基于物聯(lián)網(wǎng)的特高壓線路工程現(xiàn)場管理信息系統(tǒng)設計

董玉震,王振明,宋洪磊（.天津送變電工程公司 ,天津 3006; . 國家電網(wǎng)公司交流建設分公司 ,北京 0005）

基于物聯(lián)網(wǎng)的特高壓線路工程現(xiàn)場管理信息系統(tǒng)設計

董玉震1,王振明2,宋洪磊2
（1.天津送變電工程公司 ,天津 300161; 2. 國家電網(wǎng)公司交流建設分公司 ,北京 100052）

摘 要：工程信息系統(tǒng)已經在特高壓輸變電工程建設管理中得到應用，但由于工程建設現(xiàn)場的特殊性，信息系統(tǒng)只能提供數(shù)據(jù)報送等輔助性功能，不能實現(xiàn)建設現(xiàn)場信息的實時在線監(jiān)控。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術設計了特高壓線路工程的現(xiàn)場信息管理系統(tǒng)，通過信息采集系統(tǒng)將實時監(jiān)測到的現(xiàn)場人員、設備、物資信息傳送到服務器進行統(tǒng)計和識別，可以提供施工現(xiàn)場的安全監(jiān)管和生產管理的實時準確信息，提高了現(xiàn)場建設的安全監(jiān)控和質量管理水平。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);信息系統(tǒng)；在線監(jiān)控

0 引言

目前，信息系統(tǒng)已經在特高壓輸變電工程建設管理中得到應用，但由于工程建設現(xiàn)場的特殊性，信息系統(tǒng)只能提供數(shù)據(jù)報送等輔助性功能，不能實現(xiàn)建設現(xiàn)場信息的實時在線監(jiān)控。隨著我國特高壓電網(wǎng)的大規(guī)模建設，2014～2017年我國將建設9條特高壓輸電通道以防治霧霾，特高壓線路工程建設數(shù)量將達到20余回。在特高壓電網(wǎng)大規(guī)模建設時期，現(xiàn)有的信息管理系統(tǒng)已不能滿足建設管理的需要。

在大型工程建設項目管理中信息系統(tǒng)集成化程度要求較高，特別是在建設過程的重要環(huán)節(jié)中信息的集成和功能的集成，需要將信息系統(tǒng)化集成來實現(xiàn)管理的功能。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的迅猛發(fā)展，通過各環(huán)節(jié)物品信息的感知和匯集，將物與物通過互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)實現(xiàn)智能化、精細化管理[1-3]。所以利用信號實時傳輸系統(tǒng)構建具有遠程管理功能的信息系統(tǒng)，對提升工程建設現(xiàn)場的管理水平具有深遠意義。

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術設計了特高壓線路工程的現(xiàn)場信息管理系統(tǒng)，通過信息采集系統(tǒng)將實時監(jiān)測到的現(xiàn)場人員、設備、物資信息傳送到服務器進行統(tǒng)計和識別，可以提供施工現(xiàn)場的安全監(jiān)管和生產管理的實時準確信息，提高了現(xiàn)場建設的安全監(jiān)控和質量管理水平。

1 物聯(lián)網(wǎng)概念及關鍵技術

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，簡稱IOT）是將衛(wèi)星定位系統(tǒng)、感應系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)等信息傳感工具作為載體，按照一定的網(wǎng)絡協(xié)議，把所有物品與互聯(lián)網(wǎng)互通，使之能夠利用信息通信與交換，實現(xiàn)智能化的信息控制、識別、定位、監(jiān)控和分析管理的功能。

物聯(lián)網(wǎng)使得互聯(lián)網(wǎng)與無線、有線網(wǎng)絡之間互通，利用傳感器的數(shù)據(jù)采集功能將大量的信息快速準確地傳輸。但是由于數(shù)據(jù)信息量的龐大，需要利用較大量的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)才能保證數(shù)據(jù)的實施準確傳遞。據(jù)分析，若沒人附件的無線網(wǎng)設備有1000～5000個，則需要的物聯(lián)網(wǎng)會達到500兆～1000兆的物體量。通過個人電子標簽定位將具體信息傳遞到互聯(lián)網(wǎng)，可以準確地實現(xiàn)個人的跟蹤定位，并且物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器具有很強的實時性，可以設定周期率實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和更新。

1.1 RFID技術

射頻識別（Radio Frequency Identifi cation，簡稱RFID）技術，又稱無線射頻識別，是一種編碼識別通信技術。利用無線電信號實現(xiàn)對特定目標的識別，不需要通過識別系統(tǒng)和特定對象間構建光學或機械接觸。無線電訊號利用具有無線電頻率的電磁場，將標志在物品標簽上的數(shù)據(jù)傳輸出來，通過信號的自動辨識并進行跟蹤。辨識器可以根據(jù)電磁量實現(xiàn)目標的能量的供給，即不需要電池提供能量。目標的標示也具有電量供給，利用無線電頻率發(fā)出的無線電波主動獲取。物品的標簽具有響應信息，在較遠距離內（約數(shù)米）都能夠進行辨識。但是，射頻標簽可以不處于監(jiān)視范圍內就可以實現(xiàn)目標物體的跟蹤[4-7]。

1.2 4G網(wǎng)絡技術

4G是第四代通訊技術的簡稱，G是generation（一代）的簡稱。4G網(wǎng)絡可以實現(xiàn)每秒400Mb的下載速度，要比上網(wǎng)撥號速度快近2000倍，其上傳速度也可以達到每秒20Mb，已經滿足用戶對于無線上網(wǎng)速度的要求。目前我國4G網(wǎng)絡已經開始大規(guī)模的建設和商用，主要是TDD和FDD技術組網(wǎng)[8]。

1.3 GPS技術

全球定位系統(tǒng)（英語：Global Positioning System，簡稱GPS），又稱全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，GPS是由美國國防部研制建立的一種具有全方位、全天候、全時段、高精度的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，能為全球用戶提供低成本、高精度的三維位置、速度和精確定時等導航信息，是衛(wèi)星通信技術在導航領域的應用典范，它極大地提高了地球社會的信息化水平，有力地推動了數(shù)字經濟的發(fā)展。GPS導航系統(tǒng)是以全球24顆定位人造衛(wèi)星為基礎，向全球各地全天候地提供三維位置、三維速度等信息的一種無線電導航定位系統(tǒng)。它由三部分構成，一是地面控制部分，由主控站、地面天線、監(jiān)測站及通訊輔助系統(tǒng)組成。二是空間部分，由24顆衛(wèi)星組成，分布在6個軌道平面。三是用戶裝置部分，由GPS接收機和衛(wèi)星天線組成[9-11]。

2 特高壓線路工程信息系統(tǒng)設計

2.1 管理信息系統(tǒng)架構

系統(tǒng)根據(jù)B/S（Browser/Server）的結構系統(tǒng)，利用Web瀏覽器或者通過手機APP廣域網(wǎng)來實現(xiàn)共享信息資源。采用服務器和終端間的網(wǎng)絡聯(lián)接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸和信息處理。其管理信息系統(tǒng)構架由信息收集層、數(shù)據(jù)層和數(shù)據(jù)服務層三部分組成。

第1層是信息收集層，利用射頻識別等技術實現(xiàn)對智能電網(wǎng)各環(huán)節(jié)的電氣設備、人員等相關信息的采集和捕獲功能。本系統(tǒng)是通過RFID、GPS技術將工地現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)信息，通過4G網(wǎng)絡實時傳輸?shù)缴衔粰C管理數(shù)據(jù)庫。

第2層是數(shù)據(jù)層，將第1層的信息收集層的數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的智能化加工處理，實現(xiàn)工地設備的有效管理、現(xiàn)場工作資質認證和實時監(jiān)控、工勤記錄和人員到崗簽到等功能。作為事故責任追究的RFID信息標簽，更是將讀取的信息通過4G網(wǎng)絡模塊傳送到服務器上，管理者利用不同工具通過客戶端將服務器上需要的數(shù)據(jù)進行分析辨識，實現(xiàn)對線路工程的現(xiàn)場智能化管理。

第3層是操作層，通過瀏覽器、手機終端供用戶群（包括業(yè)主、設計單位、總承包方等），用戶可以通過HTTP網(wǎng)絡協(xié)議在網(wǎng)絡許可范圍內（專線，VPN，甚至整個廣域網(wǎng)）進行身份識別，并利用相應操作權限進入系統(tǒng)進行操作。管理者通過不同工具將服務器上需要的海量系統(tǒng)運行狀態(tài)和管理數(shù)據(jù)進行分析辨識，實現(xiàn)對線路工程的現(xiàn)場智能化管理。

本系統(tǒng)通過安全帽內置模塊、設備內置模塊、區(qū)域監(jiān)控模塊等組成，安全帽內置并集成RFID標簽、4G網(wǎng)絡模塊及天線，使用方便靈活，從而實現(xiàn)對工地現(xiàn)場信息的實時采集和準確高效傳輸。

2.2 信息收集流程

在實際的特高壓線路工程施工應用中，特高壓線路工程的工作區(qū)域為分塔基、分區(qū)域施工，對每個工作區(qū)域設置RFID裝置。當工作人員進出施工區(qū)域時，利用RFID裝置記錄每個人的出入信息，根據(jù)不同工種人員的使用不同的RFID標簽進行辨識，對不同人員設置不用靈敏度，以收集該工作區(qū)域的出入人員信息。

圖1 特高壓線路工程智能現(xiàn)場管理系統(tǒng)

現(xiàn)場使用的安全帽的電源供應是鋰離子電池，利用4G網(wǎng)絡中的無線模塊進行傳輸數(shù)據(jù)，不需要考慮數(shù)據(jù)線和電源線的安裝。但是由于現(xiàn)場很多設備都是金屬材質，需要利用鉚釘將抗金屬屏蔽標簽固定在設備上，把所有的抗金屬標簽正常安裝后，利用安全帽上的讀寫模塊對有效距離內的數(shù)據(jù)信息進行收集加工。實現(xiàn)信息的實時狀態(tài)監(jiān)測，并將收集的信息傳輸?shù)綗o線傳輸模塊，再利用4G網(wǎng)絡技術傳輸?shù)胶笈_信息管理中心平臺。

安裝在安全帽的讀取模塊每次只能傳輸一個標簽的信息，這不會影響到信息數(shù)據(jù)的傳輸沖突，并且4G網(wǎng)絡的無線模塊能夠實時上傳信息，通過預授權的終端系統(tǒng)能夠獲得實時數(shù)據(jù)。

3 特高壓線路工地管理系統(tǒng)的設計

3.1 人員管理

運用RFID進行人員跟蹤管理，人員無需排隊靠近記錄點，也能夠記錄上百人同時入場。管理系統(tǒng)可以自動記錄人員進出場的信息，從而自動統(tǒng)計生成每日報表和每月報表，為現(xiàn)場人員管理提供基礎信息，并可實時監(jiān)測現(xiàn)場人員情況。

系統(tǒng)通過記錄各參建單位的員工信息，對建設現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集和存儲，然后利用4G網(wǎng)絡無線模塊作為傳輸介質，將獲取的現(xiàn)場信息上傳到服務器。管理端利用工作人員的運行軌跡，獲取人員使用過的設備和使用時間。對于施工人員和監(jiān)理人員，管理者可以利用此數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)更好地現(xiàn)場管理和調度，從而保證工地施工的安全。通過對服務器傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)，利用統(tǒng)計分析模塊對設備的使用數(shù)據(jù)進行分析，違規(guī)操作的數(shù)據(jù)將會顯示紅色預警狀態(tài)。通過規(guī)定時間內對工作人員個人和全體違規(guī)操作的比例查看，管理者可以依據(jù)實現(xiàn)現(xiàn)場的管理強度和力度實現(xiàn)有效控制，使得施工現(xiàn)場的安全隱患降到最低。如果存在突發(fā)事故，此數(shù)據(jù)可以作為事故責任追溯的有利依據(jù)。

3.2 設備管理

在施工現(xiàn)場的重要設備裝設標簽，可以將設備信息可錄入安裝設備型號、運行編號等相關信息，在設備安裝過程中進行監(jiān)控。通過這種方式可以實現(xiàn)設備安裝施工狀態(tài)采集，在重要節(jié)點進行管理，降低各階段存在的安全隱患。

在現(xiàn)場重要施工設備均要安裝RFID標簽，在系統(tǒng)中錄入基本信息，比如某吊車在何時進行年檢，牽張設備是否已進行安全檢測等信息系統(tǒng)將進行提示。

3.3 安全管理

特高壓線路工程中不同分部分項工程，有很多危險等級較高的作業(yè)項目，在確定工作風險等級后，通過系統(tǒng)可以及時了解高危作業(yè)區(qū)域人員、施工設備狀態(tài)。特別是在組塔作業(yè)工作中，可以有效區(qū)分高空作業(yè)和地面作業(yè)的作業(yè)區(qū)域。

通過在系統(tǒng)中融入LEC安全風險評價方法定義及計算方法數(shù)學模型，以自動算出風險等級，建立風險等級作業(yè)臺賬，依據(jù)工程整體進度，提示各項安全檢查和措施落實，加強施工過程安全控制是保障工程本質安全的最為有效的方法。

通過系統(tǒng)能夠對事故發(fā)生前的現(xiàn)場人員數(shù)量、分布區(qū)域、設備接觸等進行記錄。在事故后也可以通過人員行動軌跡，對事故人員進行及時搜救和處理。

3.4 進度管理

特高壓線路施工放線時在牽引導線的走板上加裝RFID標簽，可以實現(xiàn)對整個放線過程和進度進行有效監(jiān)控。并通過在塔基下、桿塔上及輸電線路上安裝地埋振動傳感器、距離傳感器等裝置可以采集傳輸線路環(huán)節(jié)的狀態(tài)信息，從而實現(xiàn)對線路施工進度的狀態(tài)信息進行在線監(jiān)測。

3.5 決策支持

通過本系統(tǒng)可為各部門及上級各層領導及時提供實時監(jiān)測信息與歷史對比信息及多項分析指標所需數(shù)據(jù)，為指揮決策提供重要數(shù)據(jù)支撐。也可以為施工現(xiàn)場的安全監(jiān)管和生產管理提供實時的準確信息，實現(xiàn)事故責任追溯的有力數(shù)據(jù)支撐，可以實現(xiàn)進出工地人員和大型機具設備的遠程監(jiān)控和管理。

4 結論

針對大型特高壓線路工程項目的安全監(jiān)管技術和管理現(xiàn)狀，設計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術的特高壓線路工程智能現(xiàn)場管理系統(tǒng)，將會提高現(xiàn)場建設的安全監(jiān)控和質量管理水平。通過跟蹤作業(yè)人員的安全行為和定位作業(yè)人員的工作區(qū)域，進行作業(yè)流程和行為的規(guī)范管理，可以為現(xiàn)場的施工管理提供有效的依據(jù)和手段，也能夠很大程度地提高了管理的工作效率、服務水平和管控能力。

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作者簡介:董玉震（1977-），男,本科,工程師,研究方向：輸變電工程管理。