基建工程現(xiàn)場信息網(wǎng)絡(luò)傳輸關(guān)鍵技術(shù)研究

吳 越，強(qiáng) 晟，趙振喜，李洪豐，馬立新，黎志軍

(1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司,長春 130028； 2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司信息通信公司，長春 130021；3.深圳市深精電科技有限公司，廣東 深圳 518000)

作為國家電網(wǎng)公司的傳統(tǒng)核心業(yè)務(wù)，電網(wǎng)工程建設(shè)經(jīng)過多年的發(fā)展，業(yè)務(wù)體系方面已形成國網(wǎng)總部(決策層)、省市公司(管理層)、現(xiàn)場三個項目部(執(zhí)行層)三個層級，管理職能形成進(jìn)度、安全、質(zhì)量、技術(shù)、造價、隊伍六大專業(yè)，業(yè)務(wù)管理過程分為項目前期、工程前期、建設(shè)施工、竣工移交四大階段，是企業(yè)核心價值鏈當(dāng)中的關(guān)鍵一環(huán)。電網(wǎng)工程建設(shè)項目管理涉及專業(yè)多、技術(shù)復(fù)雜、協(xié)調(diào)量大、信息及時性要求高，而現(xiàn)有信息系統(tǒng)的通信鏈路在“最后一公里”接入存在不足，信息系統(tǒng)在施工現(xiàn)場的實際應(yīng)用更多依靠現(xiàn)場信息員，信息錄入工作繁瑣，對現(xiàn)場業(yè)務(wù)人員造成較重的工作負(fù)擔(dān)。

吉林公司聚焦國網(wǎng)公司“三型兩網(wǎng)”戰(zhàn)略目標(biāo)[1]，基于國網(wǎng)基建部總體工作安排和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)大綱，結(jié)合省內(nèi)基建工作存在的短板，瞄準(zhǔn)工程建設(shè)管理關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、關(guān)鍵環(huán)節(jié)及需求聚焦點(diǎn)，利用“大云物移智”等先進(jìn)科技手段，開展基建項目實時數(shù)據(jù)管理平臺建設(shè)，因地制宜、先行先試，構(gòu)建狀態(tài)全面感知、數(shù)據(jù)高效處理，具有開放、共享特征的物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)，為國網(wǎng)基建全過程數(shù)字化管理平臺建設(shè)做好上下游數(shù)據(jù)流縱向貫通工作，積極推動電網(wǎng)工程建設(shè)向數(shù)字化、智能化、物聯(lián)化方向發(fā)展。

1 應(yīng)用背景

現(xiàn)有國家電網(wǎng)基建信息化管理是由職能管理驅(qū)動，向下逐級覆蓋至省級公司和市級公司，強(qiáng)調(diào)業(yè)務(wù)管理流程的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，應(yīng)用數(shù)據(jù)獲取方式多以人工錄入為主，數(shù)據(jù)的真實性、準(zhǔn)確性無法得到有效保障，系統(tǒng)功能設(shè)計往往忽視了基層工作的實際需求，線上信息與現(xiàn)場實際情況存在脫節(jié)現(xiàn)象，信息化的便利性及優(yōu)越性無法真正體現(xiàn)[2]。隨著國網(wǎng)公司提出構(gòu)建“三型兩網(wǎng)，世界一流”戰(zhàn)略，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)為提高電網(wǎng)基建信息化管理的精益化水平提供最佳解決方案[1]。

以電網(wǎng)基建工程現(xiàn)場全過程施工為根本主線，圍繞“人、機(jī)、料、法、環(huán)”五大要素，創(chuàng)新利用“大云物移智鏈”現(xiàn)代信息技術(shù)，構(gòu)建以工程現(xiàn)場無線網(wǎng)絡(luò)與邊緣物聯(lián)代理為代表的專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化的電網(wǎng)基建工程現(xiàn)場物聯(lián)生態(tài)體系，實現(xiàn)施工現(xiàn)場狀態(tài)自動感知、數(shù)據(jù)自動獲取，全面提升現(xiàn)場實時管控能力，用技術(shù)驅(qū)動業(yè)務(wù)發(fā)展，將經(jīng)驗式管理轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)的數(shù)據(jù)管理，不斷優(yōu)化管理流程、減少管理環(huán)節(jié)、精簡管控體系，通過提升現(xiàn)場信息感知和作業(yè)指揮能力、打通現(xiàn)場作業(yè)人員與后端工程專家的信息溝通渠道、提高數(shù)據(jù)自動化采集效率和質(zhì)量，減少現(xiàn)場負(fù)擔(dān)，真正做到為基層減負(fù)、為現(xiàn)場賦能，進(jìn)而推動電網(wǎng)基建管理的根本性變革。

本文提出的基建工程現(xiàn)場信息網(wǎng)絡(luò)基于長期演進(jìn)(LTE)節(jié)點(diǎn)模式的自建無線通信網(wǎng)，適用于跨江、山林聚集區(qū)等無信號覆蓋的環(huán)境。當(dāng)已有信號和無信號覆蓋位置之間信號衰減不大時，可以直接采用點(diǎn)對多點(diǎn)通信模式。即在已有信號覆蓋的位置放置設(shè)備作為信號接收，無信號覆蓋的位置放置作為信號發(fā)射，接收裝置把發(fā)射裝置收到的信號匯總送入網(wǎng)絡(luò)層的電力光纖通信網(wǎng)，點(diǎn)對多點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量不多于16個，點(diǎn)與點(diǎn)直接通信距離不小于15 km，可以解決電網(wǎng)基建線路工程受地形地貌限制而無法進(jìn)行現(xiàn)場通信的現(xiàn)實問題。

圖1 基建項目實時數(shù)據(jù)管理平臺整體結(jié)構(gòu)

2 平臺整體建設(shè)方案

以基層減負(fù)和現(xiàn)場賦能為根本落腳點(diǎn)，緊緊圍繞工程項目進(jìn)度、安全、質(zhì)量、技術(shù)、造價、隊伍六大管理目標(biāo)和現(xiàn)場“人、機(jī)、料、法、環(huán)”五大核心要素，以物聯(lián)網(wǎng)思維開展基建項目實時數(shù)據(jù)管理平臺作業(yè)現(xiàn)場感知層、網(wǎng)絡(luò)層集成[2](邊緣計算應(yīng)用系統(tǒng))及知識中心[2](基建業(yè)務(wù)精準(zhǔn)搜索引擎)、即時通訊[2](基建業(yè)務(wù)指導(dǎo)即時通訊系統(tǒng))的總體設(shè)計，依托現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)工地現(xiàn)場泛在物聯(lián)和全息感知。基建項目實時數(shù)據(jù)管理平臺整體結(jié)構(gòu)見圖1。該平臺具有如下優(yōu)勢。

a.聚焦現(xiàn)場，實用易用。整體系統(tǒng)軟件功能、硬件裝置均是以服務(wù)現(xiàn)場為原則，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)狀態(tài)自動感知、數(shù)據(jù)自動采集，減少人為錄入數(shù)據(jù)量，提高現(xiàn)場作業(yè)人員的狀態(tài)感知和現(xiàn)場管控能力。同時，現(xiàn)場布設(shè)的傳感裝置、手持終端等裝置和功能要符合現(xiàn)場作業(yè)流程、作業(yè)人員工作習(xí)慣，充分考慮實用性和易用性，簡化操作步驟、便于攜帶維護(hù)，具備優(yōu)良的應(yīng)用體驗，減輕現(xiàn)場人員的使用負(fù)擔(dān)，同時進(jìn)一步理清與上級統(tǒng)建系統(tǒng)的關(guān)系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的縱向貫通。

b.技術(shù)可靠，動態(tài)迭代。傳感裝置、通信組網(wǎng)、系統(tǒng)集成技術(shù)要同工程現(xiàn)場建設(shè)環(huán)境的實際特點(diǎn)緊密結(jié)合，在裝置可靠性、維護(hù)便利性、環(huán)境適應(yīng)性、使用安全性等方面開展重點(diǎn)攻關(guān)，積極采用成熟安全的技術(shù)產(chǎn)品，提高數(shù)據(jù)采集效率和質(zhì)量。同時，不斷引入行業(yè)內(nèi)外的先進(jìn)成果，不斷推進(jìn)現(xiàn)場感知產(chǎn)品的新陳代謝，形成良性、動態(tài)、開放的物聯(lián)感知生態(tài)圈，更好的支撐業(yè)務(wù)長遠(yuǎn)發(fā)展。

c.先進(jìn)引領(lǐng), 技能提升。按照國網(wǎng)最新的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，廣泛開展物聯(lián)技術(shù)收資和成熟實踐案例的借鑒工作，確保各項工作具有一定技術(shù)先進(jìn)性和行業(yè)引領(lǐng)性，為一線員工賦能，促進(jìn)人員技能提升。

平臺建設(shè)實施過程中按照“總體規(guī)劃、分層開發(fā)”總體思路，遵循九個原則，即先進(jìn)性原則、規(guī)范性原則、適應(yīng)性原則、可擴(kuò)展原則、可靠性原則、保密性原則、一致性原則、易用性原則和經(jīng)濟(jì)性原則。

3 國內(nèi)外現(xiàn)場通信傳輸技術(shù)研究

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是“信息化”時代的重要發(fā)展階段。以WiFi、藍(lán)牙為代表的傳統(tǒng)短距無線通信技術(shù)，通過無線電波傳輸信息的通信雙方傳輸距離限制在較小范圍內(nèi)，主要關(guān)注建立局部范圍內(nèi)臨時性的物聯(lián)網(wǎng)通信[4]，具備三個顯著特點(diǎn)：第一個特點(diǎn)是低成本，工作頻率是免付費(fèi)的ISM頻段；第二個特點(diǎn)是低功耗，無線發(fā)射器的發(fā)射功率一般在100 mW以內(nèi)；第三個特點(diǎn)是對等通信，通信距離大多在幾十米或上百米之內(nèi)。

物聯(lián)網(wǎng)最重要的特征是實現(xiàn)萬物相連的互聯(lián)網(wǎng)，這對無線通信技術(shù)提出了更高的要求，專為低帶寬、低功耗、遠(yuǎn)距離、大量連接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計的低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)逐步成為主流。窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)和LoRa(遠(yuǎn)距離無線電)是低功耗廣域網(wǎng)最具有代表性的兩種無線通信技術(shù)，具有不同的技術(shù)和商業(yè)特性，也是最有發(fā)展前景的兩個低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)。這兩種技術(shù)都有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗少等特點(diǎn)，都適合低功耗物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，都在積極擴(kuò)建自己的生態(tài)系統(tǒng)。以LoRa、NB-IoT為代表的廣域網(wǎng)無線通信技術(shù)，二者技術(shù)差異見表1。

表1 NB-IoT與LoRa的技術(shù)差異表

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)“智能感知、廣泛互聯(lián)、高效共享、應(yīng)用靈活”網(wǎng)絡(luò)，形成“端-場-邊-管-云”架構(gòu)，基于“云霧協(xié)同”計算，實現(xiàn)終端層、網(wǎng)絡(luò)層和平臺層的能力開放，支撐能源互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展。在SG-eIoT架構(gòu)[1]中， LTE是現(xiàn)場應(yīng)用較為成熟的通信技術(shù)，其由第三代合作伙伴計劃(3GPP)組織制定的通用移動通信系統(tǒng)(UMTS)無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，改進(jìn)并增強(qiáng)了3G的空中接入技術(shù)，采用正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)和多進(jìn)多出(MIMO)作為其無線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的唯一標(biāo)準(zhǔn)，在20 MHz頻譜帶寬下提供下行100 Mb/s與上行50 Mb/s的峰值速率，改善小區(qū)邊緣用戶的性能，提高小區(qū)容量，降低系統(tǒng)延遲。

現(xiàn)階段，基于5G網(wǎng)絡(luò)的、多場景的智慧電廠端到端業(yè)務(wù)驗證，打造無線、無人、互聯(lián)、互動的智慧場站，這是5G技術(shù)在智慧能源行業(yè)的重要突破。主流運(yùn)營商部署5G超大帶寬、超低時延、超高可靠的網(wǎng)絡(luò)，成功實現(xiàn)無人機(jī)巡檢、機(jī)器人巡檢、智能安防、單兵作業(yè)四個智慧能源應(yīng)用場景。實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸從有線到無線，設(shè)備操控從現(xiàn)場到遠(yuǎn)程。通過全景高清攝像頭，實現(xiàn)場站實時監(jiān)控及綜合監(jiān)控。單兵場景中，通過智能穿戴設(shè)備的音視頻和人員定位功能，實現(xiàn)專家對變電站現(xiàn)場運(yùn)維人員遠(yuǎn)程作業(yè)指導(dǎo)。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)見圖2。

圖2 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

4 自建無線網(wǎng)傳輸系統(tǒng)

自建無線網(wǎng)通信是一款點(diǎn)對多點(diǎn)寬帶接入及數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)，支持一個主節(jié)點(diǎn)最多接入連接16個子節(jié)點(diǎn)的特性。該產(chǎn)品支持多種帶寬分配(5、10、20 MHz)，扁平化系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，有效減少系統(tǒng)延時，提高系統(tǒng)傳輸能力，具備傳輸距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)吞吐量大、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)。該產(chǎn)品采用集成電路芯片(SoC芯片)，提高集成度，大大降低系統(tǒng)功耗，減小模塊尺寸，滿足客戶低功耗、便攜等方面的需求。

在抗干擾方面：內(nèi)置濾波器，抗帶外干擾；動態(tài)調(diào)頻，抗帶內(nèi)干擾。

在安全性方面：無線接入時，通過密鑰來判定是否可以接入；無線傳輸時，可以選擇SNOW/AES/ZUC三種加密方式的任意一種進(jìn)行加密。

通信模塊支持0.8 Gb/s、1.4 Gb/s兩個頻段，支持自動功控。根據(jù)最大發(fā)射功率有0.3 W、2 W和10 W三種產(chǎn)品。產(chǎn)品外觀見圖3，從上到下分別是0.3 W，2 W和10 W。

圖3 自建無線網(wǎng)通信模塊

4.1 錢塘江區(qū)域自建無線網(wǎng)通信系統(tǒng)

本次開展基于LTE中心節(jié)點(diǎn)模式的雙向圖傳遠(yuǎn)距測試,測試場地1海拔高度約為1.5 km，放置主模塊，接電腦，接兩根16 cm長2 dBi全向天線。測試頻點(diǎn)1 437.9 MHz，發(fā)射功率40 dBm，帶寬20 MHz，主從測試驅(qū)動開發(fā)(TDD)配置1D4U，見圖4。

圖4 測試場地1主節(jié)點(diǎn)通信模塊

受地球曲率和菲涅爾半徑共同限制選擇130 km、140 km處、150 km處3個地點(diǎn)作為從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測試。

主從節(jié)點(diǎn)相距130 km時，經(jīng)主、從節(jié)點(diǎn)所在電腦的數(shù)據(jù)測試，自建無線網(wǎng)通信系統(tǒng)可以提供上行約為10 Mb/s碼率；主從節(jié)點(diǎn)相距140 km時，經(jīng)主、從節(jié)點(diǎn)所在電腦的數(shù)據(jù)測試，自建無線網(wǎng)通信系統(tǒng)可以提供上行約為3.5 Mb/s碼率；主從節(jié)點(diǎn)相距150 km時經(jīng)主、從節(jié)點(diǎn)所在電腦的數(shù)據(jù)測試。當(dāng)信噪比(SNR)值可以穩(wěn)定在-4～-2 dB，自建無線網(wǎng)通信系統(tǒng)無法提供1 080 P實時視頻所需的帶寬，當(dāng)SNR可以穩(wěn)定在2～3 dB。根據(jù)鏈路信息的參考信號接收功率(RSRP)和SNR實測值，可以推測相距150 km測試場地2比測試場地1端的頻譜干擾少，通信鏈路情況良好。

4.2 山林聚集區(qū)自建無線網(wǎng)通信系統(tǒng)試驗

本次系統(tǒng)試驗地點(diǎn)選取某抽水蓄能電站送出工程所在線路，多位于山林聚集區(qū)。工程的部分塔基處于運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)尚未覆蓋的通信盲區(qū)，如N10耐張塔。選取N10塔附近區(qū)域進(jìn)行室外-無線自建網(wǎng)試驗，初步確定位置為W村東北角1 km處。

根據(jù)現(xiàn)場實地調(diào)研，手機(jī)在測試場地接收附近運(yùn)營商基站的信號為無服務(wù)狀態(tài)，滿足開展室外自建無線網(wǎng)測試條件，根據(jù)現(xiàn)場條件測試無線通信系統(tǒng)繞射山區(qū)森林的能力。根據(jù)現(xiàn)場測試區(qū)域的實際情況，選擇發(fā)射功率為10 W的通信模塊，連接31.5 cm長的4 dBi基帶天線，置于車頂并通過網(wǎng)線連接車內(nèi)的測試筆記本電腦。因處于公網(wǎng)通信盲區(qū)，兩個車輛借助測試電腦的FeiQ(飛秋)進(jìn)行雙方即時通信。一輛車靜止，另一輛車向有山、樹的方向駛離直至即時語音和系統(tǒng)連接中斷，經(jīng)實測信號繞射山區(qū)森林的距離為2.429 km。

選取第一個測試場地的西南角區(qū)域作為第二個測試場地，主要測試無線通信系統(tǒng)繞射房屋和穿越樹林的能力，采用相同的測試方法，首先確定兩個車輛的實際位置，在奧維互動地圖獲取兩車間的相對距離為4.641 km。10 W無線模塊相距4.64 km，SNR為6～7 dB?，F(xiàn)場無線自建網(wǎng)可以提供至少10 Mb/s傳輸速率，參照基建工程現(xiàn)場的傳輸需求，可以滿足單路1 080 P高清視頻或基建可視化數(shù)據(jù)的有效傳輸。

5 結(jié)論

基建工程現(xiàn)場無線自建網(wǎng)通信系統(tǒng)采用基于LTE技術(shù)的中心節(jié)點(diǎn)模式雙向遠(yuǎn)距傳輸。經(jīng)過錢塘江范圍實際測試，在通視條件下，10 W發(fā)射功率配合16 cm長2 dBi天線，承載單路1 080 P高清視頻距離可達(dá)150 km。經(jīng)過某抽水蓄能電站送出線路工程實際測試，山林聚集區(qū)的語音通信距離為2.429 km，通過調(diào)制與編碼策略實現(xiàn)視頻傳輸距離為2.5 km。選取的兩個應(yīng)用場景測試的傳輸距離、SNR、上行吞吐速率滿足基建工程現(xiàn)場的應(yīng)用條件，安全性和可靠性等參數(shù)指標(biāo)達(dá)到了感知層現(xiàn)場通信預(yù)期效果，能夠基本滿足現(xiàn)場小數(shù)據(jù)量高速傳輸?shù)男枨蟆?/p>

隨著5G的規(guī)?；逃茫瑫r作業(yè)施工現(xiàn)場的通信環(huán)境逐漸改善，將研究探索現(xiàn)場大數(shù)據(jù)量高速傳輸?shù)哪Ｊ剑喕F(xiàn)場組網(wǎng)方案，突破現(xiàn)場通信信號覆蓋限制，從而使現(xiàn)場信息通信更快捷、更靈活、更便利，將驅(qū)動未來基建泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將從軟件服務(wù)、感知能力和通信組網(wǎng)方式三方面重點(diǎn)突破，真正實現(xiàn)施工現(xiàn)場信息采集智能化，為電網(wǎng)基建現(xiàn)場管理團(tuán)隊賦能。