于顯浩，邱 偉，黃文龍，黃建榮，宋文志

（1．福建廈門(mén)抽水蓄能有限公司，福建省廈門(mén)市 361108；2．北京國(guó)電通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司，北京市 100070）

0 引言

面對(duì)電網(wǎng)傳統(tǒng)業(yè)務(wù)及智慧能源等新興業(yè)務(wù)，電網(wǎng)設(shè)備及客戶側(cè)感知、采集和監(jiān)控等需求日益增強(qiáng)，亟須構(gòu)建一套標(biāo)準(zhǔn)化、互動(dòng)化、智能化的物聯(lián)管理體系，以能實(shí)時(shí)感知各類設(shè)備及客戶側(cè)的海量運(yùn)行信息，并對(duì)傳感設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一接入管理，實(shí)現(xiàn)智慧物聯(lián)、深度感知、友好互動(dòng)的建設(shè)目標(biāo)[2]。隨著信息技術(shù)快速發(fā)展，抽水蓄能電站工程建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用已具有一定基礎(chǔ)，基建現(xiàn)場(chǎng)施工安全、施工質(zhì)量、施工進(jìn)度等業(yè)務(wù)管控過(guò)程中，產(chǎn)生大量的物聯(lián)感知設(shè)備，由于感知終端應(yīng)用及其廣泛，接口樣式繁多，無(wú)法集中管理。

未來(lái)的萬(wàn)物互聯(lián)的應(yīng)用服務(wù)程序需要一種新的計(jì)算模型替代傳統(tǒng)云計(jì)算模型，邊緣計(jì)算是一種在網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行計(jì)算任務(wù)的新型計(jì)算模型，因而較好地解決這些問(wèn)題[3]。本文以抽水蓄能電站基建項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)多類型物聯(lián)感知數(shù)據(jù)接入為背景，開(kāi)展廠站級(jí)物聯(lián)接入裝置及邊端計(jì)算系統(tǒng)研究，實(shí)現(xiàn)終端統(tǒng)一的管理，解決現(xiàn)場(chǎng)多類型物聯(lián)感知數(shù)據(jù)接入困擾，對(duì)抽水蓄能電站基建信息化建設(shè)具有重要的意義。

1 基建現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)感知設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)狀與接入需求

1.1 基建現(xiàn)場(chǎng)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)物聯(lián)感知終端梳理分析

本文通過(guò)對(duì)抽水蓄能電站現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)感知系統(tǒng)應(yīng)用調(diào)研收集，分析現(xiàn)場(chǎng)施工安全、施工質(zhì)量、施工進(jìn)度等業(yè)務(wù)領(lǐng)域中業(yè)務(wù)系統(tǒng)采用的設(shè)備及協(xié)議形成物聯(lián)系統(tǒng)建設(shè)表（見(jiàn)表1）。

表1 抽水蓄能電站物聯(lián)系統(tǒng)建設(shè)表Table 1 Construction table of IOT system of Pumped Storage Power Station

1.2 基建現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)感知終端接入目標(biāo)與意義

1.2.1 提升邊緣計(jì)算能力，賦能基建管理

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)感知終端接入與管理，利用邊端側(cè)物聯(lián)代理裝置的網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)等能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)感知終端數(shù)據(jù)處理。通過(guò)邊緣物聯(lián)代理就地分析處理能力，重點(diǎn)解決占用資源大和實(shí)時(shí)性要求高視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)的智能分析，實(shí)現(xiàn)基建現(xiàn)場(chǎng)人臉識(shí)別、安全帽識(shí)別、著裝監(jiān)測(cè)、煙火監(jiān)測(cè)等功能，通過(guò)邊端側(cè)服務(wù)，將處理提取后的主要特征信息上傳統(tǒng)一物聯(lián)管理中心系統(tǒng)，有效減輕集中數(shù)據(jù)處理的負(fù)擔(dān)，提高處理時(shí)效，發(fā)揮數(shù)據(jù)的價(jià)值，為廠站側(cè)的管理提供輔助決策，賦能抽水蓄能基建管理。

1.2.2 統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)，提升接入管理能力

利用邊緣物聯(lián)代理裝置實(shí)現(xiàn)廠站側(cè)通信協(xié)議的全覆蓋，包括網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、RS485通訊模塊、模擬量輸入模塊，支持4G、NB-IoT、LoRa、ZigBee等低功耗物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，全面實(shí)現(xiàn)各類物聯(lián)終端的泛在連接，現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)感知設(shè)備借助邊緣物聯(lián)代理裝置接口標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)與物聯(lián)管理中心系統(tǒng)的連接，實(shí)現(xiàn)基建現(xiàn)場(chǎng)多類型物聯(lián)終端設(shè)備統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)接入。

1.2.3 加強(qiáng)安全防護(hù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接入

基建現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)感知終端設(shè)備類型多、標(biāo)準(zhǔn)不一，在安全防護(hù)設(shè)計(jì)方面更是缺乏設(shè)計(jì)。邊緣物聯(lián)代理裝置安全接入則統(tǒng)一采用專用的安全協(xié)議規(guī)范來(lái)實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)，包括終端接入前的密鑰協(xié)商以及終端接入后的通信過(guò)程中通過(guò)硬件加密卡進(jìn)行加解密，有效保證接入終端安全合規(guī)性及數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ腊踩?。同時(shí)，邊緣物聯(lián)代理裝置按照安全接入要求，采用經(jīng)過(guò)安全加固的無(wú)線終端，通過(guò)安全接入平臺(tái)的終端接入認(rèn)證、傳輸通道加密、業(yè)務(wù)訪問(wèn)控制等安全防護(hù)措施，可將基建現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)終端數(shù)據(jù)信息接入信息內(nèi)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)環(huán)境下安全、可靠、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。

2 基建現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)感知接入技術(shù)方案

2.1 基于邊端側(cè)物聯(lián)代理的傳感器接入方案

隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不斷展開(kāi)，大量移動(dòng)終端設(shè)備參與服務(wù)計(jì)算，傳統(tǒng)的云計(jì)算模型已經(jīng)不能滿足網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速度，邊緣計(jì)算模型應(yīng)運(yùn)而生，并成為近幾年的研究熱點(diǎn)[4]。抽水蓄能電站基建現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)感知設(shè)備面臨數(shù)量繁多，各感知設(shè)備存在非標(biāo)接口現(xiàn)象，各類型終端設(shè)備接口不一導(dǎo)致接入較難且工作量較大，為避免各類接口不一問(wèn)題，本文提出采用邊端側(cè)物聯(lián)代理裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)感知設(shè)備接入，解決現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)傳感接入難問(wèn)題。

如圖1所示，邊緣物聯(lián)代理裝置是建立在網(wǎng)絡(luò)層之上的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，是連接各物聯(lián)傳感器設(shè)備與統(tǒng)一物聯(lián)管理中心系統(tǒng)的橋梁[5]。通過(guò)邊緣物聯(lián)代理裝置提前建立各類傳感器資源，并形成統(tǒng)一接入標(biāo)準(zhǔn)，借助其對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳感設(shè)備進(jìn)行接入，可最大化降低現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)接入管理難題，降低實(shí)施接入工作量，滿足基建現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)傳感設(shè)備統(tǒng)一接入需求。

圖1 物聯(lián)傳感接入結(jié)構(gòu)圖Figure 1 IOT sensor access structure diagram

2.2 基建現(xiàn)場(chǎng)邊端側(cè)物聯(lián)代理應(yīng)用部署方案

如圖2所示，邊緣代理裝置是連接現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)傳感器網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)代理中心系統(tǒng)接入與控制設(shè)備，傳感器收集的數(shù)據(jù)通過(guò)邊緣代理裝進(jìn)行互聯(lián)互通，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)發(fā)[6]。邊端側(cè)物聯(lián)代理裝置是連接現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)傳感器網(wǎng)絡(luò)與統(tǒng)一物聯(lián)管理系統(tǒng)中心接入與控制設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)傳感器收集的數(shù)據(jù)通過(guò)邊端側(cè)物聯(lián)代理裝置實(shí)現(xiàn)與統(tǒng)一物聯(lián)管理系統(tǒng)中心連接，并實(shí)現(xiàn)對(duì)統(tǒng)一物聯(lián)管理系統(tǒng)中心數(shù)據(jù)上報(bào)與處理。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)部署圖Figure 2 Site deployment diagram

2.3 邊端側(cè)物聯(lián)代理裝置硬件模塊設(shè)計(jì)

邊緣物聯(lián)代理裝置設(shè)計(jì)方案參照公司智慧物聯(lián)體系的整體框架，針對(duì)抽水蓄能電站基建業(yè)務(wù)特點(diǎn)研發(fā)面向施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的邊緣物聯(lián)代理裝置，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)感知終端的數(shù)據(jù)接入、邊緣計(jì)算、數(shù)據(jù)上傳到上級(jí)管理平臺(tái)和區(qū)域自治服務(wù)等功能于一體的軟硬件系統(tǒng)。該邊緣物聯(lián)代理要能夠適應(yīng)基建現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境條件，尤其是工程存在的網(wǎng)絡(luò)條件差、供電條件差、工作地點(diǎn)不固定的情況。邊緣物聯(lián)代理裝置為適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)各類通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)（例如：WiFi、ZigBee、Lora、RS485等）傳感器接入；邊緣物聯(lián)代理裝置的系統(tǒng)硬件架構(gòu)必須靈活多變以適應(yīng)各種復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。圖3為邊緣物聯(lián)代理裝置硬件結(jié)構(gòu)。

圖3 邊緣物聯(lián)代理裝置硬件結(jié)構(gòu)圖Figure 3 Hardware structure diagram of edge IOT agent device

2.4 邊端側(cè)物聯(lián)代理功能設(shè)計(jì)

邊緣物聯(lián)代理軟件架構(gòu)主要參考《國(guó)家電網(wǎng)有限公司可信邊緣計(jì)算框架技術(shù)白皮書(shū)》的架構(gòu)要求，在其要求基礎(chǔ)上針對(duì)嵌入式環(huán)境作了針對(duì)性調(diào)整。邊緣物聯(lián)代理架構(gòu)主要包含：設(shè)備接入層、基礎(chǔ)服務(wù)層、支持服務(wù)層、邊緣應(yīng)用層、對(duì)外交互層（見(jiàn)圖4）。

圖4 功能架構(gòu)圖Figure 4 Functional architecture diagram

2.4.1 設(shè)備接入層

設(shè)備接入層主要作用是數(shù)據(jù)接入，通過(guò)不同種類的硬件通訊接口接入各類傳感器設(shè)備，采集數(shù)據(jù)。根據(jù)具體傳感器協(xié)議接口類型進(jìn)行劃分，如表2所示。

表2 傳感器協(xié)議接口類型劃分表Table 2 StationSensor protocol interface type division table

每種協(xié)議模塊針對(duì)該協(xié)議類型實(shí)現(xiàn)一個(gè)通用通訊協(xié)議框架，用于采集不同種類設(shè)備的數(shù)據(jù)。比如RS485實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于RS485接口的通用通訊協(xié)議，例如MODBUS協(xié)議，要求接入的設(shè)備必須符合該協(xié)議，否則屬于定制性開(kāi)發(fā)。

設(shè)備接入層支持第三方應(yīng)用部署，不同應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)接入?yún)f(xié)議，極大提升邊緣物聯(lián)代理設(shè)備的可擴(kuò)展性。同時(shí)可配合上層平臺(tái)，提供Docker應(yīng)用下載、部署、管理等功能。

2.4.2 基礎(chǔ)服務(wù)層

基礎(chǔ)服務(wù)層包含設(shè)備控制、應(yīng)用升級(jí)、數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等基礎(chǔ)模塊。

設(shè)備控制。提供界面和API，可對(duì)邊緣物聯(lián)代理設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)配置管理。支持參數(shù)設(shè)置功能，平臺(tái)可通過(guò)該功能改變邊緣物聯(lián)代理工作狀態(tài)，如設(shè)置IP地址等。用戶可通過(guò)訪問(wèn)邊緣物聯(lián)代理的界面，查詢狀態(tài)，更改配置。

應(yīng)用升級(jí)。提供軟件在線升級(jí)功能。

數(shù)據(jù)緩存。將數(shù)據(jù)分析處理后的數(shù)據(jù)緩存到本地，最多支持3天存儲(chǔ)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境決定是否啟用該功能，如果網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較差，數(shù)據(jù)無(wú)法上傳平臺(tái)，啟用該功能，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境恢復(fù)后，關(guān)閉該功能，數(shù)據(jù)直接上傳。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。提供本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)?？捎糜诖鎯?chǔ)軟件參數(shù)、配置參數(shù)等信息，或者存儲(chǔ)數(shù)據(jù)解析結(jié)果等。

2.4.3 支撐服務(wù)層

支撐服務(wù)層提供視頻AI服務(wù)、AI模型管理服務(wù)、數(shù)據(jù)解析服務(wù)、數(shù)據(jù)計(jì)算服務(wù)等。

視頻AI服務(wù)。對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行AI智能解析，將視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。默認(rèn)搭載的AI智能分析算法為山火檢測(cè)、工程作業(yè)車輛檢測(cè)。

AI模型管理服務(wù)。用于管理AI算法模型和NPU加速硬件，初始化NPU硬件，對(duì)NPU硬件負(fù)載做均衡，載入、調(diào)度AI算法，實(shí)現(xiàn)算法可替換性。

數(shù)據(jù)解析服務(wù)。提供兩種主要功能：將傳感器設(shè)備等原始數(shù)據(jù)解析成數(shù)值數(shù)據(jù)，將視頻流解析成圖像幀。數(shù)據(jù)解析服務(wù)利用邊緣物聯(lián)代理網(wǎng)關(guān)自帶的硬件加速數(shù)據(jù)解析速度，可極大降低CPU的占用率，比如利用硬件解碼芯片對(duì)視頻H.264解碼。

數(shù)據(jù)計(jì)算服務(wù)。對(duì)數(shù)值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，包括傳感器數(shù)據(jù)分析過(guò)濾、濾波等。

2.4.4 邊緣應(yīng)用層

邊緣應(yīng)用層用于部署各類業(yè)務(wù)應(yīng)用。默認(rèn)自帶應(yīng)用是山火和工程車輛檢測(cè)應(yīng)用。

邊緣業(yè)務(wù)層基于設(shè)備接入層、基礎(chǔ)服務(wù)層、支持服務(wù)層提供的核心功能，開(kāi)發(fā)業(yè)務(wù)應(yīng)用。比如基于山火檢測(cè)等AI服務(wù)，開(kāi)發(fā)警報(bào)上傳、告警記錄等業(yè)務(wù)應(yīng)用，基于溫度傳感器接入服務(wù)，開(kāi)發(fā)高溫告警、溫度預(yù)測(cè)等業(yè)務(wù)應(yīng)用。

邊緣應(yīng)用層支持第三方應(yīng)用部署，不同應(yīng)用可以各自業(yè)務(wù)功能，極大提升邊緣物聯(lián)代理設(shè)備的功能可擴(kuò)展性。同時(shí)可配合上層平臺(tái)，提供Docker應(yīng)用下載、部署、管理等功能。

2.4.5 對(duì)外交互層

對(duì)外交互層負(fù)責(zé)提供對(duì)外對(duì)接功能，包括MQTT通訊協(xié)議、多端發(fā)送、數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)安全加密等模塊。

3 基建現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)感知設(shè)備接入應(yīng)用情況

通過(guò)選取現(xiàn)場(chǎng)部分視頻監(jiān)控終端設(shè)備進(jìn)行接入，進(jìn)一步論證了通過(guò)邊緣物聯(lián)代理裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)傳感設(shè)備接入與管理，邊緣代理設(shè)備及末端感知設(shè)備的在線、離線心跳狀態(tài)，點(diǎn)擊邊緣設(shè)備、切換相關(guān)聯(lián)的末端感知設(shè)備論證現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)應(yīng)用進(jìn)行深化應(yīng)用，如圖5所示。

圖5 邊緣代理設(shè)備管理Figure 5 Edge agent device management

同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析。如圖6所示，對(duì)接入設(shè)備數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（包括：各工程總?cè)藬?shù)、未佩戴安全帽人數(shù)、佩戴安全帽人數(shù)柱形圖統(tǒng)計(jì)等）。與現(xiàn)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行連接，達(dá)到在營(yíng)地辦公樓、應(yīng)急中心、各管理項(xiàng)目部能夠?qū)崟r(shí)查看施工現(xiàn)場(chǎng)的影像，并且能夠形成區(qū)域集中化管理，精準(zhǔn)完成對(duì)高清攝像機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制操作、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、OCR識(shí)別、畫(huà)面捕捉等多元化應(yīng)用，為未來(lái)的其他系統(tǒng)、傳感器以及硬件設(shè)備上的接入提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

圖6 基建現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)接入應(yīng)用Figure 6 Infrastructure site IOT access application

4 結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）是近幾年來(lái)興起的一種大規(guī)模虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它通過(guò)各種接入技術(shù)實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)，進(jìn)而完成信息匯聚與交互[7]。抽水蓄能電站工程建設(shè)正處于快速發(fā)展時(shí)期，物聯(lián)網(wǎng)成熟技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)成為企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、數(shù)字新基建必經(jīng)之路，現(xiàn)場(chǎng)將有大量的物聯(lián)感知設(shè)備需要進(jìn)行統(tǒng)一接入與管理，并通過(guò)邊端側(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理技術(shù)、分布式泛可擴(kuò)展的實(shí)時(shí)智能分析能力，支持各類應(yīng)用功能，最終實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)感知采集數(shù)據(jù)加工與分析[8]。因此，本文研究提出的基建現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)感知設(shè)備借助邊緣物聯(lián)代理裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入管理方案，可有效提升電站物聯(lián)管理能力，解決抽水蓄能電站基建現(xiàn)場(chǎng)物聯(lián)感知設(shè)備通信接口標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)價(jià)值挖掘不夠充分、安全防護(hù)能力薄弱等管理難題。