TDengine 在蓝深远望电机物联网监测预警与预测性维护平台中的应用

作者：李凯蓝深远望

小 T 导读：蓝深远望致力于服务政府及大型国有企事业单位的数字化转型，结合大数据、数字孪生、区块链、网络安全等核心技术，为政府运行、社会服务、城市管理、公共安全、基层治理等领域，提供智能场景应用、安全管理、数据运营与产品服务，赋能数字政府创新建设，为各行业应用场景提供支撑服务。

随着科技的发展与人民生活水平的提高，电机在工业生产和人民生活中应用越来越广泛，如工业机器、空调、电梯等。电机的维护成为影响生产效率和生产安全的一项重要事宜。而且在一些环境恶劣的场所，用户更偏向于远程维护。

为了满足这些需求，我们研发了电机物联网监测预警与预测性维护平台。该平台通过传感器、物联网关，采集各电机设备的运行数据以及频谱波形数据，结合大数据建模分析，能够及时发现潜在隐患，实现预测性维护。

一、现状与痛点

电机物联网监测数据类型多、采集频率高，在项目总体设计的初期，我们打算采用传统关系型数据库进行存储。当设备数量较少时（低于 100 台），基于传统关系型数据库的计算函数、多表关联等处理方式，能够满足业务要求。但是考虑到未来接入的电机数量会越来越多（5000 台以上），设备的测点也会越来越多，平台问题也就会越发严峻。具体可以归纳为如下两个方面。

扩容实施难
采用传统的关系型数据库，局限于传统的库表设计模式，每新增一个电机设备接入，必须针对这个电机设备建立一张新的数据表，这个大大增加了接入设备时的工作量；同时，随着平台接入的电机设备越来越多，数据库表不断增加，传统数据库的管理和备份成本不断提高，无法做到水平扩容。
业务开发难
伴随着业务的不断发展，大量的电机设备接入平台，各种聚合分析统计需求持续增加，由于传统关系型数据库的特点，导致各种跨库跨表的查询操作激增，业务数据耦合度增大，系统开发的难度也随之提升，同时对平台整个的响应速度和稳定性也会造成很大隐患。

二、为什么选择 TDengine

为了适应未来业务发展需求，避免上述难点与困境，我们决定选择一款时序数据库产品。在调研了多款产品之后，TDengine 引起了我们的注意，它的如下几个特点非常适合我们的场景：

高性能：数据读写速度非常高；
集群化：可以集群化部署，支持多副本，支持水平扩展；
安装便捷: 官网文档齐全，按照文档很容易就能完成安装部署；
开源：开源，而且社区非常活跃，很多问题都可以在社区找到答案；
使用简单：支持使用类 SQL 查询语言来插入或查询数据。

于是我们马上做了各种验证，结果表明，TDengine 完全符合我们的业务需求。

引入 TDengine 之后，平台整体的数据架构如下图所示。

三、TDengine 存储模型设计

TDengine 里有一个特殊的概念：超级表，每种数据采集类型对应一个超级表。超级表只负责存储这种类型的数据，同时数据存储采用横表存储。

我们将电机设备的测点幅值超级表设计成如下结构：

CREATE STABLE IF NOT EXISTS general_view_escalator (ts TIMESTAMP, elect_machine_one FLOAT, reducer_machine_one FLOAT, bottom_bolt_one FLOAT, elect_machine_two FLOAT, reducer_machine_two FLOAT, bottom_bolt_two FLOAT, left_main_drive FLOAT, right_main_drive FLOAT, left_step_chain FLOAT, right_step_chain FLOAT, up_main_drive_noise FLOAT, down_step_chain_work_noise FLOAT, left_step_chain_extend FLOAT, right_step_chain_extend FLOAT, left_handrail_temperature FLOAT, right_handrail_temperature FLOAT, env_temperature FLOAT, elect_machine_temperature FLOAT, reduction_gearbox_one_oil FLOAT, reduction_gearbox_two_oil FLOAT, rmd FLOAT) TAGS (line_id BINARY(20), site_id BINARY(20), elevator_code BINARY(20));

波形超级表设计如下架构：

CREATE STABLE IF NOT EXISTS waveform_view_escalator (ts TIMESTAMP, vals BINARY(16000), samplehz INT, len INT, ratio INT) TAGS (line_id BINARY(20), site_id BINARY(20), elevator_code BINARY(20), measuring_id BINARY(20));

TDengine 还有另外一个概念：子表。每台电机设备的数据对应一张子表，它可以在插入数据时动态创建。这种操作模式可以省去创建子表的业务环节，大大降低了业务复杂度。

四、用到的 TDengine 特性

数据订阅(Publisher/Subscriber)
在我们的业务场景中有一类数据叫预警、报警事件告警数据，直接使用 TDengine 的数据订阅功能，可以优雅快速地实现这一功能。

缓存（Cache）
在我们的业务场景中，需要显示每台电机设备的最新测量数据（如幅值、频谱等），直接使用 TDengine 提供的缓存（Cache）功能，创建数据库时设置参数 cachelast=1，将每张表的最后一条记录缓存，应用程序可以通过 last_row 函数快速获取当前的实时数据，进行动态数据刷新显示。