徐越峰，馮 杰，紀(jì)云鴻，游 強(qiáng)，薛 釗

（國網(wǎng)陜西省電力公司，西安 710000）

0 引言

國家電網(wǎng)公司在21世紀(jì)初期就發(fā)布了“智能電網(wǎng)”計劃[1]，現(xiàn)已全面覆蓋各大企業(yè)運(yùn)營、安全管理等各個領(lǐng)域，電網(wǎng)運(yùn)行管理水平有了顯著提高。自國家電網(wǎng)公司到各網(wǎng)省公司以及基層單位，都在不斷探索和完善現(xiàn)代信息技術(shù)、先進(jìn)通信技術(shù)與電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)、各領(lǐng)域的深度應(yīng)用，致力于2024年建成泛在電力物聯(lián)網(wǎng)。

安全一直是電網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展的永恒主題，國家電網(wǎng)公司始終把安全生產(chǎn)放在各項(xiàng)工作的首位，為了適應(yīng)國民經(jīng)濟(jì)提升、國家電網(wǎng)公司發(fā)展，必須確保國家供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行及為百姓可靠供電。本文以電力現(xiàn)場作業(yè)安全管理為切入點(diǎn)，設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力現(xiàn)場作業(yè)安全管理系統(tǒng)設(shè)計，降低現(xiàn)場作業(yè)的風(fēng)險性，提升安全管理水平。

1 電力現(xiàn)場作業(yè)安全管理系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 基于管理違章工人的傳感器設(shè)計

系統(tǒng)硬件中的傳感器通常是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩部分組成（結(jié)構(gòu)組成圖如圖1所示），有時還會加上輔助電源，敏感元件可以直接接收系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，直接感受被測量，然后將數(shù)據(jù)信息傳遞到轉(zhuǎn)換元件，轉(zhuǎn)換元件會將敏感元件的信號輸出作為輸入，將敏感元件感知的非電量轉(zhuǎn)換成為電信號輸出，由于基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力現(xiàn)場作業(yè)安全管理系統(tǒng)輸出的信號都是非常弱的，所以要通過變換電路與信號調(diào)理將信號進(jìn)行放大、調(diào)制等操作。

圖1 電力現(xiàn)場作業(yè)安全管理系統(tǒng)傳感器結(jié)構(gòu)組成圖

在整個系統(tǒng)中，傳感器感知設(shè)備為本文安全管理系統(tǒng)的設(shè)計提供了物理變量、狀態(tài)信息以及變化感知等工具和手段，通過對現(xiàn)場作業(yè)數(shù)據(jù)信息的處理實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場作業(yè)違章工人的管理，保證現(xiàn)場作業(yè)的安全性和規(guī)范性，降低現(xiàn)場作業(yè)的風(fēng)險性。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力現(xiàn)場作業(yè)安全管理系統(tǒng)傳感器結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)式傳感器來接收安全管理系統(tǒng)發(fā)出的信號，通過數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對信號進(jìn)行分析處理，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全，降低了工作人員的作業(yè)風(fēng)險，在現(xiàn)場作業(yè)過程中，如果相關(guān)工作人員沒有按照國家電網(wǎng)公司的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行施工作業(yè)，電力現(xiàn)場作業(yè)安全管理系統(tǒng)當(dāng)中的傳感器就會發(fā)出報警信號，系統(tǒng)將報警信號傳輸?shù)胶笈_管理中樞，針對這一問題，在傳感器設(shè)計的基礎(chǔ)上，建立了現(xiàn)場作業(yè)風(fēng)險模型（如圖2所示）[2]，該模型可以根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)條件對現(xiàn)場的環(huán)境進(jìn)行預(yù)測，如果作業(yè)環(huán)境不符合標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)環(huán)境，那么此項(xiàng)工程計劃需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

圖2 現(xiàn)場作業(yè)風(fēng)險模型

1.2 基于工器具和人員安全的服務(wù)器設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)信息的綜合分析和處理大量數(shù)據(jù)信息，并采用智能化的方式對現(xiàn)場作業(yè)風(fēng)險進(jìn)行決策和管理，保證現(xiàn)場作業(yè)人員和工器具的安全，降低國家電網(wǎng)公司工作人員的作業(yè)風(fēng)險。物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、大數(shù)據(jù)分析、云計算、人工智能等技術(shù)是電力現(xiàn)場作業(yè)安全管理系統(tǒng)采用的主要技術(shù)。

電力現(xiàn)場作業(yè)安全管理系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行服務(wù)器設(shè)計，主要解決國家電網(wǎng)信息處理和人與機(jī)器界面之間的問題，基于工器具和人員安全的服務(wù)器將采集到現(xiàn)場作業(yè)數(shù)據(jù)信息分別交給現(xiàn)場作業(yè)故障檢測服務(wù)器、工作人員情況匯總服務(wù)器和環(huán)境監(jiān)測服務(wù)器處理，然后將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到每一個現(xiàn)場作業(yè)數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計終端，電力現(xiàn)場作業(yè)安全管理系統(tǒng)服務(wù)器構(gòu)架圖如圖3所示[3]。

電力現(xiàn)場作業(yè)安全管理系統(tǒng)的服務(wù)器設(shè)計是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將現(xiàn)場作業(yè)的風(fēng)險數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)計，并提前預(yù)警，實(shí)現(xiàn)了對現(xiàn)場作業(yè)的違背規(guī)定工作人員進(jìn)行管理，同時還可以實(shí)時監(jiān)測作業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的故障問題以及對作業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境進(jìn)行提前預(yù)測分析，保證了現(xiàn)場作業(yè)過程中工人和作業(yè)工器具的安全。

圖3 電力現(xiàn)場作業(yè)安全管理系統(tǒng)服務(wù)器構(gòu)架圖

國家電網(wǎng)公司基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對電力現(xiàn)場作業(yè)安全管理系統(tǒng)的服務(wù)器進(jìn)行設(shè)計，實(shí)現(xiàn)實(shí)時接收數(shù)據(jù)信息、數(shù)據(jù)實(shí)時儲存、實(shí)時數(shù)據(jù)共享、歷史數(shù)據(jù)查詢以及歷史記錄的管理[4]，本文的服務(wù)器改進(jìn)設(shè)計能夠有效降低現(xiàn)場作業(yè)的風(fēng)險，保證國家電網(wǎng)公司現(xiàn)場作業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r被監(jiān)測。

2 電力現(xiàn)場作業(yè)安全管理系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 基于風(fēng)險預(yù)警的數(shù)據(jù)庫改進(jìn)設(shè)計

基于管理違章工人的傳感器設(shè)計的基礎(chǔ)上，提高現(xiàn)場作業(yè)風(fēng)險預(yù)警功能，降低國家電網(wǎng)公司工作人員的作業(yè)風(fēng)險，加強(qiáng)對現(xiàn)場作業(yè)風(fēng)險的預(yù)測及預(yù)警，保證電力現(xiàn)場作業(yè)安全系統(tǒng)的穩(wěn)定是國家電網(wǎng)公司建設(shè)的必要條件。由于國家電網(wǎng)公司管理系統(tǒng)大多數(shù)的模塊都是以數(shù)據(jù)庫作為接口，改進(jìn)現(xiàn)場作業(yè)安全管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場作業(yè)風(fēng)險預(yù)測的前提，同時也能保證國家電網(wǎng)公司信息查詢效率的提高。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將國家電網(wǎng)公司相關(guān)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計時，首先要對數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，即使數(shù)據(jù)庫中信息數(shù)據(jù)的增刪過程通常比較頻繁，且國家電網(wǎng)公司數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)信息變化較多，但是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)相對來說是比較穩(wěn)定的，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)庫一般采用的結(jié)構(gòu)設(shè)計模式為三級結(jié)構(gòu)模式，這種結(jié)構(gòu)模式設(shè)計可以對現(xiàn)場作業(yè)風(fēng)險進(jìn)行提前預(yù)警，根據(jù)預(yù)警等級來判斷哪一個作業(yè)現(xiàn)場存在風(fēng)險可能性較大，哪個時間段違章風(fēng)險可能性較大，將電力現(xiàn)場作業(yè)安全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫分為模式、模式以及外模式等三級軸象模式[5]，電力現(xiàn)場作業(yè)安全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫三級模式如圖4所示。

圖4 電力現(xiàn)場作業(yè)安全管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫三級模式圖

為了降低國家電網(wǎng)公司工作人員的現(xiàn)場施工作業(yè)風(fēng)險，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫采用03版本進(jìn)行安全管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫開發(fā)，主要是根據(jù)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中電力現(xiàn)場作業(yè)數(shù)據(jù)信息的管理以及前臺數(shù)據(jù)的存儲處理等工作。在基于風(fēng)險預(yù)警的數(shù)據(jù)庫改進(jìn)基礎(chǔ)上，得知系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫需要建立表格，主要包括國家電網(wǎng)公司設(shè)備的基本信息表、電網(wǎng)設(shè)備型號表、狀態(tài)信息表以及用戶基本數(shù)據(jù)信息表等，每一個表格之間都不是孤立存在的，是通過相關(guān)鍵關(guān)聯(lián)在一起的，共同構(gòu)成了一個現(xiàn)場作業(yè)安全管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主體。

每一個表都是建立在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)上進(jìn)行數(shù)據(jù)庫改進(jìn)的，從而對現(xiàn)場作業(yè)風(fēng)險提前預(yù)警。系統(tǒng)中用戶基本數(shù)據(jù)信息表主要是用來儲存用戶的詳細(xì)信息和訪問權(quán)限；電力設(shè)備的基本信息統(tǒng)計表是用來存放一些設(shè)備的基本信息；電網(wǎng)設(shè)備型號表的內(nèi)容主要有電網(wǎng)設(shè)備的型號編碼以及設(shè)備類型名稱等相關(guān)信息。

2.2 基于現(xiàn)場風(fēng)險判定的系統(tǒng)算法優(yōu)化

為了判定哪個現(xiàn)場存在風(fēng)險可能性較大以及哪個時間段違章風(fēng)險可能性較大，本文基于工器具和人員安全的服務(wù)器設(shè)計的基礎(chǔ)上，提出SLIQ算法的優(yōu)化設(shè)計來實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力現(xiàn)場作業(yè)安全管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計。SLIQ算法是目前應(yīng)用最廣泛的決策樹算法，是在SPRINT算法的基礎(chǔ)上設(shè)計的[6]，SPRINT算法的工作流程為：首先在作業(yè)現(xiàn)場所有元素中篩選出作業(yè)風(fēng)險可能性最大的因素，再根據(jù)篩選的數(shù)據(jù)將國家電網(wǎng)公司數(shù)據(jù)劃分為若干個子集，對劃分每一個子集進(jìn)行逐一判斷，最后選擇出一個影響力最大的因素；接著繼續(xù)對所選元素進(jìn)行劃分，重復(fù)此步驟直到最后得到的子集只包含某一類型的數(shù)據(jù)為止。

SLIQ算法原理：設(shè)集合N包含n個國家電網(wǎng)公司數(shù)據(jù)樣本，類標(biāo)號屬性可以用m個不同值來表示，對應(yīng)的m個類別Mi，i {1，2，3，…，m}，設(shè)Mi中包含Ni個樣本，則對于一個給定的樣本分類所需要的期望信息為：設(shè)Q中有x個不同的數(shù)據(jù)值{n1，n2，n3，…，nx}，將集合A通過Q來進(jìn)行劃分，可以將集合A劃分為x個子集{A1，A2，A3，…，Ax}，其中集合A中Q的取值為Qy的數(shù)據(jù)信息樣本都會在Ay中包含，如果Q是所選擇的測試屬性，設(shè)Axy是子集Ay中Mi的樣本數(shù)，那么Q劃分的子集計算結(jié)果為：

根據(jù)數(shù)據(jù)信息增益值可以看出，計算得到的E（Q）值越小，Gain（Q）的計算結(jié)果就越大，也就對電力現(xiàn)場作業(yè)安全管理越有利。

SLIQ算法的詳細(xì)步驟為：

1）從國家電網(wǎng)公司數(shù)據(jù)集合中隨機(jī)抽取一個子集，使子集中同時含有A和B；

2）采用SPRINT算法生成一棵該子集的決策樹；

3）判斷抽取子集意外的子集是否有使用步驟2）生成的決策樹，并根據(jù)電網(wǎng)信息，找出判定錯誤的子集；

4）如果有判定錯誤的子集，則將判定錯誤的子集重復(fù)步驟1）和步驟2）操作，重新生成決策樹；如果沒有判定錯誤的子集，說明生成的電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息是可信任的，整個算法流程結(jié)束。

圖5為SLIQ算法的流程圖，其中訓(xùn)練集是由X和Y組成的，X1、X2分別是X的子集，Y1和Y2分別是Y的 子集。

3 實(shí)例分析

圖5 SLIQ算法的流程圖

為了證明本文改進(jìn)的系統(tǒng)設(shè)計可以降低現(xiàn)場作業(yè)的風(fēng)險，提前對現(xiàn)場作業(yè)風(fēng)險進(jìn)行預(yù)警，利用初始國家電網(wǎng)公司相關(guān)管理系統(tǒng)，以及基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力現(xiàn)場作業(yè)安全管理系統(tǒng)，進(jìn)行現(xiàn)場作業(yè)風(fēng)險系數(shù)仿真實(shí)驗(yàn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)過程中，準(zhǔn)備10組不同環(huán)境的國家電網(wǎng)公司現(xiàn)場作業(yè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，為了保證本次實(shí)驗(yàn)的客觀性，模擬現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)包括現(xiàn)場電壓、環(huán)境中空氣相對濕度、海拔高度、現(xiàn)場風(fēng)向及風(fēng)力大小、現(xiàn)場環(huán)境溫度等6組數(shù)據(jù)，利用兩個現(xiàn)場作業(yè)安全管理系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場作業(yè)風(fēng)險系數(shù)仿真實(shí)驗(yàn)，其現(xiàn)場作業(yè)仿真環(huán)境數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 現(xiàn)場作業(yè)仿真環(huán)境數(shù)據(jù)

仿真實(shí)驗(yàn)開始之前，首先準(zhǔn)備兩臺配置和型號完全相同的計算機(jī)，安裝piliant仿真軟件，根據(jù)表1的仿真環(huán)境數(shù)據(jù)，將準(zhǔn)備的10組現(xiàn)場作業(yè)數(shù)據(jù)載入到仿真軟件中，在實(shí)際仿真驗(yàn)證之前，要進(jìn)行兩次空載實(shí)驗(yàn)，保證整套仿真程序以及數(shù)據(jù)載入過程的穩(wěn)定性。

接著根據(jù)仿真軟件的數(shù)據(jù)接口，分別連入初始國家電網(wǎng)公司相關(guān)管理系統(tǒng)，以及基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力現(xiàn)場作業(yè)安全管理系統(tǒng)，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。為了更加明顯的對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，引入現(xiàn)場作業(yè)風(fēng)險系數(shù)作為實(shí)驗(yàn)的對比指標(biāo)，風(fēng)險系數(shù)是評估國家電網(wǎng)公司信息是否安全的 指標(biāo)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)兩種安全管理系統(tǒng)，在不同現(xiàn)場作業(yè)電壓的條件下，獲取的現(xiàn)場作業(yè)風(fēng)險系數(shù)，繪制電力現(xiàn)場作業(yè)風(fēng)險系數(shù)對比曲線，如圖6所示。

圖6 電力現(xiàn)場作業(yè)風(fēng)險系數(shù)對比曲線

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，采用初始國家電網(wǎng)公司相關(guān)管理系統(tǒng)，以及基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力現(xiàn)場作業(yè)安全管理系統(tǒng)，在現(xiàn)場作業(yè)電壓非常小的時候都具有非常高的風(fēng)險系數(shù)，但隨著現(xiàn)場作業(yè)電壓越來越接近現(xiàn)場作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電壓時，初始國家電網(wǎng)公司管理系統(tǒng)獲取的現(xiàn)場作業(yè)風(fēng)險系數(shù)幾乎沒有變化，而本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力現(xiàn)場作業(yè)安全管理系統(tǒng)，能有效降低現(xiàn)場作業(yè)的風(fēng)險系數(shù)，因此可以采用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力現(xiàn)場作業(yè)安全管理系統(tǒng)，提高國家電網(wǎng)公司現(xiàn)場違章管理水平，降低現(xiàn)場作業(yè)的風(fēng)險。

4 結(jié)語

本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力現(xiàn)場作業(yè)安全管理系統(tǒng)的設(shè)計，依托安全管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了本文的改進(jìn)研究。仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，本文設(shè)計的安全管理系統(tǒng)相比于初始系統(tǒng)，獲取的現(xiàn)場作業(yè)風(fēng)險系數(shù)低，可以有效保證現(xiàn)場作業(yè)人員和工器具的安全。希望本文的研究能夠?yàn)閲译娋W(wǎng)公司管理系統(tǒng)的設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。