基建现场物联感知平台功能与架构设计

王军燕 吴 松 姚兰波 张永奈

（国网安徽省电力有限公司，安徽 合肥230000）

随着国家电网公司“十四五”的开局, 电网发展对安全作业提出了更高的要求。电网现场作业具备范围更广、类型更多、精密度更高、应用价值更高的安全信息。现场安全监测设备可全方位提高电力现场作业各环节信息感知的深度和广度, 有助于提升电网现场作业的监督、分析、预警功能, 是电网安全作业智能化的重要支撑技术。长期以来,国家电网公司一直沿用安规制度和现场人为监督的方式进行电力现场作业的安全管理, 主要在以下方面问题:

a.电网现场作业安全缺乏有效监督。安全管理规章流于形式, 事故隐患无法在源头进行预警: 管理和人为因素占据了导致安全事故发生的失效因素的绝大部分,即管理规章执行不到位、违规操作、错误指挥等是导致安全事故发生的重要原因,而管理规章执行不到位.违规操作和指挥的根源是缺乏监督。

b.电网现场作业缺乏有效指导。电网现场作业人员面对特殊的施工环境和情况时,缺乏实施的专业指导,容易因操作失误发生事故。

c.电网现场作业无环境和生理指标监测。缺乏环境参数(温度,湿度、氧气浓度等)和作业人员生理指标(血氧.血压、心跳、体温等)的实时监测,导致无法及时发现和处理人身事故隐患。

d.电网现场作业人员流动性管理较弱。对于施工现场作业人员的进出场的监测手段落后,导致人员调度效率低下、调度安排缺乏科学性与合理性, 难以通过智能化的管理来提高整体的工作效率。

基于这些需求, 迫切需要建设完善的基建现场物联感知平台,部署能够感知电力施工现场各类情景的终端设备,实现对于施工现场各类数据的实时化感知、采集、传输以及预警,同时建立完善的基建现场物联平台应用对采集到的数据进行综合分析处理,实现现场作业人员的有效监督和指导,实现现场作业人员科学调度,为电网现场作业安全工作提供技术支持,从而提升电网企业的安全生产的管理水平。

图1 系统总体架构图

1 系统功能

1.1 数据采集

平台提供智能安全帽监测、深基坑监测、门禁系统、高支模安全监测、组塔张力架线监测、智能手环、移动智能终端等基建现场设备的数据实时采集, 并将这些采集程序接入到边缘物联代理进行统一管理。

1.2 边缘物联代理

边缘物联代理和基建现场数据管理中心是智慧物联感知体系的核心。通过统一的边缘代理(边)和基建现场数据管理中心(云)的建设,实现云边协同,统一数据采集来源,解决感知层重复建设、数据重复采集等问题。边缘物联代理可部署在配电站房、配电台区、变电站、输电线路、大用户、居民用户,实现区域范围内采集终端的统一接入管理。

边缘物联代理遵循物联网标准的软硬件架构体系,主要包括硬件层、系统层、核心服务层、应用框架层与应用层。采用通用化的硬件设计,基于支持容器化技术的操作系统,搭载各类APP 实现对各类终端的数据采集和就地控制。

1.2.1 硬件层:

通过不可克隆函数(PUF)、可信计算模块(TPM)、可信执行环境(TEE)等实现硬件的可信,为后续操作系统的可信提供底层支撑,同时采用安全密码模块为系统提供硬件级的密码算法支持。

1.2.2 系统层

基于安全操作系统,实现支持实时调度、资源隔离、安全可信的系统层,同时封装提供密码模块。

1.2.3 核心服务层

提供设备管理、应用管理、北向互联、南向通信、通信QoS 等核心服务, 支撑应用框架层。

1.2.4 应用框架层

基于核心服务层对外提供灵活的模型管理、设备管理、函数计算、任务调度及规则引擎等应用框架,供上层应用调用,降低上层应用APP 对底层资源的无效请求, 提高上层应用效率。

1.2.5 应用层

通过应用框架层对外提供服务,为第三方应用提供底层硬件监控能力,降低第三方应用对基础硬件监控的开发难度,有利于第三方应用更专注于本身业务的开发。

图2 系统网络拓扑图

1.3 基建现场数据管理中心

对物联代理、智能终端、存量信息系统的统一安全接入和管理, 通过远程维护、APP 应用升级实现边缘代理的数据采集、设备管理、互联配置、运行监视功能；对全过程系统提供统一的感知数据访问接口。

1.3.1 设备管理

提供对接入平台的传感器、移动智能终端、数据采集器、物联代理等提供统一管理；

1.3.2 互联配置

互联配置包括设备分组、设备与采集器的关联关系及设备处理模型等方面的配置。

1.3.3 运行监视

平台对数据采集服务的运行状态进行实时监控, 当数据采集服务出现故障或其他原因导致服务停止运行时平台将及时通知平台管理员,使管理员能及时的进行处理并进行恢复。

平台对深基坑监测传感器、高支模安全监测传感器、移动智能终端、手环、物联代理等接入到平台是设备进行运行状态的实时监控,同时平台以数据采集服务采集到的数据作为数据源,对这些数据进行整理分析,分析设备每日接收到的数据数量,最近几日的数据从而进一步的掌控设备运行状态。

1.3.4 现场数据展示与上传

平台对基建现场使用的深基坑监测采集终端、高支模安全监测采集终端、手环、智能移动终端等终端类设备采集到的数据在基建全过程统一平台进行展示, 根据基建全过程项目需求判读数据是否上传。

1.3.5 数据管理

提供对接入平台的深基坑数据、高支模检测数据、安全帽等各类参数根据类型按标准模型进行处理并存入基建全过程统一平台,并对全过程系统提供统一的感知数据访问接口。

2 系统架构（图1）

2.1 数据采集程序:通过数据采集程序采集布置在基建现场的深基坑、高支模、安全帽等传感器设备的数据。

2.2 边缘物联代理:实现对基坑、高支模、安全帽等各类采集对象数据接入,同时实现基于MQTT 标准协议的上传程序开发。

2.3 基建现场数据管理中心:对物联代理、智能终端、存量信息系统的统一安全接入和管理,通过远程维护、APP 应用升级实现边缘代理的数据采集、设备管理、互联配置、运行监视功能；对全过程系统提供统一的感知数据访问接口（图2）。

3 结论

建设一套基于物联网技术的基建现场物联感知平台,对物联代理、智能终端、存量信息系统的统一安全接入和管理,通过远程维护、APP 应用升级实现边缘代理的数据采集、设备管理、互联配置、运行监视功能,实现基建现场深基坑监测、高支模监测、环境监测、智能手环、移动智能终端进行自动化的数据采集,为全过程系统提供准确、稳定、安全有效的数据支撑。