曹 晶， 卞宇翔， 馮 寶，李 程， 丁士長， 談 軍， 朱炫培

( 1. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司信息通信分公司，江蘇 南京 210024；2. 南瑞集團(tuán)有限公司信息通信技術(shù)分公司，江蘇 南京 210003； 3. 南京郵電大學(xué)，江蘇 南京 210046)

0 引言

終端通信接入網(wǎng)是電力系統(tǒng)骨干通信網(wǎng)絡(luò)的延伸，是電力通信網(wǎng)的重要組成部分。目前，終端通信接入網(wǎng)已經(jīng)開展了通用移動通信技術(shù)的長期演進(jìn)(long term evolution，LTE)1.8 GHz無線專網(wǎng)規(guī)?；圏c(diǎn)建設(shè)和業(yè)務(wù)接入工作，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)檢、營銷、安質(zhì)、信通等業(yè)務(wù)部門10余類業(yè)務(wù)的靈活接入和可靠承載[1-4]。

電力LTE無線專網(wǎng)尚處于試點(diǎn)建設(shè)階段，為薄覆蓋網(wǎng)絡(luò)，首先完成基站、核心網(wǎng)建設(shè)，然后再進(jìn)行終端業(yè)務(wù)接入工作。當(dāng)前江蘇已經(jīng)初步完成了電力LTE無線通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)工作，正在加大業(yè)務(wù)終端接入力度。為了保證電力LTE無線專網(wǎng)終端通信接入的穩(wěn)定以及業(yè)務(wù)的有效承載，需要對終端通信接入網(wǎng)進(jìn)行實(shí)地工勘。江蘇電力無線專網(wǎng)前期試點(diǎn)工勘工作，普遍采用如下模式：工勘人員通常利用專網(wǎng)手臺設(shè)備現(xiàn)場測量并人工記錄通信終端安裝位置的參考信號接收功率(reference signal receiving power，RSRP)、信號與干擾加噪聲比(signal to interference plus noise ratio，SINR)等信號參數(shù)，利用GPS定位工具現(xiàn)場獲取并人工記錄通信終端安裝位置的經(jīng)緯度信息，通過拍照或人工方式記錄待接入業(yè)務(wù)終端和通信信道的相關(guān)信息，待勘測結(jié)束后再進(jìn)行照片數(shù)據(jù)和文字?jǐn)?shù)據(jù)整理[5]。由于勘測過程中多個隊(duì)伍并行工作、使用多種測試設(shè)備、生成多個數(shù)據(jù)源以及數(shù)據(jù)記錄模式多種多樣，導(dǎo)致勘測項(xiàng)目和勘測數(shù)據(jù)容易出現(xiàn)遺漏或錯誤，影響工勘效率，同時增加了后期數(shù)據(jù)整理和分析的難度[6]。

因此，必需開展電力LTE無線專網(wǎng)通信終端接入工勘測試體系研究，并開發(fā)定制化APP軟件。文中針對江蘇電力LTE無線專網(wǎng)試點(diǎn)建設(shè)過程中現(xiàn)場工勘遇到的問題，參照運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)，針對電力業(yè)務(wù)特有的需求，開展了適合電力系統(tǒng)的LTE無線專網(wǎng)通信終端接入工勘測試體系研究，設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)化的工勘測試體系，開發(fā)了具備各類現(xiàn)場工勘數(shù)據(jù)自動采集、自動整理、自動分析及現(xiàn)場數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程導(dǎo)入后臺等功能的APP軟件，保障了工勘項(xiàng)目和工勘數(shù)據(jù)的全面性、準(zhǔn)確性和完整性，減少了數(shù)據(jù)分析和文件整理的工作量，提高了工勘效率。

1 現(xiàn)狀調(diào)研

1.1 電力業(yè)務(wù)需求現(xiàn)狀

當(dāng)前，終端通信接入網(wǎng)普遍采用光纖、電力線載波、無線公網(wǎng)、無線專網(wǎng)等多種通信方式。電力無線專網(wǎng)主要采用230 MHz數(shù)傳電臺、微波、多載波無線信息本地環(huán)路(multi-carrier wireless information local loop，McWiLL)、LTE 1.8 GHz、LTE 230 MHz等通信技術(shù)[7-8]。隨著智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，電力業(yè)務(wù)對交互性、實(shí)時性、安全性和可靠性等通信指標(biāo)提出了更高的要求，傳統(tǒng)的電力通信技術(shù)將難以滿足未來需求，需建設(shè)基于LTE 1.8GHz的無線專網(wǎng)。電力業(yè)務(wù)需求特點(diǎn)主要包括大寬帶需求、移動性需求、低成本和安全性需求、靈活性和交互性需求、高實(shí)時性和高可靠性需求[9]，具體如圖1所示。

圖1 電力業(yè)務(wù)關(guān)鍵技術(shù)需求要素示意Fig.1 Diagram of key technology requirements of power business

1.2 電力無線專網(wǎng)建設(shè)現(xiàn)狀

截至2017年1月，國網(wǎng)江蘇電力已經(jīng)完成核心網(wǎng)建設(shè)3套、基站建設(shè)26座，覆蓋面積達(dá)800 km2，包含A+、A、B、C類供電區(qū)域，成功接入終端約5000臺，涵蓋配電自動化、用電信息采集、電動汽車充電站(樁)、分布式新能源等4項(xiàng)基本業(yè)務(wù)，還包括精準(zhǔn)負(fù)荷控制、變電站基建視頻、配電機(jī)器人巡檢、物資倉儲管理、移動巡檢、應(yīng)急通信等十余項(xiàng)擴(kuò)展業(yè)務(wù)[10]。

但是，電力無線專網(wǎng)目前還處在建設(shè)初期階段，基站建設(shè)規(guī)模有限，而電力業(yè)務(wù)終端所處位置相對固定，且通常處于環(huán)境較為惡劣的地下室、強(qiáng)電井以及室外的環(huán)網(wǎng)柜、柱上開關(guān)等位置，因此難以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)終端的無線全覆蓋。若采用運(yùn)營商延伸覆蓋方案，建設(shè)成本過高，經(jīng)濟(jì)性很差。當(dāng)然，電力無線專網(wǎng)在建設(shè)前期也試圖進(jìn)行大范圍終端覆蓋，但是由于電力系統(tǒng)基站、核心網(wǎng)建設(shè)固有的特點(diǎn)，延伸性覆蓋還存在一定的建設(shè)難度[11]。

因此，電力無線專網(wǎng)業(yè)務(wù)終端接入應(yīng)先完成基站、核心網(wǎng)建設(shè)，然后根據(jù)信號強(qiáng)度、干擾情況等特征參數(shù)選擇性接入通信終端。因此有必要對通信終端接入進(jìn)行實(shí)地工勘，以推動電力無線專網(wǎng)試點(diǎn)建設(shè)工作。

1.3 電力無線專網(wǎng)終端工勘現(xiàn)狀

根據(jù)江蘇電力現(xiàn)場實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，電力無線專網(wǎng)工勘過程中遇到的問題總結(jié)如下：

(1) 工勘指標(biāo)體系不健全[12]。通過實(shí)地勘察和后續(xù)終端接入工作發(fā)現(xiàn)，電力LTE無線專網(wǎng)終端接入項(xiàng)目中存在多項(xiàng)工勘指標(biāo)，指標(biāo)內(nèi)容復(fù)雜，涉及的方面多，也存在較多的漏洞和交叉指標(biāo)，造成已存在的指標(biāo)體系不夠健全。

(2) 數(shù)據(jù)采集問題?，F(xiàn)場勘察的數(shù)據(jù)記錄普遍采用紙質(zhì)記錄，在現(xiàn)場要一一測量各個指標(biāo)參數(shù)數(shù)據(jù)并紙質(zhì)填寫。現(xiàn)場勘察結(jié)束后，則需要將這些數(shù)據(jù)重新錄入辦公軟件或者繪圖軟件中，既造成了人力資源的浪費(fèi)，也容易造成數(shù)據(jù)的混淆、遺漏、甚至丟失，影響工勘效率。

(3) 照片采集問題[13]?，F(xiàn)場勘察時采集的各種照片，一般是手機(jī)或者相機(jī)拍攝，而保存的照片文件名也只有時間和編號，因此照片的內(nèi)容無法通過文件名得知。在后期照片整理時，要將此次勘察的照片全部拷貝后進(jìn)行整理，修改照片文件名，照片文件處理工作量巨大。

2 終端接入工勘測試體系研究

2.1 設(shè)計(jì)原則

電力LTE無線專網(wǎng)通信終端接入工勘測試體系遵循全面性、實(shí)用性和科學(xué)性等原則。

(1) 全面性原則。工勘測試體系必須涵蓋無線專網(wǎng)通信終端接入過程中需要考慮的全部因素，從通信環(huán)境、業(yè)務(wù)終端、通信終端、通信通道4個層面開展設(shè)計(jì)。指標(biāo)體系應(yīng)層次清楚、結(jié)構(gòu)合理、相互關(guān)聯(lián)、協(xié)調(diào)一致。

(2) 實(shí)用性原則。工勘測試指標(biāo)體系的指標(biāo)涵義和勘察依據(jù)、方法必須明確，指標(biāo)內(nèi)容可以通過現(xiàn)場測量等手段直接獲取。指標(biāo)體系的建立能夠?yàn)楹笃诠こ淌┕ぬ峁┲笇?dǎo)，具備實(shí)用性價值。

(3) 科學(xué)性原則。采用層次分析法[14]、德爾菲法[15]等理論方法進(jìn)行指標(biāo)體系設(shè)計(jì)，指標(biāo)選取過程充分聽取設(shè)計(jì)、開發(fā)、實(shí)施、運(yùn)行和維護(hù)等多個部門的業(yè)務(wù)專家意見，保證工勘測試指標(biāo)體系的科學(xué)性。

2.2 研究思路

電力LTE無線專網(wǎng)的架構(gòu)主要由核心網(wǎng)、回傳網(wǎng)、基站、通信終端和業(yè)務(wù)終端組成。其中，核心網(wǎng)、回傳網(wǎng)、基站等LTE無線專網(wǎng)主體工程已經(jīng)建設(shè)完畢，工勘工作集中在業(yè)務(wù)終端接入層面，如圖2所示。

圖2 電力LTE無線專網(wǎng)通信終端接入工勘體系設(shè)計(jì)Fig.2 Design of power LTE wireless private network communication terminal access engineering system

電力LTE無線專網(wǎng)通信終端接入工勘測試體系設(shè)計(jì)總體思路如下：通過分析電力LTE無線專網(wǎng)架構(gòu)、電力LTE無線專網(wǎng)終端接入工勘過程中遇到的問題及需求，采用層次分析法從通信環(huán)境、業(yè)務(wù)終端、通信終端、通信通道4個層面開展適合電力系統(tǒng)的LTE無線專網(wǎng)通信終端接入工勘測試體系的設(shè)計(jì)與研究。具體包括：確定工勘對象，建立工勘測試指標(biāo)體系和確定詳細(xì)工勘內(nèi)容3步。

2.3 設(shè)計(jì)步驟

基于電力LTE無線專網(wǎng)通信終端接入工勘測試體系的詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟如下：

(1) 確定工勘對象。采用層次分析法開展工勘測試體系的設(shè)計(jì)，一級指標(biāo)為工勘測試體系；二級指標(biāo)共計(jì)4個，分別是通信環(huán)境、業(yè)務(wù)終端、通信終端、通信通道；三級指標(biāo)根據(jù)通信環(huán)境設(shè)立無線通信終端安裝站點(diǎn)環(huán)境指標(biāo)和機(jī)房電源指標(biāo)；根據(jù)業(yè)務(wù)終端設(shè)立業(yè)務(wù)終端設(shè)備指標(biāo)；根據(jù)通信終端設(shè)立通信終端設(shè)備指標(biāo)和天饋線設(shè)備指標(biāo)；根據(jù)通信通道設(shè)立有線信道指標(biāo)和無線信道指標(biāo)。具體指標(biāo)結(jié)構(gòu)體系如圖3所示。

圖3 工勘測試體系對象示意Fig.3 Engineering exploration system object diagram

(2) 建立工勘測試指標(biāo)體系。根據(jù)步驟(1)確定的工勘對象和當(dāng)前電力LTE無線專網(wǎng)通信終端接入工勘存在的問題，確定電力LTE無線專網(wǎng)通信終端接入工勘測試的詳細(xì)指標(biāo)內(nèi)容，建立四級工勘測試指標(biāo)體系。

(3) 確定詳細(xì)工勘內(nèi)容?；诓襟E(1)和(2)，進(jìn)一步確定詳細(xì)第四級工勘指標(biāo)，其中站點(diǎn)環(huán)境下設(shè)站點(diǎn)名稱、站點(diǎn)地址、站點(diǎn)經(jīng)緯度等13個詳細(xì)四級工勘內(nèi)容；機(jī)房電源下設(shè)電源類型、電源取電方式等6個詳細(xì)第四級工勘指標(biāo)；業(yè)務(wù)終端設(shè)備下設(shè)業(yè)務(wù)終端類型、業(yè)務(wù)終端型號、業(yè)務(wù)終端制造規(guī)范等8個詳細(xì)第四級工勘指標(biāo)；通信終端設(shè)備下設(shè)安裝位置、安裝類型、安裝方式等8個詳細(xì)第四級工勘指標(biāo)；天饋線設(shè)備下設(shè)天線安裝位置、天線類型等8個詳細(xì)第四級工勘指標(biāo)；無線信道下設(shè)接入點(diǎn)應(yīng)用于以太網(wǎng)的鏈路層協(xié)議(rapid ethernet ring protection protocol,RERP)值、接入點(diǎn)接收的信號強(qiáng)度指示(received signal strength indication,RSSI)值等4個詳細(xì)第四級工勘指標(biāo)；有線信道下設(shè)網(wǎng)線長度等6個詳細(xì)第四級工勘指標(biāo)。

3 工勘APP開發(fā)

APP軟件的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)包括前臺手機(jī)端勘察系統(tǒng)和后臺服務(wù)器端勘察系統(tǒng)兩部分。其中，前者在手機(jī)端通過拍攝照片、錄入數(shù)據(jù)方式采集勘察現(xiàn)場數(shù)據(jù)；后者在服務(wù)器側(cè)利用Excel服務(wù)軟件[16]導(dǎo)出數(shù)據(jù)并進(jìn)行整理和分析。

手機(jī)端勘察系統(tǒng)包括工勘數(shù)據(jù)采集模塊和工勘數(shù)據(jù)交互模塊2個子模塊，具體如圖4所示。

圖4 手機(jī)端勘察系統(tǒng)模塊示意Fig.4 Diagram of handset exploration system module

工勘數(shù)據(jù)采集模塊包括：位置采集模塊、圖像采集模塊、信號采集模塊、存儲模塊等數(shù)據(jù)采集模塊。位置采集模塊，利用移動工勘終端自身GPS模塊完成包括經(jīng)度、緯度等業(yè)務(wù)終端位置信息。圖像采集模塊，利用移動工勘終端自身攝像頭完成工勘現(xiàn)場機(jī)房、電源、業(yè)務(wù)終端等設(shè)備的拍照，并添加水印信息。信號采集模塊，通過特定指令獲取移動工勘終端自身RSRP、SINR[17]等信息。存儲模塊，完成各類采集數(shù)據(jù)的本地存儲。

工勘數(shù)據(jù)交互模塊完成移動工勘終端與后臺之間的數(shù)據(jù)交互，包括數(shù)據(jù)的添加、修改、刪除、上傳和下載等。

服務(wù)器端勘察系統(tǒng)后臺采用JavaEE中3種框架(spring struts hibernate，SSH)[18]，基于底層數(shù)據(jù)庫之上分為網(wǎng)站后臺和手機(jī)后臺兩部分。網(wǎng)站后臺由持久層與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互，上層為管理服務(wù)層，所有服務(wù)都需要業(yè)務(wù)邏輯來調(diào)用不同的數(shù)據(jù)訪問(data access object，DAO)層進(jìn)行處理，即調(diào)用不同的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作，Action層則起到控制的作用，根據(jù)請求的不同將其分發(fā)到不同的業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行處理。服務(wù)器端勘察系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)包括用戶管理、終端管理、文件管理、任務(wù)管理、文件操作和登錄控制等功能[19]。具體模塊功能如圖5所示。

圖5 服務(wù)器端勘察系統(tǒng)模塊示意Fig.5 Diagram of server-side exploration system module

根據(jù)電力系統(tǒng)的獨(dú)有特點(diǎn)，基于電力LTE無線專網(wǎng)通信終端接入工勘測試體系，開發(fā)了對應(yīng)的工勘APP軟件，并取名為“易工勘”。軟件原型設(shè)計(jì)界面如圖6所示。

圖6 基于工勘測試體系的APP軟件界面原型Fig.6 Prototype of APP software interface based on thetesting system of engineering exploration

工勘人員實(shí)地勘測過程中使用本文開發(fā)的APP軟件，工勘實(shí)例如圖7所示。

圖7 “易工勘”APP軟件工勘實(shí)例Fig.7 "YiGongKan" APP software engineering examples

該軟件可以在運(yùn)營商公網(wǎng)和電力無線專網(wǎng)兩類網(wǎng)絡(luò)下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與上傳。當(dāng)工勘現(xiàn)場運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)信號不佳時，可以在電力無線專網(wǎng)中使用本軟件；而工勘現(xiàn)場運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)信號強(qiáng)度較好時，就可以直接使用運(yùn)營商無線公網(wǎng)上傳工勘數(shù)據(jù)。

另外，軟件可以讀取并篩選工勘歷史記錄，以便工勘人員查詢?？赏ㄟ^后臺查詢、分析、處理相關(guān)工勘數(shù)據(jù)，大大降低了現(xiàn)場工勘數(shù)據(jù)的后期處理難度，提高了工勘效率和工勘數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

可以看出，該軟件功能豐富，操作簡單，交互和UI設(shè)計(jì)合理精致，滿足特定場景需求，實(shí)際應(yīng)用效果明顯。

而工勘APP軟件對應(yīng)后臺數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以對工勘現(xiàn)場上傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。例如：后臺系統(tǒng)可以修改和刪除工勘現(xiàn)場上傳的工勘數(shù)據(jù)。也可以將工勘數(shù)據(jù)進(jìn)行Excel導(dǎo)出，便于后期數(shù)據(jù)整理和歸檔。后臺數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)界面如圖8所示。

圖8 后臺數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)界面原型Fig.8 diagram of back-stage data management system interface prototype

4 結(jié)語

文中分析了江蘇電力無線專網(wǎng)試點(diǎn)建設(shè)過程中的通信終端工勘時遇到的問題，結(jié)合電力業(yè)務(wù)需求和電力無線專網(wǎng)建設(shè)特點(diǎn)，按照全面性、實(shí)用性和科學(xué)性的設(shè)計(jì)原則，采用層次分析法構(gòu)建了完整的電力LTE通信終端接入工勘測試指標(biāo)體系，并開發(fā)了基于工勘測試指標(biāo)體系的“易工勘”APP和對應(yīng)的后臺數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。APP軟件可以在電力無線專網(wǎng)和運(yùn)營商公網(wǎng)兩種網(wǎng)絡(luò)中上傳工勘數(shù)據(jù)；而后臺數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可對工勘數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、刪除、修改和導(dǎo)出操作。因此，文中提出的電力無線專網(wǎng)通信終端接入工勘測試體系和開發(fā)的對應(yīng)APP軟件以及后臺數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可切實(shí)提高工勘效率和工勘數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，滿足工勘現(xiàn)場的實(shí)際需求。

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