面向電網(wǎng)作業(yè)智能可穿戴系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

鮑興川

(全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院信息通信研究所，江蘇 南京 211106)

面向電網(wǎng)作業(yè)智能可穿戴系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

鮑興川

(全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院信息通信研究所，江蘇 南京211106)

隨著電網(wǎng)規(guī)模日益擴(kuò)大，傳統(tǒng)作業(yè)模式已不能適應(yīng)電網(wǎng)發(fā)展，而智能可穿戴設(shè)備是未來計(jì)算機(jī)形態(tài)和體系的重要發(fā)展方向。基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的智能可穿戴技術(shù)可以提升電網(wǎng)作業(yè)工作質(zhì)量、效率及安全作業(yè)水平。通過面向電網(wǎng)輸、變、配作業(yè)應(yīng)用場景調(diào)研，結(jié)合智能可穿戴、通信網(wǎng)絡(luò)及其后臺服務(wù)技術(shù)，提出了針對電網(wǎng)作業(yè)的智能可穿戴系統(tǒng)解決方案，設(shè)計(jì)了適合電網(wǎng)作業(yè)的智能可穿戴系統(tǒng)體系總體技術(shù)架構(gòu)，包括其前端電網(wǎng)作業(yè)智能可穿戴終端設(shè)備的硬件系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件架構(gòu)，以及為前端應(yīng)用服務(wù)的后臺服務(wù)軟件架構(gòu)等。該套架構(gòu)設(shè)計(jì)方案已經(jīng)在多個(gè)科研項(xiàng)目的電力作業(yè)現(xiàn)場試點(diǎn)驗(yàn)證。應(yīng)用效果證明，該方案切實(shí)改進(jìn)了電網(wǎng)作業(yè)工作方式，提高了作業(yè)質(zhì)量、工作效率及標(biāo)準(zhǔn)化水平，并能夠輔助解決作業(yè)人員人身安全監(jiān)護(hù)問題。該方案對當(dāng)前智能可穿戴技術(shù)在電網(wǎng)作業(yè)的應(yīng)用研究和實(shí)施具有一定的指導(dǎo)、示范意義。

電力能源； 人工智能； 智能可穿戴系統(tǒng)； 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)； 智能終端； 后臺服務(wù); 云服務(wù)； 無線通信網(wǎng)絡(luò)

0 引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的日益擴(kuò)大和新型設(shè)備的投產(chǎn)，電網(wǎng)設(shè)備安裝、運(yùn)行、檢修面臨資料繁多、步驟復(fù)雜、設(shè)備拆裝精準(zhǔn)度高以及人員水平不一等問題，傳統(tǒng)作業(yè)模式已不能適應(yīng)電網(wǎng)發(fā)展要求。在電網(wǎng)設(shè)備安裝作業(yè)方面，新型設(shè)備、大型設(shè)備不斷涌現(xiàn)，安裝作業(yè)的執(zhí)行環(huán)節(jié)更加復(fù)雜，安裝步驟流程及精度、準(zhǔn)確度要求高，作業(yè)復(fù)雜程度大大提高，導(dǎo)致安裝作業(yè)效率低、質(zhì)量難以保證。在電網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行、檢修作業(yè)方面，運(yùn)檢作業(yè)人員難以在作業(yè)現(xiàn)場快速、全面地掌握設(shè)備信息并根據(jù)趨勢判斷設(shè)備狀態(tài)；同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)指導(dǎo)卡與實(shí)際操作未能實(shí)現(xiàn)無縫銜接，工作模式有待改進(jìn)。通過移動互聯(lián)技術(shù)，雖然可以應(yīng)用手機(jī)、掌上計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)部分現(xiàn)場信息的實(shí)時(shí)采集、同步及分析，但在交互中占用雙手，影響視線，因此現(xiàn)場作業(yè)指導(dǎo)、協(xié)作能力較弱。而智能穿戴設(shè)備集成多媒體、傳感器、無線通信等多種技術(shù)，支持語音識別、手勢識別、頭部動作等多種友好的交互方式，能夠無遮擋地疊加和融合各類信息，及時(shí)提供所需的智能互聯(lián)服務(wù)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(argmentedreality,AR)技術(shù)則將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息無縫集成，使真實(shí)環(huán)境和虛擬物體實(shí)時(shí)疊加到同一個(gè)畫面或空間?；谠鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)的智能穿戴設(shè)備，使作業(yè)人員可通過前端多維信息展示、后臺歷史數(shù)據(jù)趨勢分析、遠(yuǎn)程協(xié)作支持實(shí)現(xiàn)智能化作業(yè)指導(dǎo)。目前，基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的智能穿戴技術(shù)已在消費(fèi)電子、工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域中取得多項(xiàng)創(chuàng)新應(yīng)用，通過引入增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，給電網(wǎng)設(shè)備的安裝、運(yùn)行、檢修作業(yè)帶來了新的信息化、智能化解決方案。因此，有必要開展基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的電網(wǎng)作業(yè)智能穿戴技術(shù)研究。

目前，其系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)?；谄湎到y(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)和開發(fā)的電網(wǎng)作業(yè)系統(tǒng)，可以提高電網(wǎng)作業(yè)人員在設(shè)備安裝、檢修作業(yè)的工作質(zhì)量、工作效率及標(biāo)準(zhǔn)化水平，帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[1-2]。

1 應(yīng)用場景

本文設(shè)計(jì)和研究的電網(wǎng)作業(yè)智能穿戴技術(shù)架構(gòu)，需針對現(xiàn)場作業(yè)的需求。具體需求分析從電網(wǎng)設(shè)備安裝、運(yùn)行、檢修作業(yè)展開，從一線人員作業(yè)過程出發(fā)，通過可穿戴設(shè)備輔助其完成每一項(xiàng)具體任務(wù)，內(nèi)容包括作業(yè)情景感知、路線規(guī)劃導(dǎo)航、運(yùn)行狀態(tài)分析、作業(yè)場景識別、可視化協(xié)作、輔助分析指導(dǎo)等，切實(shí)解決一線員工在信息采集、獲取、傳輸與分析等方面的技術(shù)局限性，以及操作不便等實(shí)際問題。

經(jīng)充分調(diào)研輸電、變電、配電等不同現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境及其作業(yè)內(nèi)容，并與各現(xiàn)場一線工作人員進(jìn)行深入交流后，梳理了輸電、變電、配電不同的業(yè)務(wù)詳細(xì)需求及應(yīng)用場景。輸電、變電、配電業(yè)務(wù)的詳細(xì)作業(yè)需求包括輸電、變電、配電在現(xiàn)場作業(yè)中的共同需求及其各自的特有需求。

①共同需求。

輸電、變電、配電現(xiàn)場作業(yè)中存在的共同需求有：標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)指導(dǎo)卡信息化、現(xiàn)場取證(錄音、錄像、拍照)、人員定位、資料查詢、遠(yuǎn)程會商(n對n)、現(xiàn)場協(xié)助(1對1)、備品備件倉儲管理、各種報(bào)表管理、現(xiàn)場作業(yè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)輔助、作業(yè)人員生命體征監(jiān)測、設(shè)備外觀查看等。

②變電作業(yè)特有需求。

變電現(xiàn)場作業(yè)中存在的特有需求主要集中在運(yùn)檢領(lǐng)域，如紅外測溫、表計(jì)識別、指示燈識別、油位識別、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視、噪聲識別等。

③輸電作業(yè)特有需求。

輸電現(xiàn)場巡檢作業(yè)中存在的特有需求有：輸電線安全距離測量、設(shè)備野外耐荷、電池供電長續(xù)航、野外現(xiàn)場通信、遠(yuǎn)距離紅外測溫、硬件三防(防水、防震、防塵)等。

④配電作業(yè)特有需求。

配電現(xiàn)場巡檢作業(yè)中存在的需求有：配電搶修室內(nèi)定位及導(dǎo)航、電話通信、紅外測溫、表計(jì)識別等。

2 解決方案

2.1電網(wǎng)作業(yè)智能可穿戴系統(tǒng)總體架構(gòu)

電力智能可穿戴研究最終要實(shí)現(xiàn)建設(shè)電力系統(tǒng)工業(yè)級穿戴設(shè)備研發(fā)基礎(chǔ)平臺和協(xié)同體系，實(shí)現(xiàn)滿足電力應(yīng)用需求的定制化穿戴硬件設(shè)備及后臺作業(yè)支持系統(tǒng)，提升電力作業(yè)的信息化、智能化水平。按照以上需求調(diào)研的情況，所設(shè)計(jì)的面向電網(wǎng)作業(yè)的電力智能可穿戴系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能可穿戴系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2通信網(wǎng)絡(luò)方案

2.2.1變電作業(yè)通信方案

智能安全帽與智能手表(環(huán))之間的通信采用藍(lán)牙4.0技術(shù)，實(shí)現(xiàn)LED燈開關(guān)及亮度調(diào)整、近電報(bào)警器自檢及靈敏度調(diào)整、攝像、拍照、紅外熱像圖等數(shù)據(jù)和控制信號的傳輸。

在變電站四面圍墻的中間位置布置WiFi接入點(diǎn)(accesspoint，AP)，并在變電站設(shè)備區(qū)中心處布置1個(gè)AP，智能頭盔和智能手表通過WiFi無線連接到AP，AP與交換系統(tǒng)之間以有線以太網(wǎng)連接。作業(yè)人員與后臺系統(tǒng)之間的通信信息包括人員位置、音視頻、照片、語音通話、紅外熱像圖、設(shè)備參數(shù)、身體異常報(bào)警、近電報(bào)警、SF6報(bào)警、跌倒報(bào)警、緊急情況報(bào)警等數(shù)據(jù)和控制信號。

GPS定位精度低且抗干擾性能差，不適用于變電站內(nèi)的復(fù)雜環(huán)境。利用變電站內(nèi)的衛(wèi)星定位基準(zhǔn)站和布置的5個(gè)AP，與智能頭盔上的WiFi定位輔助、GPS實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號差分定位，并結(jié)合基于信號接收強(qiáng)度的二次定位方法，可確保定位精度在25cm以內(nèi)，以滿足變電站內(nèi)巡視路徑跟蹤及防止誤入帶電間隔的需要[3-4]。

2.2.2輸電作業(yè)通信方案

在遠(yuǎn)離變電站的輸電線路桿塔上下作業(yè)時(shí)，與監(jiān)控系統(tǒng)的通信由智能頭盔上的LTE-4G通信方式實(shí)現(xiàn)。智能手環(huán)、智能眼鏡、智能手套等信息，由智能頭盔通過藍(lán)牙以穿戴在單個(gè)作業(yè)人員為單位進(jìn)行信息融合后上傳。由于不需要巡視路徑跟蹤及防止誤入帶電間隔，因此人員定位不需要達(dá)到變電站內(nèi)的精度要求，定位方法采用GPS或北斗，以及長期演進(jìn)(longtermevolution,LTE)輔助定位的方案[5]。

3 電網(wǎng)作業(yè)智能可穿戴終端

3.1終端設(shè)備硬件架構(gòu)

根據(jù)電網(wǎng)作業(yè)場景需求，并結(jié)合現(xiàn)有作業(yè)裝備可知：面向電網(wǎng)作業(yè)的可穿戴定制化設(shè)備主要包括智能頭盔、智能眼鏡、智能手套、腕帶式人體生命體征監(jiān)測裝置等。

①智能頭盔。

智能頭盔設(shè)備，具有雙目顯示增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、無線通信、音視頻輸入輸出、GPS定位、近電告警、紅外測溫等功能。具體功能包括：顯示功能具備32°以上的可視廣角，允許第三方程序調(diào)用頭部追蹤功能，使用陀螺儀感應(yīng)器配合AR技術(shù)產(chǎn)生增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)代入感。頭盔集成陀螺儀、磁羅盤、加速度計(jì)等各種傳感器，安裝支持?jǐn)z影的攝像頭，并集成WiFi、視頻播放元件，支持藍(lán)牙、LTE-4G功能[6]。智能頭盔硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能頭盔硬件架構(gòu)圖

②智能眼鏡。

智能眼鏡設(shè)備具有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、高清晰攝像、多傳感、內(nèi)置大容量存儲等功能。智能眼鏡能夠簡單地處理多媒體信息，在低強(qiáng)度使用情況下保證一定的工作時(shí)間。其硬件電路架構(gòu)與智能頭盔類似[7]。

③智能手套。

智能手套用于實(shí)現(xiàn)人體與設(shè)備間體感交互功能。通過內(nèi)置的傳感器(識別手部動作)和藍(lán)牙模塊(用于與手機(jī)相連接)，佩戴者能夠用大拇指與其他手指單擊或雙擊來完成對各種設(shè)備的控制，其中包括多媒體數(shù)據(jù)的操作。手掌部位的激活傳感器確保只有在用戶有需求時(shí)才會對其他設(shè)備進(jìn)行控制。智能手套基本上是四季通用的，同時(shí)手套內(nèi)置的無線控制組件是可拆卸的。智能手套軟件具有開放的API接口，提供給第三方開發(fā)者在API接口上開發(fā)出相應(yīng)的應(yīng)用APP[8-9]。

④腕帶式人體生命體征監(jiān)測裝置。

腕帶式人體生命體征監(jiān)測裝置一般以手環(huán)的形式出現(xiàn)，其集成ECG心電、PPG脈搏、紅外測溫等生命體征傳感器和九軸陀螺儀、定位等感知傳感器，傳感器經(jīng)過信號調(diào)理電路，使其具有體溫傳感、心跳傳感、定位、加速、方向感應(yīng)等功能。一般還需集成藍(lán)牙、WiFi、GPRS等通信模塊和LCD顯示、震動器、聲音等功能模塊[10-11]，才能組成一個(gè)完整的裝置。智能手環(huán)(表)硬件架構(gòu)如圖3所示[5]。

圖3 智能手環(huán)(表)硬件架構(gòu)圖

3.2終端設(shè)備軟件

終端設(shè)備軟件是針對嵌入式設(shè)備、在智能可穿戴設(shè)備上運(yùn)行的軟件，包括終端硬件服務(wù)軟件和終端應(yīng)用軟件。終端設(shè)備軟件架構(gòu)如圖4所示。

在終端硬件服務(wù)軟件設(shè)計(jì)中，主要遵循常規(guī)嵌入式軟件開發(fā)的一般架構(gòu)，分為操作系統(tǒng)和驅(qū)動層、設(shè)備接口層和數(shù)據(jù)融合層。底層操作系統(tǒng)選用適合AR的安卓7.0，其Linuxkernel為3.10，在Linux中開發(fā)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示模組、景深攝像頭、紅外、近電告警、藍(lán)牙、九軸陀螺儀、GPS、人體生命體征等傳感器驅(qū)動。設(shè)備接口層用于對攝像頭、紅外傳感等外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。數(shù)據(jù)融合層包括集成在操作系統(tǒng)內(nèi)的圖像識別、手勢識別、語音識別等融合算法。終端應(yīng)用軟件部分分為系統(tǒng)接口層、組件類庫和運(yùn)行環(huán)境層和應(yīng)用層，組件類庫開發(fā)硬件服務(wù)接口、終端可視化組件和儀器集成接口等。應(yīng)用層設(shè)計(jì)了和后臺服務(wù)配合的變電檢修系統(tǒng)APP、變電巡檢系統(tǒng)APP、輸電巡檢系統(tǒng)APP等。

圖4 終端設(shè)備軟件架構(gòu)圖

4 電網(wǎng)作業(yè)后臺云服務(wù)系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

與可穿戴前端對應(yīng)，在電網(wǎng)行業(yè)可穿戴技術(shù)需求調(diào)研的基礎(chǔ)上，面向電力的巡檢、電網(wǎng)基建、運(yùn)檢等業(yè)務(wù)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了智能可穿戴電網(wǎng)作業(yè)后臺支持云服務(wù)系統(tǒng)技術(shù)體系架構(gòu)。電力智能可穿戴電網(wǎng)作業(yè)后臺支持系統(tǒng)與終端設(shè)備采用C/S架構(gòu)，后臺管理采用B/S架構(gòu)。整個(gè)后臺軟件包括數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)處理層、基礎(chǔ)功能層和業(yè)務(wù)邏輯層，以及運(yùn)行和安全管理軟件。其支持系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖5所示。

數(shù)據(jù)存儲層設(shè)計(jì)有結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫和分布式文件系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理層設(shè)計(jì)有數(shù)據(jù)融合、信息空間構(gòu)建、并行計(jì)算、流計(jì)算、圖計(jì)算等數(shù)據(jù)處理功能，基礎(chǔ)功能層設(shè)計(jì)有圖形分析、語音分析、精準(zhǔn)地圖、衛(wèi)星地圖、流媒體服務(wù)等功能，業(yè)務(wù)邏輯層設(shè)計(jì)有情景推送、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)管理、協(xié)助作業(yè)、權(quán)限管理等服務(wù)軟件。運(yùn)行及安全管理軟件部分包括安全管理、設(shè)備管理、組件管理、計(jì)算管理和存儲管理等模塊。

圖5 支持系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)圖

5 結(jié)束語

智能可穿戴技術(shù)是多學(xué)科前沿技術(shù)的綜合體現(xiàn)，本文提出的面向電網(wǎng)作業(yè)總體解決方案和技術(shù)架構(gòu)已經(jīng)在多個(gè)科研項(xiàng)目和電力作業(yè)現(xiàn)場試點(diǎn)得到驗(yàn)證，部分成果已經(jīng)得到了工程應(yīng)用。該研究切實(shí)地改進(jìn)了電網(wǎng)作業(yè)人員工作方式，提高了電網(wǎng)設(shè)備安裝、檢修、巡檢作業(yè)的工作質(zhì)量和工作效率及標(biāo)準(zhǔn)化水平，并可以輔助解決作業(yè)人員人身安全的監(jiān)護(hù)問題。目前的研究和應(yīng)用情況充分體現(xiàn)了智能可穿戴技術(shù)在電力行業(yè)的廣闊應(yīng)用前景，并具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

但是，目前的智能可穿戴技術(shù)在電網(wǎng)作業(yè)中的應(yīng)用研究尚處于初級階段，還有一些短期內(nèi)不易解決的問題。隨著室內(nèi)定位和導(dǎo)航、精確近電告警、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示、機(jī)器視聽、高速低功耗無線通信網(wǎng)絡(luò)、低功耗處理單元計(jì)算能力、微體積微質(zhì)量元件等技術(shù)的高速發(fā)展，其系統(tǒng)的架構(gòu)還需要根據(jù)技術(shù)的發(fā)展不斷完善和優(yōu)化。面向電網(wǎng)作業(yè)的智能可穿戴系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)與研究成果，將為推動智能穿戴技術(shù)在電力行業(yè)及其他行業(yè)的應(yīng)用提供參考。

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ResearchandDesignoftheArchitectureofSmartWearableSystemforGridOperations

BAO Xingchuan

(Research Institute of Information and Communication,Global Energy Interconnection Research Institute,Nanjing211106,China)

With the growing scale of the power grid,the traditional mode of operation cannot adapt to the development of power grid,while smart wearable equipment is an important development direction of future computer form and system.The smart wearable technology based on argmented reality (AR)can improve the quality,efficiency and safety of grid operations.Through investigating the application scenarios of power grid,including transmission,transformation and distribution,and combining with smart wearable and communication network and background service technologies,the solution of smart wearable system for power grid is proposed.The overall technical architecture of smart wearable system and communication network system suitable for grid operation are designed,including the front end equipment hardware,system software and application software architecture,and the terminal application software architecture background service,etc.The whole structure of the design has been verified in a number of scientific research projects in the power industry; the application effects improve the work quality and efficiency of the grid operation,and enhance the level of standardization and the safety of operation staffs.The design provides guidance and reference for research and implementation of smart wearable technology in power grid applications.

Power energy; Artificial intelligence; Smart wearable system; AR; Smart terminal; Background service; Cloud service; Wireless communication network

TH89;TP368

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201710021

修改稿收到日期:2017-04-11

國家電網(wǎng)公司2016年海外基金資助項(xiàng)目(5455HT160027)

鮑興川(1973—)，男，碩士，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)自動化、電力系統(tǒng)信息通信技術(shù)的研究和開發(fā)工作。

E-mail:baoxingchuan@geiri.sgcc.com.cn。