基于泛在物聯(lián)網(wǎng)的電力物資智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呂振輝，徐麗，張益波，李嘉迪

（國(guó)網(wǎng)上海市電力公司，上海 200120）

在完善智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，大力建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成能源流、業(yè)務(wù)流、數(shù)據(jù)流相互融合的能源互聯(lián)網(wǎng)是未來電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展的方向[1-3]。但目前在電力物資管理環(huán)節(jié)，泛在物聯(lián)裝備應(yīng)用較少，智能型、效率型儲(chǔ)運(yùn)裝置運(yùn)用不足，電力物資管理嚴(yán)重依賴于人工處置，其管理方式粗獷、管理效率較低、狀態(tài)管控能力不足[4-6]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，應(yīng)用智能儲(chǔ)運(yùn)裝置構(gòu)建泛在物聯(lián)的電力物資智能管理系統(tǒng)，推動(dòng)電力物資管理向精細(xì)化、智能化、高效化的管理模式轉(zhuǎn)變，是符合未來電力物資管理的重要發(fā)展趨勢(shì)[7-10]。

因此，文中開展基于泛在物聯(lián)網(wǎng)的電力物資智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，以期實(shí)現(xiàn)電力物資的物聯(lián)互通、泛在可視、管理智能。

1 系統(tǒng)物理架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于泛在物聯(lián)網(wǎng)的電力物資智能管理系統(tǒng)的物理架構(gòu)如圖1 所示。儲(chǔ)運(yùn)單元存儲(chǔ)電力廢舊物資，稱重傳感器安裝在儲(chǔ)運(yùn)單元的每個(gè)腳墊上，智能管理終端安裝在扇門底部中心位置。稱重傳感器通過接線盒將電力設(shè)備的重量信號(hào)傳送至智能管理終端，智能管理終端通過4G/5G NB-IoT 將重量、定位、高度等信號(hào)傳送至電力物資智能管理系統(tǒng)。電力物資智能管理系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)廢舊物資儲(chǔ)運(yùn)的全程狀態(tài)管控，為廢舊物資全流程業(yè)務(wù)提供管理方案，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)運(yùn)策略的智能決策。

圖1 系統(tǒng)物理架構(gòu)

1.1 儲(chǔ)運(yùn)單元的優(yōu)化設(shè)計(jì)

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后的儲(chǔ)運(yùn)單元結(jié)構(gòu)，儲(chǔ)運(yùn)單元的總質(zhì)量?jī)H為2 600 kg，儲(chǔ)存容量卻可達(dá)13.5 m3，具備較強(qiáng)的安全系數(shù)。在10 t 載重情況下的安全系數(shù)達(dá)2.11 倍；在26 t 堆重情況下的安全系數(shù)達(dá)1.64 倍；在10 t 載重+26 t 堆重情況下的安全系數(shù)達(dá)2.79 倍。相比于傳統(tǒng)儲(chǔ)存裝置而言，儲(chǔ)運(yùn)單元在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上具有以下幾方面改進(jìn)：

1）通過改進(jìn)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來減低自身重量，同時(shí)將原半扇門結(jié)構(gòu)改為全扇門結(jié)構(gòu)，能夠提高電力物資卸載的效率；

2）通過改進(jìn)門鎖設(shè)計(jì)來減低開鎖、上鎖需要的時(shí)間，同時(shí)降低每一個(gè)門鎖的質(zhì)量；

3）在每個(gè)腳墊內(nèi)安裝稱重傳感器，實(shí)現(xiàn)稱重部件與全扇門一體化，大幅降低了儲(chǔ)運(yùn)單元的質(zhì)量，并提高了可儲(chǔ)存電力物資的總?cè)萘俊?/p>

1.2 智能管理終端的優(yōu)化設(shè)計(jì)

智能管理終端將電力物資的位置、質(zhì)量、高度、流程等數(shù)據(jù)數(shù)字化保存，并上送至電力物資智能管理系統(tǒng)。通過操作界面提供監(jiān)測(cè)儲(chǔ)運(yùn)單元狀態(tài)、設(shè)置參數(shù)等操作，是實(shí)現(xiàn)電力物資全狀態(tài)監(jiān)控、全流程管理的核心。

智能管理終端的結(jié)構(gòu)采用模塊化的設(shè)計(jì)以便于維護(hù)升級(jí)，其中包括稱重模塊、定位模塊、通信模塊和電源模塊等。

1）稱重模塊。智能管理終端采用稱重模塊與其他功能模塊分離的設(shè)計(jì)方法，稱重傳感器與智能管理終端實(shí)現(xiàn)了接線的解耦，如圖2 所示。稱重傳感器通過接線盒連接終端盒，更換傳感器時(shí)無需打開終端盒，這樣能夠方便稱重傳感器的安裝使用和維護(hù)升級(jí)。

圖2 稱重傳感器與智能管理終端接線

同時(shí)稱重傳感器在量程上留有足夠的裕度，每個(gè)稱重傳感器的承重范圍為10 t，能夠確保承受電力物資的質(zhì)量。稱重時(shí)通過智能算法，直接在頁面展示儲(chǔ)運(yùn)單元內(nèi)部電力物資的質(zhì)量。

2）定位模塊。其結(jié)合雙頻GPS 定位技術(shù)[11-12]，該定位技術(shù)相比于傳統(tǒng)單頻定位技術(shù)，采用L1+L5波段進(jìn)行定位，L5波段具有高信號(hào)碼率的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)通過雙頻可以消除大氣電離層引起的定位誤差，大幅度提高定位的精度，智能管理終端在信號(hào)強(qiáng)的空曠處可精確到3～5 m。在高度計(jì)算方面，根據(jù)氣壓差推算箱子的相對(duì)高度，可精確計(jì)算當(dāng)前箱子的層數(shù)。

3）通信模塊。智能管理終端外部留用升級(jí)調(diào)試接口，內(nèi)部具備RS-485、I/O 等接口，方便拔插與維護(hù)。連接互聯(lián)網(wǎng)的上行通信采用5G NB-IoT 通信，所使用的5G NB-IoT 芯片具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

4）電源模塊。其使用安全電池，在增大電池容量的同時(shí)不增加殼體尺寸。當(dāng)電池發(fā)生異常情況時(shí)，會(huì)通過電子郵件告警等方式通知用戶。所使用的LCC 電池相比于鎳鉻電池、鋰電池等，具有工作溫度范圍廣、發(fā)生穿刺也不會(huì)燃燒、充電速度快等優(yōu)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

文中通過稱重傳感器、定位模塊、高度測(cè)量模塊等智能傳感裝置與5G NG-IoT 通信技術(shù)，構(gòu)建了覆蓋儲(chǔ)運(yùn)裝置、電力物資、倉庫等的智能物聯(lián)網(wǎng)。基于泛在物聯(lián)網(wǎng)的電力物資智能管理系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電力物資全程狀態(tài)管控、全量數(shù)據(jù)分析處理、全流程智能決策[13-14]，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)錄入層、平臺(tái)應(yīng)用層和后臺(tái)管理層3 層結(jié)構(gòu)，各層的主要功能如下：

圖3 基于泛在物聯(lián)網(wǎng)的電力物資智能管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）數(shù)據(jù)錄入層。即電力物資管理層，主要實(shí)現(xiàn)電力物資數(shù)字標(biāo)簽的錄入、管理。

2）平臺(tái)應(yīng)用層。即業(yè)務(wù)流程管理層，實(shí)現(xiàn)資源管理、庫存管理和處置管理等業(yè)務(wù)流程的智能化。資源管理包括庫位編號(hào)、庫位狀態(tài)、自動(dòng)分配等庫位資源信息的管理，以及裝備編號(hào)、裝備狀態(tài)、自動(dòng)分配等儲(chǔ)運(yùn)裝置信息的管理；庫存管理包括庫存清單、庫存查詢、庫存盤點(diǎn)、倉庫容積分析、月度倉儲(chǔ)利用率、儲(chǔ)運(yùn)淡旺季分析等倉儲(chǔ)統(tǒng)計(jì)分析功能；處置管理包括處置方法錄入、出庫時(shí)間提醒、處置預(yù)案生成、處置審批、處置預(yù)警等功能。

3）后臺(tái)管理層。即參數(shù)設(shè)置層，具備系統(tǒng)管理和基礎(chǔ)管理功能，系統(tǒng)管理對(duì)系統(tǒng)用戶的姓名/編號(hào)、角色/崗位、數(shù)據(jù)/功能權(quán)限分配和系統(tǒng)運(yùn)行日志等進(jìn)行管理；基礎(chǔ)管理包括環(huán)境參數(shù)設(shè)置、入庫需求管理、倉儲(chǔ)規(guī)則設(shè)置等倉庫管理功能，以及供應(yīng)方/承運(yùn)方管理、移交單據(jù)管理等移交管理功能。

2.2 業(yè)務(wù)流程優(yōu)化

2.2.1 現(xiàn)有管理業(yè)務(wù)流程及不足

現(xiàn)有電力物資管理流程中，當(dāng)電力物資需要報(bào)廢時(shí)，通常由保管使用單位辦理入庫手續(xù)后，組織將電力物資運(yùn)送至指定倉庫。送貨前通過電話與電力物資管理部門進(jìn)行預(yù)約，倉庫采用人工記錄即將入庫的電力物資信息。在該過程中，電話預(yù)約送貨、人工記錄入庫電力物資信息容易導(dǎo)致相關(guān)信息傳遞與記錄的錯(cuò)漏，同時(shí)業(yè)務(wù)處理效率較低。

在入庫階段，當(dāng)電力物資保管使用出具入庫審批單及技術(shù)鑒定報(bào)告時(shí)，掃描電力物資“ID”辦理電力物資移交并簽署電力物資移交單。倉庫通過人工進(jìn)行稱重計(jì)量、核實(shí)，該業(yè)務(wù)過程中，由于電力物資信息的核實(shí)需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，所以實(shí)際工作中通常先簽署電力物資移交單后再計(jì)重核實(shí)。其容易導(dǎo)致電力物資信息的核查不嚴(yán)謹(jǐn)，且人工計(jì)重、核實(shí)不利于電力物資信息的記錄與整合。

在完成入庫單據(jù)審核及電力物資稱重后，倉庫管理人員為電力物資分配庫位號(hào)，電力物資將放入指定庫位。在庫的電力物資將根據(jù)計(jì)劃開展定期盤點(diǎn)。在此階段中，人工分配庫位不利于倉庫容積的合理使用，而庫位號(hào)、操作人員等信息未與物資相互綁定，不利于后續(xù)的盤點(diǎn)和出庫，同時(shí)人工盤點(diǎn)方式的工作效率較低。

2.2.2 改進(jìn)管理業(yè)務(wù)流程

針對(duì)現(xiàn)有電力物資管理業(yè)務(wù)流程存在的不足，基于上述電力物資智能管理系統(tǒng)，文中對(duì)電力物資管理業(yè)務(wù)流程的改進(jìn)包括：

1）將電話預(yù)約送貨的方式改進(jìn)為通過電力物資智能管理系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)約。

2）將倉庫人工記錄電力物資信息改進(jìn)為通過智能管理終端錄入并保存電力物資信息。

3）將倉庫人工計(jì)重、施工隊(duì)核實(shí)的方式改進(jìn)為儲(chǔ)運(yùn)單元自動(dòng)計(jì)重，并通過智能管理終端上傳系統(tǒng)，再通過系統(tǒng)核實(shí)相關(guān)信息。

4）將倉庫保管員分配庫位的方式改進(jìn)為系統(tǒng)根據(jù)倉庫分配優(yōu)化算法自動(dòng)分配庫位。

5）將人工盤點(diǎn)電力物資方式改進(jìn)為通過信息進(jìn)行電力物資盤點(diǎn)，并對(duì)電力物資信息進(jìn)行更新。

電力物資智能管理系統(tǒng)的管理業(yè)務(wù)流程如圖4所示。基于該智能管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電力物資狀態(tài)、倉庫庫位狀態(tài)、電力物資處置進(jìn)度、儲(chǔ)運(yùn)裝置狀態(tài)的全量可視化，并為電力物資處置、庫位優(yōu)化分配、電力物資盤點(diǎn)核查提供智能化決策。

圖4 改進(jìn)的電力物資智能管理業(yè)務(wù)流程

3 測(cè)試與分析

為驗(yàn)證文中設(shè)計(jì)開發(fā)的基于泛在物聯(lián)網(wǎng)的電力物資管理系統(tǒng)的性能質(zhì)量，采用黑盒測(cè)試法對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。黑盒測(cè)試法即輸入測(cè)試用例數(shù)據(jù)，檢查輸出結(jié)果與預(yù)期結(jié)果的一致性，達(dá)到驗(yàn)證系統(tǒng)軟件功能的目的[15-16]。

3.1 系統(tǒng)功能測(cè)試結(jié)果

電力物資智能管理系統(tǒng)功能測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)功能測(cè)試結(jié)果

3.2 系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果

電力物資智能管理系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果

3.3 系統(tǒng)安全性測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)安全性測(cè)試主要針對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫安全性開展測(cè)試[17-18]，電力物資智能管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫安全性的測(cè)試結(jié)果如表3 所示。

表3 數(shù)據(jù)庫安全性測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語

該文設(shè)計(jì)了基于泛在物聯(lián)網(wǎng)的電力物資智能管理系統(tǒng)的物理架構(gòu)和功能架構(gòu)。對(duì)傳統(tǒng)電力物資管理業(yè)務(wù)流程的不足，提出了改進(jìn)業(yè)務(wù)流程。通過算例分析表明，該文所設(shè)計(jì)的基于泛在物聯(lián)網(wǎng)的電力物資智能管理系統(tǒng)功能達(dá)到了預(yù)期需求。系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)均較優(yōu)，數(shù)據(jù)庫的安全性較好，能夠滿足電力物資管理的實(shí)際需求。但文中并未研究電力物資智能管理系統(tǒng)的應(yīng)用效果，在后續(xù)將建立全面的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系來進(jìn)一步研究與分析。