基于“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)計量現(xiàn)場巡檢模式研究?

夏水斌 謝 瑋 何 歡 應(yīng)君裕 鄧舒遲

（1.國網(wǎng)湖北省電力公司計量中心 武漢 430080）（2.湖北華中電力科技開發(fā)有限責任公司 武漢 430077）

1 引言

計量現(xiàn)場巡檢是掌握計量現(xiàn)場設(shè)備運行情況，及時發(fā)現(xiàn)缺陷，消除事故隱患，保證計量設(shè)備正常運行的重要措施，它能有效地為評估計量現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)［1～3］，及時安排檢修提供可靠、詳細的數(shù)據(jù)，并有助于做出科學分析［4～5］。計量現(xiàn)場巡檢是計量現(xiàn)場工作的重要環(huán)節(jié)［6］，是保障計量現(xiàn)場設(shè)備正常運行的重要基礎(chǔ)。

計量巡檢的主要業(yè)務(wù)包括設(shè)備巡檢、故障消缺、停復電、抄表等。目前國內(nèi)計量現(xiàn)場巡檢基本為人工巡檢，巡檢對象多為專變用戶和公變臺區(qū)的計量設(shè)備，由人工制定巡檢計劃后，攜帶紙質(zhì)表格至現(xiàn)場勘查。這種巡檢模式存在日常管理漏洞、巡檢結(jié)果不能有效收集、巡檢數(shù)據(jù)實用性不足等種種弊端。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 現(xiàn)場巡檢的最優(yōu)路徑規(guī)劃

由于電力網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的位置相對固定［7］，因此在路徑規(guī)劃中采用靜態(tài)最短路徑Dijkstra算法來解決最優(yōu)巡檢路線的規(guī)劃［8］。其計算描述如下：

步驟 1：設(shè)巡檢設(shè)備的集合為 V={i=(0，1，2，3，…)}。巡檢設(shè)備的鄰接矩陣為A。若巡檢設(shè)備vi、vj可達，其權(quán)值為A[i][j]；若巡檢設(shè)備不可達，其權(quán)值為∞。集合S為已找到從源點(v0)出發(fā)的最短路徑所有的巡檢設(shè)備，初始狀態(tài)為空集。數(shù)組D記錄從v0出發(fā)，其他設(shè)備vi的最短路徑。

步驟2：初始化 D，如果v0到設(shè)備vi可達，則將D[i]賦值為距離，否則賦值為∞。D[0]賦值為0。

步驟3：遍歷數(shù)組 D，找出最小值 D[j]=min{D[i]|vi∈V-S}，然 后 將 j點 并 入 集 合S=S∪{j}。

步驟4：修改數(shù)組D，對于任意元素k，如果D[k]＞D[j]+A[i][j]，則 D[k]=D[j]+A[j][k]。

步驟5：重復步驟3～4，直到V集合為空，則找到從v0出發(fā)到所有巡檢設(shè)備的最短路徑及其距離。

為了克服重復規(guī)劃效率低下的問題，根據(jù)電力設(shè)備位置相對固定的特點，將每次規(guī)劃的路徑保持在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。這樣可極大提高重復規(guī)劃的響應(yīng)時間。

2.2 基于二維碼技術(shù)的現(xiàn)場準入和設(shè)備信息錄入

二維碼把現(xiàn)場準入信息和巡檢設(shè)備的基本信息使用特定的二進制編碼［9］，然后依據(jù)一定規(guī)律轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的幾何圖像［10］。通過巡檢人員手持終端的攝像頭拍攝圖像進行識別讀取后，可還原隱藏在圖像中的二進制編碼。

由于計量現(xiàn)場準入和設(shè)備信息錄入的需要，在二維碼原始信息中要包括現(xiàn)場準入的加密信息設(shè)備基礎(chǔ)不加密的明文信息?，F(xiàn)場準入的加密信息在使用雙向加密算法以特定密鑰進行加密運算后生成隱藏信息。最后將設(shè)備基礎(chǔ)的明文信息和準入的隱藏信息拼合，得到二維碼生成信息，其編碼步驟如圖1所示。

圖1 二維碼編碼步驟

解碼步驟與編碼步驟相反。其解碼步驟如圖2示。

圖2 二維碼解碼步驟

2.3 基于手機終端的計量巡檢

將智能手機平臺帶入計量現(xiàn)場巡檢工作中，可以較低成本實現(xiàn)巡檢工作的無紙化和實時移動辦公，大大提高工作效率。

基于智能手機平臺的計量現(xiàn)場巡檢系統(tǒng)分為移動端和后臺管理端兩個部分［11］。系統(tǒng)利用Web Service接口來實現(xiàn)移動端和服務(wù)端的數(shù)據(jù)交互。Web Service是一種面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)，能夠為異構(gòu)平臺提供數(shù)據(jù)接口。移動端采用M/S移動技術(shù)架構(gòu)，通過第三方的軟件開發(fā)包（SDK）來調(diào)用后臺服務(wù)端的Web Service服務(wù)接口，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)以XML格式在移動端和服務(wù)端之間的傳輸?；谥悄苁謾C平臺的巡檢系統(tǒng)的架構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于智能手機平臺的巡檢系統(tǒng)

2.4 基于分布式專家系統(tǒng)的故障診斷

受計量現(xiàn)場巡檢人員自身知識儲存欠缺的局限，現(xiàn)場故障的診斷和消缺在準確性和速度上常有不足［12］。借助專家知識庫經(jīng)驗可快速定位故障，便于現(xiàn)場運維人員簡化現(xiàn)場操作和縮短判斷時間，提高運維效率。

專家系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是知識庫和推理機。知識庫是基于海量歷史數(shù)據(jù)而構(gòu)建的［13］。推理機是根據(jù)知識庫，建立合適的模型，進行推理得出故障診斷結(jié)果［14］。故障診斷的準確度基于海量歷史數(shù)據(jù)和推理機的診斷算法。專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖4。

圖4 專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)采用分布式文件系統(tǒng)HDFS作為底層存儲結(jié)構(gòu)。HDFS歷史數(shù)據(jù)庫存儲在HBase數(shù)據(jù)庫中。HBase數(shù)據(jù)表中包含各個特征和異常事件原因等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。系統(tǒng)運行初期需要業(yè)務(wù)專家對異常進行判斷。隨著知識庫拓展到一定規(guī)模，系統(tǒng)可以依據(jù)診斷算法自動給出故障原因。

系統(tǒng)使用分布式編程框架MapRuduce實現(xiàn)的樸素貝葉斯算法來進行故障診斷［15］。其算法如下：

步驟1：建立包含一個異常特征和所有異常原因的二維決策表；

步驟2：約簡屬性，尋找每個異常原因的所有相關(guān)特征；

步驟3：根據(jù)歷史特征對每個異常原因建立樸素貝葉斯網(wǎng)絡(luò)；

式（1）中 Nri為所有歷史數(shù)據(jù)中出現(xiàn)異常原因ri的個數(shù)為所有歷史數(shù)據(jù)出現(xiàn)特征組的次數(shù)是所有歷史數(shù)據(jù)中同時出現(xiàn) ri和 x1，x2，…，xm的次數(shù)。

3 架構(gòu)設(shè)計

3.1 基于“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的計量巡檢的業(yè)務(wù)架構(gòu)

基于面向提高設(shè)備計量數(shù)據(jù)準確性和數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性，結(jié)合計量巡檢業(yè)務(wù)現(xiàn)場工作管理的需求，梳理了計量巡檢的業(yè)務(wù)架構(gòu)，設(shè)計了一套對于計量現(xiàn)場巡檢模式的改造和計量采集業(yè)務(wù)現(xiàn)場工作的閉環(huán)管控模式。其業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖5示。

圖5 基于“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)計量巡檢業(yè)務(wù)架構(gòu)

3.2 基于“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的計量巡檢的系統(tǒng)架構(gòu)

基于“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的計量巡檢系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示，整個系統(tǒng)分為采集服務(wù)層、用戶界面層、接口服務(wù)層、應(yīng)用邏輯層和拓展服務(wù)層。

圖6 基于“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)計量巡檢系統(tǒng)架構(gòu)

1）采集服務(wù)層是通過軟件接口與用電采集系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)和營銷數(shù)據(jù)平臺等系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，為應(yīng)用邏輯層提供漏抄數(shù)據(jù)、異常數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)和設(shè)備基礎(chǔ)檔案數(shù)據(jù)等信息。

2）用戶界面層為巡檢客戶端、巡檢服務(wù)端和手機用戶提供前端用戶準入、數(shù)據(jù)查詢、單據(jù)上傳、數(shù)據(jù)整理和移動辦公等服務(wù)。

3）接口服務(wù)層為手機終端、相關(guān)系統(tǒng)提供通信服務(wù)接口和軟件服務(wù)接口。手機終端以4G移動互聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)，為此接口服務(wù)層配置了包過濾防火墻，并通過目的地址轉(zhuǎn)換方式將內(nèi)部WEB服務(wù)器映射到公網(wǎng)指定IP為手機終端提供服務(wù)端口。同時在包過濾防火墻的配置二層ACL，精準匹配手機終端的MAC地址，以提高網(wǎng)絡(luò)安全性。接口服務(wù)層同時為相關(guān)系統(tǒng)提供基于SOAP的XML服務(wù)接口，以便異構(gòu)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸。

4）應(yīng)用邏輯層包括主要的業(yè)務(wù)模塊，提供對設(shè)備巡檢、故障消缺、停復電和抄表業(yè)務(wù)的任務(wù)計劃、工單下發(fā)、操作線路規(guī)劃、過程數(shù)據(jù)采集等全流程的管控。

5）拓展業(yè)務(wù)層為其他決策系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持，使其能夠?qū)崟r獲取計量巡檢數(shù)據(jù)，了解計量現(xiàn)場整體狀況，科學決策，降低管理成本。

3.3 基于“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的計量巡檢的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

基于“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的計量巡檢的總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖7所示。

圖7 基于“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)計量巡檢網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

系統(tǒng)所有的業(yè)務(wù)單據(jù)信息、用戶信息保存在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫中。歷史故障信息保存在分布式數(shù)據(jù)庫中。Web Service服務(wù)器向其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供服務(wù)接口。手機終端通過移動互聯(lián)網(wǎng)與業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)連接。業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)之間設(shè)置邊界防火墻對數(shù)據(jù)包進行PAT轉(zhuǎn)發(fā)，在保證網(wǎng)絡(luò)通達的同時隱藏內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高網(wǎng)絡(luò)的安全性。

4 系統(tǒng)測試

4.1 路徑規(guī)劃的時間響應(yīng)測試

響應(yīng)時間是衡量路徑規(guī)劃效率的重要指標。我們首先通過實際空間數(shù)據(jù)對系統(tǒng)路徑規(guī)劃的響應(yīng)時間進行測試，已檢驗該算法是否達到預期要求。測試結(jié)果如表1所示（單位：s）。

當結(jié)點和路徑較少時，系統(tǒng)響應(yīng)時間較少。當頂點超過500，響應(yīng)時間較大。重復路徑規(guī)劃的響應(yīng)時間都很快，這是由于已經(jīng)規(guī)劃過的最優(yōu)路徑已被插入數(shù)據(jù)庫中了，當用戶再次請求規(guī)劃的時候，系統(tǒng)可以直接查詢數(shù)據(jù)庫。這一測試結(jié)果表明路徑規(guī)劃算法的效率符合預期，具有較強的可實現(xiàn)性。

表1 路徑規(guī)劃的時間響應(yīng)測試

4.2 分布式專家系統(tǒng)的性能測試

在分布式數(shù)據(jù)系統(tǒng)的性能測試中，采用從1到48個線程依次并發(fā)的方式驗證系統(tǒng)的文件讀寫性能。測試工具采用DFS-Perf。測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 分布式系統(tǒng)多線程讀寫性能測試

從測試結(jié)果可以看出，當線程并發(fā)小于24時，讀寫性能隨并發(fā)讀增加而較大提升，最高能達到讀操作500G/s和寫操作148G/s；當并發(fā)度大于24后，讀寫性能基本保持不變。這是由于24是節(jié)點超線程核數(shù)。通過測試可以得出系統(tǒng)的并發(fā)度和讀寫負載性能均滿足預期。

5 結(jié)語

本文針對基于“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)計量巡檢模式的研究，分析了其中的關(guān)鍵技術(shù)，梳理了基于“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)計量巡檢模式的業(yè)務(wù)架構(gòu)，提出了一種基于“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)計量巡檢模式的邏輯架構(gòu)，設(shè)計了一種基于“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)計量現(xiàn)場巡檢模式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并對關(guān)鍵技術(shù)進行了系統(tǒng)測試。

依據(jù)多系統(tǒng)采集的實時數(shù)據(jù)，可科學制定巡檢計劃和快速獲取故障信息；巡檢計劃和最優(yōu)巡檢路線可實時下載至現(xiàn)場巡檢人員，使得巡檢調(diào)度時效性極大提高；巡檢時可實時依靠海量專家知識庫的故障診斷信息快速分析故障原因，可消除現(xiàn)場人員技能不足，提高巡檢工作效率；智能手機終端現(xiàn)場反饋巡檢數(shù)據(jù)，使巡檢結(jié)果可以有效上傳，便于巡檢的閉環(huán)管控；基于GIS數(shù)據(jù)和路徑規(guī)劃可保證現(xiàn)場人員的巡檢到位率，方便線上線下一體化管理。綜上所述，基于“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的計量巡檢模式相對現(xiàn)有計量巡檢模式優(yōu)點突出，是計量巡檢模式創(chuàng)新發(fā)展的方向。

由于水平有限，文中對基于“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)計量現(xiàn)場巡檢模式的研究難免存在不妥之處，筆者后續(xù)將繼續(xù)深入探索，進一步完善基于“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)計量現(xiàn)場巡檢系統(tǒng)。