dụng vào nhà máy, việc quản lý hệ thống thông qua Internet Chúng ta điều khiển thiết bị kết nối nơi giới thông qua Internet Như vậy, qua việc kết nối thiết bị nhà máy, chúng ta biết máy móc vận hành, điều khiển thiết bị từ xa, kiểm soát mức nhiên liệu, nguyên vật liệu… Ba yếu tố để kết nối thiết bị lên Internet: • Các cảm biến nhà máy phải kết nối với truyền thơng Modbus • Từ truyền thơng Modbus phải thông qua chuyển đổi trung gian từ Modbus lên Internet • Để truy cập vào hệ thống nhà máy Chúng ta cần thêm Webserver CHƯƠNG 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 yêu cầu chung hệ thống sau: • Thu thập liệu nhà máy lưu lại dạng file excel • Dịch vụ phân tích liệu hoạt động ổn định, chính xác, có giao diện trực quan dễ sử dụng thân thiện với người dùng • Báo cáo q trình phân tích đầy đủ, chi tiết dễ hiểu cho người sử dụng • Tích hợp với hệ thống thu thập liệu tự động dựa IoT 2.1.2 Mục đích xây dựng hệ thống • Thu thập liệu, phân tích đánh giá mức độ rủi ro máy móc, thiết bị nhà máy cơng nghiệp • Kịp thời đưa thời gian phương thức bảo trì, kiểm định hệ thống nhằm tránh xảy rủi ro thiệt hại mà gây 2.1.3 Cấu trúc chung hệ thống Hệ thống có thành phần chính sau: • Cơ quan quản lý: quan đứng đầu hệ thống Đây nơi định yêu cầu cho nhà máy nhằm yêu cầu nhà máy thực kiểm định • Cơ sở cơng nghiệp: sở có nhu cầu thực kiểm tra, kiểm định nhà máy sau thời gian dài hoạt động Các sở gửi liệu nhà máy sau tiến hành thu thập đến cho Data Center để tiến hành phân tích, đánh giá mức độ rủi ro đưa giải pháp bảo trì cho hệ thống • Data Center: tiếp nhận liệu từ sở công nghiệp gửi đến, tiến hành phân tích, đánh giá Sau đó, xuất báo cáo kết phân tích đến quan quản lý CHƯƠNG PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM 3.1 Phân tích phần mềm 3.1.1 Xây dựng sơ đồ ca sử dụng (Use case diagram) Biểu đồ ca sử dụng sự tương tác chức mong đợi hệ thống (Use Case) yếu tố bên (Actor) Để xây dựng biểu đồ ca sử dụng, ta cần xác định actor chức chính hệ thống: • Actor: - Cơ sở nhà máy (Factory - Business) - Cơ quan quản lý (Government - Management) • Chức ca sử dụng chính: - Ca sử dụng đăng kí đăng nhập tài khoản tài khoản (Sign up Sign in) - Ca sử dụng hỏi đáp trực tuyến (Online Q&A) - Ca sử dụng yêu cầu kiểm định (Require Verification) - Ca sử dụng gửi liệu trung tâm (Send Data) - Ca sử dụng phân tích liệu đầu vào sở nhà máy (Require Analysis) - Ca sử dụng hiển thị kết sau phân tích đánh giá (View Result) - Ca sử dụng quản lý danh sách nhà máy, thiết bị (Manage Facility) Hình 3.1 - Biểu đồ ca hệ thống 10 Trong hình 3.1 ta thấy mối quan hệ tương tác chức actor hệ thống Trong số ca cịn có ca phân rã, biểu đồ ca phân rã thể qua hình sau Hình 3.2 - Biểu đồ ca phân rã chức hỏi đáp trực tuyến Qua hình 3.2 ta thấy chức hỏi đáp trực tuyến bao gồm số chức cho actor sử dụng như: thêm nội dung hỏi đáp (Post content), xóa nội dung hỏi đáp (Delete content), thêm bình ln (Post comment), xóa bình luận (Delete comment) Hình 3.3 - Biểu đồ phân rã chức quản lý thiết bị nhà máy 11 Hình 3.3 cho ta thấy việc quản lý thiết bị nhà máy bao gồm nhiệm vụ sau: quản lý hệ thống thiết bị, chi tiết thiết bị ghi tạo q trình kiểm định 3.1.2 Xây dựng biểu đồ hoạt động (Acivity diagram) Trước xây dựng biểu đồ, chúng ta xác định hoạt động đối tượng dự án: • Đối tượng: - Factory (Business): Đây nhóm đối tượng chính sử dụng dịch vụ RBI Là hệ thống nhà máy cơng nghiệp có nhu cầu sử dụng phần mềm để đánh giá, phân tích rủi ro, đưa kế hoạch bảo trì thiết bị thơng qua hệ thống RBI - Government (Management): Đây nhóm đối tượng quản lý, sử dụng hệ thống với mục đích kiểm tra giám sát nhà máy, có quyền xem xét kết tính toán rủi ro, yêu cầu nhà máy kiểm định lại thấy kết khơng tin cậy • Các hoạt động chính: - Sign up (Chức đăng ký): Áp dụng cho người dùng Q trình kiểm sốt hồ sơ quan, nhà máy, đồng thời giúp quản lý xác thực phân loại đối tượng người dùng sử dụng dịch vụ Hình 3.4 - Biểu đồ hoạt động chức đăng kí tài khoản 13 Tại giao diện đăng kí hệ thống, người dùng click chọn vào form đăng kí tùy theo phân loại đối tượng hệ thống cung cấp thông tin mà hệ thống yêu cầu Sau đăng ký thông tin xác thực trả kết cấp phép, tương tác mô tả chi tiết Hình 3.4 - Online Q&A (Chức hỏi đáp trực tuyến): Đây chức dùng chung cho tất đối tượng sử dụng dịch vụ, hỗ trợ người dùng trao đổi ý kiến vấn đề liên quan đến môi trường, hoạt động vận hành nhà máy Hình 3.5 - Biểu đồ hoạt động chức hỏi đáp trực tuyến Trên Hình 3.5 hành động thực thi chức hỏi đáp trực tuyến mô tả chi tiết người dùng ấn vào biểu tượng forum, hệ thống trả giao diện thực thi chức mơ tả Hình 3.5 - Sign in (Chức đăng nhập): giúp hệ thống phân loại đối tượng sử dụng, cấp phát quyền thực thi chức tương ứng loại đối tượng người dùng 14 Hình 3.6 - Biểu đồ hoạt động chức đăng nhập hệ thống Khi người dùng đăng nhập, hệ thống tự động xác thực tài khoản thỏa mãn trả giao diện vận hành phần mềm, khơng trả thơng báo, quay giao diện đăng nhập - Require Analysis (Chức đánh giá yêu cầu phần tích): xây dựng cho đối tượng người dùng nhà máy cơng nghiệp Hình 3.7 - Biểu đồ ca hoạt động chức yêu cầu phân tích hệ thống 15 Dựa Hình 3.7 ta thấy quy trình lấy liệu phân tích rủi ro hệ thống bắt đầu người dùng nhập liệu đầu vào, sau xác nhận nộp, hệ thống tự động tính toán, lưu liệu vào sở liệu trung tâm trả kết báo cáo - Require Verification (Chức yêu cầu kiểm định): thiết kế cho đối tượng người dùng quan quản lý, nhà máy cơng nghiệp Hình 3.8 - Biểu đồ hoạt động chức yêu cầu kiểm định hệ thống Ở phân luồng chính chức quan quản lý tạo yêu cầu kiểm định, phần mềm trả giao diện liệt kê kết cần kiểm định, sau thơng tin u cầu gửi đến nhà máy yêu cầu 16 3.2 Thiết kế phần mềm 3.2.1 Yêu cầu phần mềm Bảng 3.1 - Yêu cầu phần mềm Yêu cầu chức - - - Phân tích đánh giá rủi ro cho khu công nghiêp dựa tài liệu RBI phân loại rủi ro Cung cấp nhiều hình thức tiếp nhận đầu vào từ nhà máy (lấy liệu tự động, bán tự động, thủ công) Dựa liệu phân tích rủi ro đưa kế hoạch kiểm định, tái kiểm định cho nhà máy Về quan quản lý cung cấp cơng cụ hỗ trợ kiểm sốt rủi ro đề xuất kiềm tra, kiểm định lại chi tiết cần thiết Kênh trực tuyến giúp trao đổi liệu cần thiết, hỏi đáp thắc mắc cho người dân vấn đề nhà máy Yêu cầu phi chức - - Hệ thống hoạt động ổn định, độ tin cậy cao tính toán Giao diện hiển thị đầy đủ thông tin, thân thiện với người dùng Hệ thống bảo mật tài khoản liệu, thơng tin nhà máy Nội dung hình ảnh phê duyệt theo đúng quy định Quản lý module riêng biệt dễ dàng cho việc phát triển tính Đễ dàng bảo trì, nâng cấp hệ thống xảy lỗi 3.2.2 Thiết kế khối chức 3.2.2.1 Thiết kế khối giao diện người dùng • Giao diện đăng nhập hệ thống Hình 3.9 - Giao diện đăng nhập tài khoản 17 • Giao diện hiển thị danh sách nhà máy doanh nghiệp, ta thêm, sửa, xóa nhà máy phục vụ cho trình quản lý nhà máy cách hiệu Hình 3.10 - Giao diện quản lý nhà máy • Giao diện hỏi đáp trực tuyến giúp thuận tiện cho việc giao tiếp người dân, quan quản lý nhà máy Hình 3.11 - Giao diện hỏi đáp trực tuyến Trên phần giao diện hệ thống để hiểu thêm hệ thống cách sử dụng 18 3.2.3 Thiết kế sở liệu (Database) Hệ thống sở liệu trung tâm cần lượng lớn bảng để lưu trữ xây dựng dựa MySQL Dưới phần sở liệu hệ thống Hình 3.12 - Một phần sở liệu quản lý nhà máy trang thiết bị Hình 3.12 mô tả bảng lưu trữ facility, equipment, component… lưu trữ liệu nhà máy, thiết bị, thành phần thiết bị nguồn gốc xuất xứ thiết bị nhà máy Hình 3.13 - Một phần sở liệu quản lý liệu thu thập từ nhà máy Hình 3.13 mơ tả bảng lưu trữ liệu đầu vào nhà máy cung cấp gửi thu thập từ kênh khác hệ thống bảng lưu giá trị rủi ro, thiệt hạimà phần mềm đánh giá đưa Bao gồm bảng như: material, component, stream… 19 CHƯƠNG KIỂM THỬ 4.1 Kết thực nghiệm Với liệu ta thu kết rủi ro phân loại rủi ro thể hiên qua hình Hình 4.1 - Kết tính tốn xác suất lỗi thiết bị 20 Hình 4.2 - Kết tính tốn thiệt hại 21 Hình 4.3 - Ma trận kết phân loại rủi ro Hình 4.4 - Tính tốn tốc độ ăn mịn 22 Hình 4.5 - Đồ thị tính tốn ước lượng rủi ro 23 CHƯƠNG KẾT LUẬN Trong trình học tập nghiên cứu đề tài, nhóm chúng em biết nhiều RBI việc lập kế hoạch kiểm định, đánh giá rủi ro thiết bị, đảm bảo độ an tồn Từ nhà máy vận hành cách đáng tin cậy, giảm chi phí bảo trì bảo dưỡng thiết bị nhà máy Bên cạnh nhóm chúng em học thêm cách làm việc nhóm hiệu Nhóm chúng em xin đề xuất số hướng phát triển cho hệ thống sau ạ: - Phát triển công cụ hỗ trợ chuyên giá đánh giá tốc độ ăn mòn - Phát triển thêm công cụ phân tích liệu mô tả sự phụ thuộc đầu vào rủi ro thiết bị, từ hiệu chỉnh chi tiết thiết bị làm giảm rủi ro tối đa Do thời gian hạn chế kiến thức hạn hẹp, nên khơng tránh sai sót báo cáo, nhóm chúng em mong thầy đánh giá nhận xét Một lần chúng em xin cảm ơn thầy Phạm Văn Tiến tận tình giúp đỡ chúng em hoàn thiện đồ án Chúng em xin chân thành cảm ơn! 24 ... Phân tích đánh giá rủi ro cho khu công nghiêp dựa tài liệu RBI phân loại rủi ro Cung cấp nhiều hình thức tiếp nhận đầu vào từ nhà máy (lấy liệu tự động, bán tự động, thủ công) Dựa liệu phân. .. Cơ quan quản lý (Administrative Authorities) Thủ công Tư vấn chuyên gia Tiền xử lý liệu (Data Preprocessing) Tính tốn phân tích liệu (Data Analysis and Computing) Nhập liệu Phân tích theo yêu... kết phân tích (Data reporting and presentation) Luồng liệu Hình 2.6 - Cấu trúc khối xử lý tính tốn phân tích Từ hình 2.6 ta thấy liệu đưa vào trung tâm xử lý theo nhiều cách khác nhau, liệu
