董玉震,王振明,宋洪磊（.天津送變電工程公司 ,天津 3006; . 國(guó)家電網(wǎng)公司交流建設(shè)分公司 ,北京 0005）

基于物聯(lián)網(wǎng)的特高壓線路工程現(xiàn)場(chǎng)管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董玉震1,王振明2,宋洪磊2
（1.天津送變電工程公司 ,天津 300161; 2. 國(guó)家電網(wǎng)公司交流建設(shè)分公司 ,北京 100052）

摘 要：工程信息系統(tǒng)已經(jīng)在特高壓輸變電工程建設(shè)管理中得到應(yīng)用，但由于工程建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)的特殊性，信息系統(tǒng)只能提供數(shù)據(jù)報(bào)送等輔助性功能，不能實(shí)現(xiàn)建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)信息的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了特高壓線路工程的現(xiàn)場(chǎng)信息管理系統(tǒng)，通過(guò)信息采集系統(tǒng)將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的現(xiàn)場(chǎng)人員、設(shè)備、物資信息傳送到服務(wù)器進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和識(shí)別，可以提供施工現(xiàn)場(chǎng)的安全監(jiān)管和生產(chǎn)管理的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確信息，提高了現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)的安全監(jiān)控和質(zhì)量管理水平。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);信息系統(tǒng)；在線監(jiān)控

0 引言

目前，信息系統(tǒng)已經(jīng)在特高壓輸變電工程建設(shè)管理中得到應(yīng)用，但由于工程建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)的特殊性，信息系統(tǒng)只能提供數(shù)據(jù)報(bào)送等輔助性功能，不能實(shí)現(xiàn)建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)信息的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。隨著我國(guó)特高壓電網(wǎng)的大規(guī)模建設(shè)，2014～2017年我國(guó)將建設(shè)9條特高壓輸電通道以防治霧霾，特高壓線路工程建設(shè)數(shù)量將達(dá)到20余回。在特高壓電網(wǎng)大規(guī)模建設(shè)時(shí)期，現(xiàn)有的信息管理系統(tǒng)已不能滿足建設(shè)管理的需要。

在大型工程建設(shè)項(xiàng)目管理中信息系統(tǒng)集成化程度要求較高，特別是在建設(shè)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)中信息的集成和功能的集成，需要將信息系統(tǒng)化集成來(lái)實(shí)現(xiàn)管理的功能。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，通過(guò)各環(huán)節(jié)物品信息的感知和匯集，將物與物通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)智能化、精細(xì)化管理[1-3]。所以利用信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)構(gòu)建具有遠(yuǎn)程管理功能的信息系統(tǒng)，對(duì)提升工程建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)的管理水平具有深遠(yuǎn)意義。

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了特高壓線路工程的現(xiàn)場(chǎng)信息管理系統(tǒng)，通過(guò)信息采集系統(tǒng)將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的現(xiàn)場(chǎng)人員、設(shè)備、物資信息傳送到服務(wù)器進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和識(shí)別，可以提供施工現(xiàn)場(chǎng)的安全監(jiān)管和生產(chǎn)管理的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確信息，提高了現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)的安全監(jiān)控和質(zhì)量管理水平。

1 物聯(lián)網(wǎng)概念及關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，簡(jiǎn)稱IOT）是將衛(wèi)星定位系統(tǒng)、感應(yīng)系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)等信息傳感工具作為載體，按照一定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，把所有物品與互聯(lián)網(wǎng)互通，使之能夠利用信息通信與交換，實(shí)現(xiàn)智能化的信息控制、識(shí)別、定位、監(jiān)控和分析管理的功能。

物聯(lián)網(wǎng)使得互聯(lián)網(wǎng)與無(wú)線、有線網(wǎng)絡(luò)之間互通，利用傳感器的數(shù)據(jù)采集功能將大量的信息快速準(zhǔn)確地傳輸。但是由于數(shù)據(jù)信息量的龐大，需要利用較大量的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)才能保證數(shù)據(jù)的實(shí)施準(zhǔn)確傳遞。據(jù)分析，若沒(méi)人附件的無(wú)線網(wǎng)設(shè)備有1000～5000個(gè)，則需要的物聯(lián)網(wǎng)會(huì)達(dá)到500兆～1000兆的物體量。通過(guò)個(gè)人電子標(biāo)簽定位將具體信息傳遞到互聯(lián)網(wǎng)，可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)個(gè)人的跟蹤定位，并且物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，可以設(shè)定周期率實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和更新。

1.1 RFID技術(shù)

射頻識(shí)別（Radio Frequency Identifi cation，簡(jiǎn)稱RFID）技術(shù)，又稱無(wú)線射頻識(shí)別，是一種編碼識(shí)別通信技術(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。辨識(shí)器可以根據(jù)電磁量實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的能量的供給，即不需要電池提供能量。目標(biāo)的標(biāo)示也具有電量供給，利用無(wú)線電頻率發(fā)出的無(wú)線電波主動(dòng)獲取。物品的標(biāo)簽具有響應(yīng)信息，在較遠(yuǎn)距離內(nèi)（約數(shù)米）都能夠進(jìn)行辨識(shí)。但是，射頻標(biāo)簽可以不處于監(jiān)視范圍內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的跟蹤[4-7]。

1.2 4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

4G是第四代通訊技術(shù)的簡(jiǎn)稱，G是generation（一代）的簡(jiǎn)稱。4G網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)每秒400Mb的下載速度，要比上網(wǎng)撥號(hào)速度快近2000倍，其上傳速度也可以達(dá)到每秒20Mb，已經(jīng)滿足用戶對(duì)于無(wú)線上網(wǎng)速度的要求。目前我國(guó)4G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開(kāi)始大規(guī)模的建設(shè)和商用，主要是TDD和FDD技術(shù)組網(wǎng)[8]。

1.3 GPS技術(shù)

全球定位系統(tǒng)（英語(yǔ)：Global Positioning System，簡(jiǎn)稱GPS），又稱全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，GPS是由美國(guó)國(guó)防部研制建立的一種具有全方位、全天候、全時(shí)段、高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能為全球用戶提供低成本、高精度的三維位置、速度和精確定時(shí)等導(dǎo)航信息，是衛(wèi)星通信技術(shù)在導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用典范，它極大地提高了地球社會(huì)的信息化水平，有力地推動(dòng)了數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。GPS導(dǎo)航系統(tǒng)是以全球24顆定位人造衛(wèi)星為基礎(chǔ)，向全球各地全天候地提供三維位置、三維速度等信息的一種無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。它由三部分構(gòu)成，一是地面控制部分，由主控站、地面天線、監(jiān)測(cè)站及通訊輔助系統(tǒng)組成。二是空間部分，由24顆衛(wèi)星組成，分布在6個(gè)軌道平面。三是用戶裝置部分，由GPS接收機(jī)和衛(wèi)星天線組成[9-11]。

2 特高壓線路工程信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 管理信息系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)根據(jù)B/S（Browser/Server）的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，利用Web瀏覽器或者通過(guò)手機(jī)APP廣域網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)共享信息資源。采用服務(wù)器和終端間的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和信息處理。其管理信息系統(tǒng)構(gòu)架由信息收集層、數(shù)據(jù)層和數(shù)據(jù)服務(wù)層三部分組成。

第1層是信息收集層，利用射頻識(shí)別等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)智能電網(wǎng)各環(huán)節(jié)的電氣設(shè)備、人員等相關(guān)信息的采集和捕獲功能。本系統(tǒng)是通過(guò)RFID、GPS技術(shù)將工地現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)管理數(shù)據(jù)庫(kù)。

第2層是數(shù)據(jù)層，將第1層的信息收集層的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的智能化加工處理，實(shí)現(xiàn)工地設(shè)備的有效管理、現(xiàn)場(chǎng)工作資質(zhì)認(rèn)證和實(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，更是將讀取的信息通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)模塊傳送到服務(wù)器上，管理者利用不同工具通過(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)線路工程的現(xiàn)場(chǎng)智能化管理。

第3層是操作層，通過(guò)瀏覽器、手機(jī)終端供用戶群（包括業(yè)主、設(shè)計(jì)單位、總承包方等），用戶可以通過(guò)HTTP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)許可范圍內(nèi)（專線，VPN，甚至整個(gè)廣域網(wǎng)）進(jìn)行身份識(shí)別，并利用相應(yīng)操作權(quán)限進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行操作。管理者通過(guò)不同工具將服務(wù)器上需要的海量系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和管理數(shù)據(jù)進(jìn)行分析辨識(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)線路工程的現(xiàn)場(chǎng)智能化管理。

本系統(tǒng)通過(guò)安全帽內(nèi)置模塊、設(shè)備內(nèi)置模塊、區(qū)域監(jiān)控模塊等組成，安全帽內(nèi)置并集成RFID標(biāo)簽、4G網(wǎng)絡(luò)模塊及天線，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。

2.2 信息收集流程

在實(shí)際的特高壓線路工程施工應(yīng)用中，特高壓線路工程的工作區(qū)域?yàn)榉炙?、分區(qū)域施工，對(duì)每個(gè)工作區(qū)域設(shè)置RFID裝置。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)不同工種人員的使用不同的RFID標(biāo)簽進(jìn)行辨識(shí)，對(duì)不同人員設(shè)置不用靈敏度，以收集該工作區(qū)域的出入人員信息。

圖1 特高壓線路工程智能現(xiàn)場(chǎng)管理系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)使用的安全帽的電源供應(yīng)是鋰離子電池，利用4G網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線模塊進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，不需要考慮數(shù)據(jù)線和電源線的安裝。但是由于現(xiàn)場(chǎng)很多設(shè)備都是金屬材質(zhì)，需要利用鉚釘將抗金屬屏蔽標(biāo)簽固定在設(shè)備上，把所有的抗金屬標(biāo)簽正常安裝后，利用安全帽上的讀寫模塊對(duì)有效距離內(nèi)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集加工。實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，并將收集的信息傳輸?shù)綗o(wú)線傳輸模塊，再利用4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)傳輸?shù)胶笈_(tái)信息管理中心平臺(tái)。

安裝在安全帽的讀取模塊每次只能傳輸一個(gè)標(biāo)簽的信息，這不會(huì)影響到信息數(shù)據(jù)的傳輸沖突，并且4G網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線模塊能夠?qū)崟r(shí)上傳信息，通過(guò)預(yù)授權(quán)的終端系統(tǒng)能夠獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

3 特高壓線路工地管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 人員管理

運(yùn)用RFID進(jìn)行人員跟蹤管理，人員無(wú)需排隊(duì)靠近記錄點(diǎn)，也能夠記錄上百人同時(shí)入場(chǎng)。管理系統(tǒng)可以自動(dòng)記錄人員進(jìn)出場(chǎng)的信息，從而自動(dòng)統(tǒng)計(jì)生成每日?qǐng)?bào)表和每月報(bào)表，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。

系統(tǒng)通過(guò)記錄各參建單位的員工信息，對(duì)建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，然后利用4G網(wǎng)絡(luò)無(wú)線模塊作為傳輸介質(zhì)，將獲取的現(xiàn)場(chǎng)信息上傳到服務(wù)器。管理端利用工作人員的運(yùn)行軌跡，獲取人員使用過(guò)的設(shè)備和使用時(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)更好地現(xiàn)場(chǎng)管理和調(diào)度，從而保證工地施工的安全。通過(guò)對(duì)服務(wù)器傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)分析模塊對(duì)設(shè)備的使用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，違規(guī)操作的數(shù)據(jù)將會(huì)顯示紅色預(yù)警狀態(tài)。通過(guò)規(guī)定時(shí)間內(nèi)對(duì)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)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的管理強(qiáng)度和力度實(shí)現(xiàn)有效控制，使得施工現(xiàn)場(chǎng)的安全隱患降到最低。如果存在突發(fā)事故，此數(shù)據(jù)可以作為事故責(zé)任追溯的有利依據(jù)。

3.2 設(shè)備管理

在施工現(xiàn)場(chǎng)的重要設(shè)備裝設(shè)標(biāo)簽，可以將設(shè)備信息可錄入安裝設(shè)備型號(hào)、運(yùn)行編號(hào)等相關(guān)信息，在設(shè)備安裝過(guò)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。

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，牽張?jiān)O(shè)備是否已進(jìn)行安全檢測(cè)等信息系統(tǒng)將進(jìn)行提示。

3.3 安全管理

特高壓線路工程中不同分部分項(xiàng)工程，有很多危險(xiǎn)等級(jí)較高的作業(yè)項(xiàng)目，在確定工作風(fēng)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、施工設(shè)備狀態(tài)。特別是在組塔作業(yè)工作中，可以有效區(qū)分高空作業(yè)和地面作業(yè)的作業(yè)區(qū)域。

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)等級(jí)作業(yè)臺(tái)賬，依據(jù)工程整體進(jìn)度，提示各項(xiàng)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本質(zhì)安全的最為有效的方法。

通過(guò)系統(tǒng)能夠?qū)κ鹿拾l(fā)生前的現(xiàn)場(chǎng)人員數(shù)量、分布區(qū)域、設(shè)備接觸等進(jìn)行記錄。在事故后也可以通過(guò)人員行動(dòng)軌跡，對(duì)事故人員進(jìn)行及時(shí)搜救和處理。

3.4 進(jìn)度管理

特高壓線路施工放線時(shí)在牽引導(dǎo)線的走板上加裝RFID標(biāo)簽，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)放線過(guò)程和進(jìn)度進(jìn)行有效監(jiān)控。并通過(guò)在塔基下、桿塔上及輸電線路上安裝地埋振動(dòng)傳感器、距離傳感器等裝置可以采集傳輸線路環(huán)節(jié)的狀態(tài)信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)線路施工進(jìn)度的狀態(tài)信息進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。

3.5 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)信息與歷史對(duì)比信息及多項(xiàng)分析指標(biāo)所需數(shù)據(jù)，為指揮決策提供重要數(shù)據(jù)支撐。也可以為施工現(xiàn)場(chǎng)的安全監(jiān)管和生產(chǎn)管理提供實(shí)時(shí)的準(zhǔn)確信息，實(shí)現(xiàn)事故責(zé)任追溯的有力數(shù)據(jù)支撐，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)出工地人員和大型機(jī)具設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

4 結(jié)論

針對(duì)大型特高壓線路工程項(xiàng)目的安全監(jiān)管技術(shù)和管理現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特高壓線路工程智能現(xiàn)場(chǎng)管理系統(tǒng)，將會(huì)提高現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)的安全監(jiān)控和質(zhì)量管理水平。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，進(jìn)行作業(yè)流程和行為的規(guī)范管理，可以為現(xiàn)場(chǎng)的施工管理提供有效的依據(jù)和手段，也能夠很大程度地提高了管理的工作效率、服務(wù)水平和管控能力。

參考文獻(xiàn):

[1]唐麗霞,王會(huì)燃,劉銳鋒.電力物聯(lián)網(wǎng)信息模型及通信協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 西安工程大學(xué)學(xué)報(bào),2010,24（06）:799-804.

[2]饒威,丁堅(jiān)勇,李銳.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].華中電力,2011,24（02）:32-34.

[3]寧煥生.徐群玉全球物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展及中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)若干思考[J].電子學(xué)報(bào),2010,11（11）:2590-2599.

[4]黃鵬,楊云志,李元忠.物聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)RFID技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展[J].電訊技術(shù),2010,50（03）:85-91.

[5]黃玉蘭.物聯(lián)網(wǎng)：射頻識(shí)別（RFID）核心技術(shù)詳解[M].北京:人民郵電出版社,2012.

[6]游戰(zhàn)清,李蘇建.無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）理論與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

[7]曾強(qiáng),歐陽(yáng)宇,王潼.無(wú)線射頻識(shí)別與電子標(biāo)簽-全球RFID中國(guó)峰會(huì)[M].北京:中國(guó)經(jīng)濟(jì)出版社,2005.

[8]周怡颋,凌志浩,吳勤勤.4G網(wǎng)絡(luò)無(wú)線通信技術(shù)及其應(yīng)用探討[J]. 自動(dòng)化儀表,2005,26（06）:5-9.

[9]饒運(yùn)濤,鄒繼軍.電子標(biāo)簽技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2011.

[10]李博.線路工程主電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)應(yīng)用[J].中國(guó)電力,2002,35（11）:37-41.

[11]段光中,王倩倩.RFID在自動(dòng)車輛定位系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2013,12（13）:91-92.

[12]李凌青.基于Wifi-4G網(wǎng)絡(luò)云的無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)在電務(wù)調(diào)度系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].武漢理工大學(xué),2013.

[13]張濤,程結(jié)園.智能安全帽工地管理系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2014（01）:89-92.

作者簡(jiǎn)介:董玉震（1977-），男,本科,工程師,研究方向：輸變電工程管理。