面向泛在電力物聯網的智慧工地解決方案

蔣程晟，鄭征凡，黃楊梁，鄭 波，王德兵

（1.江蘇句容抽水蓄能有限公司，江蘇省句容市 212400；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江省杭州市 311122）

0 引言

傳統的抽水蓄能電站智慧工地系統，主要以“五系統一中心”為主，包括：洞室門禁和人員定位管理系統、視頻與安保監控系統、應急廣播和通信系統、地質預警系統、防墜保護系統、安全監測（應急指揮）中心[1][2]。通過安裝在現場的各類傳感裝置，構建智能監控和防范體系，能有效彌補傳統方法和技術在監管中的缺陷，變被動“監督”為主動“監控”；同時，其也將為安全生產監督管理引入新理念，真正體現“安全第一、預防為主、綜合治理”的安全生產方針[3][4]。然而，受制于傳統的平臺架構與技術水平，現有的智慧工地系統在功能、性能、應用上都有一些局限。

2019年國家電網有限公司提出了“三型兩網、世界一流”的戰略目標，致力于打造樞紐型、平臺型、共享型企業，充分應用移動互聯、人工智能等現代信息技術和先進通信技術，實現電力系統各個環節萬物互聯、人機交互，打造全面感知、信息高效處理、應用便捷的泛在電力物聯網。“泛在物聯”是指任何時間、任何地點、任何人、任何物之間的信息連接和交互，泛在電力物聯網是泛在物聯網在電力行業的具體表現形式和應用落地，其內涵包括連接的泛在化、終端的智能化、數據的共享化、服務的平臺化。

1 傳統智慧工地系統的架構、功能與局限

傳統的智慧工地系統，主要包括五個層次，分別為數據顯示層、數據操作層、數據處理層、數據傳輸層、數據采集層。數據采集層將前端監測的數據信號通過數據傳輸層傳輸至數據處理層，數據處理層對前端傳輸的數據信號進行處理并將處理結果進行存儲，通過數據操作層的操作從數據處理層中調出處理數據，并在數據顯示層顯示結果。

受制于現有的技術框架和技術水平，傳統智慧工地各子功能均為獨立系統，無法形成統一的監視平臺，不同系統間的數據融合度、業務橫向貫通程度、平臺的開放度和智能化服務水平，都還有待提升[5][6]。

2 泛在電力物聯網在智慧工地系統設計中的整體應用框架

泛在電力物聯網建設要求，電力系統的各環節要充分應用移動互聯、人工智能等現代信息技術、先進通信技術，實現電力系統各環節萬物互聯、人機交互，具有狀態全面感知、信息高效處理、應用便捷靈活特征的智慧服務系統，包含感知層、網絡層、平臺層、應用層四層結構。按照此原則，面向泛在電力物聯網的智慧工地系統架構設計也應貫徹這些理念，并應具有工作可靠、性能穩定、結構簡單、易于調試、維護、更換和日后擴展等特點[7][8]。

在已建立的各個系統基礎上，以現有系統為核心，以各子系統的信息流為紐帶，以“云大物移智鏈”等前沿技術為支撐，設計“智—云—網—邊—端”的應用框架。通過網絡、串行工業總線等方式進行接入安全監測（應急指揮）中心，并通過系統本身的SDK或接口通信協議，實現系統對接，解決其信息孤島狀態。在盡可能保留原有功能的基礎上，通過平臺軟件系統各相關子系統進行有效地升級、改造、融合，建立符合泛在物聯內涵要求的應用服務組件，與平臺有機整合為面向泛在電力物聯網的智慧工地系統[9][10]。

3 面向泛在電力物聯網的智慧工地系統設計方案

基于“云大物移智鏈”等前沿技術，江蘇句容抽水蓄能電站（以下簡稱句容電站）從全息感知、泛在連接、開放共享、融合創新等方面對傳統的智慧工地系統進行了提升，研發了智慧加水及計量系統、大壩填筑碾壓質量監控系統，創造性地進行了面向泛在電力物聯網的智慧工地設計實踐。

3.1 設備布置

系統安全監測（應急指揮）中心主要由安全監測（應急指揮）中心集成系統服務器柜、安全監測（應急指揮）中心視頻與安保監控設備柜、門禁及人員定位系統設備柜、通信及應急廣播系統設備柜、UPS及配電柜等組成。視頻監控終端、各工作站、廣播呼叫站布置于監控臺上，液晶拼接屏安裝于室內墻上。在電站的辦公及施工區域，分別設置出入口控制計算機、車輛出入控制系統設備、網絡攝像機、定位基站、應急廣播及電話終端以及設備箱，系統采用以太網結構，現地設備分別就近連接到設備箱內。

3.2 系統平臺

系統平臺采用模塊化、分布式控制結構，每個模塊既可獨立完成相應的單一功能操作，各區域的監控功能分別由各個區域的現地設備完成；又可與其他模塊配合完成更加復雜的聯合功能操作，通過系統平臺實現對各子系統的自動化管理。平臺按扁平結構、集中協調、分散監控、統一界面、信息清晰、操控便捷、高可靠性的原則進行設計，可以長期在線穩定運行。

系統具備很強的兼容性、針對性和實用性，為施工期視頻監控系統、電站辦公自動化系統、新源公司應急指揮系統、電站工業電視系統和門禁系統、電站火災報警及消防控制系統、消防廣播系統等提供接口，設置合理的測點布置和軟件功能并能清晰、準確地完成系統的各項功能定位。系統采取可靠的抗干擾、抗震措施，防止大氣過電壓、電磁波、無線電、靜電和地震等造成系統設備的損壞和誤動作。系統對外網絡通信具有保障本系統安全運行的技術措施。

3.3 安全監測（應急指揮）中心

安全監測（應急指揮）中心是聯系各系統、實現集成顯示的中心控制室，具有安全監測和應急指揮功能。中心實現的安全監測主要功能為大屏顯示、數據接入、數據顯示、切換控制及擴展介入等。中心實現的應急指揮功能主要為遠程監控、應急會商、應急管理、遠程圖像傳輸、聲音信號處理、與上級安全監測（應急指揮）中心、與電站有關系統互聯互通等。

3.4 智慧加水及計量系統

智慧加水及精準計量系統，是通過物聯網傳感技術、RFID識別技術、稱重傳感技術、流量控制技術以及信息推送等關鍵技術相集成，當運料車輛進入地磅和感應區，自動識別車重、車牌號等信息，通過數據分析與大數據計算，系統自動計算運料重量、加水量等相關信息，自動發送指令控制電磁閥啟動加水流程，通過流量計嚴格控制加水量，同時通過LED顯示屏系統自動推送車牌、運料重量、正在加水、加水完成請駛離等信息指引司機快速計量、加水和通行。系統全過程可無人值守。

初期將車隊、車牌號、RFID卡號、車輛自重、加水比例等關鍵數據信息基礎數據錄入系統，形成初始數據庫。運行過程中，系統通過與磅房系統、加水控制系統、車輛識別RFID系統、違規車輛視頻監控系統形成數據對接，實現無人值守、智慧計量和加水功能，進行磅房計量及加水控制，見圖1。

該系統是句容電站面向泛在電力物聯網的創造性設計，有力規避了傳統加水及計量系統的一些缺陷。系統可自動識別自動加水，避免人工干預、確保工程質量；可自動識別運料類型、自動稱重，通過大數據計算，實現精準加水、縮短加水時間（約45s），提高車輛通行率，節約水資源；可自動識別、自動稱重、自動統計報表，見圖2，保證數據的準確性、高效性，有效避免了傳統加水和計量系統的相應缺陷。

圖2 電站智慧加水系統自動報表Figure 2 Automatic report of wise water system for power station

3.5 大壩填筑碾壓質量監控系統

大壩填筑碾壓質量監控系統建立了“監測—分析—反饋—處理”的大壩碾壓質量監控體系。實時動態監控大壩碾壓機械的運行軌跡，定時自動監測記錄碾壓機械的空間位置、振動力等技術參數，通過網絡傳輸技術，將工程信息輸入現場控制中心，對碾壓軌跡、速度、碾壓遍數、層厚等關鍵質量指標實現實時分析與動態反饋。其現場結構部署見圖3。

圖3 大壩填筑碾壓質量監控系統現場結構部署圖Figure 3 Field Structure Deployment Diagram of the Dam Filling and Rolling Quality Monitoring System

該系統包括基礎信息管理、碾壓施工過程實時監控、碾壓施工過程指引、實時報警、碾壓成果管理等功能模塊，可進行施工單元管理、施工質量控制參數管理、施工設備管理、碾壓軌跡監控、碾壓遍數監控、碾壓振動狀態監控、碾壓速度監控、施工設備超速報警、激振力不達標報警、碾壓遍數不達標報警、碾壓分析與成果輸出、碾壓過程回溯。

3.5.1 基礎信息管理

基礎信息管理包括施工單元管理、施工質量控制參數管理、施工設備管理。

碾壓施工單元是在施工數字化管理平臺中對工程PBS結構統一管理的基礎上，針對碾壓施工的特點，對施工部位進行細化管理，以滿足碾壓施工質量監控的要求，其界面見圖4。碾壓施工單元信息主要反映單元的高程信息（起高程、止高程），時間信息（起始時間、停工時間）、碾壓邊界信息等，按照設計圖紙進行碾壓施工單元定義。為了更加科學有效地分析碾壓質量，系統還支持對碾壓施工單元內部的埋件或儀器進行定位管理，在碾壓質量分析、統計時將這些部位剔除。

圖4 施工單元管理的界面Figure 4 Interface of the Construction Unit Management

碾壓施工質量控制參數是指用來指導或控制施工過程的相關技術與評價參數。包括不同的碾壓施工規則，主要包括不同分區的設計碾壓遍數，包括振動碾壓、無振碾壓遍數；碾壓車的速度范圍，最大、最小速度；不同部位的壓實度參數指標；不同部位的碾壓坯層厚度要求，攤鋪厚度、最終厚度及誤差范圍。

碾壓機信息管理主要是對碾壓機械的基本信息進行管理，包括機械類型、機械型號、編號、機械重量、碾輪質量、碾輪寬度、有效碾壓寬度、標稱速度范圍、檔位信息等設備基本參數；儀器編碼、定位天線安裝部位（橫向、縱向偏移值、天線高度等）等設備監控參數；設備操作手及相關狀態信息。

3.5.2 碾壓施工過程實時監控

現場碾壓施工時，系統可實現營地總控中心和現場監控中心“雙監控”。

碾壓機械工作時，現場監控實時同步顯示圖形化軌跡與碾壓覆蓋區域，對于超出設計施工部位的行走，系統自動進行標識，并支持分析統計。

系統可對碾壓監控設備所傳送的定位數據進行轉換形成碾壓后的曲面，根據車輛碾壓所測量的數據在同一點不同時間位置的出現次數可以判斷出對每個點的碾壓次數，碾壓軌跡以壓輪寬為軌跡寬度，每重復一次的地方就用不同的顏色進行標識，從而統計和判斷出整個范圍內碾壓遍數以及遍數范圍，見圖5。

圖5 碾壓遍數監控的界面Figure 5 Interface of the Rolling Pass Monitoring

系統可通過振動加速度傳感器及采集器實時采集的數據，進行動態分析，實時展現振動碾的振動頻率，激振力等。

系統可跟蹤某個碾壓施工單元的碾壓過程，動態顯示其超速部位，統計其超速次數，超速距離。

3.5.3 碾壓施工過程指引

系統在碾壓車司機室內安裝有工業智能平板，能同步顯示監控中心程序實時監控內容，包括動態軌跡、遍數、振動激振力等。該系統不僅僅是一個監控系統，還能幫助碾壓車司機進行碾壓施工，無需采用翻牌模式記錄碾壓遍數可實時查看，無需通過監控中心反饋當前碾壓情況，無需通過反饋能第一時間接收到報警信息并進行調整，大大提高了現場施工效率、降低溝通成本，屏蔽人為因素的干擾，夜間施工也同樣可以保證施工質量，見圖6。

圖6 碾壓施工過程指引的界面Figure 6 Interface of the Rolling Construction Process Guidelines

3.5.4 實時報警

系統通過設置碾壓倉面的運行速度控制標準值，當碾壓機行駛出現超速狀況時，碾壓機駕駛室的工業平板會提示司機減速，另外監控中心軟件也會彈出報警窗口，提示不達標的詳細內容以及所在空間位置等。

當碾壓機械的激振力狀態不達標時，碾壓機駕駛室的工業智能平板電腦會提示司機減速，同時監控中心軟件也會彈出報警窗口。

圖7 碾壓成果報告Figure 7 The Rolling Results Report

系統通過設置碾壓倉面的碾壓遍數控制標準值，當結束施工時倉面碾壓遍數不達標時，碾壓機駕駛室的工業平板程序和監控中心軟件會同時自動發出報警，提示不達標的詳細內容以及所在空間位置等。

3.5.5 碾壓成果管理

碾壓單元施工結束后，可對單元碾壓質量的各項數據進行分析（包括碾壓遍數、碾壓速度、振碾與靜碾遍數、壓實厚度、高程分布等），且能生成單元質量分析報告，見圖7，支持直接打印，作為碾壓工序質量驗收評定的依據。

除了實時監控碾壓的實際情況外, 由于所有的數據都已經儲存在數據庫中, 因此系統還可以對已經碾壓的全過程實際情況進行回放, 作為施工效果的評價依據。

3.6 其他系統

面向泛在電力物聯網的智慧工地系統還包括洞室門禁和人員定位管理系統、視頻與安保監控系統、應急廣播和通信系統、地質預警系統、防墜保護系統。

3.6.1 洞室門禁和人員定位管理系統

洞室門禁和人員定位管理系統包括各工程現場主要出入口門禁和地下洞室人員定位管理，實現工程現場主要出入口人員進出監控和洞室人員跟蹤定位，包括門禁管理、人員實時定位監控、人員搜救、信息存儲、歷史軌跡回放、報警管理、地圖配置、分類檢索、用戶管理及打印等功能。

3.6.2 視頻與安保監控系統

所有重點工程部位與治安防控重點部位均設置視頻監控點，實現現場視頻實時監控功能，系統具有視頻動態檢測和智能分析功能，能對特定的部分通道具有智能分析的功能，包括闖入特定區域、人物越線、物品搬移等，當檢測到電站內重要區域有人員活動或其他危險時，可立即將該監控區域的監控畫面切換至視頻監控終端顯示器上，并發出預警信號。

3.6.3 應急廣播和通信系統

工程所有重點防控部位均設置應急廣播和通信系統。系統可實現分組分區廣播，在監測中心配置有智能呼叫話筒，用于本地播送語音通知或緊急廣播，可對不同區域進行不同內容的信息廣播，并可實現手動、自動定時播放功能。通信系統可實現工程各防控部位之間的通信聯系。

3.6.4 地質預警系統

在水工自動化監測系統形成前，由專人負責將施工期安全監測單位提供的安全監測數據分析報告和設計院提供的地質預警分析報告定期錄入到安全監測（應急指揮）中心數據庫中，使相關人員能隨時調用安全監測數據。水工自動化監測系統形成后，負責將接入地質預警系統實現水工設施、水情的安全分析和預警。

3.6.5 防墜保護系統

防墜保護系統用于地下洞室群高空作業和高臨邊等高處作業的防墜落保護，以下區域應置防墜保護裝置：在橋機兩側軌道、出線桿塔等場所建立永久性防墜保護系統。

4 結語

句容電站對智慧加水及計量系統、大壩填筑碾壓質量監控系統的研發和應用，對傳統智慧工地系統的創造性改良，在電站建設的過程中產生了巨大的效益，也是對建設泛在電力物聯網的一個有意義的探索實踐，隨著工程進展，句容電站將洞室門禁和人員定位管理系統、視頻與安保監控系統、應急廣播和通信系統、地質預警系統、防墜保護系統等納入智慧工地系統設計方案。

泛在電力物聯網是未來的發展方向，其建設是一個系統、長期、動態的過程。同時，需要全產業鏈各個環節建立平臺化的技術生態圈，建設方、設計方、施工方和設備制造商等緊密配合，通力合作，以信息感知、分析評價、業務支撐、輔助應用的智能化為途徑，共同推動泛在電力物聯網在智慧工地系統及其他水力發電場景中的應用發展。