姚維明 王 一 陳 俊 顧 韌 范文江
(蘇州供電公司,江蘇 蘇州 215004)
高壓輸電線路下吊車作業(yè)報(bào)警和監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
姚維明 王 一 陳 俊 顧 韌 范文江
(蘇州供電公司,江蘇 蘇州 215004)
本文介紹一種安全報(bào)警與作業(yè)監(jiān)控于一體的防止吊車觸電的監(jiān)控系統(tǒng)。它利用電場(chǎng)感應(yīng)原理和ZigBee通信技術(shù)判斷吊車臂與高壓輸電線路之間的距離,當(dāng)?shù)陀陬A(yù)先設(shè)定的安全距離時(shí)向車載裝置發(fā)送報(bào)警信息。系統(tǒng)將吊車實(shí)時(shí)的位置通過簡(jiǎn)化匹配算法顯示在GIS地圖上,同時(shí)根據(jù)車載裝置中的GPS模塊發(fā)送的位置信息判斷吊車與輸電線路之間的距離,低于設(shè)定的保護(hù)距離時(shí),系統(tǒng)通過3G/GPRS向車載裝置發(fā)送語(yǔ)音提示,同時(shí)通過短消息向巡檢人員發(fā)送消息。系統(tǒng)分為近電監(jiān)測(cè)、車載裝置以及吊車作業(yè)報(bào)警和監(jiān)控系統(tǒng) 3個(gè)部分。近電檢測(cè)裝置安裝在吊車臂,車載裝置安裝在駕駛室內(nèi)。實(shí)際測(cè)試表明,系統(tǒng)測(cè)試精度較高,滿足高壓輸電線路下的吊車防觸電保護(hù)和實(shí)時(shí)作業(yè)監(jiān)控的需求。
電場(chǎng)感應(yīng);ZigBee;GIS;3G/GPRS;監(jiān)控系統(tǒng)
近幾年,一個(gè)市級(jí)地區(qū)供電公司每年因吊車等大型施工機(jī)械造成的110kV及以上線路跳閘事件有數(shù)十起,造成直接經(jīng)濟(jì)損失數(shù)百萬(wàn)元,同時(shí)也可能造成電力客戶經(jīng)濟(jì)損失數(shù)百萬(wàn)元[1]。特別是電力系統(tǒng)施工時(shí),不可避免地要在高壓輸電線路下進(jìn)行吊運(yùn)作業(yè)。吊車起吊時(shí),司機(jī)很難根據(jù)肉眼目測(cè)來判斷吊車臂與電纜間的距離,往往因距離較近而未及時(shí)停止吊車臂作業(yè)而引發(fā)人身安全和大范圍停電事故[2]。隨著電力系統(tǒng)的不斷擴(kuò)大,供電部門通過增加巡視頻次來加強(qiáng)電力線路的保護(hù),目前已有根據(jù)電場(chǎng)感應(yīng)原理和無(wú)線通信技術(shù)判斷吊車臂與輸電線路距離的報(bào)警系統(tǒng),該系統(tǒng)在一定程度上避免了目測(cè)方式存在的潛在危險(xiǎn)源,而電場(chǎng)感應(yīng)原理容易受到外在因素如天氣等影響,仍無(wú)法完全取代或從源頭上減少線路管理人員的巡視頻次。
本文從減少停電損失的目的出發(fā)設(shè)計(jì)開發(fā)吊車作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由安裝在吊車臂上的近電檢測(cè)裝置、安裝在駕駛室的車載裝置以及安裝在遠(yuǎn)程管理中心的吊車作業(yè)報(bào)警和監(jiān)控系統(tǒng)3個(gè)部分組成。近電檢測(cè)裝置中的加速度傳感器可以實(shí)時(shí)判斷吊車目前所處的狀態(tài)(行駛、等待、作業(yè)和停車),當(dāng)?shù)踯囂幱谛旭?、等待和停車狀態(tài)時(shí),車載裝置中的GPS定位模塊實(shí)時(shí)將吊車所處的位置(經(jīng)緯度)信息發(fā)送到吊車作業(yè)報(bào)警和監(jiān)控系統(tǒng),該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)的將吊車的位置顯示在GIS地圖上,行駛狀態(tài)時(shí),吊車靠近輸電線路保護(hù)區(qū)域內(nèi),系統(tǒng)及時(shí)向車載裝置發(fā)送語(yǔ)音提示并以短信的方式發(fā)送巡檢員手機(jī)上,當(dāng)?shù)踯囂幱谧鳂I(yè)狀態(tài)時(shí),近電檢測(cè)裝置可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)吊車臂與輸電線路之間的距離,并發(fā)送到車載裝置用于提示司機(jī),同時(shí)巡檢員也可以根據(jù)手機(jī)提示到吊車作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)督。該系統(tǒng)集吊車作業(yè)報(bào)警和監(jiān)控于一體,可進(jìn)一步降低輸電線路巡視次數(shù)。
安裝在吊車臂上的近電檢測(cè)裝置可以檢測(cè)吊車臂與輸電線路之間的距離,當(dāng)檢測(cè)到距離小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全距離規(guī)定值時(shí),通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)向車載裝置發(fā)送報(bào)警信號(hào),同時(shí)車載裝置中的GPS定位模塊通過 3G網(wǎng)實(shí)時(shí)將吊車位置信息(經(jīng)度、緯度、速度和方向)發(fā)送到吊車作業(yè)報(bào)警與監(jiān)控系統(tǒng)。被授予不同使用權(quán)限的輸電線路管理人員或巡檢員可以登錄系統(tǒng)后通過GIS地圖實(shí)時(shí)查看吊車所處的位置。當(dāng)?shù)踯嚳拷旊娋€路規(guī)定的保護(hù)區(qū)時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)向車載裝置發(fā)送提示信息命令,車載裝置會(huì)向司機(jī)發(fā)出吊車已進(jìn)入輸電線路保護(hù)區(qū)的語(yǔ)音提示信息,同時(shí)會(huì)將吊車位置、車牌號(hào)以及駕駛員等信息通過短信息的方式發(fā)送到該條線路的巡檢員手機(jī)上。系統(tǒng)原理如圖1所示。
1.1 工作原理
近電檢測(cè)裝置根據(jù)電磁感應(yīng)原理判斷吊車臂與輸電線路距離,不同電壓等級(jí)的安全距離規(guī)定值[3]見表1。
表1 不同等級(jí)輸電線路安全距離限定值
圖1 系統(tǒng)原理圖
近電檢測(cè)裝置除了用于檢測(cè)吊車臂與輸電線路之間的距離外,其集成的加速度傳感器還可以實(shí)時(shí)判斷吊車所處的狀態(tài)。本文吊車主要有行駛、等待、作業(yè)和停車4種狀態(tài)。
當(dāng)?shù)踯噲?bào)警和監(jiān)控系統(tǒng)向車載裝置發(fā)送提示信息時(shí),系統(tǒng)根據(jù)吊車的實(shí)時(shí)經(jīng)緯度信息和存儲(chǔ)在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中的桿塔位置信息進(jìn)行判斷,具體設(shè)定是,500kV為20m,220kV及以下為15m。
吊車報(bào)警和監(jiān)控系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)和多線程設(shè)計(jì),最大同時(shí)可以允許2000輛吊車同時(shí)向其發(fā)送位置信息。不同的使用人員授予不同的權(quán)限,可以通過GIS地圖實(shí)時(shí)查看吊車實(shí)際位置。
1.2 道路匹配
吊車位置在GIS地圖上顯示需要相應(yīng)的匹配技術(shù),吊車處在行駛狀態(tài)時(shí)一定處在去往某條輸電線路的路上,因而該條道路和輸電線路在地圖上的投影區(qū)域存在空間上的拓?fù)湎噙B關(guān)系??蓪⑤旊娋€路投影折線化等效為道路來處理,方便描述道路與輸電線路之間的拓?fù)潢P(guān)系。具體步驟如下:
1)根據(jù)一條輸電線路中的桿塔編號(hào)將輸電線路折線化,并根據(jù)桿塔編號(hào)用直線連接,且每一直線可等效為一條道路,其中每條輸電線路中桿塔的經(jīng)度、緯度、編號(hào)、與前后桿塔的距離、轉(zhuǎn)角方向都可以從監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取。
2)劃分桿塔和道路區(qū)域,假設(shè)桿塔所在的區(qū)域范圍為L(zhǎng)×H,吊車經(jīng)緯度坐標(biāo)為Pt( x,y),根據(jù)車輛運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性,以1000m為步長(zhǎng)將整個(gè)道路網(wǎng)自左到右、自上而下劃分為m× n個(gè)區(qū)域。根據(jù)公式
得出
式中,[]表示取整,t為區(qū)域編號(hào),m和n分別代表所劃分區(qū)域的行數(shù)和列數(shù),且每個(gè)區(qū)域有唯一與其對(duì)應(yīng)的索引號(hào),每個(gè)索引號(hào)包括落入其內(nèi)部并與其相交的所有道路。
3)對(duì) GPS定位數(shù)據(jù)經(jīng)行篩選,可刪除無(wú)效的GPS信息點(diǎn),從上傳的數(shù)據(jù)幀中逐點(diǎn)讀出吊車的經(jīng)緯度、速度、方向、時(shí)間以及工作狀態(tài),經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中;同時(shí)各個(gè)輸電線路桿塔所在的區(qū)域也存儲(chǔ)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中,為下一步分析處理做好準(zhǔn)備。
4)根據(jù)第2)步確定GPS信息點(diǎn)所在的區(qū)域,查詢數(shù)據(jù)庫(kù)確定該區(qū)域內(nèi)的所有道路,并根據(jù)當(dāng)前吊車的運(yùn)行狀態(tài),借助投影算法進(jìn)行道路匹配。
5)匹配成功后,將當(dāng)前的 GPS經(jīng)緯度實(shí)時(shí)存入歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中,便于后續(xù)的歷史軌跡生成和查詢,或?yàn)榈?4)步中,當(dāng)?shù)踯囉龅浇徊媛房诨蚨鄺l道路難以區(qū)分時(shí)提供決策用。
其中第四步中,當(dāng)?shù)踯嚍樾旭偁顟B(tài)時(shí),進(jìn)行道路匹配的具體步驟如下。
首先,將待匹配道路分為如下3類:
(1)與吊車當(dāng)前所在區(qū)域內(nèi)的輸電線路拓?fù)湎噙B,并且與吊車前一時(shí)刻所匹配道路拓?fù)湎噙B。
(2)與輸電線路拓?fù)渖喜淮嬖谶B通性,只與吊車前一時(shí)刻所匹配道路拓?fù)湎噙B。
(3)與輸電線路和吊車前一時(shí)刻所匹配道路拓?fù)渖隙疾淮嬖谶B通性的道路。
進(jìn)行匹配計(jì)算時(shí),優(yōu)先從(1)道路中選擇待匹配的道路,匹配失敗再依次從(2)和(3)道路中選擇待匹配的道路進(jìn)行投影匹配計(jì)算。在投影算法中[6],可用信息包含定位點(diǎn)到待匹配道路的距離d和吊車行駛方向與待匹配道路方向的夾角,則道路匹配度為
式中,dω和θω分別表示GPS定位點(diǎn)到待匹配路段的投影距離d和車輛行駛方向與待匹配道路方向夾角θ在匹配度函數(shù)中的權(quán)重大小,其滿足每次匹配取的最大值所在道路作為最終匹配的道路。
當(dāng)遇到兩條或多條道路交叉點(diǎn)時(shí),以交叉點(diǎn)為O圓心,以dmax為半徑所得的圓形區(qū)域作為權(quán)值的判斷區(qū)域,如果定位點(diǎn)在這個(gè)區(qū)域外,則直接向待匹配路段投影[5];如果在區(qū)域內(nèi)部,則當(dāng)時(shí)采用如下公式計(jì)算道路匹配度,即
GPS定位點(diǎn)到待匹配道路垂直距離以及所在區(qū)域輸電線路的距離dti,通過如下通用式計(jì)算:
硬件設(shè)計(jì)主要包括近電檢測(cè)裝置和車載裝置兩部分:近電檢測(cè)裝置負(fù)責(zé)吊車臂與輸電線路之間安全提示,車載裝置負(fù)責(zé)吊車定位和吊車進(jìn)入輸電線路保護(hù)區(qū)域時(shí)語(yǔ)音報(bào)警提示功能。近電檢測(cè)裝置與車載裝置之間采用ZigBee技術(shù)通信。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)硬件原理框圖
2.1 近電檢測(cè)
近電檢測(cè)模塊安裝在吊臂頂端,檢測(cè)到電場(chǎng)閾值,通過ZigBee向安裝于吊車駕駛室內(nèi)的車載裝置發(fā)出告警信號(hào)。其硬件原理框圖如圖3所示。
圖3 近電檢測(cè)模塊硬件原理框圖
近電檢測(cè)模塊主要包括:電場(chǎng)傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、計(jì)算處理模塊、無(wú)線通信模塊、檔位開關(guān)以及電池組及電源轉(zhuǎn)換電路。
電場(chǎng)傳感器采用球型電場(chǎng)傳感器來測(cè)量空間電場(chǎng)強(qiáng)度,該傳感器利用靜電感應(yīng)原理,將信號(hào)轉(zhuǎn)為與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比的電壓信號(hào),再通過A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)給 CC2530處理并判斷其余輸電線路之間的實(shí)際距離。
計(jì)算處理模塊選用基于增強(qiáng)型 8051內(nèi)核的CC2530芯片,該芯片是可應(yīng)用 2.4GHz IEEE 802.15.4、ZigBee以及RF4CE協(xié)議的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案[4]??梢砸浦?Z-Stack協(xié)議棧,方便實(shí)現(xiàn)ZigBee設(shè)備間互聯(lián)和通信,能夠以非常低的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。
2.2 車載裝置
車載裝置中的主控制模塊選用基于ARM 32bit Cortex-M3的STM32F207處理器,其與吊車報(bào)警與監(jiān)控系統(tǒng)選用SIM5320E模塊以3G方式完成數(shù)據(jù)上傳、通知相關(guān)巡檢員以及 GPS信息獲取等功能,ZigBee模塊負(fù)責(zé)接收安裝于吊車臂上的近電檢測(cè)模塊發(fā)送的報(bào)警信息。其硬件原理框圖如圖4所示,核心控制板和WCDMA+GPS模塊、ZigBee模塊之間采用串口通信方式,與聲光報(bào)警模塊之間采用SPI通信。
圖4 車載裝置硬件原理框圖
3.1 近電檢測(cè)軟件整體框圖
吊車作業(yè)監(jiān)控軟件部署在云端,供電公司工作人員可以遠(yuǎn)程訪問實(shí)時(shí)監(jiān)控和查看吊車所處的位置和工作狀態(tài)。其整體軟件框圖如圖5所示,主要功能如下。
1)實(shí)時(shí)接收車載裝置發(fā)送的GIS信息,計(jì)算吊車距離架空線路的距離。
2)根據(jù)車載裝置發(fā)出的GIS信息和其他信息,判斷吊車的狀態(tài),并通過短信的方式通知相關(guān)工作人員及時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)查看。
3)在地圖上實(shí)時(shí)顯示吊車位置,并突出顯示有觸電危險(xiǎn)的吊車位置,可以實(shí)時(shí)查詢吊車的歷史軌跡。
4)靈活導(dǎo)入Excel格式的輸電線路桿塔表中的線路信息,支持GIS地圖在線升級(jí)。
5)可靈活添加或更改線路管理人員、聯(lián)系方式以及所管理的輸電線路、吊車以及駕駛員基本信息。
圖5 系統(tǒng)整體軟件框圖
3.2 道路匹配和距離判斷
GPS信號(hào)的接收會(huì)存在誤差,道路匹配算法主要通過對(duì)接受的GPS數(shù)據(jù)不斷進(jìn)行修正來保證精確定位,以克服因GPS定位模塊自身原因(如采樣頻率降低、定位誤差加大、信號(hào)丟失等)導(dǎo)致的匹配不準(zhǔn)確性,有效彌補(bǔ)了定位系統(tǒng)的不足[6]。距離判斷主要是計(jì)算吊車實(shí)時(shí)位置與輸電線路之間的距離,從而決定是否向線路巡檢人員發(fā)送短消息提示。
本文結(jié)合電力系統(tǒng)吊車使用的實(shí)際情況,根據(jù)吊車所處的不同狀態(tài)進(jìn)行不同的匹配處理。吊車處在行駛狀態(tài)時(shí)一定處在去往某條輸電線路的路上,因而該條道路和輸電線路在地圖上的投影區(qū)域一定存在空間上的拓?fù)湎噙B關(guān)系。同時(shí)將輸電線路投影折線化可等效為道路來處理,方便求解吊車已輸電線路之間的距離。具體流程如圖6所示。
4.1 系統(tǒng)精度測(cè)試
系統(tǒng)主要測(cè)量的參數(shù)有:吊車臂與輸電線路之間的距離、吊車與輸電線路之間的距離。
近電檢測(cè)裝置通過檢測(cè)到的電壓值,擬合出不同電壓等級(jí)下電壓分布隨距離的變化曲線以及函數(shù)關(guān)系,完成吊車臂與輸電線路之間的實(shí)際距離的轉(zhuǎn)換,不同電壓等級(jí)下電壓與距離的關(guān)系如圖7所示。
從圖7感應(yīng)電壓與距離對(duì)應(yīng)的關(guān)系可以看出:當(dāng)?shù)踯嚤壑饾u靠近高壓輸電線路時(shí),傳感器檢測(cè)到的感應(yīng)電壓反之增強(qiáng),電壓等級(jí)越高,相同距離時(shí)對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓等級(jí)也越強(qiáng)。根據(jù)不同電壓等級(jí),分別設(shè)定110kV、220kV和500kV的安全報(bào)警距離為4m、6m和8.5m,轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的閾值電壓,通過ZigBee模塊傳輸給車載裝置,即可實(shí)現(xiàn)報(bào)警提示功能。
當(dāng)?shù)踯囋谛旭偁顟B(tài)時(shí),系統(tǒng)會(huì)根據(jù)定位模塊上傳的經(jīng)緯度信息判斷吊車與輸電線路間的距離,小于設(shè)定值時(shí),系統(tǒng)向車載裝置發(fā)送語(yǔ)音提示信息。本文在實(shí)際輸電線路區(qū)域進(jìn)行10次測(cè)試,其吊車與輸電線路之間距離以及測(cè)試誤差見表2。
圖6 道路匹配和距離判斷流程圖
圖7 不同電壓等級(jí)下感應(yīng)電壓與距離關(guān)系
表2 桿塔距離精度測(cè)試
從圖8的測(cè)試結(jié)果可以看出:吊車與高壓輸電線路之間距離最大測(cè)試誤差為 2.6981%,最小為0.2782%,10次測(cè)試其平均誤差為-0.1985%,可以滿足吊車實(shí)時(shí)距離判斷和提示工作。
4.2 軟件功能測(cè)試
系統(tǒng)管理員通過吊車報(bào)警與監(jiān)控系統(tǒng)的登錄頁(yè)面后可看到車輛監(jiān)控、實(shí)時(shí)監(jiān)控、歷史信息查詢、權(quán)限管理以及基礎(chǔ)信息管理5個(gè)功能頁(yè)面,其實(shí)時(shí)監(jiān)控頁(yè)面如圖8所示,主要在GIS地圖上實(shí)時(shí)顯示吊車的位置,選中吊車還可以顯示車牌號(hào)、公司、駕駛員、聯(lián)系電話等基本信息,還可以通過點(diǎn)擊語(yǔ)音報(bào)警向吊車發(fā)送語(yǔ)音提示功能,當(dāng)?shù)踯囂幵谧鳂I(yè)狀態(tài)時(shí),管理員可以點(diǎn)擊發(fā)送短信按鈕手工方式將吊車的基本信息發(fā)給所在輸電線路的巡檢人員的手持PDA上,提示巡檢員到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督吊車作業(yè)情況。
圖8 系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控頁(yè)面
當(dāng)?shù)踯囂幵谛旭偁顟B(tài)、進(jìn)入輸電線路保護(hù)區(qū)域時(shí),系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)判斷其與輸電線路之間的距離;當(dāng)小于設(shè)定的線路報(bào)警提示閾值時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)通過短信息的方式將吊車所在位置的基本信息(吊車基本信息、靠近的輸電線路基本信息學(xué)以及吊車靠近的輸電線路桿塔等信息)發(fā)送到該條線路的巡檢員手持PDA上,其效果如圖9所示。管理員、巡檢員以及吊車的基礎(chǔ)信息添加和地圖在線更新等軟件功能均能正常使用。
圖9 吊車監(jiān)控頁(yè)面與短消息提示
本文設(shè)計(jì)的近電檢測(cè)裝置和車載裝置已成功安裝在蘇州供電公司作業(yè)的3輛吊車上試用,吊車報(bào)警與作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)也已部署到蘇州供電公司的運(yùn)監(jiān)中心的服務(wù)器中試運(yùn)行。從系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和測(cè)試來看,當(dāng)?shù)踯囋谶\(yùn)行狀態(tài)時(shí),能夠有效語(yǔ)音提示吊車駕駛員;當(dāng)?shù)踯囋谧鳂I(yè)狀態(tài)時(shí),安裝在吊車臂上的近電檢測(cè)裝置可以實(shí)時(shí)提示吊車駕駛員操作,以避免吊車碰觸輸電線路,并能夠?qū)崟r(shí)通知巡檢員到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督。真正實(shí)現(xiàn)了吊車作業(yè)報(bào)警和監(jiān)控于一體,從源頭上降低了輸電線路巡檢員巡視和吊車作業(yè)導(dǎo)致的輸電線路停電次數(shù),有效減輕了線路管理人員的工作量。同時(shí)系統(tǒng)記錄的巡視信息還可以幫助供電公司用于巡檢人員的日常考核工作。
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Design of Crane Operation Alarm and Monitoring System under the High Voltage Transmission Line
Yao Weiming Wang Yi Chen Jun Gu Ren Fan Wenjiang
(Suzhou Power Supply Company,Suzhou,Jiangsu 215004)
An alarming and monitoring system is introduced to prevent crane contact with high voltage transmission lines,which determines the distance between the vehicle with the high voltage power cables by using electric field induction principle and ZigBee technology.When the distance is less than preset safe distance,it begin to send out sound alarm.The crane real-time position will be displayed the GIS map by simplify matching algorithm,and determine the distance between the crane and the transmission line based on the position information that send by GPS module in the vehicle-mounted device,when the distance is less than preset protection distance,system will to alarming information by 3G/GPRS and SMS.System divided into three parts,including electric field detection device,vehicle-mounted device and crane alarming and monitoring system,electric field detection device is mounted on crane arm and vehicle-mounted device is mounted in the cab.Practical tests show that the system has high test accuracy,it can meet crane shock protection and real-time monitoring under the high voltage transmission lines.
electric field induction;ZigBee;GIS;3G/GPRS;monitoring system
姚維明(1986-),男,工程師,蘇州供電公司安全監(jiān)察質(zhì)量部專職,研究方向?yàn)殡娏Π踩夹g(shù)、電力設(shè)施保護(hù)。