韓建偉，鄭立中，鄭逸非，周翔宇，張李明

（1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司建設(shè)分公司，安徽合肥 230022；2.安徽電力工程監(jiān)理有限公司，安徽合肥 230022）

電網(wǎng)大型設(shè)備（變壓器、組合電器）體積、重量大，在運(yùn)輸過程中極易因慣性而發(fā)生振動(dòng)、沖撞以及加速度、傾斜度變化等情況，對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)造成影響，由此帶來性能與安全隱患[1]。如設(shè)備采取充油、充氣運(yùn)輸，一旦途中發(fā)生泄漏，則后果將更加嚴(yán)重。目前，變壓器、組合電器的運(yùn)輸一般由專業(yè)運(yùn)輸公司承運(yùn)。在運(yùn)輸過程中，雖然部分物流公司可提供近期運(yùn)輸車輛的追蹤信息，但業(yè)主、監(jiān)理、施工及廠家對(duì)設(shè)備狀態(tài)均無法及時(shí)獲悉，待運(yùn)輸任務(wù)完成后才能確認(rèn)產(chǎn)品的完整情況[2]。

目前，針對(duì)電網(wǎng)大型設(shè)備運(yùn)輸狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究較少，結(jié)合電網(wǎng)大型設(shè)備監(jiān)造工作經(jīng)驗(yàn)與設(shè)備運(yùn)輸、驗(yàn)收的現(xiàn)狀，研究開發(fā)了一種功能可靠、安裝使用簡(jiǎn)便的檢測(cè)工具或儀器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大型設(shè)備的運(yùn)輸狀態(tài)，保證設(shè)備運(yùn)輸過程風(fēng)險(xiǎn)可控、在控。該工具對(duì)于施工單位接收時(shí)出現(xiàn)問題的原因能夠合理追溯，可以填補(bǔ)目前設(shè)備制造完成出廠到施工現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收之間的監(jiān)管空白，進(jìn)一步保障電網(wǎng)設(shè)備質(zhì)量安全[3]。同時(shí)，通過信息采集、異常報(bào)警、在線監(jiān)控等手段，將設(shè)備運(yùn)輸狀態(tài)按照物聯(lián)網(wǎng)模式進(jìn)行管理，打造全網(wǎng)泛在互聯(lián)的智慧拼圖[4]。

1 系統(tǒng)模型構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)模塊組成

如圖1 所示，整個(gè)智能監(jiān)控系統(tǒng)分為物聯(lián)網(wǎng)終端（前端車載監(jiān)控系統(tǒng)）、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)（通訊線路）、安全監(jiān)管應(yīng)用（智能車載監(jiān)控后臺(tái)）3 個(gè)部分。

圖1 集成車載4G智能監(jiān)控系統(tǒng)模型示意圖

1）前端車載監(jiān)控系統(tǒng)：包括各種攝像設(shè)備、拾音器、報(bào)警按鈕、多功能調(diào)度屏、語音對(duì)講設(shè)備、北斗等。

2）通訊線路：包含前端移動(dòng)傳輸4G 與后臺(tái)指揮中心以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。

3）智能車載監(jiān)控后臺(tái)：使用無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)各類車輛進(jìn)行集中管理與監(jiān)控的系統(tǒng)。該后臺(tái)通過收集運(yùn)輸過程中的視頻、音頻及碰撞數(shù)據(jù)等來識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)，為用戶提供設(shè)備狀態(tài)信息，必要時(shí)可實(shí)現(xiàn)預(yù)警，可以實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控、車輛歷史行駛軌跡回放、車輛區(qū)域管理、查看報(bào)警信息等可視化決策[5]。

1.2 運(yùn)輸運(yùn)動(dòng)模型

基于WindowsCE 操作系統(tǒng)的電網(wǎng)大型設(shè)備運(yùn)輸狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型的構(gòu)建使用參數(shù)識(shí)別的方法進(jìn)行[6]，即首先尋找歷史數(shù)據(jù)和未來數(shù)據(jù)的規(guī)律，以及其與時(shí)間的關(guān)系。

電力變壓器運(yùn)輸車輛的運(yùn)動(dòng)參數(shù)受多種因素的影響，其中既有車輛本身性能的影響，又有車輛運(yùn)輸路線上的環(huán)境因素及行駛質(zhì)量等[7]的影響。在實(shí)際運(yùn)輸中，加速度一旦超限，則應(yīng)立即采取相應(yīng)措施，降低加速度并進(jìn)行加固等措施。此時(shí)，控制獲取的加速度是測(cè)量并經(jīng)過濾波得到的，帶有一定的時(shí)間延后。運(yùn)輸環(huán)境、路線等因素的不確定性決定了變壓器運(yùn)輸?shù)募铀俣仁且唤M隨機(jī)的時(shí)間序列。在實(shí)際運(yùn)輸過程中，僅通過測(cè)量使用這一延后的加速度來控制調(diào)節(jié)，顯然是不夠的[8]。

文中通過研究歷史加速度與未來加速度之間的關(guān)系，采用一種線性擬合的算法預(yù)測(cè)加速度，以預(yù)測(cè)代替測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)提前執(zhí)行相應(yīng)控制。

線性預(yù)測(cè)是指利用一組隨機(jī)數(shù)據(jù)建立其與時(shí)間的關(guān)系，進(jìn)而建立輸入數(shù)據(jù)與輸出數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)模型[9-10]。

運(yùn)行模型是已發(fā)生輸出x()n 的線性組合，可以用式（1）進(jìn)行表示：

上式中，n 為運(yùn)行模型的階數(shù)，ai為待識(shí)別變量。

利用最小二乘法對(duì)參數(shù)ai進(jìn)行預(yù)測(cè)(i=1,2,…,n)，定義ai的估計(jì)值為，輸出估計(jì)值為式（2）：

1.3 數(shù)據(jù)需求

該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源包含但不局限于傳感器、監(jiān)控視頻、音頻等電力設(shè)備車載運(yùn)輸狀態(tài)信息的相關(guān)數(shù)據(jù)[11-13]，如表1 所示。

表1 電力設(shè)備狀態(tài)信息相關(guān)數(shù)據(jù)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分如圖2 所示，其中包括CPU、GPRS、ARM 微處理器、三維沖撞數(shù)據(jù)采集、GPS 全球定位系統(tǒng)、溫度/濕度采集、音頻/視頻數(shù)據(jù)采集、壓力數(shù)據(jù)采集及無線傳輸模塊。

圖2 系統(tǒng)硬件構(gòu)建

1）ARM 微處理器

ARM 微處理器是一種低耗能終端，可以在一個(gè)周期內(nèi)完成數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)等流程，可同時(shí)完成數(shù)據(jù)處理和移位，提高運(yùn)行效率。

2）三維沖撞數(shù)據(jù)采集

三維沖撞數(shù)據(jù)采集模塊主要針對(duì)運(yùn)輸過程的沖撞信息進(jìn)行記錄，并帶有時(shí)間數(shù)據(jù)[14]。

3）GPS 全球定位系統(tǒng)

GPS 全球定位基于GPRS 與INTERNET 通訊網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)，以B/S 或C/S 技術(shù)為依托，固定地址接入，處理來自終端的各種設(shè)備信息[15]。

4）溫度/濕度采集

為使PLC 實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度信號(hào)的數(shù)字化處理與自動(dòng)控制，使用熱電阻式溫度計(jì)的溫度模擬輸入單元。將各種溫度計(jì)轉(zhuǎn)換出的模擬信號(hào)在用戶任意設(shè)置的量程內(nèi)線性轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并按工程單位重新標(biāo)定為百分比型數(shù)據(jù)后，保存到PLC 相應(yīng)的存儲(chǔ)字內(nèi)。

5）音頻/視頻數(shù)據(jù)采集

視頻、音頻信息的采集需采用專門的采集芯片，處理器不參與采集過程?？梢詫?shí)現(xiàn)不占用內(nèi)存空間的實(shí)時(shí)采集，適應(yīng)大型設(shè)備運(yùn)輸?shù)奶厥馇闆r采集[16]。

6）壓力數(shù)據(jù)采集

壓力數(shù)據(jù)采集方面主要通過空氣壓力自動(dòng)產(chǎn)生系統(tǒng)、電動(dòng)液壓壓力發(fā)生系統(tǒng)來調(diào)整，收集后統(tǒng)一送至無線傳輸模塊。

7）無線傳輸模塊

無線傳輸模塊是一種基于無線通訊終端進(jìn)行信息數(shù)據(jù)上傳的平臺(tái)，結(jié)合移動(dòng)通信的短消息業(yè)務(wù)，為大型設(shè)備運(yùn)行中的設(shè)備信息提供傳輸通道。

3 系統(tǒng)軟件分析

3.1 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)整體軟件架構(gòu)以分層處理結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，主要包括實(shí)時(shí)內(nèi)核、接口層、驅(qū)動(dòng)層、協(xié)議層與應(yīng)用層。

實(shí)時(shí)內(nèi)核的作用是對(duì)系統(tǒng)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，并負(fù)責(zé)延時(shí)處理、任務(wù)通信與系統(tǒng)的內(nèi)存管理等工作。無論是任務(wù)調(diào)度，還是任務(wù)通信，對(duì)于系統(tǒng)的運(yùn)行情況均具有直接影響。因此，實(shí)時(shí)內(nèi)核部分也是系統(tǒng)調(diào)度的核心，應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中的所需任務(wù)。

協(xié)議層主要負(fù)責(zé)對(duì)嵌入式系統(tǒng)的通信協(xié)議進(jìn)行管理，對(duì)信息通信過程中的協(xié)議進(jìn)行解析。系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)層主要負(fù)責(zé)為相關(guān)接口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)工作，以保證下層接口的有效性。

3.2 應(yīng)用軟件

電網(wǎng)大型設(shè)備運(yùn)輸狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)研究分為WEB 端、APP 端，共涉及運(yùn)輸信息、參數(shù)曲線、視頻監(jiān)控、后臺(tái)管理4 個(gè)業(yè)務(wù)域，共有30 個(gè)一級(jí)業(yè)務(wù)子域。

4 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)與分析

在仿真實(shí)驗(yàn)中，首先，根據(jù)車載終端嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的硬件開發(fā)環(huán)境選擇微軟WindowsCE 操作系統(tǒng)，采用Embedddcd VC++4.0 系統(tǒng)開發(fā)工具。其次，整個(gè)實(shí)驗(yàn)考慮到軟件設(shè)計(jì)的可靠性，對(duì)于車載終端的平均無故障工作時(shí)間（MTBF）要求不低于3 000 h。終端嵌入式電源參數(shù)及各項(xiàng)指標(biāo)要求如表2 所示。

車載終端嵌入式系統(tǒng)軟件基于以上設(shè)定，在系統(tǒng)軟件中，首先，需要提供監(jiān)控信息，主要包括設(shè)備實(shí)時(shí)采集的關(guān)鍵運(yùn)輸參數(shù)，如設(shè)備的雙軸傾角、車輛運(yùn)輸速度、設(shè)備沖擊振動(dòng)等；其次，應(yīng)提供大型電力設(shè)備運(yùn)輸途中的在線監(jiān)測(cè)和控制能力，確保及時(shí)識(shí)別運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)預(yù)防事故發(fā)生。通過可視化設(shè)計(jì)可以看到行車路徑的歷史回放結(jié)果。

表2 電源參數(shù)及各項(xiàng)指標(biāo)要求

通過系統(tǒng)可視結(jié)果可知，該系統(tǒng)可以較優(yōu)地用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大型電力設(shè)備運(yùn)輸過程中，對(duì)設(shè)備運(yùn)輸?shù)倪M(jìn)度、速度、狀態(tài)、操作合規(guī)性等涉及到運(yùn)輸質(zhì)量安全的信息均可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及綜合預(yù)警。

5 結(jié)束語

文中通過在貨運(yùn)車輛上安裝車載監(jiān)控系統(tǒng)，有效解決了大型電力設(shè)備車載運(yùn)輸在移動(dòng)狀態(tài)下數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)與分析、自動(dòng)預(yù)警、實(shí)時(shí)傳輸，并實(shí)現(xiàn)相關(guān)軟硬件的配套。借助4G 無線監(jiān)控系統(tǒng)，管理人員能夠通過計(jì)算機(jī)或手機(jī)實(shí)時(shí)了解車載設(shè)備的地理位置、運(yùn)輸狀態(tài)，全方位提高電網(wǎng)大型設(shè)備運(yùn)輸狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)能力。