基建現場物聯感知平臺功能與架構設計

王軍燕 吳 松 姚蘭波 張永奈

（國網安徽省電力有限公司，安徽 合肥230000）

隨著國家電網公司“十四五”的開局, 電網發展對安全作業提出了更高的要求。電網現場作業具備范圍更廣、類型更多、精密度更高、應用價值更高的安全信息。現場安全監測設備可全方位提高電力現場作業各環節信息感知的深度和廣度, 有助于提升電網現場作業的監督、分析、預警功能, 是電網安全作業智能化的重要支撐技術。長期以來,國家電網公司一直沿用安規制度和現場人為監督的方式進行電力現場作業的安全管理, 主要在以下方面問題:

a.電網現場作業安全缺乏有效監督。安全管理規章流于形式, 事故隱患無法在源頭進行預警: 管理和人為因素占據了導致安全事故發生的失效因素的絕大部分,即管理規章執行不到位、違規操作、錯誤指揮等是導致安全事故發生的重要原因,而管理規章執行不到位.違規操作和指揮的根源是缺乏監督。

b.電網現場作業缺乏有效指導。電網現場作業人員面對特殊的施工環境和情況時,缺乏實施的專業指導,容易因操作失誤發生事故。

c.電網現場作業無環境和生理指標監測。缺乏環境參數(溫度,濕度、氧氣濃度等)和作業人員生理指標(血氧.血壓、心跳、體溫等)的實時監測,導致無法及時發現和處理人身事故隱患。

d.電網現場作業人員流動性管理較弱。對于施工現場作業人員的進出場的監測手段落后,導致人員調度效率低下、調度安排缺乏科學性與合理性, 難以通過智能化的管理來提高整體的工作效率。

基于這些需求, 迫切需要建設完善的基建現場物聯感知平臺,部署能夠感知電力施工現場各類情景的終端設備,實現對于施工現場各類數據的實時化感知、采集、傳輸以及預警,同時建立完善的基建現場物聯平臺應用對采集到的數據進行綜合分析處理,實現現場作業人員的有效監督和指導,實現現場作業人員科學調度,為電網現場作業安全工作提供技術支持,從而提升電網企業的安全生產的管理水平。

圖1 系統總體架構圖

1 系統功能

1.1 數據采集

平臺提供智能安全帽監測、深基坑監測、門禁系統、高支模安全監測、組塔張力架線監測、智能手環、移動智能終端等基建現場設備的數據實時采集, 并將這些采集程序接入到邊緣物聯代理進行統一管理。

1.2 邊緣物聯代理

邊緣物聯代理和基建現場數據管理中心是智慧物聯感知體系的核心。通過統一的邊緣代理(邊)和基建現場數據管理中心(云)的建設,實現云邊協同,統一數據采集來源,解決感知層重復建設、數據重復采集等問題。邊緣物聯代理可部署在配電站房、配電臺區、變電站、輸電線路、大用戶、居民用戶,實現區域范圍內采集終端的統一接入管理。

邊緣物聯代理遵循物聯網標準的軟硬件架構體系,主要包括硬件層、系統層、核心服務層、應用框架層與應用層。采用通用化的硬件設計,基于支持容器化技術的操作系統,搭載各類APP 實現對各類終端的數據采集和就地控制。

1.2.1 硬件層:

通過不可克隆函數(PUF)、可信計算模塊(TPM)、可信執行環境(TEE)等實現硬件的可信,為后續操作系統的可信提供底層支撐,同時采用安全密碼模塊為系統提供硬件級的密碼算法支持。

1.2.2 系統層

基于安全操作系統,實現支持實時調度、資源隔離、安全可信的系統層,同時封裝提供密碼模塊。

1.2.3 核心服務層

提供設備管理、應用管理、北向互聯、南向通信、通信QoS 等核心服務, 支撐應用框架層。

1.2.4 應用框架層

基于核心服務層對外提供靈活的模型管理、設備管理、函數計算、任務調度及規則引擎等應用框架,供上層應用調用,降低上層應用APP 對底層資源的無效請求, 提高上層應用效率。

1.2.5 應用層

通過應用框架層對外提供服務,為第三方應用提供底層硬件監控能力,降低第三方應用對基礎硬件監控的開發難度,有利于第三方應用更專注于本身業務的開發。

圖2 系統網絡拓撲圖

1.3 基建現場數據管理中心

對物聯代理、智能終端、存量信息系統的統一安全接入和管理, 通過遠程維護、APP 應用升級實現邊緣代理的數據采集、設備管理、互聯配置、運行監視功能；對全過程系統提供統一的感知數據訪問接口。

1.3.1 設備管理

提供對接入平臺的傳感器、移動智能終端、數據采集器、物聯代理等提供統一管理；

1.3.2 互聯配置

互聯配置包括設備分組、設備與采集器的關聯關系及設備處理模型等方面的配置。

1.3.3 運行監視

平臺對數據采集服務的運行狀態進行實時監控, 當數據采集服務出現故障或其他原因導致服務停止運行時平臺將及時通知平臺管理員,使管理員能及時的進行處理并進行恢復。

平臺對深基坑監測傳感器、高支模安全監測傳感器、移動智能終端、手環、物聯代理等接入到平臺是設備進行運行狀態的實時監控,同時平臺以數據采集服務采集到的數據作為數據源,對這些數據進行整理分析,分析設備每日接收到的數據數量,最近幾日的數據從而進一步的掌控設備運行狀態。

1.3.4 現場數據展示與上傳

平臺對基建現場使用的深基坑監測采集終端、高支模安全監測采集終端、手環、智能移動終端等終端類設備采集到的數據在基建全過程統一平臺進行展示, 根據基建全過程項目需求判讀數據是否上傳。

1.3.5 數據管理

提供對接入平臺的深基坑數據、高支模檢測數據、安全帽等各類參數根據類型按標準模型進行處理并存入基建全過程統一平臺,并對全過程系統提供統一的感知數據訪問接口。

2 系統架構（圖1）

2.1 數據采集程序:通過數據采集程序采集布置在基建現場的深基坑、高支模、安全帽等傳感器設備的數據。

2.2 邊緣物聯代理:實現對基坑、高支模、安全帽等各類采集對象數據接入,同時實現基于MQTT 標準協議的上傳程序開發。

2.3 基建現場數據管理中心:對物聯代理、智能終端、存量信息系統的統一安全接入和管理,通過遠程維護、APP 應用升級實現邊緣代理的數據采集、設備管理、互聯配置、運行監視功能；對全過程系統提供統一的感知數據訪問接口（圖2）。

3 結論

建設一套基于物聯網技術的基建現場物聯感知平臺,對物聯代理、智能終端、存量信息系統的統一安全接入和管理,通過遠程維護、APP 應用升級實現邊緣代理的數據采集、設備管理、互聯配置、運行監視功能,實現基建現場深基坑監測、高支模監測、環境監測、智能手環、移動智能終端進行自動化的數據采集,為全過程系統提供準確、穩定、安全有效的數據支撐。