基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的激光除異物裝置安全管控技術(shù)

王 楠，張秉良，2，張 震，漆 照，韓 梁

（1.山東中實易通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250003；2.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

架空輸電線路具有點多、面廣、環(huán)境復(fù)雜等特點，風(fēng)箏和風(fēng)箏線、農(nóng)用塑料布、廣告布、遮陽網(wǎng)等漂浮性異物經(jīng)常纏掛在輸電線路上，可造成相間短路、單相接地，導(dǎo)致線路跳閘停電或線路損毀，垂落的異物或燒斷損毀的導(dǎo)線還可造成人畜傷亡，給電力系統(tǒng)和社會帶來極大的危害［1］。

傳統(tǒng)輸電線路除異物技術(shù)主要是依靠作業(yè)人員對輸電線路上的異物進(jìn)行清除，分為停電處理和帶電處理［2］。帶電作業(yè)會受作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境、氣候等諸多因素影響而無法開展，即便開展帶電作業(yè)，作業(yè)人員也會面臨較大作業(yè)風(fēng)險及危害；而停電作業(yè)則會對社會經(jīng)濟(jì)造成損失［3-6］。

近年來，利用激光切割原理對輸電線路掛網(wǎng)異物清除的激光除異物裝置［7］已廣泛應(yīng)用于山東、江蘇、浙江等省級電網(wǎng)。此類裝置可發(fā)射功率較大的激光束對掛網(wǎng)異物進(jìn)行在線清除，有效解決了輸電線路異物掛網(wǎng)摘除難題，為輸電線路安全運行提供有力保障。山東電網(wǎng)利用激光除異物裝置開展了架空輸電線路激光遠(yuǎn)程融冰試驗及分析工作，對裝置應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)作用［8］。

由于激光在切割作業(yè)中會產(chǎn)生強(qiáng)烈的光線，人眼不可以長時間觀看，以免傷害眼睛。激光束能量大，如果接觸人體，會產(chǎn)生嚴(yán)重的燒傷［9］，且目前國內(nèi)沒有針對激光除異物裝置技術(shù)要求的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，激光除異物裝置制造及使用環(huán)節(jié)中，部分技術(shù)條件所依據(jù)的GB/T 7247—2012《激光產(chǎn)品的安全》并非強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，因此激光除異物裝置在使用時易產(chǎn)生監(jiān)管漏洞。

針對上述問題，充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將工作場界保護(hù)技術(shù)、防傾覆技術(shù)、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）與遠(yuǎn)程控制技術(shù)等應(yīng)用于激光除異物裝置，并研發(fā)出激光除異物技術(shù)應(yīng)用安全管控平臺與“激光衛(wèi)士”安全操作APP，對激光除異物裝置進(jìn)行安全管控。

1 工作場界保護(hù)技術(shù)與防傾覆保護(hù)技術(shù)

1.1 工作場界保護(hù)技術(shù)

激光除異物裝置工作場景常為戶外，現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，存在人畜等物體靠近正在工作的裝置的可能。當(dāng)發(fā)生上述情況時，裝置會自動暫停激光發(fā)射，以保證人畜安全。

現(xiàn)有部分研究中，工作場界保護(hù)技術(shù)利用放置于激光發(fā)射口的超聲波傳感器進(jìn)行周界監(jiān)視，當(dāng)有物體進(jìn)入設(shè)置的工作區(qū)域時，超聲波傳感器將信息傳送到傳感器接收模塊，接收模塊對信息進(jìn)行處理后上送到控制中心，控制中心將停止出光指令發(fā)送到光源控制模塊，控制激光停止出光［10］。在這種方式下，工作場界保護(hù)的范圍會隨著激光口位置的變化而改變，導(dǎo)致裝置在實際工作中產(chǎn)生一定的保護(hù)盲區(qū)。為解決上述問題，可以將激光除異物裝置超聲波傳感器放置在云臺，以消除激光除異物裝置工作中產(chǎn)生的保護(hù)盲區(qū)。工作場界保護(hù)技術(shù)工作原理如圖1所示。

圖1 工作場界保護(hù)技術(shù)工作原理

1.2 防傾覆保護(hù)技術(shù)

激光除異物裝置在工作時，易受氣候環(huán)境、地質(zhì)條件等因素影響，可能發(fā)生偏斜、傾覆等情況。當(dāng)發(fā)生上述情況時，防傾覆保護(hù)技術(shù)可使裝置自動停止激光發(fā)射，以保證安全。

防傾覆保護(hù)技術(shù)利用放置于電動云臺中的電子水平儀，對裝置運行環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控。電子水平儀采用擺錘原理［11］，當(dāng)遭遇大風(fēng)等情況導(dǎo)致裝置偏斜、傾覆后，電子水平儀將采集到的裝置狀態(tài)上傳到控制中心，控制中心發(fā)送停止出光指令至光源控制模塊，控制激光停止出光。防傾覆保護(hù)技術(shù)工作原理如圖2所示。

圖2 防傾覆保護(hù)技術(shù)工作原理

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制技術(shù)

基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制是將遠(yuǎn)端設(shè)備、云平臺及用戶終端通過網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行連接，其中，用戶使用用戶終端連接云平臺進(jìn)行指令的發(fā)送，云平臺連接遠(yuǎn)端設(shè)備傳遞指令，遠(yuǎn)端設(shè)備響應(yīng)接收的指令［12］。遠(yuǎn)端設(shè)備為激光除異物裝置；用戶終端為手持式移動終端，既可以是手機(jī)，也可以是平板電腦。

2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及通信協(xié)議

現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用案例已對無線保真（Wireless Fi?delity，Wi?fi）技術(shù)、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB?IoT）技術(shù)等進(jìn)行了相應(yīng)研究［13-15］。在激光除異物裝置安全管控中，采用了Wi?fi等技術(shù)。

激光除異物裝置與手持式移動終端之間采用Wi?fi 技術(shù)進(jìn)行連接；云平臺與激光除異物裝置之間的連接使用http、TCP/IP 協(xié)議的4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，采用通用分組無線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）或分碼多重連接（Code Division Multipul Access，CDMA）通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

現(xiàn)有部分研究中，對基于Wi?fi 控制系統(tǒng)的手持移動終端間的通信，采用基于TCP 協(xié)議中Socket 的通信方式。這主要是因為UDP 協(xié)議開銷雖然較小，但其傳輸完整性較TCP/IP協(xié)議差。在遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中，控制端需要向被控端發(fā)送控制命令，被控端收到控制命令后執(zhí)行該指令，為了使受控端接收到的控制命令可靠而又完整，因此，建議控制命令信息采用基于TCP 協(xié)議的Socket 通信，且雖然TCP/IP 協(xié)議傳輸單價高，但實際上控制命令信息數(shù)據(jù)量很小，這在一定程度上削弱了TCP/IP協(xié)議的缺陷［16］。

激光除異物裝置的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 激光除異物裝置的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.2 即時定位-遠(yuǎn)程控制模塊

GPS 系統(tǒng)是一個高精度、全天候和全球性的無線電導(dǎo)航、定位和定時的多功能系統(tǒng)，可為用戶提供隨時隨地的準(zhǔn)確位置信息，已在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例中廣泛應(yīng)用［17-19］。在實際應(yīng)用中，GPS 需要實時開啟，耗電量較大。GPS 即時定位-遠(yuǎn)程控制模塊與激光除異物裝置共用供電電路，解決了GPS 長期運行的供電難題，且大大減少了無效數(shù)據(jù)。

激光除異物裝置采用的是GPRS 通信技術(shù)。GPRS 在現(xiàn)有全球移動通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communication，GSM）網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上通過增加相應(yīng)的功能實體，并進(jìn)行部分改造來實現(xiàn)分組交換，提供端到端的、廣域的無線IP 連接，適用于頻繁、少量的數(shù)據(jù)傳輸?；贕PRS 的遠(yuǎn)程定位系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣、可移動、接入地點無限制、系統(tǒng)傳輸容量大、無限制擴(kuò)容、通信費用低、實時性好、數(shù)據(jù)傳輸高速等技術(shù)優(yōu)點。因此，采用GPRS 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)控，且系統(tǒng)擴(kuò)展方便、工程實施快、性價比高、工程費用低、擴(kuò)容方便、可靠性好、日常維護(hù)工作量小。GPS 即時定位-遠(yuǎn)程控制模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 GPS即時定位-遠(yuǎn)程控制模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

GPRS 控制模塊內(nèi)置于激光除異物裝置，通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)服務(wù)器通信，通過基站定位確定位置信息并上傳；移動端“激光衛(wèi)士”APP 一般安裝在設(shè)備操作人員或?qū)徟藛T的手持式移動終端，通過移動網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器通信，實現(xiàn)設(shè)備領(lǐng)用申請、設(shè)備使用審批及使用過程記錄；數(shù)據(jù)服務(wù)器及電力數(shù)據(jù)庫部署在公司服務(wù)器上，可通過監(jiān)控客戶端訪問，外部用戶則通過Internet 網(wǎng)絡(luò)和Web 服務(wù)器訪問內(nèi)部服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫。

此外，在設(shè)備使用過程中，管理員可通過數(shù)據(jù)服務(wù)器和GPS 即時定位-遠(yuǎn)程控制模塊強(qiáng)制關(guān)停在線輸電線路激光除異物裝置。

3 激光除異物裝置安全管控平臺

激光除異物裝置安全管控平臺由“激光衛(wèi)士”操作APP和綜合應(yīng)用管理系統(tǒng)兩部分組成。

3.1 “激光衛(wèi)士”APP

由于生產(chǎn)現(xiàn)場是遠(yuǎn)離辦公場所的，在手持移動終端上部署操作APP 對遠(yuǎn)端設(shè)備進(jìn)行智能化管理及控制，是目前常用的技術(shù)手段［20］。激光除異物裝置所使用的基于C#語言開發(fā)的“激光衛(wèi)士”操作APP，不僅實現(xiàn)了設(shè)備領(lǐng)用的線上審批，還實現(xiàn)異物處理情況的即時記錄與上報，同時可實現(xiàn)設(shè)備領(lǐng)用申請、設(shè)備使用審批、任務(wù)查看、設(shè)備歸還等功能。

設(shè)備領(lǐng)用申請、設(shè)備使用審批功能。因輸激光除異物裝置的特殊性，設(shè)備領(lǐng)用應(yīng)嚴(yán)格履行領(lǐng)用審批手續(xù)，其工作流程如圖5 所示。作業(yè)人員根據(jù)現(xiàn)場需要發(fā)起設(shè)備使用申請，審批人根據(jù)作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境狀況進(jìn)行設(shè)備使用審批。只有在審批人審批通過后，激光除異物裝置才能正常啟動運行。

圖5 激光除異物裝置審批使用流程

任務(wù)查看記錄。設(shè)備操作人員或監(jiān)督人員可通過APP 及時記錄異物處理情況，具體包括桿塔號、處理前異物掛網(wǎng)照片與處理后線路照片，以便對設(shè)備使用情況進(jìn)行追溯。

設(shè)備歸還管理。設(shè)備申請人員歸還設(shè)備時利用手持移動終端進(jìn)行拍照并及時通過APP 提交設(shè)備歸還申請，設(shè)備審批人員在接收到申請后查驗設(shè)備歸還信息，確定設(shè)備情況后設(shè)備入庫。設(shè)備入庫后，APP顯示設(shè)備處于“存放”狀態(tài)。

3.2 綜合應(yīng)用管理系統(tǒng)

綜合應(yīng)用管理系統(tǒng)包含人員管理、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)管理分析、系統(tǒng)展示等模塊，可為管理員提供一個管理入口，用于管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（區(qū)域管理、設(shè)備管理、審批人員管理等），外部用戶的注冊申請、設(shè)備壽命管理，查看用戶的任務(wù)進(jìn)度，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，并剔除系統(tǒng)產(chǎn)生的無用數(shù)據(jù)等。

人員管理模塊。在此模塊中可針對外部用戶的注冊請求進(jìn)行審核，并對外部用戶登錄賬號進(jìn)行管理，可重設(shè)密碼或刪除賬號信息，同時可對裝置使用申請人進(jìn)行審批。

設(shè)備管理模塊。在此模塊中，設(shè)備管理者可查看正在審批過程中的設(shè)備使用請求、已經(jīng)完成設(shè)備使用請求的設(shè)備情況及設(shè)備臺賬信息，如圖6所示。

圖6 綜合應(yīng)用管理系統(tǒng)中的臺賬信息

數(shù)據(jù)管理模塊。數(shù)據(jù)管理模塊可對GPS 采集的信息進(jìn)行匯總，如裝置使用時間、地點等信息，并根據(jù)設(shè)備使用信息情況繪制山東省激光除異物裝置工作熱點分布圖，如圖7 所示。圖7 中，紅色區(qū)域表示激光除異物裝置使用最頻繁，黃色次之，藍(lán)色表示零星使用過。

圖7 山東省異物裝置工作熱點分布

系統(tǒng)展示模塊。系統(tǒng)展示模塊對數(shù)據(jù)管理模塊中的信息進(jìn)行分類，并以圖表等方式向管理者進(jìn)行系統(tǒng)展示，圖8 為山東省激光除異物裝置配置分布。圖8 中，紅色標(biāo)記點為激光除異物裝置配置分布情況。

圖8 激光除異物裝置配置分布

4 結(jié)語

激光除異物裝置已廣泛應(yīng)用于輸電線路異物摘除作業(yè)中，但由于激光的特殊性，其安全使用一直存在較大爭議。山東電網(wǎng)所研究的激光除異物裝置安全管控技術(shù)，利用工作場界保護(hù)、防傾覆保護(hù)等技術(shù)手段對激光除異物裝置在工作中進(jìn)行有效防護(hù)，同時利用物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制技術(shù)對激光除異物裝置進(jìn)行科學(xué)管理，有效增加了激光設(shè)備在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的安全性，減少了激光設(shè)備對電力設(shè)施影響，使輸電線路異物清除工作更快捷、安全，對激光產(chǎn)品在電力領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。