如何充分发挥PHM和PdM4.0的优势？
从历史上看，在全面生产环境中，企业最宝贵的资产之一就是机器操作人员的经验，因为他们能预测出何时需要进行维护。工厂经理会报告任何异常行为，例如机器内的叮当声或咔嗒声，催促维护人员开展检查。如今，自动化水平的提升严重削弱了操作员觉察即将发生的故障的能力，并且大部分维护工作都是按计划进行，而非预测性维护，如果某些情况下未被发现或被忽视，则会引起不必要的工厂停运。
然而，近来席卷全球的新冠疫情迫使更多机器采用无人值守或远程值守的方式运行，现场运行被降至最低水平，维护团队规模被压缩。因此对工厂经理而言，为轻松预测故障而提高机器设备的自动检测、自我诊断能力成为眼下的战略优势。
故障预测与健康管理（PHM）等方法与预测性维护4.0（PdM4.0）等计划已经问世数年，但现在才从工厂经理的观察名单转为当务之急。目标是为自动运行和远程值守机器设备提供人工在环决策，进行最佳且及时的维护操作。
PHM 旨在采集和分析数据，通过算法检测异常和诊断即将发生的故障，以提供设备的实时健康状态，进而估算其剩余使用寿命（RUL）。相关的财务效益包括延长设备使用寿命，以及降低运营成本。
PdM4.0 是工业 4.0 和工业物联网（IIoT）计划的组成部分，其目的是进一步提高设备自动化水平，为设备配备更多的数据采集传感器，使用数字信号处理、机器学习和深度学习作为预测故障的工具并触发维护活动。
各项标准与配套的词汇、演示和指南已制定完成，如 IEEE 1451、1232，ISO 体系的 13372、13373、13374、13380、13381。它们为维护 4.0 奠定了共同的基础。
图 1 提供了从计划维护向 PdM4.0 转型的路径。显然，随着向 PdM4.0 的转型不断深入，复杂性也随之增加。
图 1：以 PdM4.0 为最高限的预测性维护水平，来源：普华永道
挑战
如何充分发挥 PHM 和 PdM4.0 的优势？
实现架构
两种主要架构正在兴起。
PdM4.0 边缘设备的硬件要求
如何部署 Lambda 或 Kappa 架构？
结论
预测性维护是一项颇具挑战性的工作。我们在上文中介绍了如何让数据和分析要求与可用功能合理衔接。因篇幅有限，本文未能穷尽该架构的全部详情，但通过介绍 Lambda 和 Kappa 架构，揭示一条让速度层组件与批处理层组件协调运行的实现路径。为满足边缘端所需的算力，可充分发挥 AMD 赛灵思 ACAP 等新型自适应计算器件的效力来管理这样的海量数据，在边缘嵌入式系统层面提供必需的服务质量。
审核编辑 ：李倩
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原文标题：以嵌入式智能边缘实现预测性维护
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Linux内核内存分配
Linux系统使用了一种称为“虚拟内存”的机制。虚拟内存机制使得每个内存地址都是虚拟的，这意味着它们不会直接指向RAM中的任何地址。这样我们访问内存中的存储单元时，都会进行地址转换以匹配相应的物理内存
在Linux系统中，内核中的每个进程都表示为一个task_struct结构体实例，该结构体实例表征并描述了这个进程。在进程开始运行之前，系统会为其分配一个内存映射表，该表存放在struct mm_struct类型的变量中。在内核中，全局变量current时钟指向当前进程，current->mm字段指向当前的进程内存映射表，struct mm_struct结构定义参见include/linux/mm_types.h
地址转换和MMU
MMU不仅可以将虚拟地址转换为物理地址，还可以保护内存免受未经授权的访问。给定一个进程，需要从此进程访问的任何页都必须位于一个VMA中，且必须位于进程的页表中
由于最近访问的数据存放在缓存中，因此最近转换的地址也存放在缓存中。数据缓存加快了数据访问过程，TLB则加快了虚拟地址的转换过程。TLB是内容可寻址内存，其中键是虚拟地址，值是物理地址，其运作过程如下图所示
内存分配机制
下图展示了Linux系统中不同的内存分配器。最低级别的分配器是页分配器，它以页为单位分配内存，然后是Slab分配器，它建立在页分配器的基础上，从中获取页并将它们拆分为较小的内存实体，kmalloc分配器依赖于Slab分配器
实现DMA支持
DMA是计算机系统的一种特性，它允许设备在没有CPU干预的情况下访问主系统内存，使CPU嫩巩固专注于其他任务。它的使用示例包括网络流量加速、音频数据或视频帧抓取等，它的使用并不限于特定领域。负责管理DMA事务的外围设备是DMA控制器，它存在于大多数现代处理器和微控制器中。
DMA的工作方式如下：当驱动程序需要传输数据块时，便使用源地址、目标地址和要复制的总字节数设置DMA控制器，然后DMA控制器自动将数据地址从源地址传输到目标地址，而不会占用CPU周期。当剩余字节数为0时，数据块传输结束并通知驱动程序。
DMA引擎API
DMA控制器接口由两部分组成：控制器和通道。控制器执行内存传输，通道则是客户端驱动程序向控制器提交作业的方式
DMA控制器在Linux内核中别抽象为dma_device结构体实例，其定义如下
struct dma_device {
struct kref ref;
unsigned int chancnt;
unsigned int privatecnt;
struct list_head channels;
struct list_head global_node;
struct dma_filter filter;
dma_cap_mask_tcap_mask;
enum dma_desc_metadata_mode desc_metadata_modes;
unsigned short max_xor;
unsigned short max_pq;
enum dmaengine_alignment copy_align;
enum dmaengine_alignment xor_align;
enum dmaengine_alignment pq_align;
enum dmaengine_alignment fill_align;
#define DMA_HAS_PQ_CONTINUE (1 << 15)
int dev_id;
struct device *dev;
struct module *owner;
struct ida chan_ida;
u32 src_addr_widths;
u32 dst_addr_widths;
u32 directions;
u32 min_burst;
u32 max_burst;
u32 max_sg_burst;
bool descriptor_reuse;
enum dma_residue_granularity residue_granularity;
int (*device_alloc_chan_resources)(struct dma_chan *chan);
int (*device_router_config)(struct dma_chan *chan);
void (*device_free_chan_resources)(struct dma_chan *chan);
struct dma_async_tx_descriptor *(*device_prep_dma_memcpy)(
struct dma_chan *chan, dma_addr_t dst, dma_addr_t src,
size_t len, unsigned long flags);
struct dma_async_tx_descriptor *(*device_prep_dma_xor)(
struct dma_chan *chan, dma_addr_t dst, dma_addr_t *src,
unsigned int src_cnt, size_t len, unsigned long flags);
struct dma_async_tx_descriptor *(*device_prep_dma_xor_val)(
struct dma_chan *chan, dma_addr_t *src,unsigned int src_cnt,
size_t len, enum sum_check_flags *result, unsigned long flags);
struct dma_async_tx_descriptor *(*device_prep_dma_pq)(
struct dma_chan *chan, dma_addr_t *dst, dma_addr_t *src,
unsigned int src_cnt, const unsigned char *scf,
size_t len, unsigned long flags);
struct dma_async_tx_descriptor *(*device_prep_dma_pq_val)(
struct dma_chan *chan, dma_addr_t *pq, dma_addr_t *src,
unsigned int src_cnt, const unsigned char *scf, size_t len,
enum sum_check_flags *pqres, unsigned long flags);
struct dma_async_tx_descriptor *(*device_prep_dma_memset)(
struct dma_chan *chan, dma_addr_t dest, int value, size_t len,
unsigned long flags);
struct dma_async_tx_descriptor *(*device_prep_dma_memset_sg)(
struct dma_chan *chan, struct scatterlist *sg,
unsigned int nents, int value, unsigned long flags);
struct dma_async_tx_descriptor *(*device_prep_dma_interrupt)(
struct dma_chan *chan, unsigned long flags);
struct dma_async_tx_descriptor *(*device_prep_slave_sg)(
struct dma_chan *chan, struct scatterlist *sgl,
unsigned int sg_len, enum dma_transfer_direction direction,
unsigned long flags, void *context);
struct dma_async_tx_descriptor *(*device_prep_dma_cyclic)(
struct dma_chan *chan, dma_addr_t buf_addr, size_t buf_len,
size_t period_len, enum dma_transfer_direction direction,
unsigned long flags);
struct dma_async_tx_descriptor *(*device_prep_interleaved_dma)(
struct dma_chan *chan, struct dma_interleaved_template *xt,
unsigned long flags);
struct dma_async_tx_descriptor *(*device_prep_dma_imm_data)(
struct dma_chan *chan, dma_addr_t dst, u64 data,
unsigned long flags);
void (*device_caps)(struct dma_chan *chan,
struct dma_slave_caps *caps);
int (*device_config)(struct dma_chan *chan,
struct dma_slave_config *config);
int (*device_pause)(struct dma_chan *chan);
int (*device_resume)(struct dma_chan *chan);
int (*device_terminate_all)(struct dma_chan *chan);
void (*device_synchronize)(struct dma_chan *chan);
enum dma_status (*device_tx_status)(struct dma_chan *chan,
dma_cookie_t cookie,
struct dma_tx_state *txstate);
void (*device_issue_pending)(struct dma_chan *chan);
void (*device_release)(struct dma_device *dev);
/* debugfs support */
void (*dbg_summary_show)(struct seq_file *s, struct dma_device *dev);
struct dentry *dbg_dev_root;
};
DMA通道的结构体定义如下
struct dma_chan {
int dev_id;/* this channel is allocated if >= 0, */
/* free otherwise */
void __iomem *io;
const char *dev_str;
int irq;
void *irq_dev;
unsigned int fifo_addr;
unsigned int mode;
};
请求DMA通道
dma_request_channel()函数用于请求一个通道
struct dma_chan *dma_request_channel(dma_cap_mask_t mask,
dma_filter_fn filter_fn,
void *filter_param);
配置DMA通道
DMA引擎框架使用struct dma_slave_config数据结构进行配置，该数据结构表示DMA通道的运行时配置，这样客户端就可以指定诸如DMA方向、DMA地址、总线宽度和DMA突发成都等外设的参数，struct dma_slave_config数据结构定义如下
struct dma_slave_config {
enum dma_transfer_direction direction;
phys_addr_t src_addr;
phys_addr_t dst_addr;
enum dma_slave_buswidth src_addr_width;
enum dma_slave_buswidth dst_addr_width;
u32 src_maxburst;
u32 dst_maxburst;
u32 src_port_window_size;
u32 dst_port_window_size;
bool device_fc;
void *peripheral_config;
size_t peripheral_size;
};
通过dmaengine_slave_config()函数将这种配置作用于底层硬件上
static inline int dmaengine_slave_config(struct dma_chan *chan,
struct dma_slave_config *config)
{
if (chan->device->device_config)
return chan->device->device_config(chan, config);
return -ENOSYS;
}
配置DMA传输
这一步用于确认DMA传输的方式，要进行一次DMA传输，就需要用到与DMA通道对应的控制器中的一些函数，这些函数名为device_prep_dma_*，例如对于内存到内存的传输，使用device_prep_dma_memcpy()
struct dma_async_tx_descriptor *tx;
struct dma_chan *chan = acdev->dma_chan;
dma_cookie_t cookie;
unsigned long flags = DMA_PREP_INTERRUPT;
int ret = 0;
tx = chan->device->device_prep_dma_memcpy(chan, dest, src, len, flags);
if (!tx) {
dev_err(acdev->host->dev, \"device_prep_dma_memcpy failed\\\\n\");
return -EAGAIN;
}
提交DMA传输
为了把事务放到驱动程序的事务待处理队列中，可以使用dmaengine_submit()函数
static inline dma_cookie_t dmaengine_submit(struct dma_async_tx_descriptor *desc)
{
return desc->tx_submit(desc);
}
发出待处理的DMA请求并等待回调通知
启动传输是DMA传输设置的最后一步，可以通过在通道上调用dma_async_issue_pending()来激活通道待处理队列中的传输。
static inline void dma_async_issue_pending(struct dma_chan *chan)
{
chan->device->device_issue_pending(chan);
}
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