基于GIS與物聯網集成的地下電纜井在線監測系統

袁林峰，徐勇明，史建勛

（國網浙江嘉善縣供電有限公司，浙江 嘉善 314100）

配電網是整個電力系統中的一個重要部分，它負責將電力傳輸到用戶，地下電纜井是配電網中的重要一環，它的穩定運行與否對配電網安全運行起到關鍵作用。在電力井運維過程中，常常發現井蓋被盜；電纜中間接頭溫度異常后，不能及時獲取事故位置并及早處理，只能等完全爆燃，引起停電等安全事故后，才能到達現場處置；電纜井施工前，不能及時掌握井內水位信息和井內有毒氣體濃度情況，增加了施工風險和引發不必要的人員傷亡概率；敷設新電纜或電纜線路規劃時，不能查看電纜孔位利用、電纜安裝環境等井內現場情況。隨著物聯網和邊緣計算技術的成熟，以及地理信息系統（GIS）技術的廣泛應用，利用三者集成技術對配電網絡中地下電纜井進行在線監控變得必要和可能。文獻[1-2]提出了GIS與各類監測設備集成系統的方法，但傳感器與監控中心通信采用了光纖網絡，光纖網絡布設成本高，對不具備該條件的地區推廣難度大；所有數據統一傳輸到后臺進行分析和處理，效率低下且容易延時。文獻[3-6]提出了電纜井監控的一些技術和手段，但沒有與GIS技術進行集成，各類監控數據可視化還是傳統表格形式，沒有與被監控物體空間位置結合起來，不夠直觀，未能發揮GIS空間定位、空間分析技術優勢。

本文綜合各參考文獻資料，在地下電纜及設備普查成果數據庫基礎上，提出了基于GIS和物聯網集成的嘉善縣地下電纜井在線監測應用研究的內容、技術方法，為電纜井的智能運維提供新思路、新方法。

1 系統設計

1.1 設計原則

安全性上，系統設計過程中，嚴格執行國家電網信息系統建設規范[7]，各類傳感器數據傳輸要使用國家電網認可的網絡形式，如國家電網外網專用網絡，或采集的各類傳感器數據須經國家電網認可的邊緣計算設備轉發后才能傳輸出去。本項目設計應考慮到未來擴展要求，在接口設計上考慮為其他設備接入留有余地。并在智能化系統、安防監控系統的主要設備選型方面留有冗余；在系統運行過程中，要保證不同技術水平的人員能熟練使用系統，對一些基礎功能，要能利用可視化界面操作的方式進行配置。

1.2 系統主要設備

有害氣體傳感器模組：是使用MEMS氣體傳感器而研發的微型氣體傳感器件，可用于同時檢測和識別空氣中CO、H2S、CH4氣體的濃度。各類傳感器采用Modbus通信協議。

無線液位監測終端模組：設備串行接口，電源采用TVS防浪涌保護設計，保證設備可靠性和穩定性；提供穩定可靠的NB-IoT網絡傳輸；支持UDP/COAP協議。

無線測溫模塊：通過高壓電場取電，本系統只需高壓系統有電即可，與負載電流大小無關。

井蓋監控設備：實時監測井蓋狀態，當有人開啟井蓋時，會通過短信、微信等方式向相關人員報警。

高清槍擊攝像機：攝像頭內安裝有存儲卡，用來存儲本地畫面，可隨時調取查看。

邊緣計算信息采集終端：主要用于接收各傳感器的實時數據，并進行相關計算分析，把最終結果統一傳送到云端，該設備具有邊緣計算功能：減輕云的負擔，提高系統實時性；異構接入：支持485以太網、Lora Wi-Fi等多種接口接入；多協議轉換：支持DLT645的101、104等多種規約的解析；多因子認證：身份認證，軟硬件數據加密等[9]。

由于井內無適合各設備使用的電源，故攝像頭和邊緣計算采集終端利用豎立在井外的太陽能帆板供電。

1.3 系統架構設計

系統中的測溫、液位、有毒氣體、井蓋翻動傳感器采集的信息，通過NB-IoT無線傳輸把數據發送給國家電網信息安全認證的邊緣計算信息采集裝置。對于視頻，由于采用的邊緣計算采集裝置對視頻數據接入效率較低，故視頻信息通過4G網絡發送到視頻信息服務器。邊緣計算信息采集裝置把收集到的監測信息，通過國家電網VPN發送給監測中心服務器。

監測中心還有如下數據庫服務器，地圖服務器：用于發布所在區域的地圖瓦片服務（WMTS服務），各客戶端可在線調用所在地區地圖瓦片數據；地下電纜及設備臺賬數據庫：包含地下電纜及設備空間及屬性信息，在地圖上可查看其空間位置及屬性信息，各監測信息可掛接在臺賬數據庫中對應的臺賬空間位置上，通過GIS實現地下電纜及設備臺賬信息與監測信息的集成。系統運維管理數據庫：主要包括用戶數據、權限數據、角色數據、系統日志等。監測平臺與各監測設備通信通過UDP協議，根據通信協議具體規則，可把傳輸過來的一串字符解析成可辨識的內容，存入數據庫中。整個監測平臺采用B/S架構實現，系統架構圖如圖1所示。

2 系統技術路線

2.1 項目硬件安裝施工要求

由于地下電力井所處地理位置不同，有些井內電纜常年被水浸泡，安裝電纜中間接頭測溫設備時，要用防水膠帶包裹嚴實，防止進水；邊緣計算采集裝置也要采用達到IP66防水級別，井內信號可采用伸出井外的增益天線發射，根據項目經驗，在有水浸的電纜上，無線信號在水中傳播非常不穩定，測溫設備與邊緣計算采集設備之間通信采用有線連接方式。視頻攝像頭要根據井內水位情況選用不同防水級別攝像頭。

圖1 系統架構圖

2.2 系統軟件技術路線

軟件開發架構采用Visual Studio 2017 Asp.NET MVC4.7實現，數據庫采用MongoDB，GIS功能（地圖底圖調用、地圖定位、空間分析等）采用開源的Leaflet實現。

2.2.1 整體實現思路

各傳感器監測數據處理、入庫、視頻信息接入、前端頁面顯示的處理步驟如下：

傳感器數據傳輸利用UDP協議，服務端接收數據后利用Socket編程[10]，根據邊緣計算數據終端通訊協議進行解析，邊緣計算數據終端通信協議規則如表1所示（長度單位為字節）。

表1 邊緣計算通信協議規則

對采集的監測數據按通信協議規則進行解析，解析后獲取的監測數據，把監測數據存入數據庫，并與臺賬對應設備建立關聯關系。

預警規則庫建立，根據對歷史數據的統計，設置好溫度、水位、有毒氣體等的預警值，并在數據庫中建立規則庫。

前端系統界面根據臺賬空間數據，把電力井在地圖上用圖標表示，點擊某個圖標，利用HTML5的WebSocket協議，實現實時Socket通信，獲取服務端解析后的監控數據，監測數據與規則庫中預警值進行比對，根據比對情況，在地圖上用不同顏色圖標進行預警，達到預警條件，則通過短信或微信方式把預警信息發送給相關人員。對于視頻信息，利用HTML5播放器VideoJS向遠程DTU服務器發送POST請求，獲取視頻數據[11]。

2.2.2 地圖瓦片離線發布技術

由于監測中心位于內網，不能在線調用地圖底圖數據，目前，可利用商業軟件實現離線地圖調用，但從系統成本考慮，系統中根據OGC標準地圖服務規范，利用WPF開發技術和DotSpatial開源插件，實現了把谷歌、天地圖、百度等主流離線地圖數據發布成WMTS地圖服務功能，為系統應用提供標準的WMTS地圖服務。

2.2.3 傳感器數據存儲技術

由于嘉善縣目前安裝了傳感器的電纜井近500個，上述傳感器每天不間斷向服務器發送數據，日積月累，數據量顯著增大，為了對傳感器數據進行高效存儲，采用MongoDB作為數據庫，它可以很好地利用其兼具非關系型數據庫和關系型數據庫的部分功能和特點[10]。在C#環境中使用MongoDB，需要下載MongoDB.dll，作為C#操作MongoDB的驅動。為了提高數據存儲效率，對每個傳感器實時發送過來的數據，與庫中該傳感器最近的一條記錄值進行比對，如果變化范圍在設定的規則內，則庫中不存儲該數據，表明該傳感器監測值正常，否則，把該數據存入庫中，表明該傳感器監測值異常，這樣可大大減少數據存儲量。

規則庫根據每個電纜井的位置、環境、季節、氣候等設置，并可在電纜運維過程中，根據經驗進行規劃優化。每個電纜井建立一個數據集，由于測溫、水位、有毒氣體每5 min向服務器發送一次數據，故每5 min把測溫傳感器、水位傳感器、有毒氣體傳感器數據生成一個數據文檔，一個電纜井內有多根電纜需測溫，故測溫設備有N臺，文檔結構如下：

{

id:'202',

WellID:'9a17e016-ed25-4774-afa5-

71fa66469d1f',

time:'2019-08-23 10:05:00',

datas:[

{

DeviceIMEI:869505046491724,

tem:28,

remarks:'測溫',

dlID:'5#'

},

?

{

DeviceIMEI:863434040377118,

CO:12,

remarks:'一氧化碳濃度(ppm)'

},

{

DeviceIMEI:869505046491401,

H2S:0.5,

remarks:'硫化氫濃度(ppm)'

},

{

DeviceIMEI:69505046513204,

WaterLel:0.8,

remarks:'水位高度(m)'

}

]

}

為了控制數據規模，每個電纜井的傳感器數據1個月覆蓋1次。

3 系統實現效果

系統開發完成后，實現了如下主要功能：

地下電纜及設備臺賬GIS管理：在地圖上查看地下電纜和設備空間位置，臺賬屬性信息。

實時監測信息管理：利用GIS作為切入點，在地圖上，點擊某個地下電纜井，可查看該井內各電纜的測溫信息、有毒氣體信息（主要是CO、CH4、HS）、井蓋翻動狀況、井內現場視頻信息等。根據監測信息，自動進行預警分析，預警異常則把預警信息通過手機短信、微信等方式發送給相關人員。監測信息統計報表，能生成監測信息日報、周報、月報、年報等，分析各電纜井及設備運行情況，為相關部門提供決策依據。圖2為井內現場視頻信息查看效果，可查看任一時間節點的歷史視頻信息，并支持視頻信息的遠程下載功能。

GIS功能：矢量、影像地圖切換；面積、距離量測；新敷設電纜時，對規劃新線路上已有電纜井孔位占用情況進行空間分析，找出符合敷設要求的電纜井，主要實現思路是利用GIS緩存分析功能，對規劃路徑上50 m范圍內的電纜井進行空間查詢。如果某個井東南西北四個方向上最少有兩個未使用孔位，則該井被認為可作為敷設新電纜使用，否則不滿足敷設電纜要求。地圖上，把規劃路徑上滿足條件的電纜井用綠色圖標表示，不滿足條件的用紅色圖標表示，點擊某個電纜井圖標，可查看其東南西北四個面上孔位使用情況（已使用孔位、未使用孔位）。

對預警異常的電纜井，相關人員根據路網信息，通過GIS的路徑分析，自動進行路徑導航，使不熟悉路況的處置人員能夠以最快的時間到達現場，提高故障處理效率。根據預警信息情況，對有異常情況的電纜井用紅色圖標表示，全部正常的用綠色圖標表示，達到監測信息地圖可視化表達效果，直觀明了。

系統運維管理：包括用戶管理、角色管理、部門管理、權限管理、角色權限分配管理、系統日志等。

4 結束語

利用物聯網和GIS集成在行業應用上發揮了重要作用，通過在嘉善縣部分地下電纜井電纜中間接頭安裝測溫傳感器、液位傳感器、井蓋翻動傳感器、井內有毒氣體傳感器，并利用GIS與監測信息進行集成，對開發的主要技術路線進行了說明，對硬件施工要求也進行了一定說明。目前系統已投入使用，解決了傳統地下電纜井人工運維的弊端，提高了運維效率和信息傳輸的安全性，為地下電纜井智能運維提供了可行的解決方案。

圖2 視頻監控信息查看