江 寶， 卞秀杰， 王少華

(1. 國(guó)網(wǎng)安徽六安供電公司， 安徽 六安 237006；2. 國(guó)家電網(wǎng)公司交流建設(shè)分公司， 北京 100140；3. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院， 浙江 杭州 310014)

基于Zigbee和RFID的特高壓變電站工地管理系統(tǒng)

江 寶1， 卞秀杰2， 王少華3

(1. 國(guó)網(wǎng)安徽六安供電公司， 安徽 六安 237006；2. 國(guó)家電網(wǎng)公司交流建設(shè)分公司， 北京 100140；3. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院， 浙江 杭州 310014)

隨著我國(guó)特高壓電網(wǎng)的大規(guī)模建設(shè)，特高壓變電站建設(shè)工地將面臨參建單位多、人員復(fù)雜、機(jī)械設(shè)備多、施工難度大和周期長(zhǎng)等諸多管理方面的問(wèn)題。針對(duì)大型特高壓變電站項(xiàng)目施工的安全監(jiān)管技術(shù)和管理，文章提出了基于Zigbee和RFID的智能建設(shè)工地管理系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、人員和物資的實(shí)時(shí)監(jiān)控管理，建立多尺度的監(jiān)管層次，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)管，全面提升工程建設(shè)的管理水平，從而確保特高壓變電站工地建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)。

Zigbee；RFID；特高壓；工地管理系統(tǒng)

0 引言

按照國(guó)務(wù)院《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，未來(lái)幾年我國(guó)特高壓將進(jìn)入大規(guī)模建設(shè)階段，2014-2017年我國(guó)將建設(shè)9條防治霧霾特高壓輸電通道，特高壓變電站建設(shè)數(shù)量達(dá)到20余個(gè)。在特高壓電網(wǎng)大規(guī)模建設(shè)時(shí)期，工程建設(shè)的安全和質(zhì)量管控是貫徹整個(gè)建設(shè)環(huán)節(jié)的重點(diǎn)。著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)，為確保工程“一次投運(yùn)成功、長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行”，應(yīng)始終堅(jiān)持“安全第一、質(zhì)量至上”的方針，加強(qiáng)對(duì)人、財(cái)、物的監(jiān)督管理；結(jié)合建設(shè)工地實(shí)際，采取創(chuàng)新的實(shí)用技術(shù)，全面提升工程建設(shè)安全質(zhì)量管理水平。

針對(duì)特高壓變電站施工現(xiàn)場(chǎng)面積較大、工作面分散、設(shè)備人員多，安全性要求高的特點(diǎn)，需要合理、高效地管理現(xiàn)場(chǎng)工作人員，加強(qiáng)過(guò)程管控，確?，F(xiàn)場(chǎng)安全。本文首先分析了特高壓變電站建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)管理現(xiàn)狀和實(shí)際需求，針對(duì)出現(xiàn)的管理問(wèn)題，提出了基于Zigbee(說(shuō)明：Zigbee不是英文縮寫。)無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)和射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)的特高壓變電站智能工地管理系統(tǒng)。通過(guò)安全帽的內(nèi)置模塊集成RFID標(biāo)簽，利用Zigbee模塊和天線構(gòu)成區(qū)域監(jiān)控模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)工地現(xiàn)場(chǎng)信息的實(shí)時(shí)采集和準(zhǔn)確高效傳輸，這種方案可以隨人移動(dòng)，監(jiān)控范圍廣，使用方便靈活，保證工地建設(shè)的安全和質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 特高壓變電站建設(shè)的管理現(xiàn)狀

與傳統(tǒng)變電站建設(shè)相比，特高壓變電站建設(shè)具有全新的特點(diǎn)，高標(biāo)準(zhǔn)的管理，施工難度的加大。如何保證特高壓工程建設(shè)的進(jìn)度、質(zhì)量和安全，成為特高壓工程建設(shè)管理的重點(diǎn)。目前，電力建設(shè)占地面積較大，各方參建單位和人員較復(fù)雜，需要實(shí)現(xiàn)利用信息管理技術(shù)對(duì)變電站的場(chǎng)地化管理，提高電網(wǎng)建設(shè)的科技創(chuàng)新和管理創(chuàng)新能力。

特高壓變電站智能工地管理系統(tǒng)在建設(shè)過(guò)程中需要考慮的方面主要有：

(1) 技術(shù)創(chuàng)新性。特高壓變電站工地管理系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)智能化，必須利用先進(jìn)的信息技術(shù)。信息傳輸和實(shí)時(shí)監(jiān)控的綜合配合可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)變電站的安全和質(zhì)量監(jiān)控。隨著最新IEC61850規(guī)約的推廣，針對(duì)特高壓變電站的重要地位，定制一個(gè)硬、軟件性能先進(jìn)、架構(gòu)合理的變電站工地管理系統(tǒng)是非常有必要的。

(2) 經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。特高壓變電站的智能工地管理系統(tǒng)的建設(shè)既要充分考慮系統(tǒng)的性能價(jià)格比，又要考慮硬件設(shè)備及軟件的充分利用，使系統(tǒng)具有合理的經(jīng)濟(jì)性，降低總體投資費(fèi)用。從實(shí)用出發(fā)，根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的特性選擇最適合的技術(shù)和工具，選用經(jīng)濟(jì)實(shí)用的應(yīng)用系統(tǒng)，避免重復(fù)低水平投資。

(3) 安全可靠性。特高壓變電站智能工地管理系統(tǒng)要充分考慮系統(tǒng)的安全性，應(yīng)具有可行的措施防止非法入侵至破壞存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。由于各地特高壓變電站的氣候環(huán)境不同，電磁環(huán)境也非常惡劣，為了普及設(shè)備的應(yīng)用，在硬件選型以及網(wǎng)絡(luò)的抗電磁干擾方面需特別加強(qiáng)關(guān)注，同時(shí)在監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)中還需注意抑制電磁干擾，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠，具有較長(zhǎng)的壽命周期。

2 特高壓智能工地管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 Zigbee技術(shù)

IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)制定的標(biāo)準(zhǔn)，旨在為低功耗的設(shè)備提供有效覆蓋范圍在10 m左右的低速無(wú)線連接，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是其主要市場(chǎng)對(duì)象。Zigbee協(xié)議以802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的物理(Physical)層和MAC(Medium Access Control)層為基礎(chǔ)，增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)、安全性和應(yīng)用軟件，可以實(shí)現(xiàn)大區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。Zigbee技術(shù)主要應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、家庭智能控制、醫(yī)療設(shè)備控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。MC13193是Freescale公司推出的短距離、低功耗、工作在2.4 GHz的射頻收發(fā)芯片，其包含了IEEE802.15.4協(xié)議的PHY和MAC層，自帶Zigbee協(xié)議堆棧，為開(kāi)發(fā)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)提供了方便[1-2]。

Zigbee是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。最底層主要是利用 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的媒體讀取層和實(shí)體層。其具有的主要特征包括傳速低、耗電少、成本小、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)支援多和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)豐富多、低復(fù)雜度、快速、可靠、安全。發(fā)送時(shí)峰值280 mA，傳輸距離可達(dá)到2500 m，完全滿足特高壓變電站的傳輸需求。

2.2 RFID技術(shù)

射頻識(shí)別技術(shù)，又稱無(wú)線射頻識(shí)別，是一種通信技術(shù)。利用無(wú)線電信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)特定目標(biāo)的識(shí)別，不需要通過(guò)識(shí)別系統(tǒng)和特定對(duì)象間構(gòu)建光學(xué)或機(jī)械接觸。無(wú)線電訊號(hào)利用具有無(wú)線電頻率的電磁場(chǎng)，將標(biāo)志在物品標(biāo)簽上的數(shù)據(jù)傳輸出來(lái)，通過(guò)信號(hào)的自動(dòng)辨識(shí)并進(jìn)行跟蹤。通過(guò)辨識(shí)器發(fā)出的電磁場(chǎng)信號(hào)就可以得到目標(biāo)標(biāo)簽的能量，所以不需要電池維持電量。對(duì)于標(biāo)簽也具有電源供應(yīng)，可以主動(dòng)輸出具有無(wú)線電頻率的無(wú)線電波。物品的標(biāo)簽含有電子存儲(chǔ)信息，在數(shù)米范圍內(nèi)都可以完成識(shí)別。與條形碼不同的是，射頻標(biāo)簽不需要處在識(shí)別器視線之內(nèi)，也可以嵌入被追蹤物體之內(nèi)[3-5]。

2.3 特高壓智能工地管理系統(tǒng)

特高壓智能工地管理系統(tǒng)是基于RFID技術(shù)、Zigbee無(wú)線通信技術(shù)等信息技術(shù)的管理平臺(tái)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過(guò)RFID技術(shù)將工地現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)Zigbee實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)管理數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)通過(guò)管理系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)出相應(yīng)的報(bào)告，以此實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員簽到、安全員運(yùn)動(dòng)軌跡、危險(xiǎn)區(qū)域人員管理等功能，為特高壓變電站施工現(xiàn)場(chǎng)人員、設(shè)備安全生產(chǎn)進(jìn)行管理的系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過(guò)安全帽內(nèi)置模塊，設(shè)備內(nèi)置模塊，和區(qū)域監(jiān)控模塊等組成，安全帽內(nèi)置將集成RFID標(biāo)簽、Zigbee模塊及天線，及這種方案在施工現(xiàn)場(chǎng)可以隨人移動(dòng)，使用方便靈活，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工地現(xiàn)場(chǎng)信息的實(shí)時(shí)采集和準(zhǔn)確高效傳輸。

2.4 智能工地管理系統(tǒng)的功能分析

特高壓變電站智能工地管理系統(tǒng)如圖2所示，分為三個(gè)部分：第一部分主要由標(biāo)簽和安全帽組成，將安全帽現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息通過(guò)Zigbee無(wú)線模塊傳送至數(shù)據(jù)控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)檢測(cè)和傳輸功能；第二部分通過(guò)Zigbee技術(shù)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)行程網(wǎng)絡(luò)融合平臺(tái)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，并利用Zigbee模塊將信息準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地傳送給后臺(tái)數(shù)據(jù)管理中心，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理加工和智能化，實(shí)現(xiàn)工地設(shè)備管理、現(xiàn)場(chǎng)工作資質(zhì)認(rèn)證、實(shí)時(shí)監(jiān)控、工勤記錄和人員到崗簽到等功能，作為事故責(zé)任追究的RFID信息標(biāo)簽，然后將讀取的信息通過(guò)Zigbee模塊傳送到專用服務(wù)器上。第三部分為后臺(tái)管理系統(tǒng)。管理者利用不同工種通過(guò)客戶端將服務(wù)器上需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析辨識(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站工地的智能化管理。智能工地管理系統(tǒng)可完成多項(xiàng)功能，系統(tǒng)保留擴(kuò)展功能，以實(shí)際需要擴(kuò)展功能。

(1)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和資質(zhì)認(rèn)證

系統(tǒng)通過(guò)記錄各建設(shè)單位的員工信息，對(duì)建設(shè)工地現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，然后利用Zigbee無(wú)線模塊作為傳輸介質(zhì)，把工地收集的信息傳輸?shù)椒?wù)器，生成相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息庫(kù)。管理客戶端通過(guò)跟蹤施工人員的運(yùn)動(dòng)軌跡，獲得使用過(guò)的設(shè)備以及使用設(shè)備的時(shí)間。對(duì)于施工人員和監(jiān)理人員，管理者可以利用此數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)更好的監(jiān)督管理和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度，從而保證工地施工的安全性。傳輸?shù)椒?wù)器的信息數(shù)據(jù)，可以利用統(tǒng)計(jì)分析功能實(shí)現(xiàn)每個(gè)工作人員設(shè)備接觸的記錄查看，對(duì)于違規(guī)操作的數(shù)據(jù)將呈現(xiàn)紅色預(yù)警狀態(tài)。通過(guò)規(guī)定時(shí)間內(nèi)工作人員個(gè)人和全體違規(guī)操作的比例查看，管理者可以依據(jù)此比例實(shí)現(xiàn)管理強(qiáng)度和力度的有效控制，使工地現(xiàn)場(chǎng)的安全隱患降到最低值。若有事故發(fā)生，該功能也會(huì)為事故責(zé)任追溯提供有說(shuō)服力的數(shù)據(jù)依據(jù)[6]。

(2)設(shè)備管理功能

在施工現(xiàn)場(chǎng)重要設(shè)備上安裝標(biāo)簽，將設(shè)備管理系統(tǒng)可錄入安裝設(shè)備型號(hào)、運(yùn)行編號(hào)等相關(guān)信息，在設(shè)備安裝工程中進(jìn)行監(jiān)控。通過(guò)這種方式可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備安裝施工狀態(tài)采集，在重要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，降低各階段存在的安全隱患。

(3)現(xiàn)場(chǎng)人員管理

運(yùn)用RFID進(jìn)行人員管理，人員無(wú)需排隊(duì)靠近記錄點(diǎn)，上百人同時(shí)快速進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)也能正確記錄。系統(tǒng)自動(dòng)記錄人員的進(jìn)出施工現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間，并自動(dòng)統(tǒng)計(jì)生成每日?qǐng)?bào)表、每月報(bào)表等，為現(xiàn)場(chǎng)人員管理提供基礎(chǔ)信息，并可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)人員情況。

(4)危險(xiǎn)點(diǎn)管理

特高壓變電站中不同分部分項(xiàng)工程，有很多危險(xiǎn)的工作，在確定工作危險(xiǎn)等級(jí)后，通過(guò)系統(tǒng)可以及時(shí)了解高危作業(yè)區(qū)域人員、設(shè)備狀態(tài)。特別是在高壓試驗(yàn)工作中，可以有效控制作業(yè)區(qū)域。

(5)安全預(yù)控管理

通過(guò)在系統(tǒng)中融入LEC安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法定義及計(jì)算方法數(shù)學(xué)模型，以自動(dòng)算出風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，建立風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)臺(tái)賬，依據(jù)工程整體進(jìn)度，提早提各項(xiàng)示安全檢查和措施落實(shí)，加強(qiáng)施工過(guò)程安全控制是保障工程安全的有效方法。

(6)應(yīng)急支持

通過(guò)系統(tǒng)可及時(shí)了解事故發(fā)生前現(xiàn)場(chǎng)人員總數(shù)、分布區(qū)域、人員的基本情況和人員最后接觸的設(shè)備等。在事故后可通過(guò)運(yùn)動(dòng)軌跡，判斷事故人員，以便及時(shí)搜救和清理。

(7)決策支持

通過(guò)本系統(tǒng)可為各部門及上級(jí)各層領(lǐng)導(dǎo)及時(shí)提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息與歷史信息及多項(xiàng)分析指標(biāo)數(shù)據(jù)，為監(jiān)督、指揮決策提供重要依據(jù)。

(8) 重要工序管理

特高壓主設(shè)備中主變、高抗是油設(shè)備，真空注油，熱油循環(huán)都是重要工序，通過(guò)本系統(tǒng)可以監(jiān)控注油狀態(tài)機(jī)設(shè)備狀態(tài)。

(9) 施工設(shè)備管理

在現(xiàn)場(chǎng)重要施工設(shè)備均要安裝RFID標(biāo)簽，在系統(tǒng)中錄入基本信息，比如某吊車在何時(shí)進(jìn)行年檢，系統(tǒng)將提前進(jìn)行提示。

3 實(shí)際應(yīng)用

在實(shí)際的特高壓變電站施工應(yīng)用中，特高壓變電站的工作區(qū)域?yàn)榉謪^(qū)施工，對(duì)每個(gè)工作區(qū)域設(shè)置RFID裝置。某特高壓變電站智能工地管理系統(tǒng)如圖3所示。

當(dāng)工作人員進(jìn)出施工區(qū)域時(shí)，利用RFID裝置記錄每個(gè)人的出入信息，根據(jù)不同工種人員的安全帽顏色進(jìn)行辨識(shí)，對(duì)不同顏色的安全帽設(shè)置不同的靈敏度，以收集變電站工作區(qū)域的出入人員信息。

所有的安全帽采用電池供電，并且通過(guò)Zigbee無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，不用考慮數(shù)據(jù)線和電源線的安裝。由于現(xiàn)場(chǎng)很多設(shè)備都是金屬外殼，所以需要利用抗金屬標(biāo)簽，將標(biāo)簽用鉚釘?shù)裙潭ㄔ谑┕ぴO(shè)備上，待所有的抗金屬標(biāo)簽正常安裝后，通過(guò)工人佩戴的安全帽的讀寫模塊采集有效范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，利用預(yù)設(shè)的工作形式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，并把采集信息匯集到無(wú)線傳輸模塊，最終通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到后臺(tái)數(shù)據(jù)管理中心[7]。

預(yù)設(shè)安全帽的讀取模塊每次只能讀取一個(gè)標(biāo)簽信息，這將不會(huì)發(fā)生標(biāo)簽數(shù)據(jù)沖突等問(wèn)題，Zigbee無(wú)線模塊可以實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)，只要通過(guò)授權(quán)的終端設(shè)備都可以隨時(shí)獲取數(shù)據(jù)[8-10]。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)大型特高壓變電站項(xiàng)目施工的安全監(jiān)管技術(shù)和管理，基于Zigbee和RFID的特高壓變電站智能工地管理系統(tǒng)的搭建可提高現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)的安全監(jiān)控和質(zhì)量管理，為施工現(xiàn)場(chǎng)的安全監(jiān)管和生產(chǎn)管理提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的信息，實(shí)現(xiàn)事故責(zé)任追溯的數(shù)據(jù)支撐?？梢詫?shí)現(xiàn)工地人員和設(shè)備的遠(yuǎn)程管理和監(jiān)控，通過(guò)跟蹤作業(yè)人員的安全行為和定位作業(yè)人員的工作區(qū)域，來(lái)規(guī)范作業(yè)流程和行為規(guī)范，為工地的施工安全管理提供了有效手段；同時(shí)提高了工地安全管理部門的工作效率、監(jiān)管能力和服務(wù)水平。

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[責(zé)任編輯：朱子]

UHV Substation Site Management System Based on Zigbee and RFID

JIANGBao1,BianXiu-jie2,WANGShao-hua3

(1.StateGridLu′anPowerSupplyCompany,Lu′an237006,China;2.ACProjectConstructionBranch,StateGridCorporationofChina,Beijing100140,China;3.StateGridZhejiangElectricPowerResearchInstitute,Hangzhou310014,China)

With the large-scale construction of UHV power grid in China, UHV substation construction site faces many management problems such as numerous participation units, complex personnel, numerous machineries and equipments, difficult construction technology, and long cycle. For large UHV substation project construction safety supervision and management technology, in this paper, the construction site management system based on Zigbee and RFID is put forward. Through the real-time monitoring and management of the field equipment, personnel and supplies, and the establishment of multi-scale regulatory levels, the overall process real-time monitoring is achieved. The level of construction management is raised overall, and the steady progress of UHV substation site construction is ensured.

Zigbee; RFID; UHV; site management system

2015-04-26 通訊作者：王少華

江 寶(1981-)，男，碩士，安徽六安人，工程師，主要從事特高壓建設(shè)管理工作。 卞秀杰(1988-)，男，碩士，江蘇連云港人，工程師，主要從事特高壓建設(shè)管理工作。 王少華(1981-)，男，博士，安徽寧國(guó)人，高級(jí)工程師，主要從事高電壓技術(shù)研究工作。 E-mail:wshcqu@163.com

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1672-9706(2015)03- 0111- 05