基于經緯度信息的室外輔助巡檢導航系統的實現

國網上海市電力公司長興供電公司 袁偉東 張金榮 上海服澤能源科技有限公司 陳 瑋

室外巡檢工作中有大量室外設備分布廣泛，所處地理位置偏僻，傳統工作中往往需耗費大量人、物力對這些設備的分布情況、巡檢流程等進行確定。而對于一些處于農田、山地等野外地區的桿變、箱變等電力設備，沒有具體參照物也沒有實際地理信息進行定位，巡檢工作往往只能通過人工辨別等方式。巡檢流程過于簡陋，存在諸多弊端和缺陷，有著極大的改進空間：室外分布的桿變、箱變等電力設備分布廣泛，且室外設備分布位置通常較為偏僻，巡檢人員難以定位及制定合適的巡檢線路進行巡檢工作；巡檢工作效率低下，巡檢過程中的桿變、箱變等電力設備的位置數據也難以管理；由于室外電力設備基數大致使巡檢工作量大，而傳統巡檢模式工效低下，工作時長與工作收益無法匹對，工作人員在巡檢過程中的失誤率也隨之水漲船高。

終端設備隨信息技術快速發展正在大面積普及，生產生活已步入互聯網時代，與智能終端更是形影不離[1]。對分布于室外的桿變、箱變等電力設施，可利用信息化技術將其地理位置信息存儲起來，構建位置坐標庫進行統一坐標管理。同時為解決室外巡檢過程中的室外設備難以定位、巡檢效率低等問題，可定制用于輔助巡檢的導航智能終端，提供室外設備的定位及室外設備的巡檢線路導航等功能。

由于室外設備分布范圍廣、分布位置偏僻，僅通過GPS 輔助巡檢難以準確定位，且由于電力需求的日益陡增，室外設備數量劇增，從而導致室外巡檢路線越來越復雜，巡檢的工作環境越來越多變。這些因素交錯綜合下往往極易致使巡檢工作出現偏漏，如無法精準定位巡檢設備、巡檢路線導航錯誤致使人員走失等問題。巡檢工作中上訴問題亟待解決，通過更精準的北斗導航系統采用基于經緯度的定位方案解決定位困難問題，實現更加準確地實時導航功能，能有效提高巡檢效率和安全性。為此，保證輸電網絡的可靠性及提高的電能質量，研發基于經緯度的室外輔助巡檢系統是有著迫切需求的。

1 總體設計方案

目前的輸電網絡，可針對室外的桿變設備等先建立一套相對完善的經緯度坐標數據庫，通過北斗系統實現基于經緯度的導航、定位服務，提供室外巡檢的輔助功能。其核心就在于如何利用桿變、箱變設備的經緯度坐標數據庫數據，研究利用北斗RDSS 模塊與北斗導航系統進行報文數據交互，通過經緯度信息實現更加精確的實現輔助室外巡檢導航功能。

當前的北斗系統已經發展勢頭迅猛，定位范圍已覆蓋全球，其工作原理是與GPS 工作原理類似的無源定位技術。北斗系統由三個關鍵部分組成：用于監控地面的地面衛星、用戶使用的位置信息采集終端設備以及處于宇宙中的北斗衛星。其工作流程是用戶通過終端北斗通信模塊向地面衛星發送攜帶交互請求的數據，通過地面衛星上傳至位于宇宙的衛星，并基于空間衛星測算得到相關數據提供給終端導航服務（圖1）。

圖1 北斗衛星工作流程示意圖

實際開發中實現的是用于發送報文數據的用戶終端。定位導航的關鍵是衛星定位導航數據的接收、終端的硬件支持以及對導航功能的軟件實現。

1.1 終端硬件設計

北斗通信單元模塊，用于巡檢工作中對巡檢人員經緯度定位及當前位置的經緯度信息數據傳輸?；诮浘暥鹊亩ㄎ皇峭ㄟ^北斗服務接口與中心服務器的北斗指揮機聯絡而獲取的。終端中的北斗導航模塊：北斗模塊通過獨立的通信模塊與中心服務器的核心處理器連接，通過北斗RDSS 單元模塊接口，利用北斗RDSS 單元模塊將中心服務器實時接收的經緯度的定位數據及北斗系統的短報文數據解析獲取的經緯度數據一同提供給北斗模塊進行處理，將定位數據及短報文數據發送給所述中心服務處理器進行分析處理定制導航服務，其終端的導航模塊與中心服務處理器同樣需要建立連接，并將自身的定位數據上傳服務器。

北斗服務由北斗基帶處理單元、北斗RDSS 射頻接收與發射通道、功放融合單元以及北斗天線等組成。北斗天線接收北斗RDSS 收發信號后通過北斗RDSS 射頻接收與發射通道接收至北斗基帶處理單元，利用北斗基帶處理單元完成北斗RDSS 收發信號的調制解調，北斗基帶處理單元通過功放融合單元對信號進行放大處理并傳輸至終端的北斗模塊。

結合額外的接口協議，使得北斗手持終端整體形成了定位模塊、地圖模塊、跟蹤模塊三大模塊提供數據用于核心的程序框架和應用中心處理的數據生產中心。

1.2 終端軟件設計

終端軟件設計：頁面展示層-數據訪問接口-業務層（用戶授權、用戶鑒權、坐標查詢、坐標管理、定位導航、數據處理）-數據層（經緯度坐標數據、用戶數據）。整個終端的軟件設計涉及到應用架構以及業務應用的功能實現，為保證軟件具有良好的可擴展性，軟件系統的應用架構根據業務應用功能劃分為多層級、多模塊搭建。

整體的軟件系統基于最小功能職責設計，區分為頁面展示層、業務層、數據層?；谇昂蠖朔蛛x的設計，頁面展示層只需接受中心服務器提供的數據并進行數據展示以及收集用戶提交的表單數據給中心服務器即可，通過統一的RESTful 風格數據接口與服務后端的業務層進行交互。這樣設計既能提升系統的工作效率，還可保障系統的穩定性和安全性。業務層的實現全部是基于實際業務，數據處理工作及數據存儲直接下沉到數據層。通過數據層與電力設備的經緯度坐標數據進行交互，通過查詢電站-輸電線路-桿變、箱變等電力設備的三級遞進關系，確定室外電力設備的具體信息與經緯度坐標。通過業務層對經緯度坐標進行編碼處理，實現導航路徑的具體規劃。在通過數據接口下發至頁面展示層，在靜態地圖上繪制詳細路徑規劃頁面。系統還提供原生實現的權限校驗機制保證系統的安全性，敏感操作如經緯度坐標數據的刪除、添加操作等需具有足夠權限的角色進行操作，提升了系統安全性。

2 基于經緯度的輔助巡檢終端硬件設計

2.1 導航終端開發選型

中心服務器系統采用OK6410開發板報文處理器的核心開發板，OK6410開發板是飛凌公司旗下基于ARM11內核架構設計的一款開發板，具有高性能、可擴展性高等優點，搭載了豐富的硬件接入接口，非常適合定制開發終端系統，優勢在于其硬件技術更新始終保持良好的開發適配性，適用于各種業務。智能終端的迅速發展對于芯片要求愈加苛刻，OK6410開發板的內核是ARM11內核，ARM11是新一代的RISC 處理器，基于新指令架構ARMv6設計的微處理器。其性能更加優秀的同時還保持著性能與功耗的微妙平衡，可滿足一些特定應用場景。移動應用場景下，Android 系統良好的開發生態圈與移動硬件兼容性使得其他移動操作系統難以望其項背。OK6410可完美支持Android 系統，此外它搭載的豐富硬件接口和擴展模塊使其無疑是定制導航終端的首選。

終端通過硬件串口搭載的RDSS 模塊用于接收北斗衛星的報文，參照NMEAO183協議規范將短報文數據解析，并把解析結果編碼為UTF-8字符數據流上傳到服務器。通過服務器部署的數據服務數據流獲取的是16進制的字節數組，對該字節數組需進行解碼，可解析為北斗系統傳輸的經緯度數據等導航數據。具體的報文協議的數據解析步驟需根據協議包內容定制開發處理，中心服務器進行數據的信息處理時，由于是按照字符流次序逐個依次處理，因此特別需注意其數據時效性問題。根據協議解析的數據，其中經緯度數據是最為重要的，可通過經緯數據進行地理編碼獲取實際地理位置信息，是導航服務的基礎（圖2）。

圖2 數據處理流程圖

2.2 終端系統模塊構成圖

終端系統搭載的用于接受北斗導航系統數據流的硬件主要由射頻前端部分、高速0/D 轉換器部分、基帶信號處理部分和導航信息解算處理部分共同構成。射頻前端部分可將終端系統接受到的北斗導航衛星射頻信號轉變為中頻信號；轉換器部分則將射頻前端采集的中頻信號解析轉換為數字量；通過基帶信號處理模塊捕獲北斗衛星在二維層面的信號，通過碼相位追蹤測算等方式測算終端到衛星的“偽距”；最后交由導航信息解算處理模塊，通過信號模型和算法，設定關于三維坐標系的地理坐標的方程式，通過解方程式獲取實際的地理位置坐標并進行偏差調整[2]。

圖3 接收終端架構圖

終端硬件開發板設計思路：通過系統總線搭建各個硬件元件與ARM11處理器的數據交互橋梁，由處理器負責系統硬件資源的調度與線程資源的分配?；谀K化的設計思想將各個單一模塊硬件分別通過系統總線接入并交互處理信息協同工作，主要有：生成導航路徑的北斗導航模塊，可采用BD-228或RDSS 單元模塊；與北斗系統進行報文通信的北斗通信模塊，負責接受和發送報文數據[3]。其余硬件模塊用于完善終端系統的基本功能（圖4）。

圖4 硬件設計示意圖

3 基于經緯度的輔助巡檢終端軟件設計

3.1 經緯度坐標數據庫設計

基于實際調研過程中采集的室外電力設備的實際地理位置和經緯度坐標、室外的桿變設備和箱變設備的詳細數據信息等，通過抽象數據實體的數據特征與關聯關系確定了經緯度坐標數據庫的數據實體結構以及數據庫實體的約束關系。

通過分析可以確定電站與輸電線路間的關聯關系是一對多，即一個電站關聯多條輸電線路；而輸電線路與室外電力設備的關聯關系也是一對多?；诖丝蓸嫿ā半娬?輸電線路-電力設備”三級遞進的層次關系確定到具體電力設備的信息，這是系統中對于桿變、箱變等電力設備檢索的根據。為保證經緯度坐標始終保持一致，數據庫使用Varchar類型存儲經緯度，防止數據持久化過程中發生精度丟失的問題。為保障數據的完整性，全部數據需維護Not Null 的約束，防止解析數據錯誤導致的空數據錄入形成臟數據。數據刪除定義deleted 刪除標志，標志置為1時表示刪除，系統對于此類數據不可見，但實際的物理存儲還是存儲著該數據，防止誤操作數據刪除時無法恢復。

3.2 程序流程圖

圖5 系統程序流程圖

首次使用終端軟件需用戶使用手機號進行注冊，確保用戶的權限校驗。通過軟件登錄進入系統獲取權限Token，之后的功能和請求需校驗Token 中的權限信息來保障系統的安全性。登錄用戶會獲取由系統生成的Token。該Token 有時間限制，到期后用戶需重新登錄。用戶訪問需要終端對請求進行二次封裝，必須攜帶Token 進行請求。系統收到請求后需第一時間校驗攜帶的Token 時效性及權限。對于用戶訪問權限不足的資源時會拒絕用戶請求。通過校驗Token 判斷用戶的權限，普通用戶僅能使用終端查詢電力設備的坐標信息及使用終端的導航功能，高級管理還可執行經緯度坐標的數據管理，如刪除經緯度、添加經緯度。

4 總結與展望

本系統是將室外輸電線路桿塔等精細化并用于巡檢路徑定位的應用。解決的技術問題是提供一種可規劃、記錄路徑，能提供輸電線路桿塔巡檢導航的軟件系統；提供的技術方案是：輸電線路桿塔精細化巡檢路徑定位裝置，包括移動終端和后臺服務器；移動終端跟隨巡檢人員收集巡檢路線上的數據信息，通過對數據信息整理、規劃后形成具有導航功能的地圖資源包，然后下放至終端，便于用戶通過導航快速、安全到達目的地；其終端設備可提高巡檢人員的工作效率，可廣泛應用于電力巡檢領域，為巡檢工作及巡檢管理工作帶來便利，提高工作效率和資源利用率。

隨著國家“智能電網”發展的不斷推進，互聯網中的各項高精尖技術不斷用于電力系統的日常中，尤其在電力系統巡檢工作中已在配網自動化的發展方向上邁出了一大步。目前該系統研發了一套基于經緯度定位輔助巡檢的設備，通過與北斗模塊的報文交互處理，實現了精準的經緯度定位與定位數據實時傳輸進行導航的功能。項目當前在實際的應用市場前景廣泛，尤其在電力行業更是如此。