丁 暉，黃 海，陳秀國(guó)，樊欣欣

（國(guó)網(wǎng)銅陵供電公司，安徽 銅陵 244000）

0 引言

電力通信管道光纜迅速發(fā)展， 與之對(duì)應(yīng)的光纜井蓋數(shù)量也快速增長(zhǎng)。 與輸電、配電、變電等電網(wǎng)專(zhuān)業(yè)相比，光纜屬于新興專(zhuān)業(yè)，除北京、上海等少數(shù)一線城市外，大部分還未建立起獨(dú)立、完整、高效的光纜運(yùn)檢管理體系，光纜及通道的巡視檢查、檢測(cè)維護(hù)主要依靠人力，缺乏先進(jìn)的管理模式和技術(shù)手段，效率不高且效果不明顯［1-2］。 以某供電公司為例，地下光纜通道長(zhǎng)度達(dá)175.41 km， 占公司光纜總長(zhǎng)度的11.78%，運(yùn)維人數(shù)較少。 光纜通道位于地面以下，環(huán)境較為惡劣，不確定因素較多，人員進(jìn)入內(nèi)部巡檢作業(yè)時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度大，危險(xiǎn)系數(shù)高［3-4］。 光纜通道布置有大量的光纜井及光纜井蓋， 光纜巡檢人員需打開(kāi)光纜井蓋， 克服困難與危險(xiǎn)進(jìn)入光纜通道內(nèi)部進(jìn)行檢查。 由于目前使用的光纜井蓋多為球墨鑄鐵或者復(fù)合材質(zhì)，功能單一，易引發(fā)井蓋被盜、塌陷下沉，井蓋空缺導(dǎo)致人員跌墜，井蓋跌落井內(nèi)砸傷光纜設(shè)備，井蓋非法開(kāi)啟向井內(nèi)傾倒垃圾等問(wèn)題，給運(yùn)行維護(hù)帶來(lái)諸多困擾，影響人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。 除電力行業(yè)外，其他行業(yè)如供水、排水、供氣、通訊等也同樣面臨此類(lèi)問(wèn)題［5］。

為此，通過(guò)研制低成本、高可靠的智能光纜井蓋監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)光纜井蓋狀態(tài)、光纜井內(nèi)環(huán)境等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)光纜井蓋的安全管理，為地下光纜通道的精益化管理創(chuàng)造條件。

1 NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

研制基于NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、低成本與高可靠的智能光纜井蓋， 實(shí)現(xiàn)光纜井蓋狀態(tài)、 光纜井內(nèi)環(huán)境、光纜運(yùn)行狀態(tài)等信息實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)井蓋管理的信息化、智能化，提高光纜通道巡檢和故障查找效率，創(chuàng)新光纜通道和井蓋管理模式。

NB-IoT 窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)最初由華為與高通提出，2016 年6 月由3GPP 標(biāo)準(zhǔn)組凍結(jié)，是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域一個(gè)新興的技術(shù)。 NB-IOT 使用License 頻段（800 MHz 或 900 MHz）， 只消耗大約 180 kHz 的帶寬，可直接部署于GSM 網(wǎng)絡(luò)、UMTS 網(wǎng)絡(luò)或 LTE 網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。 目前國(guó)內(nèi)三大電信運(yùn)營(yíng)商均大力建設(shè)各自的NB-IoT 窄帶物聯(lián)網(wǎng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，其中電信已建成全國(guó)性商業(yè)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)［6-8］。

相比藍(lán)牙、ZigBee、433M 等物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，NB-IoT 具備四大特點(diǎn)［9-10］：一是覆蓋廣，在同樣的頻段下，NB-IoT 比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)增益20 dB，相當(dāng)于提升了100 倍覆蓋區(qū)域的能力； 二是具備支撐海量連接的能力，NB-IoT 一個(gè)扇區(qū)能夠支持10 萬(wàn)個(gè)連接，支持低延時(shí)敏感度、超低的設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)； 三是更低功耗，NB-IoT 終端模塊的待機(jī)時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)10 a；四是更低的模塊成本。

2 智能光纜井蓋監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 智能光纜井蓋監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能光纜井蓋的監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示，智能井蓋狀態(tài)、井內(nèi)環(huán)境、光纜運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)通過(guò)NB-IoT 窄帶物聯(lián)網(wǎng)接入國(guó)網(wǎng)云平臺(tái)， 運(yùn)行于國(guó)網(wǎng)云平臺(tái)的智能井蓋監(jiān)控管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能井蓋終端信息接入、存儲(chǔ)、分析，將實(shí)時(shí)預(yù)警在光纜井蓋智能監(jiān)控中心顯示， 并同步推送至運(yùn)維管理人員手機(jī)App 移動(dòng)終端。

2.2 NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)芯片和模組選型

開(kāi)展NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)芯片和模組選型調(diào)研，參考目前共享單車(chē)智能鎖主流芯片應(yīng)用情況， 選定了中興物聯(lián)ME3612 模組，該模組采用高通芯片，支持NB-IoT+eMTC+GSM 的多模方式通信， 集成了GPS+北斗導(dǎo)航功能，能提供豐富而便利的硬件與軟件開(kāi)發(fā)支持。

圖1 智能光纜井蓋監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)

在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中， 可以與電信運(yùn)營(yíng)商合作開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際NB-IoT 蜂窩信號(hào)測(cè)試，以驗(yàn)證信號(hào)是否覆蓋至邊遠(yuǎn)區(qū)域、水下、覆土下、室內(nèi)和地下室等，為智能光纜井蓋終端可靠通信提供依據(jù)。

2.3 智能光纜井蓋終端研制

由于光纜井蓋分布范圍廣，部分地處偏僻，智能井蓋終端工作環(huán)境非常惡劣，設(shè)計(jì)與研制的關(guān)鍵：一是整體低功耗設(shè)計(jì)，包括選擇低功耗CPU，設(shè)計(jì)低功耗控制電路，應(yīng)用低功耗傳感器，智能井蓋終端軟件采用正常休眠、異常喚醒的省電運(yùn)行模式設(shè)計(jì)等；二是防水防腐設(shè)計(jì)，智能井蓋終端安裝在井蓋背部，工作環(huán)境陰暗潮濕， 多雨季節(jié)甚至有可能浸泡在積水中， 而終端內(nèi)部集成有多種感應(yīng)靈敏的電子元器件以及電池等， 這對(duì)終端外殼的防水防腐性能提出較高要求，采用專(zhuān)業(yè)防水防腐設(shè)計(jì)，實(shí)施IP68 等級(jí)防水；三是可靠性設(shè)計(jì)，終端硬件（包括鋰電池）及軟件應(yīng)免維護(hù)，能在極端低溫和高溫下工作，軟件能遠(yuǎn)程自動(dòng)升級(jí)等；四是數(shù)據(jù)通信交互技術(shù)，智能井蓋接入光纜監(jiān)測(cè)終端采集的光纜接頭表面溫度、護(hù)層電流、局放預(yù)警等信息，通過(guò)NB-IoT 通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至國(guó)網(wǎng)云平臺(tái)服務(wù)器。

當(dāng)井蓋被打開(kāi)一定角度且未身份識(shí)別，或井蓋位置發(fā)生變化，或井內(nèi)水深超標(biāo)、溫濕度異常，或有煙霧、有異常聲響，或光纜及附件表面溫度異常、護(hù)層電流異常、局放預(yù)警時(shí)，采集信息上傳至云平臺(tái)智能井蓋監(jiān)控管理系統(tǒng)，云平臺(tái)服務(wù)器發(fā)出預(yù)警信號(hào)。

智能監(jiān)測(cè)終端結(jié)構(gòu)如下圖2 所示。

圖2 智能監(jiān)測(cè)終端結(jié)構(gòu)框圖

2.4 云平臺(tái)服務(wù)端功能開(kāi)發(fā)

基于云平臺(tái)的智能井蓋監(jiān)控管理系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)智能光纜井蓋信息接入、信息的圖形化顯示、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)查詢分析和預(yù)警， 實(shí)現(xiàn)光纜井蓋和事件管理的智能化、網(wǎng)絡(luò)化和空間可視化。

云平臺(tái)服務(wù)器具有以下主要功能模塊：

1）狀態(tài)信息顯示模塊。通過(guò)NB-IoT 實(shí)現(xiàn)智能井蓋終端采集信息的快速接入，GIS 地圖直接顯示異常地點(diǎn)，實(shí)時(shí)接收并圖形化顯示包括開(kāi)蓋身份識(shí)別，井蓋位置、開(kāi)合，井內(nèi)溫濕度、聲音、煙霧，光纜及附件表面溫度、護(hù)層電流、局放預(yù)警等各種數(shù)據(jù)信息。

2）終端信息查詢模塊。 對(duì)終端采集歷史信息進(jìn)行查詢和顯示，并進(jìn)行趨勢(shì)分析與圖表展示。

3）數(shù)據(jù)分析模塊。對(duì)接入數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纜井蓋狀態(tài)、光纜井內(nèi)光纜運(yùn)行狀態(tài)預(yù)判，能對(duì)非法打開(kāi)、移位，異常水位，異常聲響、煙霧，異常溫度，異常護(hù)層電流、局放預(yù)警等情況進(jìn)行預(yù)判，提供輔助決策，并提交分析報(bào)告。

4）告警管理模塊。告警消息自動(dòng)發(fā)送，及時(shí)對(duì)井蓋、井下、光纜等異常狀態(tài)信息發(fā)出報(bào)警。

5）配置管理模塊。包括所有終端的設(shè)置管理、人員權(quán)限管理、軟件升級(jí)管理等。

2.5 App移動(dòng)終端開(kāi)發(fā)

智能井蓋App 將對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、 預(yù)警信息及時(shí)推送至運(yùn)維管理人員， 從而智能井蓋的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，及時(shí)安排人員到現(xiàn)場(chǎng)處置，并將維修情況反饋至平臺(tái)， 提高了光纜通道巡檢和現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題處置的工作效率與管理水平。

智能井蓋App 移動(dòng)終端具有以下主要功能模塊：

1）狀態(tài)及預(yù)警信息顯示模塊。 GIS 地圖實(shí)時(shí)顯示所轄光纜通道井蓋狀態(tài)信息與預(yù)警信息位置，點(diǎn)擊顯示開(kāi)蓋身份識(shí)別，井蓋位置、開(kāi)合，井內(nèi)溫濕度、聲音、煙霧，光纜及附件表面溫度、護(hù)層電流、局放預(yù)警等井蓋狀態(tài)信息。

2）巡檢導(dǎo)航模塊。接收預(yù)警信息或巡檢任務(wù)后，選擇光纜通道或光纜井，實(shí)現(xiàn)巡檢導(dǎo)航功能。

3）終端信息查詢模塊。 對(duì)終端采集歷史信息進(jìn)行查詢和顯示，并進(jìn)行趨勢(shì)分析與圖表展示。

4）設(shè)備報(bào)裝模塊。采用掃碼錄入，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)設(shè)備基礎(chǔ)信息和安裝信息上傳與歸檔。

5）身份識(shí)別模塊。當(dāng)井蓋打開(kāi)超6°，啟動(dòng)身份識(shí)別，此時(shí)應(yīng)立即采用掃碼方式進(jìn)行身份識(shí)別，若未識(shí)別，則視為異常打開(kāi)發(fā)出預(yù)警信息。

3 應(yīng)用前景分析

根據(jù)國(guó)網(wǎng)公司光纜線路定期巡檢制度的有關(guān)要求，傳統(tǒng)的地下管道光纜人工巡檢每周應(yīng)不少于1～2 次，參照當(dāng)?shù)仄骄咳嗣啃r(shí)工作量的成本30 元為例，結(jié)合每次巡檢時(shí)間為6 h 來(lái)計(jì)算，節(jié)省的人力成本為（360÷7）×2×30×6，因此該系統(tǒng)投入使用后，預(yù)計(jì)每年大約節(jié)約人員及維護(hù)費(fèi)用1.8 萬(wàn)元。 同時(shí)提高了光纜通道巡檢和故障查找效率， 減輕了基層員工的工作壓力。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)基于NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能光纜井蓋監(jiān)控系統(tǒng)的研制，解決了低功耗、防水防腐、可靠性與數(shù)據(jù)通信交互的設(shè)計(jì)難題，實(shí)時(shí)采集井蓋傾角、定位，井內(nèi)水深，井內(nèi)溫濕度、煙霧與聲響，光纜表面溫度、護(hù)層電流、局放預(yù)警等井蓋狀態(tài)，將井內(nèi)環(huán)境與光纜運(yùn)行狀態(tài)信息上傳至云平臺(tái)服務(wù)器實(shí)時(shí)顯示、分析與預(yù)警。 利用智能井蓋App 終端， 實(shí)現(xiàn)井蓋狀態(tài)、井內(nèi)環(huán)境、光纜運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)感知和異常警報(bào)功能，使井蓋及光纜井管理信息化、智能化。 由于傳感器常受到外力等不可控因素的影響， 能否可靠采集終端數(shù)據(jù)， 是研發(fā)井蓋監(jiān)控系統(tǒng)需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題。