廣域物聯技術下試驗儀器智能管控系統的設計與實現

湖南五凌電力工程有限公司、湖南省水電智慧化工程技術研究中心 喻勇麗 何亞文 王仁權 羅周維 李奇艷 胡麗芳

上海一亞信息技術有限公司 余濤

水力發電作為一種綠色可再生能源，已經在我國得到了廣泛的開發和利用。截至2020年底，我國水電裝機容量已經達到3.7億千瓦。當前，水電項目已經成為我國電力系統的重要組成部分，但大部分中小型水電廠分布在十分偏遠的地區，布局比較零散。而隨著水電項目的不斷整合與行業改革的持續推進，現在我國已經開始實行流域水電廠群管控模式和專業化電站檢修服務業務模式。水電廠的運營和檢修業務，一般統一由專業的電力工程公司或團隊來負責，此舉較好地解決了單一水電廠在設備檢修維護方面缺乏專業技術人員的問題。

當前，業界已經開展了一些對水電運維檢修作業進行智慧管理的模式探索，主要是檢修項目管理。但對水電廠檢修作業中涉及的大量試驗儀器，則缺乏專項管控。

水電廠檢修作業用到的試驗儀器一般具有以下特點：價格昂貴、種類繁多、對操作人員的專業水平要求高，有時候甚至需要得到授權才能使用，對試驗儀器還要進行定期檢定和校準。同時，它還不同于其他行業的試驗儀器基本固定在某個位置，而是具有服務區域分散、流動性很強、廣域服務的特點。

圖1試驗儀器智能管控系統硬件架構

現存問題和需求

傳統水電廠試驗儀器管理存在以下幾方面局限性：

庫房管理方面

（1）傳統上存放試驗儀器的庫房通常是儲物間，使用通用貨架或者密集架來存放，試驗儀器的大小不標準、存放位置不固定，并且在大部分情況下，都是依靠庫房管理員進行人工出庫、入庫和手工登記，難以有效避免亂發、難找、誤拿及丟失的情況發生。

（2）倉庫環境溫濕度狀態得不到監控，無法進行自動調節，過高的溫濕度會對試驗儀器設備造成損害，試驗人員如使用損壞的儀器設備開展作業，就會造成一定的安全隱患。

（3）在共享集成方面，有些水電廠有自己的試驗儀器庫房，而這些庫房都是各自獨立的，沒有形成統一管理的集群，儀器的有無、狀態好壞、是否在使用……這些信息都沒有被共享，處于信息孤島狀態。

使用管理方面

一臺試驗儀器，要經常被運到多座水電廠進行現場使用，什么時候出庫？到哪里去？執行什么任務？需要多長時間？由誰來負責？這些信息都沒有被完整地記錄下來，而且即使有記錄，也只是借助Excel表格進行簡單地記錄，對儀器的使用狀態和位置缺乏準確和實時了解，不能及時掌握試驗儀器的現場狀況，也無法開展行之有效的協同管理，當然也無法提高試驗儀器的使用效率。

儀器合規方面

水電廠試驗儀器的使用，大多需要按周期進行檢定和校準。一部分試驗儀器的檢定和校準工作可以在內部完成，一部分還需要借助外部力量完成。現在需要人工記錄檢定和校準周期，以及下一輪的工作時間，無法做到及時提醒和預警，也無法保證試驗儀器本身的合規。

試驗儀器的使用具有很強的專業性。操作人員需要進行培訓后才能上崗，因此，需要進行試驗儀器使用前的檢查，必須確認操作人員具備相應的資質。但在現實中，很多單位并沒有進行儀器使用的合規性檢查。

為了在試驗儀器共享利用的前提下，更好地滿足用戶和管理員的功能需求，并且客觀科學地開展試驗儀器的效益評價，本文著重從平臺總體設計及功能實現上探討了基于PC端和移動設備端混合結構、集成4G/5G和無線射頻識別的水電廠試驗儀器智能共享與評價系統的建設。

圖2試驗儀器智能管控系統軟件功能圖

試驗儀器智能管控系統的整體設計

按照穩定性、安全性、適時性、實用性、易用性等原則對整個試驗儀器智能管控系統進行設計。

硬件總體架構

根據物聯網的結構定義和設備資產管理領域的實際情況，管理方案將根據功能劃分為三層，即感知層、網絡層和應用層，具體的系統結構如圖1所示。由RFID無源抗金屬標簽、RFID讀寫器、天線組、智能超高頻手持終端、高清視頻攝像頭、溫濕度傳感器和內置藍牙控制電源裝置等設備組成RFID智慧貨架管理及智能管控系統。

軟件應用架構

軟件系統采用B/S結構，分別用于PC端和移動設備端，軟件功能分為儀器資產管理、智慧貨架管理、報表查詢管理、位置管理、移動APP應用和系統管理六大功能模塊。功能結構如圖2所示。

系統功能模塊及運行模式

基于物聯網的智慧倉庫管理

試驗儀器的庫房管理智能化，基于物聯網技術進行實現。系統包括感知采集設備、數據處理模塊、貨架管理模塊和可視化模塊。

感知采集設備包括RFID讀寫器、饋線、磁吸附RFID天線和無源柔性RFID抗金屬標簽；感知采集設備部署在貨架主體上，通過RFID讀寫器感知附著在試驗儀器上的RFID標簽，采集實物的關鍵信息，并傳輸給數據處理模塊。

例如，一排貨架由4組貨架組成，每組有4層，在貨架的頂上安裝一臺16通道RFID讀寫器，每組貨架的層板上安裝一個RFID天線，通過饋線連接至RFID讀寫器。

RFID抗金屬標簽粘貼于試驗儀器外殼上，用于標識試驗儀器的關鍵信息數據，具體包括試驗儀器的名稱、型號、編碼、類別、批次、數量、RFID讀寫器及RFID天線編號。通過調節RFID讀寫器功率和RFID天線的安裝位置來適應不同的貨架層高，從而實現RFID信號的全覆蓋，并且相鄰貨位間的信號不會相互干擾。RFID讀寫器采用RFID天線輪流讀取的方法對每層貨架進行掃描。

數據處理模塊包括RFID中間件和試驗儀器定位引擎，RFID中間件對采集的數據進行過濾、篩選、加工、整合，試驗儀器定位引擎得出儀器所在的層數和具體區域。

貨架管理模塊用于提供試驗儀器的盤點、位置查詢、出入庫管理和配置服務。

可視化模塊用于顯示各個區域現有的試驗儀器及在貨架主體中的具體層數和位置。

溫濕度監控

在庫房內，利用Zigbee技術進行無線組網，連接高精度溫濕度檢測和報警設備，實現庫房溫濕度自動測量、報警。再將溫濕度數據自動送入空調的電源開關控制模塊，從而實現溫濕度的自動調控。

智慧授權管理

基于物聯網技術，研發設計一種藍牙電源開關裝置，安裝在試驗儀器的電源插座中。結合開發的手機應用軟件，遙控藍牙供電開關，實現試驗儀器的遠程授權觀看。通過智慧授權管理，保證具有合格資質的人員才能開機操作使用。

遠程定位管理

基于高德地圖GPS定位的SDK接口，結合RFID識別技術，采用HbuilderX開發工具，研發HTML5+APP軟件模塊，通過掃描感應儀器設備上的RFID電子標簽或二維碼標識，實時獲取該臺設備的編碼、名稱、型號等信息，與定位信息一起寫入服務器數據庫，實現試驗儀器的位置追溯功能，并在PC端和移動設備端顯示試驗儀器的移動位置軌跡。

軟件系統其他特點

（1）遠程入網和控制。試驗儀器智能管控系統集成了4G/5G和Wifi，電腦、手機、平板電腦等都能通過有線或無線方式接入門戶網站，用戶入網不受時間地點的限制，管理員可以實現遠程控制。

（2）協同共享功能，用戶能發布信息尋求試驗協助或進行合作攻關，或管理個人日程和通訊簿等個人事務。

（3）儀器的智能管控。建立試驗儀器的全生命周期管理，以及特別權限的用戶在使用過程中的互動功能，使試驗儀器管控更加科學、智能、合理、全面。

（4）庫房工作區的現場自動控制。系統集成了無線射頻識別的門禁鎖技術，以及安裝紅外視頻監控裝備，用戶刷卡進出庫房，或進行儀器的上機、下機等操作，初步實現了工作區的無人值守。

（5）統計分析。儀器信息包括基本信息、功能信息和使用技術支持，內容更豐富，分類更科學，增加了用戶對試驗貢獻的信息，用戶信息更完整，尤其是集成了效益評價，并對目前的評價標準和方法作了進一步量化和細化處理，提高了適用性，實現了智能化。

結論

本文利用RFID、藍牙電源和廣域的衛星定位等物聯網技術和硬件，開發實現了需要經常進出和移動的試驗儀器的智慧管控，結合軟件系統，實現試驗儀器智慧庫房管理、使用管理和合規管理。

實際應用中，此管控系統實現了存取便利和安全，解決了合規管控的問題。該試驗儀器的快速借還，試驗儀器的預留、領用、退庫，以及及時迅速準確盤點，節省了大量空間，避免了人為差錯，并實現了與檢修作業一線的緊密結合，大大提高了生產效率。