基于工業物聯網的激光除異物裝置安全管控技術

王 楠，張秉良，2，張 震，漆 照，韓 梁

（1.山東中實易通集團有限公司，山東 濟南 250003；2.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

架空輸電線路具有點多、面廣、環境復雜等特點，風箏和風箏線、農用塑料布、廣告布、遮陽網等漂浮性異物經常纏掛在輸電線路上，可造成相間短路、單相接地，導致線路跳閘停電或線路損毀，垂落的異物或燒斷損毀的導線還可造成人畜傷亡，給電力系統和社會帶來極大的危害［1］。

傳統輸電線路除異物技術主要是依靠作業人員對輸電線路上的異物進行清除，分為停電處理和帶電處理［2］。帶電作業會受作業現場環境、氣候等諸多因素影響而無法開展，即便開展帶電作業，作業人員也會面臨較大作業風險及危害；而停電作業則會對社會經濟造成損失［3-6］。

近年來，利用激光切割原理對輸電線路掛網異物清除的激光除異物裝置［7］已廣泛應用于山東、江蘇、浙江等省級電網。此類裝置可發射功率較大的激光束對掛網異物進行在線清除，有效解決了輸電線路異物掛網摘除難題，為輸電線路安全運行提供有力保障。山東電網利用激光除異物裝置開展了架空輸電線路激光遠程融冰試驗及分析工作，對裝置應用具有一定的指導作用［8］。

由于激光在切割作業中會產生強烈的光線，人眼不可以長時間觀看，以免傷害眼睛。激光束能量大，如果接觸人體，會產生嚴重的燒傷［9］，且目前國內沒有針對激光除異物裝置技術要求的統一標準，激光除異物裝置制造及使用環節中，部分技術條件所依據的GB/T 7247—2012《激光產品的安全》并非強制性標準，因此激光除異物裝置在使用時易產生監管漏洞。

針對上述問題，充分發揮互聯網技術，將工作場界保護技術、防傾覆技術、全球定位系統（Global Positioning System，GPS）與遠程控制技術等應用于激光除異物裝置，并研發出激光除異物技術應用安全管控平臺與“激光衛士”安全操作APP，對激光除異物裝置進行安全管控。

1 工作場界保護技術與防傾覆保護技術

1.1 工作場界保護技術

激光除異物裝置工作場景常為戶外，現場環境復雜，存在人畜等物體靠近正在工作的裝置的可能。當發生上述情況時，裝置會自動暫停激光發射，以保證人畜安全。

現有部分研究中，工作場界保護技術利用放置于激光發射口的超聲波傳感器進行周界監視，當有物體進入設置的工作區域時，超聲波傳感器將信息傳送到傳感器接收模塊，接收模塊對信息進行處理后上送到控制中心，控制中心將停止出光指令發送到光源控制模塊，控制激光停止出光［10］。在這種方式下，工作場界保護的范圍會隨著激光口位置的變化而改變，導致裝置在實際工作中產生一定的保護盲區。為解決上述問題，可以將激光除異物裝置超聲波傳感器放置在云臺，以消除激光除異物裝置工作中產生的保護盲區。工作場界保護技術工作原理如圖1所示。

圖1 工作場界保護技術工作原理

1.2 防傾覆保護技術

激光除異物裝置在工作時，易受氣候環境、地質條件等因素影響，可能發生偏斜、傾覆等情況。當發生上述情況時，防傾覆保護技術可使裝置自動停止激光發射，以保證安全。

防傾覆保護技術利用放置于電動云臺中的電子水平儀，對裝置運行環境進行監控。電子水平儀采用擺錘原理［11］，當遭遇大風等情況導致裝置偏斜、傾覆后，電子水平儀將采集到的裝置狀態上傳到控制中心，控制中心發送停止出光指令至光源控制模塊，控制激光停止出光。防傾覆保護技術工作原理如圖2所示。

圖2 防傾覆保護技術工作原理

2 基于物聯網的遠程控制技術

基于物聯網的遠程控制是將遠端設備、云平臺及用戶終端通過網絡通信進行連接，其中，用戶使用用戶終端連接云平臺進行指令的發送，云平臺連接遠端設備傳遞指令，遠端設備響應接收的指令［12］。遠端設備為激光除異物裝置；用戶終端為手持式移動終端，既可以是手機，也可以是平板電腦。

2.1 網絡架構及通信協議

現有物聯網技術應用案例已對無線保真（Wireless Fi?delity，Wi?fi）技術、窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB?IoT）技術等進行了相應研究［13-15］。在激光除異物裝置安全管控中，采用了Wi?fi等技術。

激光除異物裝置與手持式移動終端之間采用Wi?fi 技術進行連接；云平臺與激光除異物裝置之間的連接使用http、TCP/IP 協議的4G網絡進行連接，采用通用分組無線業務（General Packet Radio Service，GPRS）或分碼多重連接（Code Division Multipul Access，CDMA）通信技術進行數據傳輸。

現有部分研究中，對基于Wi?fi 控制系統的手持移動終端間的通信，采用基于TCP 協議中Socket 的通信方式。這主要是因為UDP 協議開銷雖然較小，但其傳輸完整性較TCP/IP協議差。在遠程控制系統中，控制端需要向被控端發送控制命令，被控端收到控制命令后執行該指令，為了使受控端接收到的控制命令可靠而又完整，因此，建議控制命令信息采用基于TCP 協議的Socket 通信，且雖然TCP/IP 協議傳輸單價高，但實際上控制命令信息數據量很小，這在一定程度上削弱了TCP/IP協議的缺陷［16］。

激光除異物裝置的物聯網絡架構如圖3所示。

圖3 激光除異物裝置的物聯網絡架構

2.2 即時定位-遠程控制模塊

GPS 系統是一個高精度、全天候和全球性的無線電導航、定位和定時的多功能系統，可為用戶提供隨時隨地的準確位置信息，已在物聯網應用案例中廣泛應用［17-19］。在實際應用中，GPS 需要實時開啟，耗電量較大。GPS 即時定位-遠程控制模塊與激光除異物裝置共用供電電路，解決了GPS 長期運行的供電難題，且大大減少了無效數據。

激光除異物裝置采用的是GPRS 通信技術。GPRS 在現有全球移動通信系統（Global System for Mobile Communication，GSM）網絡的基礎上通過增加相應的功能實體，并進行部分改造來實現分組交換，提供端到端的、廣域的無線IP 連接，適用于頻繁、少量的數據傳輸?；贕PRS 的遠程定位系統具有覆蓋范圍廣、可移動、接入地點無限制、系統傳輸容量大、無限制擴容、通信費用低、實時性好、數據傳輸高速等技術優點。因此，采用GPRS 進行數據傳輸，可實現對系統的監控，且系統擴展方便、工程實施快、性價比高、工程費用低、擴容方便、可靠性好、日常維護工作量小。GPS 即時定位-遠程控制模塊內部結構如圖4 所示。

圖4 GPS即時定位-遠程控制模塊內部結構

GPRS 控制模塊內置于激光除異物裝置，通過GPRS 網絡與數據服務器通信，通過基站定位確定位置信息并上傳；移動端“激光衛士”APP 一般安裝在設備操作人員或審批人員的手持式移動終端，通過移動網絡與服務器通信，實現設備領用申請、設備使用審批及使用過程記錄；數據服務器及電力數據庫部署在公司服務器上，可通過監控客戶端訪問，外部用戶則通過Internet 網絡和Web 服務器訪問內部服務器和數據庫。

此外，在設備使用過程中，管理員可通過數據服務器和GPS 即時定位-遠程控制模塊強制關停在線輸電線路激光除異物裝置。

3 激光除異物裝置安全管控平臺

激光除異物裝置安全管控平臺由“激光衛士”操作APP和綜合應用管理系統兩部分組成。

3.1 “激光衛士”APP

由于生產現場是遠離辦公場所的，在手持移動終端上部署操作APP 對遠端設備進行智能化管理及控制，是目前常用的技術手段［20］。激光除異物裝置所使用的基于C#語言開發的“激光衛士”操作APP，不僅實現了設備領用的線上審批，還實現異物處理情況的即時記錄與上報，同時可實現設備領用申請、設備使用審批、任務查看、設備歸還等功能。

設備領用申請、設備使用審批功能。因輸激光除異物裝置的特殊性，設備領用應嚴格履行領用審批手續，其工作流程如圖5 所示。作業人員根據現場需要發起設備使用申請，審批人根據作業現場環境狀況進行設備使用審批。只有在審批人審批通過后，激光除異物裝置才能正常啟動運行。

圖5 激光除異物裝置審批使用流程

任務查看記錄。設備操作人員或監督人員可通過APP 及時記錄異物處理情況，具體包括桿塔號、處理前異物掛網照片與處理后線路照片，以便對設備使用情況進行追溯。

設備歸還管理。設備申請人員歸還設備時利用手持移動終端進行拍照并及時通過APP 提交設備歸還申請，設備審批人員在接收到申請后查驗設備歸還信息，確定設備情況后設備入庫。設備入庫后，APP顯示設備處于“存放”狀態。

3.2 綜合應用管理系統

綜合應用管理系統包含人員管理、設備管理、數據管理分析、系統展示等模塊，可為管理員提供一個管理入口，用于管理系統的基礎數據（區域管理、設備管理、審批人員管理等），外部用戶的注冊申請、設備壽命管理，查看用戶的任務進度，實現數據的統計分析，并剔除系統產生的無用數據等。

人員管理模塊。在此模塊中可針對外部用戶的注冊請求進行審核，并對外部用戶登錄賬號進行管理，可重設密碼或刪除賬號信息，同時可對裝置使用申請人進行審批。

設備管理模塊。在此模塊中，設備管理者可查看正在審批過程中的設備使用請求、已經完成設備使用請求的設備情況及設備臺賬信息，如圖6所示。

圖6 綜合應用管理系統中的臺賬信息

數據管理模塊。數據管理模塊可對GPS 采集的信息進行匯總，如裝置使用時間、地點等信息，并根據設備使用信息情況繪制山東省激光除異物裝置工作熱點分布圖，如圖7 所示。圖7 中，紅色區域表示激光除異物裝置使用最頻繁，黃色次之，藍色表示零星使用過。

圖7 山東省異物裝置工作熱點分布

系統展示模塊。系統展示模塊對數據管理模塊中的信息進行分類，并以圖表等方式向管理者進行系統展示，圖8 為山東省激光除異物裝置配置分布。圖8 中，紅色標記點為激光除異物裝置配置分布情況。

圖8 激光除異物裝置配置分布

4 結語

激光除異物裝置已廣泛應用于輸電線路異物摘除作業中，但由于激光的特殊性，其安全使用一直存在較大爭議。山東電網所研究的激光除異物裝置安全管控技術，利用工作場界保護、防傾覆保護等技術手段對激光除異物裝置在工作中進行有效防護，同時利用物聯網遠程控制技術對激光除異物裝置進行科學管理，有效增加了激光設備在電力系統中應用的安全性，減少了激光設備對電力設施影響，使輸電線路異物清除工作更快捷、安全，對激光產品在電力領域的應用具有一定的指導意義。