基于經(jīng)緯度信息的室外輔助巡檢導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

國(guó)網(wǎng)上海市電力公司長(zhǎng)興供電公司 袁偉東 張金榮 上海服澤能源科技有限公司 陳 瑋

室外巡檢工作中有大量室外設(shè)備分布廣泛，所處地理位置偏僻，傳統(tǒng)工作中往往需耗費(fèi)大量人、物力對(duì)這些設(shè)備的分布情況、巡檢流程等進(jìn)行確定。而對(duì)于一些處于農(nóng)田、山地等野外地區(qū)的桿變、箱變等電力設(shè)備，沒(méi)有具體參照物也沒(méi)有實(shí)際地理信息進(jìn)行定位，巡檢工作往往只能通過(guò)人工辨別等方式。巡檢流程過(guò)于簡(jiǎn)陋，存在諸多弊端和缺陷，有著極大的改進(jìn)空間：室外分布的桿變、箱變等電力設(shè)備分布廣泛，且室外設(shè)備分布位置通常較為偏僻，巡檢人員難以定位及制定合適的巡檢線路進(jìn)行巡檢工作；巡檢工作效率低下，巡檢過(guò)程中的桿變、箱變等電力設(shè)備的位置數(shù)據(jù)也難以管理；由于室外電力設(shè)備基數(shù)大致使巡檢工作量大，而傳統(tǒng)巡檢模式工效低下，工作時(shí)長(zhǎng)與工作收益無(wú)法匹對(duì)，工作人員在巡檢過(guò)程中的失誤率也隨之水漲船高。

終端設(shè)備隨信息技術(shù)快速發(fā)展正在大面積普及，生產(chǎn)生活已步入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，與智能終端更是形影不離[1]。對(duì)分布于室外的桿變、箱變等電力設(shè)施，可利用信息化技術(shù)將其地理位置信息存儲(chǔ)起來(lái)，構(gòu)建位置坐標(biāo)庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)一坐標(biāo)管理。同時(shí)為解決室外巡檢過(guò)程中的室外設(shè)備難以定位、巡檢效率低等問(wèn)題，可定制用于輔助巡檢的導(dǎo)航智能終端，提供室外設(shè)備的定位及室外設(shè)備的巡檢線路導(dǎo)航等功能。

由于室外設(shè)備分布范圍廣、分布位置偏僻，僅通過(guò)GPS 輔助巡檢難以準(zhǔn)確定位，且由于電力需求的日益陡增，室外設(shè)備數(shù)量劇增，從而導(dǎo)致室外巡檢路線越來(lái)越復(fù)雜，巡檢的工作環(huán)境越來(lái)越多變。這些因素交錯(cuò)綜合下往往極易致使巡檢工作出現(xiàn)偏漏，如無(wú)法精準(zhǔn)定位巡檢設(shè)備、巡檢路線導(dǎo)航錯(cuò)誤致使人員走失等問(wèn)題。巡檢工作中上訴問(wèn)題亟待解決，通過(guò)更精準(zhǔn)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)采用基于經(jīng)緯度的定位方案解決定位困難問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)導(dǎo)航功能，能有效提高巡檢效率和安全性。為此，保證輸電網(wǎng)絡(luò)的可靠性及提高的電能質(zhì)量，研發(fā)基于經(jīng)緯度的室外輔助巡檢系統(tǒng)是有著迫切需求的。

1 總體設(shè)計(jì)方案

目前的輸電網(wǎng)絡(luò)，可針對(duì)室外的桿變?cè)O(shè)備等先建立一套相對(duì)完善的經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)北斗系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基于經(jīng)緯度的導(dǎo)航、定位服務(wù)，提供室外巡檢的輔助功能。其核心就在于如何利用桿變、箱變?cè)O(shè)備的經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，研究利用北斗RDSS 模塊與北斗導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)文數(shù)據(jù)交互，通過(guò)經(jīng)緯度信息實(shí)現(xiàn)更加精確的實(shí)現(xiàn)輔助室外巡檢導(dǎo)航功能。

當(dāng)前的北斗系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，定位范圍已覆蓋全球，其工作原理是與GPS 工作原理類似的無(wú)源定位技術(shù)。北斗系統(tǒng)由三個(gè)關(guān)鍵部分組成：用于監(jiān)控地面的地面衛(wèi)星、用戶使用的位置信息采集終端設(shè)備以及處于宇宙中的北斗衛(wèi)星。其工作流程是用戶通過(guò)終端北斗通信模塊向地面衛(wèi)星發(fā)送攜帶交互請(qǐng)求的數(shù)據(jù)，通過(guò)地面衛(wèi)星上傳至位于宇宙的衛(wèi)星，并基于空間衛(wèi)星測(cè)算得到相關(guān)數(shù)據(jù)提供給終端導(dǎo)航服務(wù)（圖1）。

圖1 北斗衛(wèi)星工作流程示意圖

實(shí)際開(kāi)發(fā)中實(shí)現(xiàn)的是用于發(fā)送報(bào)文數(shù)據(jù)的用戶終端。定位導(dǎo)航的關(guān)鍵是衛(wèi)星定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)的接收、終端的硬件支持以及對(duì)導(dǎo)航功能的軟件實(shí)現(xiàn)。

1.1 終端硬件設(shè)計(jì)

北斗通信單元模塊，用于巡檢工作中對(duì)巡檢人員經(jīng)緯度定位及當(dāng)前位置的經(jīng)緯度信息數(shù)據(jù)傳輸。基于經(jīng)緯度的定位是通過(guò)北斗服務(wù)接口與中心服務(wù)器的北斗指揮機(jī)聯(lián)絡(luò)而獲取的。終端中的北斗導(dǎo)航模塊：北斗模塊通過(guò)獨(dú)立的通信模塊與中心服務(wù)器的核心處理器連接，通過(guò)北斗RDSS 單元模塊接口，利用北斗RDSS 單元模塊將中心服務(wù)器實(shí)時(shí)接收的經(jīng)緯度的定位數(shù)據(jù)及北斗系統(tǒng)的短報(bào)文數(shù)據(jù)解析獲取的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)一同提供給北斗模塊進(jìn)行處理，將定位數(shù)據(jù)及短報(bào)文數(shù)據(jù)發(fā)送給所述中心服務(wù)處理器進(jìn)行分析處理定制導(dǎo)航服務(wù)，其終端的導(dǎo)航模塊與中心服務(wù)處理器同樣需要建立連接，并將自身的定位數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器。

北斗服務(wù)由北斗基帶處理單元、北斗RDSS 射頻接收與發(fā)射通道、功放融合單元以及北斗天線等組成。北斗天線接收北斗RDSS 收發(fā)信號(hào)后通過(guò)北斗RDSS 射頻接收與發(fā)射通道接收至北斗基帶處理單元，利用北斗基帶處理單元完成北斗RDSS 收發(fā)信號(hào)的調(diào)制解調(diào)，北斗基帶處理單元通過(guò)功放融合單元對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理并傳輸至終端的北斗模塊。

結(jié)合額外的接口協(xié)議，使得北斗手持終端整體形成了定位模塊、地圖模塊、跟蹤模塊三大模塊提供數(shù)據(jù)用于核心的程序框架和應(yīng)用中心處理的數(shù)據(jù)生產(chǎn)中心。

1.2 終端軟件設(shè)計(jì)

終端軟件設(shè)計(jì)：頁(yè)面展示層-數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口-業(yè)務(wù)層（用戶授權(quán)、用戶鑒權(quán)、坐標(biāo)查詢、坐標(biāo)管理、定位導(dǎo)航、數(shù)據(jù)處理）-數(shù)據(jù)層（經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)）。整個(gè)終端的軟件設(shè)計(jì)涉及到應(yīng)用架構(gòu)以及業(yè)務(wù)應(yīng)用的功能實(shí)現(xiàn)，為保證軟件具有良好的可擴(kuò)展性，軟件系統(tǒng)的應(yīng)用架構(gòu)根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用功能劃分為多層級(jí)、多模塊搭建。

整體的軟件系統(tǒng)基于最小功能職責(zé)設(shè)計(jì)，區(qū)分為頁(yè)面展示層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層。基于前后端分離的設(shè)計(jì)，頁(yè)面展示層只需接受中心服務(wù)器提供的數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)展示以及收集用戶提交的表單數(shù)據(jù)給中心服務(wù)器即可，通過(guò)統(tǒng)一的RESTful 風(fēng)格數(shù)據(jù)接口與服務(wù)后端的業(yè)務(wù)層進(jìn)行交互。這樣設(shè)計(jì)既能提升系統(tǒng)的工作效率，還可保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。業(yè)務(wù)層的實(shí)現(xiàn)全部是基于實(shí)際業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)處理工作及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)直接下沉到數(shù)據(jù)層。通過(guò)數(shù)據(jù)層與電力設(shè)備的經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，通過(guò)查詢電站-輸電線路-桿變、箱變等電力設(shè)備的三級(jí)遞進(jìn)關(guān)系，確定室外電力設(shè)備的具體信息與經(jīng)緯度坐標(biāo)。通過(guò)業(yè)務(wù)層對(duì)經(jīng)緯度坐標(biāo)進(jìn)行編碼處理，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航路徑的具體規(guī)劃。在通過(guò)數(shù)據(jù)接口下發(fā)至頁(yè)面展示層，在靜態(tài)地圖上繪制詳細(xì)路徑規(guī)劃頁(yè)面。系統(tǒng)還提供原生實(shí)現(xiàn)的權(quán)限校驗(yàn)機(jī)制保證系統(tǒng)的安全性，敏感操作如經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)的刪除、添加操作等需具有足夠權(quán)限的角色進(jìn)行操作，提升了系統(tǒng)安全性。

2 基于經(jīng)緯度的輔助巡檢終端硬件設(shè)計(jì)

2.1 導(dǎo)航終端開(kāi)發(fā)選型

中心服務(wù)器系統(tǒng)采用OK6410開(kāi)發(fā)板報(bào)文處理器的核心開(kāi)發(fā)板，OK6410開(kāi)發(fā)板是飛凌公司旗下基于ARM11內(nèi)核架構(gòu)設(shè)計(jì)的一款開(kāi)發(fā)板，具有高性能、可擴(kuò)展性高等優(yōu)點(diǎn)，搭載了豐富的硬件接入接口，非常適合定制開(kāi)發(fā)終端系統(tǒng)，優(yōu)勢(shì)在于其硬件技術(shù)更新始終保持良好的開(kāi)發(fā)適配性，適用于各種業(yè)務(wù)。智能終端的迅速發(fā)展對(duì)于芯片要求愈加苛刻，OK6410開(kāi)發(fā)板的內(nèi)核是ARM11內(nèi)核，ARM11是新一代的RISC 處理器，基于新指令架構(gòu)ARMv6設(shè)計(jì)的微處理器。其性能更加優(yōu)秀的同時(shí)還保持著性能與功耗的微妙平衡，可滿足一些特定應(yīng)用場(chǎng)景。移動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)景下，Android 系統(tǒng)良好的開(kāi)發(fā)生態(tài)圈與移動(dòng)硬件兼容性使得其他移動(dòng)操作系統(tǒng)難以望其項(xiàng)背。OK6410可完美支持Android 系統(tǒng)，此外它搭載的豐富硬件接口和擴(kuò)展模塊使其無(wú)疑是定制導(dǎo)航終端的首選。

終端通過(guò)硬件串口搭載的RDSS 模塊用于接收北斗衛(wèi)星的報(bào)文，參照NMEAO183協(xié)議規(guī)范將短報(bào)文數(shù)據(jù)解析，并把解析結(jié)果編碼為UTF-8字符數(shù)據(jù)流上傳到服務(wù)器。通過(guò)服務(wù)器部署的數(shù)據(jù)服務(wù)數(shù)據(jù)流獲取的是16進(jìn)制的字節(jié)數(shù)組，對(duì)該字節(jié)數(shù)組需進(jìn)行解碼，可解析為北斗系統(tǒng)傳輸?shù)慕?jīng)緯度數(shù)據(jù)等導(dǎo)航數(shù)據(jù)。具體的報(bào)文協(xié)議的數(shù)據(jù)解析步驟需根據(jù)協(xié)議包內(nèi)容定制開(kāi)發(fā)處理，中心服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的信息處理時(shí)，由于是按照字符流次序逐個(gè)依次處理，因此特別需注意其數(shù)據(jù)時(shí)效性問(wèn)題。根據(jù)協(xié)議解析的數(shù)據(jù)，其中經(jīng)緯度數(shù)據(jù)是最為重要的，可通過(guò)經(jīng)緯數(shù)據(jù)進(jìn)行地理編碼獲取實(shí)際地理位置信息，是導(dǎo)航服務(wù)的基礎(chǔ)（圖2）。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖

2.2 終端系統(tǒng)模塊構(gòu)成圖

終端系統(tǒng)搭載的用于接受北斗導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)流的硬件主要由射頻前端部分、高速0/D 轉(zhuǎn)換器部分、基帶信號(hào)處理部分和導(dǎo)航信息解算處理部分共同構(gòu)成。射頻前端部分可將終端系統(tǒng)接受到的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星射頻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹蓄l信號(hào)；轉(zhuǎn)換器部分則將射頻前端采集的中頻信號(hào)解析轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；通過(guò)基帶信號(hào)處理模塊捕獲北斗衛(wèi)星在二維層面的信號(hào)，通過(guò)碼相位追蹤測(cè)算等方式測(cè)算終端到衛(wèi)星的“偽距”；最后交由導(dǎo)航信息解算處理模塊，通過(guò)信號(hào)模型和算法，設(shè)定關(guān)于三維坐標(biāo)系的地理坐標(biāo)的方程式，通過(guò)解方程式獲取實(shí)際的地理位置坐標(biāo)并進(jìn)行偏差調(diào)整[2]。

圖3 接收終端架構(gòu)圖

終端硬件開(kāi)發(fā)板設(shè)計(jì)思路：通過(guò)系統(tǒng)總線搭建各個(gè)硬件元件與ARM11處理器的數(shù)據(jù)交互橋梁，由處理器負(fù)責(zé)系統(tǒng)硬件資源的調(diào)度與線程資源的分配?；谀K化的設(shè)計(jì)思想將各個(gè)單一模塊硬件分別通過(guò)系統(tǒng)總線接入并交互處理信息協(xié)同工作，主要有：生成導(dǎo)航路徑的北斗導(dǎo)航模塊，可采用BD-228或RDSS 單元模塊；與北斗系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)文通信的北斗通信模塊，負(fù)責(zé)接受和發(fā)送報(bào)文數(shù)據(jù)[3]。其余硬件模塊用于完善終端系統(tǒng)的基本功能（圖4）。

圖4 硬件設(shè)計(jì)示意圖

3 基于經(jīng)緯度的輔助巡檢終端軟件設(shè)計(jì)

3.1 經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

基于實(shí)際調(diào)研過(guò)程中采集的室外電力設(shè)備的實(shí)際地理位置和經(jīng)緯度坐標(biāo)、室外的桿變?cè)O(shè)備和箱變?cè)O(shè)備的詳細(xì)數(shù)據(jù)信息等，通過(guò)抽象數(shù)據(jù)實(shí)體的數(shù)據(jù)特征與關(guān)聯(lián)關(guān)系確定了經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)實(shí)體結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)體的約束關(guān)系。

通過(guò)分析可以確定電站與輸電線路間的關(guān)聯(lián)關(guān)系是一對(duì)多，即一個(gè)電站關(guān)聯(lián)多條輸電線路；而輸電線路與室外電力設(shè)備的關(guān)聯(lián)關(guān)系也是一對(duì)多?；诖丝蓸?gòu)建“電站-輸電線路-電力設(shè)備”三級(jí)遞進(jìn)的層次關(guān)系確定到具體電力設(shè)備的信息，這是系統(tǒng)中對(duì)于桿變、箱變等電力設(shè)備檢索的根據(jù)。為保證經(jīng)緯度坐標(biāo)始終保持一致，數(shù)據(jù)庫(kù)使用Varchar類型存儲(chǔ)經(jīng)緯度，防止數(shù)據(jù)持久化過(guò)程中發(fā)生精度丟失的問(wèn)題。為保障數(shù)據(jù)的完整性，全部數(shù)據(jù)需維護(hù)Not Null 的約束，防止解析數(shù)據(jù)錯(cuò)誤導(dǎo)致的空數(shù)據(jù)錄入形成臟數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)刪除定義deleted 刪除標(biāo)志，標(biāo)志置為1時(shí)表示刪除，系統(tǒng)對(duì)于此類數(shù)據(jù)不可見(jiàn)，但實(shí)際的物理存儲(chǔ)還是存儲(chǔ)著該數(shù)據(jù)，防止誤操作數(shù)據(jù)刪除時(shí)無(wú)法恢復(fù)。

3.2 程序流程圖

圖5 系統(tǒng)程序流程圖

首次使用終端軟件需用戶使用手機(jī)號(hào)進(jìn)行注冊(cè)，確保用戶的權(quán)限校驗(yàn)。通過(guò)軟件登錄進(jìn)入系統(tǒng)獲取權(quán)限Token，之后的功能和請(qǐng)求需校驗(yàn)Token 中的權(quán)限信息來(lái)保障系統(tǒng)的安全性。登錄用戶會(huì)獲取由系統(tǒng)生成的Token。該Token 有時(shí)間限制，到期后用戶需重新登錄。用戶訪問(wèn)需要終端對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行二次封裝，必須攜帶Token 進(jìn)行請(qǐng)求。系統(tǒng)收到請(qǐng)求后需第一時(shí)間校驗(yàn)攜帶的Token 時(shí)效性及權(quán)限。對(duì)于用戶訪問(wèn)權(quán)限不足的資源時(shí)會(huì)拒絕用戶請(qǐng)求。通過(guò)校驗(yàn)Token 判斷用戶的權(quán)限，普通用戶僅能使用終端查詢電力設(shè)備的坐標(biāo)信息及使用終端的導(dǎo)航功能，高級(jí)管理還可執(zhí)行經(jīng)緯度坐標(biāo)的數(shù)據(jù)管理，如刪除經(jīng)緯度、添加經(jīng)緯度。

4 總結(jié)與展望

本系統(tǒng)是將室外輸電線路桿塔等精細(xì)化并用于巡檢路徑定位的應(yīng)用。解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種可規(guī)劃、記錄路徑，能提供輸電線路桿塔巡檢導(dǎo)航的軟件系統(tǒng)；提供的技術(shù)方案是：輸電線路桿塔精細(xì)化巡檢路徑定位裝置，包括移動(dòng)終端和后臺(tái)服務(wù)器；移動(dòng)終端跟隨巡檢人員收集巡檢路線上的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)信息整理、規(guī)劃后形成具有導(dǎo)航功能的地圖資源包，然后下放至終端，便于用戶通過(guò)導(dǎo)航快速、安全到達(dá)目的地；其終端設(shè)備可提高巡檢人員的工作效率，可廣泛應(yīng)用于電力巡檢領(lǐng)域，為巡檢工作及巡檢管理工作帶來(lái)便利，提高工作效率和資源利用率。

隨著國(guó)家“智能電網(wǎng)”發(fā)展的不斷推進(jìn)，互聯(lián)網(wǎng)中的各項(xiàng)高精尖技術(shù)不斷用于電力系統(tǒng)的日常中，尤其在電力系統(tǒng)巡檢工作中已在配網(wǎng)自動(dòng)化的發(fā)展方向上邁出了一大步。目前該系統(tǒng)研發(fā)了一套基于經(jīng)緯度定位輔助巡檢的設(shè)備，通過(guò)與北斗模塊的報(bào)文交互處理，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)的經(jīng)緯度定位與定位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸進(jìn)行導(dǎo)航的功能。項(xiàng)目當(dāng)前在實(shí)際的應(yīng)用市場(chǎng)前景廣泛，尤其在電力行業(yè)更是如此。