應(yīng)急電源車運行狀態(tài)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測管理系統(tǒng)

黃俊 陳博 吳東鋒 齊福海 李明林

摘要：移動電源車已成為電力系統(tǒng)中保供電應(yīng)急預(yù)案的重要組成。為了適應(yīng)電力系統(tǒng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化管理的發(fā)展，保證電源車安全可靠運行，實現(xiàn)運維指導(dǎo)，需要對電源車的運行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程實時監(jiān)測和綜合管理。結(jié)合電源車結(jié)構(gòu)、技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)急處理功能定位等方面特點和需求，設(shè)計了一套應(yīng)急電源車運行狀態(tài)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測管理系統(tǒng)。系統(tǒng)從車載端、云服務(wù)器端和用戶端出發(fā)，基于分布式架構(gòu)，分為車況監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)和車輛運維管理調(diào)度系統(tǒng)。通過實例應(yīng)用，系統(tǒng)在監(jiān)測電源車發(fā)電機(jī)組、底盤車、運行環(huán)境等在線運行狀態(tài)監(jiān)測管理方面運行效果穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)對其他類型應(yīng)急救援車輛的監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用有著重要的參考價值。

關(guān)鍵詞：電源車;應(yīng)急車輛;狀態(tài)監(jiān)測

中圖分類號：U469;TP27文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-9492（2021）11-0148-05

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Remote Online Monitoring and Management System of Emergency PowerSupply Vehicle

Huang Jun1，Chen Bo1，Wu Dongfeng2，Qi Fuhai2，Li Minglin3※

（1. Guangzhou Power Supply Bureau， Guangdong Power Grid Co.， Ltd.， Guangzhou 510000， China;2. Longyan Haidexin Automobile Co.， Ltd.，Longyan， Fujian 364000， China;3. College of Mechanical Engineering and Automation， Fuzhou University， Fuzhou 350116， China）

Abstract： Mobile power supply vehicle has become an important part of emergency plan for power supply in power system. In order to adapt to the development of digital transformation and intelligent management of power system， ensure the safe and reliable operation of power vehicles， and realize the operation and maintenance guidance， it is necessary to carry out remote real-time monitoring and comprehensive management of the operation status of power vehicles. A remote online monitoring and management system of emergency power supply vehicle was designed based on the characteristics and requirements of power supply vehicle structure， technical specifications and standards， and emergency processing function. Basedon thedistributedarchitecture， thesystem wasdividedinto threesubsystems，including vehiclecondition monitoring system， data communication system and vehicle operation and maintenance management scheduling system. Through an example， the system shows the reliable operation effect in monitoring the power car generator set， chassis car， operating environment and other online operation state monitoring management. The system has important reference value for the development and application of other types of emergency rescue vehicle monitoring system.

Key words： power supply vehicle; emergency vehicle; condition monitoring

0 引言

全社會用電量已成為衡量一個國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的宏觀經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)之一。在全球經(jīng)濟(jì)因遭受新冠病毒疫情影響而普遍負(fù)增長的背景下，2020年我國全社會用電量超過7.5萬億 kW ·h ，取得同比增長3.1%的成績[1]。作為一種新型專用應(yīng)急裝備，應(yīng)急電源車因其優(yōu)越的移動性能，特別適合用于應(yīng)對各種自然災(zāi)害、斷電搶修等突發(fā)事件的保供電。因此，應(yīng)急電源車已成為電力系統(tǒng)制定各級應(yīng)急預(yù)案的重要組成部分[2]。為確保應(yīng)急電源車處理突發(fā)事故的應(yīng)急能力，實時在線遠(yuǎn)程監(jiān)測和管理電源車的運行狀態(tài)變得十分必要[3-5]。

由于電源車是2000年之后才在我國發(fā)展起來的[6]，電源車運行狀態(tài)在線監(jiān)測管理系統(tǒng)還處于起步發(fā)展階段。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，電源車的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測管理系統(tǒng)受到了廣泛的關(guān)注。例如，李智勇等[3]針對航空電源車的飛行保障效率和飛行安全，設(shè)計并實現(xiàn)了車輛運行狀態(tài)參數(shù)的自動檢測。但有部分研究仍停留在概念設(shè)計，也有一些研究是針對電源車的發(fā)電機(jī)組進(jìn)行自動監(jiān)測和保護(hù)控制[7-8]。例如，李孝全等[7]針對某型武器系統(tǒng)電源車柴油發(fā)電機(jī)組的發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)的運行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和故障報警及保護(hù)控制。楊旭峰等[8]針對武器系統(tǒng)移動電源車的柴油發(fā)電機(jī)組在大修時沒有測試控制設(shè)備的問題，設(shè)計了一套可以實時監(jiān)控柴油發(fā)電機(jī)組電特性和柴油機(jī)運行狀態(tài)的測控系統(tǒng)。此外，有大量的研究是針對電源車進(jìn)行故障診斷。但只有少數(shù)文獻(xiàn)介紹了電源車故障診斷系統(tǒng)和儀器設(shè)備的研究。例如，陳友龍等[9]基于單片機(jī)針對飛機(jī)地面電源車的各項參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。張強(qiáng)等[10]提出開發(fā)一種針對武器系統(tǒng)電源車的智能故障檢測設(shè)備，用于采集電源車的關(guān)鍵節(jié)點數(shù)據(jù)。

本文結(jié)合電源車的結(jié)構(gòu)特點、技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求以及應(yīng)急處理突發(fā)事故的功能定位，設(shè)計了一套嵌入式電源車運行狀態(tài)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，分別安裝在電源車車體和云端集中監(jiān)控中心平臺，中心平臺可以通過數(shù)據(jù)傳輸模塊遠(yuǎn)程在線獲取電源車的實時運行狀態(tài)，為電網(wǎng)企業(yè)和主管部門的數(shù)字化、智能化建設(shè)提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

1 電源車概述

本文所指電源車是指符合 QC/T911-2013電源車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的采用定型汽車底盤或整車改裝的裝備有8～1250 kW 、額定電壓為400 V 的工頻三相交流柴油發(fā)電機(jī)組的電源車或電源半掛車[14]。電源車基本構(gòu)造主要包括專用底盤，集成了柴油發(fā)電機(jī)組、輸配電及操控、進(jìn)排風(fēng)隔音降噪、照明單元和線纜絞盤等單元的集裝箱式車廂等，如圖1所示。

在電力系統(tǒng)各級應(yīng)急預(yù)案中，電源車的使用應(yīng)盡量避免出現(xiàn)這些問題：調(diào)度不及時、供電速度慢、供電余量不足、車輛安全隱患等。為此，電源車的監(jiān)測管理系統(tǒng)應(yīng)能夠獲取電源車的動態(tài)地理位置、發(fā)電機(jī)組各項參數(shù)、車廂內(nèi)外環(huán)境信息、底盤車輛各項參數(shù)等。此外，監(jiān)測管理系統(tǒng)也需要包含電源車的車輛基本信息和運維調(diào)度管理信息，以更好地促進(jìn)電源車車企的售后服務(wù)和調(diào)度運行平臺的管理。

2 系統(tǒng)總體方案

電源車遠(yuǎn)程在線監(jiān)測管理系統(tǒng)由車載端、云服務(wù)器端、用戶端（移動電話端和計算機(jī)端）等軟硬件部分組成，如圖2所示。本系統(tǒng)中，車載端發(fā)電機(jī)組數(shù)據(jù)、底盤車數(shù)據(jù)、音視頻數(shù)據(jù)、行車記錄儀數(shù)據(jù)、安防數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)可顯示在車載端控制屏，并經(jīng)過車載基站基于5G/4G/3G/網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器后，進(jìn)行統(tǒng)一管理，用戶可在電腦端和手機(jī)端統(tǒng)一訪問。

系統(tǒng)采用分布式模式構(gòu)建，分為設(shè)備層、傳輸層、協(xié)議層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層和管理層等，如圖3所示。設(shè)備層包含本系統(tǒng)的所有硬件，即發(fā)電機(jī)組監(jiān)測模塊、 GPS/北斗雙模定位模塊、環(huán)境傳感器模塊、無線透傳模塊、CAN總線模塊、用戶終端、中心平臺服務(wù)器、顯示器等設(shè)備。其中，發(fā)電機(jī)組監(jiān)測模塊、GPS/北斗雙模定位模塊和環(huán)境傳感器模塊等組成了車況監(jiān)測系統(tǒng)。車載無線透傳模塊和 CAN總線組成了數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)。中心平臺服務(wù)器、顯示器和用戶端以及軟件部分組成了車輛運維管理調(diào)度系統(tǒng)。

3 分系統(tǒng)設(shè)計

3.1 車況監(jiān)測系統(tǒng)

系統(tǒng)采用基于 NXP i.mx6UltraLite處理器的工控機(jī)核心板。該板集成了一個 CAN-bus接口，用于與柴油發(fā)電機(jī)組監(jiān)測模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。電源車柴油發(fā)電機(jī)組模塊的硬件組成包括：柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)、控制屏、分立式輸入輸出 I/O子模塊、信號指示子模塊、電子控制子模塊（ECM）、狀態(tài)監(jiān)視子模塊?？刂破镣ㄟ^主數(shù)據(jù)連接口與 ECM及柴油機(jī)傳感器進(jìn)行通信，并且通過輔助數(shù)據(jù)連接口與分立式輸入輸出 I/O子模塊及狀態(tài)監(jiān)視子模塊進(jìn)行通訊。主數(shù)據(jù)連接和輔助數(shù)據(jù)連接都是采用美國汽車工程師協(xié)會（SAE） J1939協(xié)議。此外，控制屏還通過一個數(shù)據(jù)連接口（SCADA）與核心板連接，并且基于 Modbus 協(xié)議進(jìn)行系統(tǒng)控制和參數(shù)監(jiān)測的通信。通過狀態(tài)監(jiān)視子模塊可以采集柴油發(fā)電機(jī)組的發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速、油壓、水溫、油量，以及發(fā)電機(jī)的頻率、電流、功率、電壓、工作時間等。

車況監(jiān)測系統(tǒng)的 GPS/北斗雙模定位模塊提供了電源車的地理位置信息，系統(tǒng)通過串口采集車輛的經(jīng)緯度和海拔高度信息。系統(tǒng)的環(huán)境傳感器模塊包括溫/濕度傳感器、視/音頻傳感器、底盤車狀態(tài)傳感器、車廂水浸傳感器、車廂艙門傳感器等。溫/濕度傳感器用于監(jiān)測車廂內(nèi)溫度，避免設(shè)備因環(huán)境溫/濕度異常存在故障隱患，造成使用和維護(hù)上的困難。視/音頻監(jiān)控探頭實時監(jiān)視車廂內(nèi)外環(huán)境，數(shù)據(jù)通過無線透傳模塊進(jìn)行通信。底盤車狀態(tài)傳感器監(jiān)測底盤車的車速、姿態(tài)、駕駛艙內(nèi)溫濕度等，可供遠(yuǎn)程監(jiān)控電源車的沿途安全駕駛。車廂水浸傳感器和艙門傳感器可以在電源車在復(fù)雜地形上跋山涉水時避免設(shè)備進(jìn)水和艙內(nèi)物品掉落，保障車輛安全行駛。車載環(huán)境傳感器的數(shù)據(jù)通過 Modbus協(xié)議進(jìn)行通信。

3.2 數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)

系統(tǒng)硬件間的通訊綜合采用了多種協(xié)議格式，包括 Modbus 協(xié)議、J1939協(xié)議、TCP 協(xié)議、JSON 協(xié)議、 GPGGA 協(xié)議、Protobuf協(xié)議，及私有協(xié)議等。Modbus協(xié)議是自動系統(tǒng)中控制器與設(shè)備間的常用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)通訊協(xié)議，本系統(tǒng)主要用在柴油發(fā)電機(jī)組監(jiān)測模塊和環(huán)境傳感器模塊中。J1939協(xié)議用于柴油發(fā)電機(jī)組控制屏的主數(shù)據(jù)接口和輔助數(shù)據(jù)接口中。TCP協(xié)議是互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中端到端字節(jié)流的傳輸控制協(xié)議，本系統(tǒng)主要用在視/音頻數(shù)據(jù)的通訊。GPGGA 協(xié)議是 GPS導(dǎo)航設(shè)備中統(tǒng)一的通訊協(xié)議。Protobuf協(xié)議是谷歌（Google）公司開源的一種即時通訊協(xié)議，國內(nèi)的微信和手機(jī) QQ即時通訊即采用此協(xié)議。本系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測中，手機(jī)端和電腦端的通訊即采用微信平臺保持實時在線特性。

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊流程如圖4所示。本系統(tǒng)中，車載端發(fā)電機(jī)組監(jiān)測模塊和環(huán)境傳感器模塊的設(shè)備通過 RS-485、RS-232聯(lián)通外置通訊模塊和 GPS/北斗定位模塊，組成一個車載端的電源車運行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)。車載端的采集設(shè)備通過5G/4G/3G模塊與云端服務(wù)器連接，建立可靠、穩(wěn)定的遠(yuǎn)程通訊。云端通訊監(jiān)聽服務(wù)通過消息中間件獲取車載端相關(guān)設(shè)備的采集命令，定時下發(fā)至指定設(shè)備;云端通訊監(jiān)聽服務(wù)維護(hù)采集設(shè)備的通訊連接，根據(jù)私有二進(jìn)制協(xié)議對上報數(shù)據(jù)進(jìn)行解包，獲取完整數(shù)據(jù)并發(fā)送至消息中間件;云端數(shù)據(jù)解析服務(wù)通過消息中間件獲取采集設(shè)備上報的數(shù)據(jù)報文，根據(jù)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)存儲、預(yù)警規(guī)則解析等;后端接口服務(wù)通過 http接口與前端頁面進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理，預(yù)警通知;前端頁面根據(jù)業(yè)務(wù)需要，建立業(yè)務(wù)模型，實時對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示及數(shù)據(jù)分析應(yīng)用。

3.3 車輛運維管理調(diào)度系統(tǒng)

車輛運維管理調(diào)度系統(tǒng)主要包括車輛基本信息管理子系統(tǒng)、電源車運行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示子系統(tǒng)、故障預(yù)警子系統(tǒng)、應(yīng)急指揮調(diào)度管理子系統(tǒng)等。車輛基本信息管理子系統(tǒng)用于配置和維護(hù)車輛型號信息、底盤車型號信息、發(fā)電機(jī)組信息、車載傳感器的基本信息以及其他車輛基本信息，為其他子系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，在統(tǒng)一修改時保證數(shù)據(jù)的完整性。電源車運行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示子系統(tǒng)也是本系統(tǒng)的主要功能層，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示等。其根據(jù)設(shè)置的采樣頻率定時采集車輛的累計工作時間、機(jī)組啟動狀態(tài)、里程數(shù)、帶載時長、地理位置和活動軌跡信息、發(fā)電量、發(fā)電機(jī)組數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)等信息，經(jīng)過分析處理后使用可視化圖表進(jìn)行展示，并根據(jù)用戶需求進(jìn)行后續(xù)規(guī)劃和報表統(tǒng)計。

故障預(yù)警子系統(tǒng)可以管理電源車運行狀態(tài)的預(yù)警規(guī)則、預(yù)警條件、預(yù)警觸發(fā)人員等。預(yù)警規(guī)則包含了故障診斷模型和分析方法，通過對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和邏輯判斷，當(dāng)滿足出發(fā)條件后，生成預(yù)警信息，可通過即時通訊信息（如短信、網(wǎng)頁信息推送等）進(jìn)行預(yù)警，通知設(shè)備管理人員提前做出預(yù)防措施，有效防止故障發(fā)生。應(yīng)急指揮調(diào)度管理子系統(tǒng)是本系統(tǒng)的擴(kuò)展子系統(tǒng)，集成于上級應(yīng)急指揮管理中心。子系統(tǒng)管理電源車的實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，提供給應(yīng)急指揮管理中心作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參與應(yīng)急預(yù)案的執(zhí)行。

由于本系統(tǒng)是車載遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)，信息采集對象存在大量不可測的工況，車載節(jié)點的數(shù)據(jù)采集和通訊處于不確定性的運動平臺上，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)常面臨異常斷線問題。為此，本系統(tǒng)基于下位機(jī) Socket心跳包?；顧C(jī)制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊的斷線重連，有效提高了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程服務(wù)效果。

4 應(yīng)用實例

本系統(tǒng)軟件采用 Java語言進(jìn)行開發(fā)，網(wǎng)站接口服務(wù)采用 Spring框架實現(xiàn)對 IOC 、AOP 管理，采用MyBatis持久層框架，支定制化 SQL 、存儲過程以及高級映射，避免了幾乎所有的 JDBC代碼和手動設(shè)置參數(shù)以及獲取結(jié)果集，采用 Spring-Security 進(jìn)行操作鑒權(quán)、認(rèn)證、權(quán)限控制。通訊監(jiān)聽服務(wù)采用基于 NIO模式下Netty框架與采集設(shè)備進(jìn)行通訊連接、數(shù)據(jù)通信。各子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換采用基于 JSON結(jié)構(gòu)的 JWT令牌進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。關(guān)系型數(shù)據(jù)采用Orcale 10g進(jìn)行存儲，非關(guān)系型數(shù)據(jù)采用 Re- dis進(jìn)行存儲，圖片數(shù)據(jù)采用文件進(jìn)行存儲。數(shù)據(jù)可視化圖表采用Echart工具編寫，系統(tǒng) web應(yīng)用服務(wù)器采用免費的 tomcat ，采用rabbitmq作為消息中間件，采用SpringMvc作為 web開發(fā)框架。

圖5所示為本系統(tǒng)的一個應(yīng)用案例，包括車載端設(shè)備、電腦端和手機(jī)端界面、服務(wù)器端監(jiān)控界面。車載端集成設(shè)備采集了車輛實時運行狀態(tài)、車輛健康狀態(tài)等信息，并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和處理，處理結(jié)果提供給用戶端通過電腦 web 界面和手機(jī) App界面進(jìn)行訪問。

圖6所示為代表性的車輛實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過圖形化顯示。用戶通過用戶端的界面可以查看發(fā)電機(jī)組運行狀態(tài)，包括實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，例如發(fā)電機(jī)交流頻率、有功功率、電壓，以及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、油壓和工作時間等。

5 結(jié)束語

應(yīng)急電源車是在專用貨車底盤上集成柴油發(fā)電機(jī)組車廂的專用車輛，因其優(yōu)越的移動性能，在電力系統(tǒng)保供電應(yīng)急預(yù)案中有重要的應(yīng)用前景。為保障應(yīng)急電源車的安全使用和可靠服務(wù)，適應(yīng)電網(wǎng)企業(yè)的數(shù)字化、智能化升級轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，有必要開發(fā)設(shè)計應(yīng)急電源車運行狀態(tài)的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)利用傳感器與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將應(yīng)急電源車的車輛底盤數(shù)據(jù)、車載發(fā)電機(jī)組運行參數(shù)、車輛環(huán)境信息等進(jìn)行實時、集中、統(tǒng)一管理。遠(yuǎn)程在線實時監(jiān)測可供用戶快速了解車輛健康狀況和實時運行動態(tài)，并且協(xié)助用戶和廠家制定科學(xué)合理的運維計劃，保障車輛安全運行，對故障及時響應(yīng)，縮短故障恢復(fù)時間。

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[11] QC/T 911-2013.電源車[S].

第一作者簡介：黃?。?1987-），男，江西吉安人，大學(xué)本科，研究領(lǐng)域為應(yīng)急電源裝備。

※通訊作者簡介：李明林（1977-），男，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究領(lǐng)域為機(jī)械工程和力學(xué)，已發(fā)表論文60篇。

（編輯：刁少華）