湖南五凌電力工程有限公司、湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心 喻勇麗 何亞文 王仁權(quán) 羅周維 李奇艷 胡麗芳

上海一亞信息技術(shù)有限公司 余濤

水力發(fā)電作為一種綠色可再生能源，已經(jīng)在我國得到了廣泛的開發(fā)和利用。截至2020年底，我國水電裝機容量已經(jīng)達到3.7億千瓦。當(dāng)前，水電項目已經(jīng)成為我國電力系統(tǒng)的重要組成部分，但大部分中小型水電廠分布在十分偏遠的地區(qū)，布局比較零散。而隨著水電項目的不斷整合與行業(yè)改革的持續(xù)推進，現(xiàn)在我國已經(jīng)開始實行流域水電廠群管控模式和專業(yè)化電站檢修服務(wù)業(yè)務(wù)模式。水電廠的運營和檢修業(yè)務(wù)，一般統(tǒng)一由專業(yè)的電力工程公司或團隊來負(fù)責(zé)，此舉較好地解決了單一水電廠在設(shè)備檢修維護方面缺乏專業(yè)技術(shù)人員的問題。

當(dāng)前，業(yè)界已經(jīng)開展了一些對水電運維檢修作業(yè)進行智慧管理的模式探索，主要是檢修項目管理。但對水電廠檢修作業(yè)中涉及的大量試驗儀器，則缺乏專項管控。

水電廠檢修作業(yè)用到的試驗儀器一般具有以下特點：價格昂貴、種類繁多、對操作人員的專業(yè)水平要求高，有時候甚至需要得到授權(quán)才能使用，對試驗儀器還要進行定期檢定和校準(zhǔn)。同時，它還不同于其他行業(yè)的試驗儀器基本固定在某個位置，而是具有服務(wù)區(qū)域分散、流動性很強、廣域服務(wù)的特點。

圖1試驗儀器智能管控系統(tǒng)硬件架構(gòu)

現(xiàn)存問題和需求

傳統(tǒng)水電廠試驗儀器管理存在以下幾方面局限性：

庫房管理方面

（1）傳統(tǒng)上存放試驗儀器的庫房通常是儲物間，使用通用貨架或者密集架來存放，試驗儀器的大小不標(biāo)準(zhǔn)、存放位置不固定，并且在大部分情況下，都是依靠庫房管理員進行人工出庫、入庫和手工登記，難以有效避免亂發(fā)、難找、誤拿及丟失的情況發(fā)生。

（2）倉庫環(huán)境溫濕度狀態(tài)得不到監(jiān)控，無法進行自動調(diào)節(jié)，過高的溫濕度會對試驗儀器設(shè)備造成損害，試驗人員如使用損壞的儀器設(shè)備開展作業(yè)，就會造成一定的安全隱患。

（3）在共享集成方面，有些水電廠有自己的試驗儀器庫房，而這些庫房都是各自獨立的，沒有形成統(tǒng)一管理的集群，儀器的有無、狀態(tài)好壞、是否在使用……這些信息都沒有被共享，處于信息孤島狀態(tài)。

使用管理方面

一臺試驗儀器，要經(jīng)常被運到多座水電廠進行現(xiàn)場使用，什么時候出庫？到哪里去？執(zhí)行什么任務(wù)？需要多長時間？由誰來負(fù)責(zé)？這些信息都沒有被完整地記錄下來，而且即使有記錄，也只是借助Excel表格進行簡單地記錄，對儀器的使用狀態(tài)和位置缺乏準(zhǔn)確和實時了解，不能及時掌握試驗儀器的現(xiàn)場狀況，也無法開展行之有效的協(xié)同管理，當(dāng)然也無法提高試驗儀器的使用效率。

儀器合規(guī)方面

水電廠試驗儀器的使用，大多需要按周期進行檢定和校準(zhǔn)。一部分試驗儀器的檢定和校準(zhǔn)工作可以在內(nèi)部完成，一部分還需要借助外部力量完成。現(xiàn)在需要人工記錄檢定和校準(zhǔn)周期，以及下一輪的工作時間，無法做到及時提醒和預(yù)警，也無法保證試驗儀器本身的合規(guī)。

試驗儀器的使用具有很強的專業(yè)性。操作人員需要進行培訓(xùn)后才能上崗，因此，需要進行試驗儀器使用前的檢查，必須確認(rèn)操作人員具備相應(yīng)的資質(zhì)。但在現(xiàn)實中，很多單位并沒有進行儀器使用的合規(guī)性檢查。

為了在試驗儀器共享利用的前提下，更好地滿足用戶和管理員的功能需求，并且客觀科學(xué)地開展試驗儀器的效益評價，本文著重從平臺總體設(shè)計及功能實現(xiàn)上探討了基于PC端和移動設(shè)備端混合結(jié)構(gòu)、集成4G/5G和無線射頻識別的水電廠試驗儀器智能共享與評價系統(tǒng)的建設(shè)。

圖2試驗儀器智能管控系統(tǒng)軟件功能圖

試驗儀器智能管控系統(tǒng)的整體設(shè)計

按照穩(wěn)定性、安全性、適時性、實用性、易用性等原則對整個試驗儀器智能管控系統(tǒng)進行設(shè)計。

硬件總體架構(gòu)

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)定義和設(shè)備資產(chǎn)管理領(lǐng)域的實際情況，管理方案將根據(jù)功能劃分為三層，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由RFID無源抗金屬標(biāo)簽、RFID讀寫器、天線組、智能超高頻手持終端、高清視頻攝像頭、溫濕度傳感器和內(nèi)置藍牙控制電源裝置等設(shè)備組成RFID智慧貨架管理及智能管控系統(tǒng)。

軟件應(yīng)用架構(gòu)

軟件系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，分別用于PC端和移動設(shè)備端，軟件功能分為儀器資產(chǎn)管理、智慧貨架管理、報表查詢管理、位置管理、移動APP應(yīng)用和系統(tǒng)管理六大功能模塊。功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)功能模塊及運行模式

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧倉庫管理

試驗儀器的庫房管理智能化，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行實現(xiàn)。系統(tǒng)包括感知采集設(shè)備、數(shù)據(jù)處理模塊、貨架管理模塊和可視化模塊。

感知采集設(shè)備包括RFID讀寫器、饋線、磁吸附RFID天線和無源柔性RFID抗金屬標(biāo)簽；感知采集設(shè)備部署在貨架主體上，通過RFID讀寫器感知附著在試驗儀器上的RFID標(biāo)簽，采集實物的關(guān)鍵信息，并傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊。

例如，一排貨架由4組貨架組成，每組有4層，在貨架的頂上安裝一臺16通道RFID讀寫器，每組貨架的層板上安裝一個RFID天線，通過饋線連接至RFID讀寫器。

RFID抗金屬標(biāo)簽粘貼于試驗儀器外殼上，用于標(biāo)識試驗儀器的關(guān)鍵信息數(shù)據(jù)，具體包括試驗儀器的名稱、型號、編碼、類別、批次、數(shù)量、RFID讀寫器及RFID天線編號。通過調(diào)節(jié)RFID讀寫器功率和RFID天線的安裝位置來適應(yīng)不同的貨架層高，從而實現(xiàn)RFID信號的全覆蓋，并且相鄰貨位間的信號不會相互干擾。RFID讀寫器采用RFID天線輪流讀取的方法對每層貨架進行掃描。

數(shù)據(jù)處理模塊包括RFID中間件和試驗儀器定位引擎，RFID中間件對采集的數(shù)據(jù)進行過濾、篩選、加工、整合，試驗儀器定位引擎得出儀器所在的層數(shù)和具體區(qū)域。

貨架管理模塊用于提供試驗儀器的盤點、位置查詢、出入庫管理和配置服務(wù)。

可視化模塊用于顯示各個區(qū)域現(xiàn)有的試驗儀器及在貨架主體中的具體層數(shù)和位置。

溫濕度監(jiān)控

在庫房內(nèi)，利用Zigbee技術(shù)進行無線組網(wǎng)，連接高精度溫濕度檢測和報警設(shè)備，實現(xiàn)庫房溫濕度自動測量、報警。再將溫濕度數(shù)據(jù)自動送入空調(diào)的電源開關(guān)控制模塊，從而實現(xiàn)溫濕度的自動調(diào)控。

智慧授權(quán)管理

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研發(fā)設(shè)計一種藍牙電源開關(guān)裝置，安裝在試驗儀器的電源插座中。結(jié)合開發(fā)的手機應(yīng)用軟件，遙控藍牙供電開關(guān)，實現(xiàn)試驗儀器的遠程授權(quán)觀看。通過智慧授權(quán)管理，保證具有合格資質(zhì)的人員才能開機操作使用。

遠程定位管理

基于高德地圖GPS定位的SDK接口，結(jié)合RFID識別技術(shù)，采用HbuilderX開發(fā)工具，研發(fā)HTML5+APP軟件模塊，通過掃描感應(yīng)儀器設(shè)備上的RFID電子標(biāo)簽或二維碼標(biāo)識，實時獲取該臺設(shè)備的編碼、名稱、型號等信息，與定位信息一起寫入服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)試驗儀器的位置追溯功能，并在PC端和移動設(shè)備端顯示試驗儀器的移動位置軌跡。

軟件系統(tǒng)其他特點

（1）遠程入網(wǎng)和控制。試驗儀器智能管控系統(tǒng)集成了4G/5G和Wifi，電腦、手機、平板電腦等都能通過有線或無線方式接入門戶網(wǎng)站，用戶入網(wǎng)不受時間地點的限制，管理員可以實現(xiàn)遠程控制。

（2）協(xié)同共享功能，用戶能發(fā)布信息尋求試驗協(xié)助或進行合作攻關(guān)，或管理個人日程和通訊簿等個人事務(wù)。

（3）儀器的智能管控。建立試驗儀器的全生命周期管理，以及特別權(quán)限的用戶在使用過程中的互動功能，使試驗儀器管控更加科學(xué)、智能、合理、全面。

（4）庫房工作區(qū)的現(xiàn)場自動控制。系統(tǒng)集成了無線射頻識別的門禁鎖技術(shù)，以及安裝紅外視頻監(jiān)控裝備，用戶刷卡進出庫房，或進行儀器的上機、下機等操作，初步實現(xiàn)了工作區(qū)的無人值守。

（5）統(tǒng)計分析。儀器信息包括基本信息、功能信息和使用技術(shù)支持，內(nèi)容更豐富，分類更科學(xué)，增加了用戶對試驗貢獻的信息，用戶信息更完整，尤其是集成了效益評價，并對目前的評價標(biāo)準(zhǔn)和方法作了進一步量化和細(xì)化處理，提高了適用性，實現(xiàn)了智能化。

結(jié)論

本文利用RFID、藍牙電源和廣域的衛(wèi)星定位等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和硬件，開發(fā)實現(xiàn)了需要經(jīng)常進出和移動的試驗儀器的智慧管控，結(jié)合軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)試驗儀器智慧庫房管理、使用管理和合規(guī)管理。

實際應(yīng)用中，此管控系統(tǒng)實現(xiàn)了存取便利和安全，解決了合規(guī)管控的問題。該試驗儀器的快速借還，試驗儀器的預(yù)留、領(lǐng)用、退庫，以及及時迅速準(zhǔn)確盤點，節(jié)省了大量空間，避免了人為差錯，并實現(xiàn)了與檢修作業(yè)一線的緊密結(jié)合，大大提高了生產(chǎn)效率。