基于物聯(lián)網(wǎng)的高速公路防雷遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

陳古典

摘 要：本文針對(duì)當(dāng)前高速公路防雷器無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的概念和體系結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的高速公路防雷遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，主要從防雷遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、功能實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)及存在問(wèn)題等方面進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；防雷器；防雷遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP393.4

1 引言

高速公路變電房、收費(fèi)站、道路與隧道監(jiān)控設(shè)備均安裝了防雷保護(hù)系統(tǒng)，防雷保護(hù)系統(tǒng)一般分為外部防雷系統(tǒng)、內(nèi)部防雷系統(tǒng)和接地系統(tǒng)。防雷保護(hù)器也稱浪涌保護(hù)器SPD（Surge Protection Devices），是內(nèi)部防雷系統(tǒng)及防雷保護(hù)系統(tǒng)中最重要的保護(hù)環(huán)節(jié)。目前，廣州至河源高速公路廣州段安裝了電源防雷器、信號(hào)防雷器等，這些防護(hù)設(shè)備能在很大程度上保護(hù)電力系統(tǒng)中各種電器設(shè)備免受雷電過(guò)電壓、操作過(guò)電壓等的損害，使電力系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。但是對(duì)于防雷器的工作狀態(tài)，一直不能無(wú)法準(zhǔn)確掌握，部分防雷器已經(jīng)損壞之后未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)甚至進(jìn)行更換，導(dǎo)致價(jià)格高昂的機(jī)電設(shè)備缺乏保護(hù)，極易遭受雷擊，致使設(shè)備損壞、停止運(yùn)轉(zhuǎn)等，不僅給收費(fèi)、交通管理帶來(lái)不便，更容易釀成巨大的直接經(jīng)濟(jì)損失和間接經(jīng)濟(jì)損失。

因此，必須解決對(duì)防雷器的有效監(jiān)測(cè)工作，改變常規(guī)的人工抽檢或不檢的工作方式。當(dāng)防雷器工作狀態(tài)出現(xiàn)故障或者損壞時(shí)，能夠立即發(fā)現(xiàn)異常情況，并向監(jiān)管中心部門發(fā)出報(bào)警，及早確定受損防雷器，將雷擊隱患控制、消滅在萌芽狀態(tài)，減少雷擊損失。所以，建立一種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)防雷器狀態(tài)信息的高速公路防雷遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)勢(shì)在必行。

物聯(lián)網(wǎng)的概念最早在1999年提出，它的英文名稱叫“The Internet of things”，就是由許多在空間上分布的自動(dòng)裝置通過(guò)無(wú)線、有線等通信網(wǎng)絡(luò)連接組成的計(jì)算機(jī)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息采集、分析處理和設(shè)備監(jiān)控等功能，從而達(dá)到對(duì)物品跟蹤、監(jiān)控、管理等目的。

因此將物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)思路引入到高速公路防雷遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，從而構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的防雷遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可以有效對(duì)防雷器狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控與管理，降低雷擊發(fā)生的機(jī)會(huì)，減小雷擊造成的危害。

2 防雷遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能

2.1 物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)有別于互聯(lián)網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)主要目的是構(gòu)建一個(gè)全球性的信息通信計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，而物聯(lián)網(wǎng)則主要從應(yīng)用出發(fā)，利用互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將用戶終端設(shè)備聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，構(gòu)建一個(gè)實(shí)現(xiàn)終端物品信息實(shí)時(shí)共享的巨大網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[1]。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該具備三個(gè)特征，一是全面感知，即利用RFID、傳感器、智能前端等隨時(shí)隨地獲取物體的信息；二是可靠傳遞，通過(guò)各種電信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將物體的信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳遞出去；三是智能處理，利用云計(jì)算、模糊識(shí)別等各種智能計(jì)算技術(shù)，對(duì)海量數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析和處理，對(duì)物體實(shí)施智能化的控制[2]。

在業(yè)界，物聯(lián)網(wǎng)大致被公認(rèn)為有三個(gè)層次[3]，底層是用來(lái)感知數(shù)據(jù)的感知層，是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和應(yīng)用的基礎(chǔ)，包括RFID感應(yīng)器、傳感器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備；第二層是數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)層，包括移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)以及信息中心、網(wǎng)管中心，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)處理有云計(jì)算平臺(tái)；最上面則是內(nèi)容應(yīng)用層，應(yīng)用于社會(huì)上多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域，比如物流監(jiān)控、智能交通等眾多領(lǐng)域，如圖1所示。2.2 防雷遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)

高速公路防雷遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能夠遠(yuǎn)程、自動(dòng)、不間斷地循環(huán)監(jiān)測(cè)防雷的工作狀態(tài)，并通過(guò)無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)，將防雷器的工作狀態(tài)傳送到系統(tǒng)監(jiān)控主機(jī)上，工作人員可在系統(tǒng)監(jiān)控主機(jī)屏幕上直觀的觀察到每個(gè)防雷器的工作狀態(tài)。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，并參照目前已經(jīng)較成熟的其他類型遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建高速公路防雷遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2中，高速公路防雷遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)感知層建立在監(jiān)控、收費(fèi)、通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，比如低壓配電柜、收費(fèi)島設(shè)備設(shè)施等。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的感知設(shè)備即前端監(jiān)控裝置需要進(jìn)行研發(fā)。以菲尼克斯系列防雷器為例，其自帶遠(yuǎn)程報(bào)警監(jiān)控端口，正常工作時(shí)，輸出固定頻率的開(kāi)關(guān)量信息，可采用前端監(jiān)控裝置與防雷器端口連接并進(jìn)行采集，前端監(jiān)控裝置需要有A/D功能和I/O功能，能夠在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)防雷器的狀態(tài)采集后進(jìn)行調(diào)制后，無(wú)線發(fā)送給系統(tǒng)監(jiān)控主機(jī)。

防雷遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)由于考慮到高速公路的通訊距離、環(huán)境限制、系統(tǒng)主機(jī)所在位置等因素，采用ISM（Industrial Scientific Medical）頻段，此頻段為免費(fèi)使用，無(wú)需授權(quán)許可，因此采用此頻段可節(jié)省遠(yuǎn)程系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)使用費(fèi)用。ISM頻段距離較長(zhǎng)，在室內(nèi)500米，室外開(kāi)闊地帶可到1500米，最遠(yuǎn)可實(shí)現(xiàn)3000米。根據(jù)微功率（短距離）無(wú)線電設(shè)備的技術(shù)要求，各類民用設(shè)備的無(wú)線控制裝置的使用頻率可在433.00-434.79MHz之間，發(fā)射功率限值為10mW。

應(yīng)用層方面，使用系統(tǒng)監(jiān)控主機(jī)，主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)上有無(wú)線發(fā)射和接收系統(tǒng)模塊、主機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊，軟件上有無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)時(shí)軟件。系統(tǒng)主機(jī)可以采取獨(dú)立研發(fā)，也可采取工業(yè)控制機(jī)加入無(wú)線發(fā)射接收模塊，并嵌入主控軟件。系統(tǒng)監(jiān)控主機(jī)的監(jiān)測(cè)界面上，按照高速公路區(qū)域和感知設(shè)備類型可顯示各個(gè)防雷器的工作狀態(tài)，并對(duì)每個(gè)防雷器進(jìn)行編碼編號(hào)，并用不同顏色來(lái)指示狀態(tài)，例如，綠色顯示正常工作，紅色顯示出現(xiàn)故障，灰色顯示防雷器被擊穿或前端監(jiān)控設(shè)備自身故障等。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)控主機(jī)監(jiān)控到防雷器非正常工作時(shí)，可以通過(guò)電話、短信等報(bào)警方式第一時(shí)間通知工作人員，降低雷擊的可能性。系統(tǒng)監(jiān)控主機(jī)還應(yīng)包括數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能，含有操作日志統(tǒng)計(jì)分析、報(bào)警數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等一系列功能。

3 防雷遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)及存在問(wèn)題

高速公路防雷遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

（1）能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人值守功能，能夠?qū)崿F(xiàn)全天24小時(shí)不間斷監(jiān)控并傳送防雷器工作狀態(tài)信息的功能。

（2）系統(tǒng)采用免費(fèi)的ISM頻段，無(wú)需申請(qǐng)頻點(diǎn)，因此不產(chǎn)生通訊網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用。

（3）系統(tǒng)運(yùn)行簡(jiǎn)單，系統(tǒng)主機(jī)屏幕通過(guò)不同指示顏色表示防雷器不同狀態(tài)，簡(jiǎn)單直觀，并可通過(guò)短信、電話等方式第一時(shí)間報(bào)警，方便迅速。

（4）系統(tǒng)安裝應(yīng)用簡(jiǎn)單，使用時(shí)不需對(duì)原有的電力系統(tǒng)進(jìn)行改造，也無(wú)需布置任何電纜。

雖然防雷遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人值守、自動(dòng)監(jiān)控等功能，但以當(dāng)前技術(shù)水平，仍有以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）通訊距離：雖然遠(yuǎn)程系統(tǒng)使用無(wú)線傳輸?shù)耐ㄓ嵕嚯x最遠(yuǎn)可達(dá)3000米，但對(duì)高速公路的長(zhǎng)度來(lái)說(shuō)仍顯很短，因此要考慮選擇更長(zhǎng)傳輸距離網(wǎng)絡(luò)，也可在系統(tǒng)布置時(shí)，以區(qū)域?yàn)閯澐?，多增加幾個(gè)系統(tǒng)監(jiān)控主機(jī)。

（2）接口兼容問(wèn)題：當(dāng)前高速公路防雷器品牌眾多，不同防雷器的自帶遠(yuǎn)程監(jiān)控端口會(huì)有所不同，因此當(dāng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)需對(duì)前端不同品牌的防雷器端口分別連接，能夠兼容不同品牌防雷器。所以在高速公路建設(shè)時(shí)為考慮后續(xù)升級(jí)、改造問(wèn)題，最好能統(tǒng)一前端所有防雷器的型號(hào)。

4 總結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)的概念雖然提出時(shí)間很短，但其發(fā)展迅速，已成為各國(guó)政府和企業(yè)關(guān)注及研究的重點(diǎn)。我國(guó)“十二五”規(guī)劃綱要中明確指出，要“推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和在重點(diǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用示范”。廣州目前也積極推進(jìn)“智慧廣州”建設(shè)，廣州物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用已被正式納入國(guó)家總體發(fā)展戰(zhàn)略布局。而對(duì)于高速公路防雷遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，雖然現(xiàn)在存在一些技術(shù)、規(guī)范方面的制約因素，市場(chǎng)上推出相應(yīng)產(chǎn)品的企業(yè)廠家很少，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，借助物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)，必將克服技術(shù)難題，完善系統(tǒng)應(yīng)用，增加高速公路機(jī)電設(shè)備安全性，減少雷擊、操作造成的經(jīng)濟(jì)損失，進(jìn)一步提高對(duì)高速公路機(jī)電設(shè)備的管理水平。

參考文獻(xiàn)：

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作者單位：廣州市高速公路有限公司，廣州 510288