基于物聯(lián)網(wǎng)的故宮電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐勇

（故宮博物院）

基于物聯(lián)網(wǎng)的故宮電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐勇

（故宮博物院）

電力系統(tǒng)作為故宮博物院基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，它的正常與否直接關(guān)系到故宮文物建筑、館藏文物與人員的安全。論文介紹了如何應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建科學(xué)完善的電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在討論了故宮電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了故宮電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息采集模塊、信息傳輸模塊以及系統(tǒng)軟件功能的實(shí)現(xiàn)。

故宮；電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)

1 引言

故宮博物院作為我國(guó)第一批被列入《世界文化遺產(chǎn)名錄》的珍貴遺產(chǎn)，是我國(guó)也是世界上現(xiàn)存規(guī)模最大、保存最完整的古代宮殿建筑群。電力系統(tǒng)作為故宮博物院不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施，它的正常與否不僅直接關(guān)系到全故宮的正常運(yùn)營(yíng)，甚至可能威脅到文物本身的安全。

由于古建筑配電系統(tǒng)普遍存在不同年代配電線(xiàn)路和設(shè)備混雜在一起的情況，不同年代線(xiàn)路其承載率、老化程度等存在較大差異，要保障對(duì)各用電單位的持續(xù)供電，避免電氣火災(zāi)，僅依靠人工巡視發(fā)現(xiàn)故障、手動(dòng)上報(bào)故障等傳統(tǒng)方式無(wú)法滿(mǎn)足其安全性要求。如何及時(shí)發(fā)現(xiàn) 各回路用電異常，提前預(yù)警；當(dāng)已經(jīng)發(fā)生故障報(bào)警時(shí)，能夠準(zhǔn)確地發(fā)出報(bào)警信息，以便管理 人員快速處理，縮短故障維修時(shí)間。這是故宮配電管理部門(mén)的迫切需求。

因此，故宮目前結(jié)合電力系統(tǒng)安全運(yùn)營(yíng)、管理、維護(hù)、改造的實(shí)際需要，建設(shè)了一套以地理信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心的電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以故宮60km室外電力線(xiàn)路和698個(gè)配電箱為中心，綜合應(yīng)用了各種先進(jìn)智能傳感器、采集器，運(yùn)用了無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，為優(yōu)化調(diào)整電力線(xiàn)路的管理和運(yùn)行、快速掌握電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、及時(shí)發(fā)下不合理用電和違章提供了一套科學(xué)的監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

2 電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)需要一個(gè)開(kāi)放的、分層的、可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)電力數(shù)據(jù)采集、信息傳遞及實(shí)時(shí)監(jiān)控這三大功能需求，基于物聯(lián)網(wǎng)的電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層構(gòu)成，如圖1所示。

1）感知層

感知層起著“末梢神經(jīng)”的作用，是實(shí)現(xiàn)物理空間與信息空間感知互動(dòng)的基礎(chǔ)，主要分為感知控制層子層和通信延伸子層。本系統(tǒng)的感知控制子層包括電流互感器、通斷電模塊、智能電表等智能傳感器和智能采集設(shè)備組成，實(shí)現(xiàn)電力參數(shù)、開(kāi)關(guān)通斷狀態(tài)等的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集；通信延伸子層則通過(guò)通信終端模塊及其延伸網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)傳遞到網(wǎng)絡(luò)層。

2）網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層作為感知層與應(yīng)用層之間的“橋梁”，主要作用是通過(guò)公共網(wǎng)絡(luò)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施，將感知層收集的各類(lèi)信息高效、可靠、安全地傳輸給應(yīng)用層。本著避免重復(fù)建設(shè)和保證數(shù)據(jù)安全的宗旨，本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層采用故宮現(xiàn)有內(nèi)部骨干網(wǎng)絡(luò)資源，以光纖網(wǎng)為主，無(wú)線(xiàn)寬帶網(wǎng)為輔，實(shí)現(xiàn)電力監(jiān)測(cè)信息的傳遞、匯聚和控制，對(duì)于故宮內(nèi)網(wǎng)無(wú)法覆蓋的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，則考慮采用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備箱對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充。

3）應(yīng)用層

應(yīng)用層猶如“神經(jīng)中樞”，負(fù)責(zé)對(duì)采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、分析、綜合和最終處理結(jié)果的外傳。應(yīng)用層主要包括服務(wù)支撐層和應(yīng)用子集層。服務(wù)支撐層的主要功能是根據(jù)底層采集的數(shù)據(jù)，形成與業(yè)務(wù)需求相適應(yīng)、實(shí)時(shí)更新的動(dòng)態(tài)資源庫(kù)，包括提供2D地圖服務(wù)和影像支撐環(huán)境的地理信息平臺(tái)、提供數(shù)據(jù)管理服務(wù)的數(shù)據(jù)庫(kù)等；應(yīng)用子集層包含各類(lèi)子系統(tǒng)，它提供電力系統(tǒng)可視化監(jiān)測(cè)與管理功能。

圖1　基于物聯(lián)網(wǎng)的電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)體系架構(gòu)

圖2　電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.2系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

故宮電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用純粹的瀏覽器/服務(wù)器（B/S）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)支撐下用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)服務(wù)。作為Web應(yīng)用服務(wù)器，并且，由于考慮到本系統(tǒng)為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)，不僅需要實(shí)現(xiàn)高效率的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理，還要充分考慮監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的海量快速增長(zhǎng)，確保當(dāng)數(shù)據(jù)量增大時(shí)，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理性能不受明顯影響。因此，本系統(tǒng)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)庫(kù)與其他功能性應(yīng)用的數(shù)據(jù)區(qū)分開(kāi)，使用單獨(dú)的軟硬件平臺(tái)。地圖服務(wù)器則提供二維地圖服務(wù)，B/S瀏覽端則面向管理部門(mén)，用戶(hù)不需要安裝系統(tǒng)軟件，僅通過(guò)瀏覽器就能實(shí)現(xiàn)對(duì)故宮電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3 電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1信息采集模塊的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的信息采集模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)各回路用電參數(shù)（回路開(kāi)閉狀態(tài)、回路電流、回路電壓、回路有功功率、回路功率因數(shù)、回路有功電能、回路三相不平衡率、回路負(fù)載率）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、采集及上傳。信息采集模塊由分布在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)箱內(nèi)電參數(shù)測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)采集器及其輔助設(shè)備等組成，監(jiān)測(cè)箱原理如圖3所示。

圖3中監(jiān)測(cè)箱內(nèi)主要組成部分功能如下：

1）數(shù)據(jù)采集器：實(shí)現(xiàn)對(duì)電表的數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳、及歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，支持點(diǎn)數(shù)2000點(diǎn)。強(qiáng)大的 Lua 腳本編輯功能，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、過(guò)程控制及定制通信協(xié)議開(kāi)發(fā)。

2）多回路多功能電表測(cè)量模塊：同時(shí)接入8組三相或24組單相的電力回路進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)采用臺(tái)科電的三相8回路多功能電表，型號(hào)為 SMB350-8，可監(jiān)測(cè)的電參數(shù)包括電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)、有功電能等。

3）ADDI 模組：對(duì)回路開(kāi)閉狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并傳輸給數(shù)據(jù)采集器。

4）電流互感器： 為了提高精度，本系統(tǒng)采用臺(tái)科電多功能電參數(shù)模塊配套的閉口式電流互感器，能夠?qū)⒁淮蝹?cè)大電流按比例變換成二次側(cè)的小電流，對(duì)回路電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.2信息傳輸模塊的實(shí)現(xiàn)

圖3　監(jiān)測(cè)箱原理圖

根據(jù)故宮的網(wǎng)絡(luò)情況，針對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)情況和信號(hào)強(qiáng)度的不同，本系統(tǒng)采用以下3種方式實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)組網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的有效傳輸。

1）有線(xiàn)組網(wǎng)：數(shù)據(jù)采集器直接通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)傳輸?shù)焦蕦m內(nèi)網(wǎng)，適宜于故宮有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能覆蓋的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。 因此，對(duì)于現(xiàn)有交換機(jī)存在空余口，并且從監(jiān)測(cè)箱到交換機(jī)，對(duì)拉線(xiàn)方便、距離適中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用了該種組網(wǎng)方式。

2）無(wú)線(xiàn)Wi-Fi組網(wǎng)：數(shù)據(jù)采集器通過(guò)串口與串口轉(zhuǎn)Wi-Fi模塊進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Wi-Fi信號(hào)，接入故宮無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，適宜于在故宮無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能覆蓋到的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。Wi-Fi組網(wǎng)可免去現(xiàn)場(chǎng)通信線(xiàn)路的敷設(shè)，提高施工效率。但需注意Wi-Fi信息穿墻能力較弱，室外配電箱一般通訊較好，室內(nèi)配電箱部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)信號(hào)可能被屏蔽。

3）無(wú)線(xiàn)Zigbee組網(wǎng)：數(shù)據(jù)采集器與串口轉(zhuǎn)Zigbee模塊將數(shù)據(jù)通過(guò)Zigbee協(xié)議與Zigbee轉(zhuǎn)net模塊進(jìn)行透明傳輸，網(wǎng)絡(luò)中繼設(shè)備箱放置在可接入故宮內(nèi)網(wǎng)的附近。Zigbee組網(wǎng)具有通信距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)和特性，可實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)之間的設(shè)備間數(shù)據(jù)的透明傳輸，可組成星型和MESH型的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此，對(duì)于故宮有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)均無(wú)法覆蓋到的監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用了該種組網(wǎng)方式。

圖4　電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

3.3系統(tǒng)軟件功能的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的軟件部分采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)Oracle，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、電力管線(xiàn)專(zhuān)題數(shù)據(jù)、電力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及其他管理數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)和管理；采用ArcGIS平臺(tái)作為空間分析與展現(xiàn)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)；采用.Net平臺(tái)提供通信和數(shù)據(jù)共享服務(wù)。

電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以分區(qū)分級(jí)方式按全院、配電室、區(qū)域、線(xiàn)路和設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)電力監(jiān)測(cè)信息可視化，系統(tǒng)按功能和業(yè)務(wù)可以分為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)管理、事件應(yīng)急、電力拓?fù)?、管線(xiàn)管理、運(yùn)維管理、系統(tǒng)維護(hù)7大子系統(tǒng)，如圖4所示，實(shí)現(xiàn)了各種業(yè)務(wù)和管理功能，并提供基于圖形化操作模式的瀏覽器用戶(hù)界面，滿(mǎn)足日常管理要求。

圖5　各線(xiàn)路實(shí)時(shí)用電情況

圖6　用電情況統(tǒng)計(jì)

圖7　事件應(yīng)急響應(yīng)

1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)：將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電力信息與電子地圖結(jié)合，空間化表達(dá)全院任意區(qū)域、線(xiàn)路、設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息，并對(duì)用電情況進(jìn)行全局性、總體性實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，圖5展示了全院各線(xiàn)路的實(shí)時(shí)用電情況。

2）監(jiān)測(cè)管理子系統(tǒng)：根據(jù)監(jiān)測(cè)信息，提供用電計(jì)劃、專(zhuān)業(yè)分析、空間分析等功能，如圖6所示，分別統(tǒng)計(jì)了各線(xiàn)路空調(diào)、照明、取暖的用電量。

3）事件應(yīng)急子系統(tǒng)：提供應(yīng)急資源管理、應(yīng)急預(yù)案管理、應(yīng)急響應(yīng)、模擬演練等功能，如圖7所示，顯示了某條線(xiàn)路的異常報(bào)警事件。

4）電力拓?fù)渥酉到y(tǒng)：完整的電力拓?fù)渑c相關(guān)綜合信息如圖8所示，展現(xiàn)了某配電室的電力拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

5）管網(wǎng)管理子系統(tǒng)：提供設(shè)施管理、信息查詢(xún)、信息統(tǒng)計(jì)、老化分析、空間分析、常用工具、地圖工具等功能，如圖9所示，可以查詢(xún)?nèi)壕€(xiàn)路的老化程度，并用不同的顏色代表不同的敷設(shè)年代。

6）運(yùn)維管理子系統(tǒng)：提供運(yùn)維管理、資料管理、運(yùn)維日志等功能。

7）系統(tǒng)維護(hù)子系統(tǒng)：提供管線(xiàn)數(shù)據(jù)維護(hù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)維護(hù)、監(jiān)測(cè)設(shè)備維護(hù)、用戶(hù)數(shù)據(jù)維護(hù)等功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)今，對(duì)世界文化遺產(chǎn)的保護(hù)已經(jīng)從以搶救為主的被動(dòng)式保護(hù)，轉(zhuǎn)向以預(yù)防為主的主動(dòng)保護(hù)，如何利用高速發(fā)展的信息技術(shù)建設(shè)科學(xué)完善的監(jiān)測(cè)體系是今后遺產(chǎn)保護(hù)工作者責(zé)無(wú)旁貸的任務(wù)。本文介紹了故宮電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的體系架構(gòu)及功能實(shí)現(xiàn)情況，作為故宮“世遺監(jiān)測(cè)”的一部分和實(shí)現(xiàn)“平安故宮”工程的重要組成部分，該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)故宮電力運(yùn)行長(zhǎng)期不間斷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)不合理用電和違章，做到事前有效預(yù)防、事中快速處置、事后便于總結(jié)，還能為采取節(jié)電措施、科學(xué)規(guī)劃電力線(xiàn)路提供可靠依據(jù)。

圖8　配電室拓?fù)鋱D

圖9　線(xiàn)路老化分析

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Design and Implementation of the Palace Museum Power Monitoring System Based on the Internet of Things

XU Yong

（The Palace Museum）

Power system as an important part of the infrastructure of The Palace Museum， it's normal or not directly related to the security of ancient architecture， cultural relics and person. This article describes how to use the internet of things to build scientifically power monitoring system， in the above discussion of the overall architecture and topology design basis， it elaborated the implementation of The Palace Museum power monitoring system's information collection module， transmission module and software functions.

the palace museum； power monitoring system； internet of things