唐冬來，宋衛(wèi)平，付世峻，黃璞，楊俏，葉鴻飛

（四川中電啟明星信息技術(shù)有限公司，四川成都 610041）

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，電力負荷逐年不斷增加，電網(wǎng)基建工程數(shù)量也日益增多[1-2]。在傳統(tǒng)的電網(wǎng)基建變電工程、線路工程的施工中，現(xiàn)場的施工裝備包含吊車、電纜牽引機、電焊機等設(shè)備[3]。施工現(xiàn)場設(shè)備類型眾多，缺乏有效的監(jiān)管[4-5]。因此，亟需開展電網(wǎng)基建施工數(shù)字化協(xié)同工作，保障基建施工現(xiàn)場的施工安全。

現(xiàn)有電網(wǎng)基建施工協(xié)同技術(shù)主要包括移動互聯(lián)協(xié)同和全流程管控兩種，在移動互聯(lián)協(xié)同中，采用大容量通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了施工裝備之間的互聯(lián)，并進行建設(shè)時序分析，提高基建施工裝備之間的協(xié)同能力[6-8]。全流程管控中，通過對電網(wǎng)基建施工工藝和裝備的全流程全壽命周期管理，提高基建施工裝備之間的協(xié)同控制能力[9-10]。但上述方法中，僅涉及作業(yè)裝備之間的通信與過程管控，對協(xié)同控制流程提升不足。

為解決電網(wǎng)基建工程中存在的施工裝備數(shù)字化能力弱、協(xié)同性差的問題，提出了一種基于5G 的電網(wǎng)基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同方法。該方法采用了5G 和北斗技術(shù)，實現(xiàn)了電網(wǎng)基建施工的集中指揮和多位置任務(wù)協(xié)同。

1 基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同框架

文中所述的基于5G 的電網(wǎng)基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同框架主要包括：建立5G 網(wǎng)絡(luò)通道、電網(wǎng)基建施工裝備位置服務(wù)和電網(wǎng)基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同策略三部分內(nèi)容，如圖1 所示。

圖1 電網(wǎng)基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同框架圖

由圖1 可見，在建立5G 網(wǎng)絡(luò)通道環(huán)節(jié)中，首先，進行電網(wǎng)基建施工裝備5G 網(wǎng)絡(luò)切片劃分，針對不同類型的電網(wǎng)基建施工裝備單獨劃分5G 網(wǎng)絡(luò)切片。然后，進行電網(wǎng)基建施工裝備的通信資源劃分，以提高電網(wǎng)基建施工裝備數(shù)據(jù)傳輸能力。最后，根據(jù)電網(wǎng)基建施工裝備數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r，進行電網(wǎng)基建施工裝備通信任務(wù)調(diào)度。在電網(wǎng)基建施工裝備位置服務(wù)環(huán)節(jié)，首先，采用北斗技術(shù)進行電網(wǎng)基建施工裝備地理經(jīng)緯度的定位，然后，采用授時技術(shù)，對每一個電網(wǎng)基建施工裝備的時鐘進行同步，確保各裝備之間的時間一致。在電網(wǎng)基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同策略環(huán)節(jié)，首先，對電網(wǎng)基建施工裝備的時空特性進行分析，然后，進行電網(wǎng)基建施工裝備的使用忙閑狀態(tài)分析，在此基礎(chǔ)上，進行電網(wǎng)基建施工裝備的多位置任務(wù)協(xié)同調(diào)度。

2 基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同模型

2.1 建立5G網(wǎng)絡(luò)通道

2.1.1 基建施工裝備5G網(wǎng)絡(luò)切片

我國研制的5 代移動信息通信網(wǎng)技術(shù)（5th Generation Mobile Communication Technology，5G）是一種新一代的移動互聯(lián)通信技術(shù)，具有傳輸速率高、時延極低和帶寬大的特點[11-12]，在電網(wǎng)基建的變電站、輸電線路工程中應(yīng)用廣泛。

網(wǎng)絡(luò)切片是5G 技術(shù)中的按照電網(wǎng)基建施工裝備需求組網(wǎng)的方式，在一個5G 通道上虛擬出多個網(wǎng)絡(luò)[13]，每個電網(wǎng)基建裝備的切片進行物理隔離，以適用于不同場景的通信。

電網(wǎng)基建施工裝備主要分為重大施工裝備和一般施工裝備兩類；其中重大施工裝備包括加熱裝置、放線滑車、張力機等；一般施工裝備包括高壓驗電器、電纜剪刀等。文中按照上述分類方法進行5G 網(wǎng)絡(luò)切片劃分，以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩c可靠性。

2.1.2 基建施工裝備通信資源分配

基建施工裝備通信資源分配是在5G 網(wǎng)絡(luò)切片劃分的基礎(chǔ)上，按照電網(wǎng)基建施工裝備的類別與重要性級別進行資源分配[14]，通信資源分配如表1所示。

表1 電網(wǎng)基建施工裝備通信資源分配表

遺傳算法(Genetic Algorithm，GA)是一種采用計算機語言描述自然界生物進化過程理論最佳求解的一種算法，該算法通過遺傳學(xué)機理和自然學(xué)仿真模擬生物的基因染色體傳遞、基因變異等過程。因此，文中選擇GA 算法進行電網(wǎng)基建施工裝備的染色體資源分配，提高電網(wǎng)基建施工裝備的分配能力[15]。

設(shè)電網(wǎng)基建施工中有na個施工現(xiàn)場，電網(wǎng)基建施工裝備有ma個，電網(wǎng)基建裝備用h表示，則通信的信道需求總數(shù)量H為：

在遺傳的初始群組構(gòu)成中，設(shè)概率碼為θ，概率碼的信道取值為：

設(shè)電網(wǎng)基建施工信道中的單個體k的適應(yīng)度為f(v)，則單個信道的分配率La為：

2.1.3 基建施工裝備通信任務(wù)調(diào)度

設(shè)電網(wǎng)基建施工通信任務(wù)有nb個，權(quán)重用λ表示，任務(wù)調(diào)度V為：

2.2 電網(wǎng)基建施工裝備位置服務(wù)

2.2.1 基建施工裝備位置定位

電網(wǎng)基建施工裝備位置根據(jù)北斗的地理位置定位技術(shù)進行坐標(biāo)定位，以確定當(dāng)前電網(wǎng)基建施工裝備的地理位置。

設(shè)電網(wǎng)基建施工裝備的點與大地的緯線夾角為ψ，經(jīng)線夾角為?，該裝備的高度為g，圓曲率半徑為d，偏心率為b，則該裝備的坐標(biāo)定位體系為：

2.2.2 基建施工裝備時鐘同步

受電網(wǎng)基建施工裝備電池欠壓、裝備故障等因素影響，電網(wǎng)基建施工裝置將出現(xiàn)時鐘超差的情況，即各電網(wǎng)基建施工裝置的時間不一致。基建施工裝置的時鐘超差后，將影響電網(wǎng)基建任務(wù)工作流、電網(wǎng)基建建筑信息模型（Building Information Modeling,BIM）等應(yīng)用的時間協(xié)同性。所以在電網(wǎng)基建施工裝備協(xié)同任務(wù)開始前，進行電網(wǎng)基建施工裝備時鐘同步。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Beidou Navigation Satellite System，BDS)是中國自主研制的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。BDS 由空間、地面和用戶三個組成部分構(gòu)成。在全球范圍內(nèi)為電力客戶提供高精度的授時服務(wù)，在中國范圍內(nèi)的授時精度達10 ns。因此，為提高電網(wǎng)基建裝備之間的時間同步率，采用BDS 進行集中授時，確保電網(wǎng)基建施工數(shù)字化協(xié)同各項工作的時間同步。

2.3 電網(wǎng)基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同策略

2.3.1 基建施工裝備資源時空特性分析

我們選擇了現(xiàn)實主義，我們堅定地走在現(xiàn)實主義創(chuàng)作道路上，遵循了現(xiàn)實主義創(chuàng)作原則，實踐了現(xiàn)實主義創(chuàng)作方法。在現(xiàn)實主義繪畫創(chuàng)作方面，關(guān)東畫派藝術(shù)家們經(jīng)過半個多世紀(jì)的群體努力取得了輝煌成就。

在電網(wǎng)基建施工過程中，施工人員使用的各類裝備具有不同的時間和空間分布特征。即在確定的時間段內(nèi)，在某一個電網(wǎng)基建施工地理位置坐標(biāo)點使用一種電網(wǎng)基建施工裝備。

為確保電網(wǎng)基建施工數(shù)字化協(xié)同調(diào)度的效率，通過電網(wǎng)基建施工裝備地理位置定位信息，并將其與電網(wǎng)基建施工時間進度里程碑計劃進行結(jié)合，形成電網(wǎng)基建施工裝備的時空分布圖，以便電網(wǎng)基建施工調(diào)度指揮進行數(shù)字化協(xié)同調(diào)度控制。

2.3.2 基建施工裝備使用狀態(tài)分析

電網(wǎng)基建施工裝備具有工作中和空閑中兩種狀態(tài)。對電網(wǎng)基建施工裝備使用狀態(tài)分析的目的是為了掌握裝備的計劃使用時間和當(dāng)前使用狀態(tài)，以便更好地進行電網(wǎng)基建施工數(shù)字化協(xié)同調(diào)度。文中的電網(wǎng)基建施工裝備使用狀態(tài)分析除包含當(dāng)前電網(wǎng)基建施工裝備狀態(tài)外，還包括電網(wǎng)基建施工裝備的實際與計劃使用時間，如表2 所示。

表2 電網(wǎng)基建施工裝備狀態(tài)統(tǒng)計

2.3.3 基建施工裝備多位置任務(wù)協(xié)同

電網(wǎng)基建施工裝備多位置任務(wù)協(xié)同的目的是為了提高電網(wǎng)基建施工設(shè)備的綜合利用率。該方法結(jié)合了電網(wǎng)基建施工裝備的資源時空特性、使用狀態(tài)和工作任務(wù)計劃進行綜合協(xié)同控制，求解電網(wǎng)基建施工裝備的最優(yōu)運行方法。

匈牙利算法于1955 年提出，是一種在限定時間內(nèi)，求解電網(wǎng)基建施工裝備任務(wù)分配問題優(yōu)化的組合算法[16]。文中的匈牙利算法是求解電網(wǎng)基建施工裝備多位置任務(wù)協(xié)同的最優(yōu)策略。

設(shè)電網(wǎng)基建施工裝備有nc個，用Xc表示；電網(wǎng)基建施工任務(wù)有mc個，用Yc表示；電網(wǎng)施工賦權(quán)二部圖Enm為：

設(shè)賦權(quán)二部圖中的頂點標(biāo)號映射為Gc，頂點z的標(biāo)號為P(z)，設(shè)Gc的頂點標(biāo)號為l，Gc的l等子圖為Gcl，最小的邊為rl，算法終止于U和W，修改分配標(biāo)號P′(z)為：

3 算例分析

3.1 場景與參數(shù)設(shè)定

為驗證文中所提基于5G 的電網(wǎng)基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同方法的有效性，將其應(yīng)用在某省電力公司的電網(wǎng)基建的變電站與線路施工中；文中所提方法的服務(wù)器采用物理機，部署在某省電力公司中心機房。服務(wù)器采用的操作系統(tǒng)為Windows Server 2019、處理器為因特爾至強e5-2699 V4，22 核心，運行頻率為2.2 GHz，內(nèi)存為32 GB，硬盤為4 TB。

文中用于對比的方法為文獻[17]中的非合作博弈方法，該方法在電網(wǎng)基建施工行業(yè)廣泛應(yīng)用，具有行業(yè)通用性。

3.2 算例運行分析

3.2.1 電網(wǎng)基建施工裝備通信資源分配時長

電網(wǎng)基建施工裝備通信資源分配時長是衡量文中模型的分配能力指標(biāo)，該指標(biāo)的計算方式是單類的電網(wǎng)基建施工裝備通信資源的起止時間，該指標(biāo)時間越短，效果越好。

文中以電網(wǎng)基建施工的重大施工裝備為例，選用九類重大施工裝備，采用文中所提基于5G 的電網(wǎng)基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同方法與業(yè)界廣泛使用的以WIFI 技術(shù)為基礎(chǔ)的非合作博弈方法比對資源分配時長，對比結(jié)果如表3 所示。

表3 電網(wǎng)基建施工裝備通信資源分配時長表

由表3 可見，文中所提基于5G 的電網(wǎng)基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同方法在通信資源資源分配時長方面優(yōu)于非合作博弈方法。

3.2.2 基建施工裝備多位置任務(wù)協(xié)同準(zhǔn)確性

基建施工裝備多位置任務(wù)協(xié)同準(zhǔn)確性是為了判斷文中所提模型的準(zhǔn)確利用效率。其計算方式為模型經(jīng)人工核實準(zhǔn)確的任務(wù)協(xié)同次數(shù)與該模型總的任務(wù)協(xié)同次數(shù)之比，基建施工裝備多位置任務(wù)協(xié)同準(zhǔn)確性指標(biāo)的取值范圍為0～100%，該指標(biāo)值越大，則多位置任務(wù)協(xié)同準(zhǔn)確性越好。

分別選擇基建施工裝備多位置任務(wù)的數(shù)量為100、200、350、450、550、650、750 個，每組任務(wù)分配10 次，對比文中所提5G 的電網(wǎng)基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同方法與業(yè)界廣泛使用的以WIFI 技術(shù)為基礎(chǔ)的非合作博弈方法的多位置任務(wù)協(xié)同有效性，對比結(jié)果如圖2 所示。

圖2 基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同準(zhǔn)確性對比圖

由圖2 可見，反映文中所提基于5G 的電網(wǎng)基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同方法在多位置任務(wù)協(xié)同準(zhǔn)確性的有效率平均值為99.4%，優(yōu)于非合作博弈方法。因此，文中所提方法更優(yōu)。

4 結(jié)束語

為解決電網(wǎng)基建工程中存在的施工裝備數(shù)字化能力弱、協(xié)同性差的問題，提出了一種基于5G 的電網(wǎng)基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同方法。在對電網(wǎng)基建施工裝備信道劃分的基礎(chǔ)上，采用北斗技術(shù)對多類型施工裝備位置定位，并利用匈牙利算法，建立電網(wǎng)基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同策略，實現(xiàn)基建施工界面下的集中指揮與多位置任務(wù)協(xié)同工作。文中所提方法的實際運行結(jié)果，驗證了該方法的有效與可行性。下一步，將結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，對電網(wǎng)基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同做進一步研究。