基于GIS與物聯(lián)網(wǎng)集成的地下電纜井在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

袁林峰，徐勇明，史建勛

（國(guó)網(wǎng)浙江嘉善縣供電有限公司，浙江 嘉善 314100）

配電網(wǎng)是整個(gè)電力系統(tǒng)中的一個(gè)重要部分，它負(fù)責(zé)將電力傳輸?shù)接脩?，地下電纜井是配電網(wǎng)中的重要一環(huán)，它的穩(wěn)定運(yùn)行與否對(duì)配電網(wǎng)安全運(yùn)行起到關(guān)鍵作用。在電力井運(yùn)維過(guò)程中，常常發(fā)現(xiàn)井蓋被盜；電纜中間接頭溫度異常后，不能及時(shí)獲取事故位置并及早處理，只能等完全爆燃，引起停電等安全事故后，才能到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)處置；電纜井施工前，不能及時(shí)掌握井內(nèi)水位信息和井內(nèi)有毒氣體濃度情況，增加了施工風(fēng)險(xiǎn)和引發(fā)不必要的人員傷亡概率；敷設(shè)新電纜或電纜線路規(guī)劃時(shí)，不能查看電纜孔位利用、電纜安裝環(huán)境等井內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)情況。隨著物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計(jì)算技術(shù)的成熟，以及地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)的廣泛應(yīng)用，利用三者集成技術(shù)對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)中地下電纜井進(jìn)行在線監(jiān)控變得必要和可能。文獻(xiàn)[1-2]提出了GIS與各類監(jiān)測(cè)設(shè)備集成系統(tǒng)的方法，但傳感器與監(jiān)控中心通信采用了光纖網(wǎng)絡(luò)，光纖網(wǎng)絡(luò)布設(shè)成本高，對(duì)不具備該條件的地區(qū)推廣難度大；所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸?shù)胶笈_(tái)進(jìn)行分析和處理，效率低下且容易延時(shí)。文獻(xiàn)[3-6]提出了電纜井監(jiān)控的一些技術(shù)和手段，但沒(méi)有與GIS技術(shù)進(jìn)行集成，各類監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可視化還是傳統(tǒng)表格形式，沒(méi)有與被監(jiān)控物體空間位置結(jié)合起來(lái)，不夠直觀，未能發(fā)揮GIS空間定位、空間分析技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

本文綜合各參考文獻(xiàn)資料，在地下電纜及設(shè)備普查成果數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上，提出了基于GIS和物聯(lián)網(wǎng)集成的嘉善縣地下電纜井在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究的內(nèi)容、技術(shù)方法，為電纜井的智能運(yùn)維提供新思路、新方法。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原則

安全性上，系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家電網(wǎng)信息系統(tǒng)建設(shè)規(guī)范[7]，各類傳感器數(shù)據(jù)傳輸要使用國(guó)家電網(wǎng)認(rèn)可的網(wǎng)絡(luò)形式，如國(guó)家電網(wǎng)外網(wǎng)專用網(wǎng)絡(luò)，或采集的各類傳感器數(shù)據(jù)須經(jīng)國(guó)家電網(wǎng)認(rèn)可的邊緣計(jì)算設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)后才能傳輸出去。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到未來(lái)擴(kuò)展要求，在接口設(shè)計(jì)上考慮為其他設(shè)備接入留有余地。并在智能化系統(tǒng)、安防監(jiān)控系統(tǒng)的主要設(shè)備選型方面留有冗余；在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，要保證不同技術(shù)水平的人員能熟練使用系統(tǒng)，對(duì)一些基礎(chǔ)功能，要能利用可視化界面操作的方式進(jìn)行配置。

1.2 系統(tǒng)主要設(shè)備

有害氣體傳感器模組：是使用MEMS氣體傳感器而研發(fā)的微型氣體傳感器件，可用于同時(shí)檢測(cè)和識(shí)別空氣中CO、H2S、CH4氣體的濃度。各類傳感器采用Modbus通信協(xié)議。

無(wú)線液位監(jiān)測(cè)終端模組：設(shè)備串行接口，電源采用TVS防浪涌保護(hù)設(shè)計(jì)，保證設(shè)備可靠性和穩(wěn)定性；提供穩(wěn)定可靠的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)傳輸；支持UDP/COAP協(xié)議。

無(wú)線測(cè)溫模塊：通過(guò)高壓電場(chǎng)取電，本系統(tǒng)只需高壓系統(tǒng)有電即可，與負(fù)載電流大小無(wú)關(guān)。

井蓋監(jiān)控設(shè)備：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井蓋狀態(tài)，當(dāng)有人開(kāi)啟井蓋時(shí)，會(huì)通過(guò)短信、微信等方式向相關(guān)人員報(bào)警。

高清槍擊攝像機(jī)：攝像頭內(nèi)安裝有存儲(chǔ)卡，用來(lái)存儲(chǔ)本地畫面，可隨時(shí)調(diào)取查看。

邊緣計(jì)算信息采集終端：主要用于接收各傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算分析，把最終結(jié)果統(tǒng)一傳送到云端，該設(shè)備具有邊緣計(jì)算功能：減輕云的負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性；異構(gòu)接入：支持485以太網(wǎng)、Lora Wi-Fi等多種接口接入；多協(xié)議轉(zhuǎn)換：支持DLT645的101、104等多種規(guī)約的解析；多因子認(rèn)證：身份認(rèn)證，軟硬件數(shù)據(jù)加密等[9]。

由于井內(nèi)無(wú)適合各設(shè)備使用的電源，故攝像頭和邊緣計(jì)算采集終端利用豎立在井外的太陽(yáng)能帆板供電。

1.3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的測(cè)溫、液位、有毒氣體、井蓋翻動(dòng)傳感器采集的信息，通過(guò)NB-IoT無(wú)線傳輸把數(shù)據(jù)發(fā)送給國(guó)家電網(wǎng)信息安全認(rèn)證的邊緣計(jì)算信息采集裝置。對(duì)于視頻，由于采用的邊緣計(jì)算采集裝置對(duì)視頻數(shù)據(jù)接入效率較低，故視頻信息通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到視頻信息服務(wù)器。邊緣計(jì)算信息采集裝置把收集到的監(jiān)測(cè)信息，通過(guò)國(guó)家電網(wǎng)VPN發(fā)送給監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器。

監(jiān)測(cè)中心還有如下數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，地圖服務(wù)器：用于發(fā)布所在區(qū)域的地圖瓦片服務(wù)（WMTS服務(wù)），各客戶端可在線調(diào)用所在地區(qū)地圖瓦片數(shù)據(jù)；地下電纜及設(shè)備臺(tái)賬數(shù)據(jù)庫(kù)：包含地下電纜及設(shè)備空間及屬性信息，在地圖上可查看其空間位置及屬性信息，各監(jiān)測(cè)信息可掛接在臺(tái)賬數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的臺(tái)賬空間位置上，通過(guò)GIS實(shí)現(xiàn)地下電纜及設(shè)備臺(tái)賬信息與監(jiān)測(cè)信息的集成。系統(tǒng)運(yùn)維管理數(shù)據(jù)庫(kù)：主要包括用戶數(shù)據(jù)、權(quán)限數(shù)據(jù)、角色數(shù)據(jù)、系統(tǒng)日志等。監(jiān)測(cè)平臺(tái)與各監(jiān)測(cè)設(shè)備通信通過(guò)UDP協(xié)議，根據(jù)通信協(xié)議具體規(guī)則，可把傳輸過(guò)來(lái)的一串字符解析成可辨識(shí)的內(nèi)容，存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。整個(gè)監(jiān)測(cè)平臺(tái)采用B/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)技術(shù)路線

2.1 項(xiàng)目硬件安裝施工要求

由于地下電力井所處地理位置不同，有些井內(nèi)電纜常年被水浸泡，安裝電纜中間接頭測(cè)溫設(shè)備時(shí)，要用防水膠帶包裹嚴(yán)實(shí)，防止進(jìn)水；邊緣計(jì)算采集裝置也要采用達(dá)到IP66防水級(jí)別，井內(nèi)信號(hào)可采用伸出井外的增益天線發(fā)射，根據(jù)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，在有水浸的電纜上，無(wú)線信號(hào)在水中傳播非常不穩(wěn)定，測(cè)溫設(shè)備與邊緣計(jì)算采集設(shè)備之間通信采用有線連接方式。視頻攝像頭要根據(jù)井內(nèi)水位情況選用不同防水級(jí)別攝像頭。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)軟件技術(shù)路線

軟件開(kāi)發(fā)架構(gòu)采用Visual Studio 2017 Asp.NET MVC4.7實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用MongoDB，GIS功能（地圖底圖調(diào)用、地圖定位、空間分析等）采用開(kāi)源的Leaflet實(shí)現(xiàn)。

2.2.1 整體實(shí)現(xiàn)思路

各傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理、入庫(kù)、視頻信息接入、前端頁(yè)面顯示的處理步驟如下：

傳感器數(shù)據(jù)傳輸利用UDP協(xié)議，服務(wù)端接收數(shù)據(jù)后利用Socket編程[10]，根據(jù)邊緣計(jì)算數(shù)據(jù)終端通訊協(xié)議進(jìn)行解析，邊緣計(jì)算數(shù)據(jù)終端通信協(xié)議規(guī)則如表1所示（長(zhǎng)度單位為字節(jié)）。

表1 邊緣計(jì)算通信協(xié)議規(guī)則

對(duì)采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按通信協(xié)議規(guī)則進(jìn)行解析，解析后獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并與臺(tái)賬對(duì)應(yīng)設(shè)備建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。

預(yù)警規(guī)則庫(kù)建立，根據(jù)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，設(shè)置好溫度、水位、有毒氣體等的預(yù)警值，并在數(shù)據(jù)庫(kù)中建立規(guī)則庫(kù)。

前端系統(tǒng)界面根據(jù)臺(tái)賬空間數(shù)據(jù)，把電力井在地圖上用圖標(biāo)表示，點(diǎn)擊某個(gè)圖標(biāo)，利用HTML5的WebSocket協(xié)議，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)Socket通信，獲取服務(wù)端解析后的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與規(guī)則庫(kù)中預(yù)警值進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)比對(duì)情況，在地圖上用不同顏色圖標(biāo)進(jìn)行預(yù)警，達(dá)到預(yù)警條件，則通過(guò)短信或微信方式把預(yù)警信息發(fā)送給相關(guān)人員。對(duì)于視頻信息，利用HTML5播放器VideoJS向遠(yuǎn)程DTU服務(wù)器發(fā)送POST請(qǐng)求，獲取視頻數(shù)據(jù)[11]。

2.2.2 地圖瓦片離線發(fā)布技術(shù)

由于監(jiān)測(cè)中心位于內(nèi)網(wǎng)，不能在線調(diào)用地圖底圖數(shù)據(jù)，目前，可利用商業(yè)軟件實(shí)現(xiàn)離線地圖調(diào)用，但從系統(tǒng)成本考慮，系統(tǒng)中根據(jù)OGC標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)規(guī)范，利用WPF開(kāi)發(fā)技術(shù)和DotSpatial開(kāi)源插件，實(shí)現(xiàn)了把谷歌、天地圖、百度等主流離線地圖數(shù)據(jù)發(fā)布成WMTS地圖服務(wù)功能，為系統(tǒng)應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)的WMTS地圖服務(wù)。

2.2.3 傳感器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)

由于嘉善縣目前安裝了傳感器的電纜井近500個(gè)，上述傳感器每天不間斷向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，日積月累，數(shù)據(jù)量顯著增大，為了對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行高效存儲(chǔ)，采用MongoDB作為數(shù)據(jù)庫(kù)，它可以很好地利用其兼具非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的部分功能和特點(diǎn)[10]。在C#環(huán)境中使用MongoDB，需要下載MongoDB.dll，作為C#操作MongoDB的驅(qū)動(dòng)。為了提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)效率，對(duì)每個(gè)傳感器實(shí)時(shí)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，與庫(kù)中該傳感器最近的一條記錄值進(jìn)行比對(duì)，如果變化范圍在設(shè)定的規(guī)則內(nèi)，則庫(kù)中不存儲(chǔ)該數(shù)據(jù)，表明該傳感器監(jiān)測(cè)值正常，否則，把該數(shù)據(jù)存入庫(kù)中，表明該傳感器監(jiān)測(cè)值異常，這樣可大大減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量。

規(guī)則庫(kù)根據(jù)每個(gè)電纜井的位置、環(huán)境、季節(jié)、氣候等設(shè)置，并可在電纜運(yùn)維過(guò)程中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行規(guī)劃優(yōu)化。每個(gè)電纜井建立一個(gè)數(shù)據(jù)集，由于測(cè)溫、水位、有毒氣體每5 min向服務(wù)器發(fā)送一次數(shù)據(jù)，故每5 min把測(cè)溫傳感器、水位傳感器、有毒氣體傳感器數(shù)據(jù)生成一個(gè)數(shù)據(jù)文檔，一個(gè)電纜井內(nèi)有多根電纜需測(cè)溫，故測(cè)溫設(shè)備有N臺(tái)，文檔結(jié)構(gòu)如下：

{

id:'202',

WellID:'9a17e016-ed25-4774-afa5-

71fa66469d1f',

time:'2019-08-23 10:05:00',

datas:[

{

DeviceIMEI:869505046491724,

tem:28,

remarks:'測(cè)溫',

dlID:'5#'

},

?

{

DeviceIMEI:863434040377118,

CO:12,

remarks:'一氧化碳濃度(ppm)'

},

{

DeviceIMEI:869505046491401,

H2S:0.5,

remarks:'硫化氫濃度(ppm)'

},

{

DeviceIMEI:69505046513204,

WaterLel:0.8,

remarks:'水位高度(m)'

}

]

}

為了控制數(shù)據(jù)規(guī)模，每個(gè)電纜井的傳感器數(shù)據(jù)1個(gè)月覆蓋1次。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成后，實(shí)現(xiàn)了如下主要功能：

地下電纜及設(shè)備臺(tái)賬GIS管理：在地圖上查看地下電纜和設(shè)備空間位置，臺(tái)賬屬性信息。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息管理：利用GIS作為切入點(diǎn)，在地圖上，點(diǎn)擊某個(gè)地下電纜井，可查看該井內(nèi)各電纜的測(cè)溫信息、有毒氣體信息（主要是CO、CH4、HS）、井蓋翻動(dòng)狀況、井內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)視頻信息等。根據(jù)監(jiān)測(cè)信息，自動(dòng)進(jìn)行預(yù)警分析，預(yù)警異常則把預(yù)警信息通過(guò)手機(jī)短信、微信等方式發(fā)送給相關(guān)人員。監(jiān)測(cè)信息統(tǒng)計(jì)報(bào)表，能生成監(jiān)測(cè)信息日?qǐng)?bào)、周報(bào)、月報(bào)、年報(bào)等，分析各電纜井及設(shè)備運(yùn)行情況，為相關(guān)部門提供決策依據(jù)。圖2為井內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)視頻信息查看效果，可查看任一時(shí)間節(jié)點(diǎn)的歷史視頻信息，并支持視頻信息的遠(yuǎn)程下載功能。

GIS功能：矢量、影像地圖切換；面積、距離量測(cè)；新敷設(shè)電纜時(shí)，對(duì)規(guī)劃新線路上已有電纜井孔位占用情況進(jìn)行空間分析，找出符合敷設(shè)要求的電纜井，主要實(shí)現(xiàn)思路是利用GIS緩存分析功能，對(duì)規(guī)劃路徑上50 m范圍內(nèi)的電纜井進(jìn)行空間查詢。如果某個(gè)井東南西北四個(gè)方向上最少有兩個(gè)未使用孔位，則該井被認(rèn)為可作為敷設(shè)新電纜使用，否則不滿足敷設(shè)電纜要求。地圖上，把規(guī)劃路徑上滿足條件的電纜井用綠色圖標(biāo)表示，不滿足條件的用紅色圖標(biāo)表示，點(diǎn)擊某個(gè)電纜井圖標(biāo)，可查看其東南西北四個(gè)面上孔位使用情況（已使用孔位、未使用孔位）。

對(duì)預(yù)警異常的電纜井，相關(guān)人員根據(jù)路網(wǎng)信息，通過(guò)GIS的路徑分析，自動(dòng)進(jìn)行路徑導(dǎo)航，使不熟悉路況的處置人員能夠以最快的時(shí)間到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，提高故障處理效率。根據(jù)預(yù)警信息情況，對(duì)有異常情況的電纜井用紅色圖標(biāo)表示，全部正常的用綠色圖標(biāo)表示，達(dá)到監(jiān)測(cè)信息地圖可視化表達(dá)效果，直觀明了。

系統(tǒng)運(yùn)維管理：包括用戶管理、角色管理、部門管理、權(quán)限管理、角色權(quán)限分配管理、系統(tǒng)日志等。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用物聯(lián)網(wǎng)和GIS集成在行業(yè)應(yīng)用上發(fā)揮了重要作用，通過(guò)在嘉善縣部分地下電纜井電纜中間接頭安裝測(cè)溫傳感器、液位傳感器、井蓋翻動(dòng)傳感器、井內(nèi)有毒氣體傳感器，并利用GIS與監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行集成，對(duì)開(kāi)發(fā)的主要技術(shù)路線進(jìn)行了說(shuō)明，對(duì)硬件施工要求也進(jìn)行了一定說(shuō)明。目前系統(tǒng)已投入使用，解決了傳統(tǒng)地下電纜井人工運(yùn)維的弊端，提高了運(yùn)維效率和信息傳輸?shù)陌踩?，為地下電纜井智能運(yùn)維提供了可行的解決方案。

圖2 視頻監(jiān)控信息查看