基于BDS的電力安全管控云平臺設(shè)計

　　摘要：針對當(dāng)前電力行業(yè)中人員及設(shè)備安全管控方式比較單一，且滯后性明顯的問題，提出 1 種基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航 系統(tǒng)(BDS)的高精度位置安全服務(wù)體系架構(gòu)：以電力安全管控云平臺為核心，結(jié)合自主研發(fā)的智能安全帽及降雨等物聯(lián) 網(wǎng)監(jiān)測站點，對人員及設(shè)備安全進(jìn)行智能管控;設(shè)計出 BDS 衛(wèi)星實時監(jiān)測系統(tǒng)、電力安全管控云平臺、移動端智能安全 帽及前端業(yè)務(wù)系統(tǒng)等 3 個主要部分，并實現(xiàn)軌跡數(shù)據(jù)分析、遠(yuǎn)程指揮協(xié)助、電子圍欄告警、沉降監(jiān)測預(yù)警等云平臺關(guān)鍵 技術(shù)。實驗結(jié)果表明，該方法能夠提供厘米級高精度定位服務(wù)，可實現(xiàn)人員及設(shè)備的自動監(jiān)測與實時管控。

　　關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);高精度位置服務(wù);電力人員安全;電力設(shè)備安全;安全管控云平臺

　　0 引言

　　電力安全是電力行業(yè)運行和發(fā)展的根本。我國 電網(wǎng)線路覆蓋范圍廣、覆蓋區(qū)域地形復(fù)雜并且自然 環(huán)境多樣，為了及時掌握線路的運行狀況，迅速排 除線路的潛在隱患，電力部門需要安排大量的人員及監(jiān)測設(shè)備用于安全巡線工作[1]。近年來，隨著無 人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，采用無人機(jī)對輸配電線路進(jìn) 行電力巡檢作業(yè)，得到了研究人員的重視，但人工 定期巡線仍然是現(xiàn)階段運用最廣泛的巡線方法; 此外，面對眾多的輸電線路基站，無人機(jī)巡檢內(nèi)容 仍不夠充分，對電力人員和設(shè)備實施安全管控成為 1 個備受關(guān)注的問題[2-3]。

　　北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system, BDS)是我國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系 統(tǒng)(global navigation satellite system, GNSS)，時至 今日，BDS 已可為整個亞太區(qū)域提供全天候、全天 時、高精度的定位、導(dǎo)航、授時等服務(wù)[4-5]。全球定 位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)會因為某 些時段接收的衛(wèi)星數(shù)過少，而無法進(jìn)行導(dǎo)航定位; 而 BDS 空間段采用地球靜止軌道(geostationary Earth orbit, GEO)、傾斜地球同步軌道(inclined geosynchronous orbits, IGSO )及中圓地球軌道 (medium Earth orbit, MEO)3 種軌道衛(wèi)星組成的 混合星座，與 GPS 等其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，高 軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力強(qiáng)，尤其在低緯度地區(qū)， 這個特點更具有優(yōu)勢。電力安全管控區(qū)域復(fù)雜，高 原、山區(qū)等屬常見地形，利用 BDS 對人員及設(shè)備 安全進(jìn)行管控是非常合適的現(xiàn)有技術(shù)手段[6-8]。

　　國 家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司，近年來不斷推進(jìn) BDS 在電力行業(yè)的研究和應(yīng)用，面向發(fā)電、輸電、 變電、配電、用電等多種不同場景，形成了“北斗 +電力”的多種應(yīng)用方案，許多學(xué)者也為 BDS 在智 能電網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行了積極探索：文獻(xiàn)[9]對 BDS 地基增強(qiáng)技術(shù)在電網(wǎng)高精度地理位置服務(wù)中的可 用性進(jìn)行了探討;文獻(xiàn)[10]分析了 BDS 高精度位置服務(wù)的數(shù)據(jù)誤差源;文獻(xiàn)[11]研發(fā)了巡檢人員 與車輛配置的 BDS 智能終端，用于實現(xiàn)配電網(wǎng)人 車導(dǎo)航定位;文獻(xiàn)[12]采用 BDS 精確定位技術(shù)， 監(jiān)測輸電線路桿塔基礎(chǔ)位移。

　　然而，現(xiàn)有 BDS 高 精度地理位置服務(wù)的應(yīng)用方式仍比較單一，缺少 與大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)結(jié)合。就我國現(xiàn)有電 力安全管控技術(shù)而言，尚未形成與大范圍人員管 控、設(shè)備監(jiān)測相適應(yīng)的技術(shù)體系，尚不能有效滿 足我國電力人員及電力設(shè)備安全管控所需要的高 精度、低時延、全方位的要求。為此，本文基于 BDS 高精度位置服務(wù)，構(gòu)建了電力安全管控精準(zhǔn) 服務(wù)體系架構(gòu)，以期為從業(yè)人員及電力設(shè)備智能 化管控和監(jiān)測提供技術(shù)支撐。

　　1 精準(zhǔn)服務(wù)體系架構(gòu)

　　本文構(gòu)建的面向智能電網(wǎng)的 BDS 高精度位置 服務(wù)體系，以電力安全管控云平臺為核心，將 BDS 衛(wèi)星導(dǎo)航、地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)與電網(wǎng)業(yè)務(wù) 深度融合，利用 BDS 精準(zhǔn)定位數(shù)據(jù)，實現(xiàn)電力外 業(yè)作業(yè)人員精細(xì)化管理和合理調(diào)配，電力設(shè)備毫 米級監(jiān)測。該體系包括 3 個主要部分：BDS 衛(wèi)星 實時監(jiān)測系統(tǒng)、電力安全管控云平臺、移動端智能 安全帽及前端業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

　　2 云平臺關(guān)鍵技術(shù)研究

　　2.1 軌跡數(shù)據(jù)分析

　　電力配電線路基礎(chǔ)設(shè)施經(jīng)常發(fā)生不同故障，由 于線路長、地形復(fù)雜，巡檢人員與車輛難以及時尋 找到故障地點。為保障巡檢人員、車輛安全，利潤 BDS 的高精度位置服務(wù)特點，將安全帽得到的實 時坐標(biāo)通過網(wǎng)絡(luò)模塊回傳，使用天地圖、或自行發(fā)布 的符合開放地理空間信息聯(lián)盟(open geospatial consortium, OGC)協(xié)議的地圖，來實現(xiàn)故障、人員、 車輛位置實時監(jiān)控和厘米級的定位服務(wù)，并將結(jié) 果在地圖上清晰展示出來。

　　為了實現(xiàn)人員的高精度定位監(jiān)測，平臺利用 BDS 定位模塊，首先獲取單基站差分?jǐn)?shù)據(jù)或者 CORS 服務(wù)器差分?jǐn)?shù)據(jù)，但不直接向智能安全帽等移動接收終端發(fā)送相關(guān)改正信息，而是將所有基 準(zhǔn)站實時的原始數(shù)據(jù)發(fā)到云平臺控制中心進(jìn)行解 算。控制中心解算軟件在統(tǒng)一處理定位數(shù)據(jù)的同 時，接收由智能安全帽在工作前發(fā)送的 1 個單點 定位坐標(biāo)，然后根據(jù)該點坐標(biāo)信息，自動選擇 1 組 最佳的基準(zhǔn)站，計算改正衛(wèi)星的軌道誤差、電離層 誤差、對流層和大氣折射引起的誤差等，然后將高 精度的差分信息發(fā)給外業(yè)前端。

　　管理員可在 Web 端選擇特定外業(yè)人員進(jìn)行軌 跡回放，并基于軌跡分布挖掘出作業(yè)人員在不同 時間段的工作情況，從而達(dá)到對現(xiàn)場作業(yè)人員進(jìn) 行安全監(jiān)控、管理及績效考核的目的，其具體業(yè)務(wù) 邏輯如下：①利用 GNSS 模塊實現(xiàn)人員坐標(biāo)定位; ②人員定位坐標(biāo)回傳(回傳時間間隔可設(shè)置，如 1、 5、30 s);③對作業(yè)人員可以按時間及區(qū)域進(jìn)行軌 跡查詢;④軌跡數(shù)據(jù)預(yù)處理及挖掘;⑤作業(yè)人員工 作情況分析結(jié)果。

　　2.2 遠(yuǎn)程指揮協(xié)助

　　電網(wǎng)信息的獲取往往需要內(nèi)外業(yè)協(xié)同工作， 為實現(xiàn)內(nèi)外業(yè)協(xié)同作業(yè)研發(fā)了遠(yuǎn)程連接功能，以 第一視角直觀反映現(xiàn)場狀況，方便管理人員進(jìn)行 安全監(jiān)控和指揮調(diào)度。管理員或外業(yè)作業(yè)人員可 以遠(yuǎn)程發(fā)起實時視頻對講請求，管理人員實時查 看了解現(xiàn)場情況，同時通過實時視頻對講與現(xiàn)場 人員進(jìn)行交流，多視角查看現(xiàn)場，分析解決問題， 協(xié)助完成相關(guān)任務(wù)。通過地圖展示，可實時掌握 作業(yè)人員具體位置及工作區(qū)域，如遇突發(fā)狀況， 可快速查閱周邊相關(guān)作業(yè)人員位置，進(jìn)而對人員進(jìn)行及時合理的調(diào)度和工作安排，提升響應(yīng)時間 和工作效率。

　　2.3 電子圍欄告警

　　“電子圍欄”是 1 項用于規(guī)避危險作業(yè)區(qū)的重 要安全管控和預(yù)警技術(shù)。管理人員首先在 GIS 地 圖上，虛擬劃定安全電子圍欄區(qū)域，并依據(jù)電力故 障、電壓等級、氣象環(huán)境等位置著重標(biāo)注危險電子 圍欄區(qū)域。其次，在外業(yè)人員手持終端中安裝 BDS 定位和移動通信模塊，利用衛(wèi)星定位上傳數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對進(jìn)出電子圍欄區(qū)域的作業(yè)人員的安全進(jìn)行管 控和預(yù)警。當(dāng)人員離開安全電子圍欄區(qū)域或進(jìn)入 危險電子圍欄區(qū)域時，系統(tǒng)會發(fā)出警告信息，要求 人員返回至指定區(qū)域。通過該技術(shù)，可在電力作業(yè) 中實時掌握作業(yè)區(qū)域內(nèi)人員的數(shù)量、狀態(tài)、位置及 流量情況等信息，為人員調(diào)度和安全維護(hù)等提供 智能指引。在實驗過程中，該技術(shù)的告警平均響應(yīng) 時間不大于 3 s。

　　2.4 沉降監(jiān)測預(yù)警

　　電力設(shè)備運行極易受到周邊發(fā)生的山體滑坡、 地表形變、沉降塌陷等地質(zhì)災(zāi)害影響，目前避免上 述影響的手段還是采用人工監(jiān)測為主，依賴人員的 經(jīng)驗及周期性觀測進(jìn)行防范。然而，這種方式滯后 性明顯，面對突發(fā)緊急情況更無法及時預(yù)警和實時 監(jiān)管。為實現(xiàn)電力設(shè)備地質(zhì)災(zāi)害防治的自動化和智 能化，將電力設(shè)備地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測與 BDS、云計算中 心、降雨等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備相結(jié)合，實現(xiàn)設(shè)備周邊毫米 級位置信息和位移變化量地質(zhì)監(jiān)測，并實時將監(jiān)測 點位精確位置上傳給監(jiān)控中心，建立監(jiān)測預(yù)警模型， 一旦位移變化超過設(shè)定閾值，系統(tǒng)自動實現(xiàn)報警。

　　針對累積式的地質(zhì)災(zāi)害，采用固定時間段采集 原始數(shù)據(jù)，使用后處理解算方式得到更高精度的 坐標(biāo)，其精度可達(dá)毫米級，能更好地反映位移累積 變化;針對含水量，實時將監(jiān)測點的含水量上傳給 監(jiān)控中心，并自動上調(diào)含水量和實時 RTK 位置數(shù) 據(jù)上傳頻率，以達(dá)到更及時的監(jiān)控目的。實時 RTK (A1)、后處理解算(A2)、含水量(A3)3 種數(shù)據(jù) 共同構(gòu)建地基沉降監(jiān)測的預(yù)警模型，其中實時 RTK 水平方向標(biāo)記為 A11，垂直方向標(biāo)記為 A12;后 處理軟件解算水平方向上連續(xù) 5 d 日平均位移速 率，標(biāo)記為 A21，5 日累計位移標(biāo)記為 A21，垂直方 向上連續(xù) 5 d 日平均位移速率標(biāo)記為 A23，5 d 累計 位移標(biāo)記為 A24;含水量程度標(biāo)記為 A31。

　　電力設(shè)備 沉降受所選單因子的影響，且各個因子影響不盡 相同，本文建立的監(jiān)測預(yù)警模型，實現(xiàn)了多因子定 量綜合評價。首先，通過專家打分法，對各因子的 原始信息進(jìn)行定量化處理，經(jīng)過十幾位學(xué)科專家 及經(jīng)驗豐富作業(yè)人員的多次討論、修訂與綜合，最 后確定各單要素對設(shè)備安全性的影響“等級”按等 級劃為極危險、高危險、危險、安全 4 個等級，同 時分別賦值為 7、5、3 和 1。

　　3 實驗與結(jié)果分析

　　本文以廣東省某市為研究區(qū)域。管控云平臺部 署在廣東電力科學(xué)研究院內(nèi)，可以對研究對象轄 區(qū)范圍內(nèi)的電力人員及電力裝置進(jìn)行安全監(jiān)測。該平臺以 2D、3D 基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)為地圖數(shù)據(jù)， 連接的其他信息包括：300 余座 CORS 站的數(shù)據(jù)， 1 000 多個溫度、降雨地面監(jiān)測站點的數(shù)據(jù)，行業(yè) 內(nèi)全部電力人員手持終端信息、智能安全帽信息， 以及野外電力設(shè)備信息。 依托 BDS 高精度位置服務(wù)體系架構(gòu)，在市內(nèi)及郊區(qū)進(jìn)行 2 項實時差分解算實驗，以驗證厘米 級服務(wù)的可靠性。

　　電子論文投稿刊物：《遙感信息》(雙月刊)創(chuàng)刊于1986年，由科學(xué)技術(shù)部國家遙感中心、中國測繪科學(xué)研究院主辦。研討的內(nèi)容涉及遙感、地理信息系統(tǒng)技術(shù)的新理論、新方法;交流推廣遙感與地理信息系統(tǒng)的新成果;介紹國內(nèi)外發(fā)展動向;普及遙感與地理信息系統(tǒng)的科學(xué)技術(shù)知識。

　　4 結(jié)束語

　　電力安全是電力行業(yè)運行和發(fā)展的根本，其中， 人員及設(shè)備安全又是重中之重。針對當(dāng)前電力行 業(yè)中對人員及設(shè)備安全管控方式比較單一且滯后 性明顯的問題，本文提出了 1 種基于 BDS 高精度 位置的安全服務(wù)體系架構(gòu)，以電力安全管控云平 臺為核心，結(jié)合自主研發(fā)的智能安全帽、降雨等物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測站點獲取的信息，對電力人員及電力設(shè) 備安全進(jìn)行智能管控。廣東的實際場景驗證表明， 本文所提方法具有合理性及較強(qiáng)的可用性。

　　在未來的應(yīng)用中，以我國第三代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)即 北斗三號為基礎(chǔ)，基于歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行多因素、高精 度模型預(yù)測分析，可以將此模式擴(kuò)展到包括電力 行業(yè)在內(nèi)的其他國家重點行業(yè)，為其提供高效、穩(wěn) 定的高精度位置服務(wù)。

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　　作者：周恩澤 1 ，朱空軍 2 ，許海林 1 ，鄂盛龍 1 ，向 諄 1 ，吉麗婭 2 ，黎 淼 2

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