基于泛在物聯(lián)網的電力物資智能管理系統(tǒng)設計

呂振輝，徐麗，張益波，李嘉迪

（國網上海市電力公司，上海 200120）

在完善智能電網的基礎上，大力建設泛在電力物聯(lián)網，構成能源流、業(yè)務流、數(shù)據(jù)流相互融合的能源互聯(lián)網是未來電網建設發(fā)展的方向[1-3]。但目前在電力物資管理環(huán)節(jié)，泛在物聯(lián)裝備應用較少，智能型、效率型儲運裝置運用不足，電力物資管理嚴重依賴于人工處置，其管理方式粗獷、管理效率較低、狀態(tài)管控能力不足[4-6]。

隨著物聯(lián)網技術的快速發(fā)展，應用智能儲運裝置構建泛在物聯(lián)的電力物資智能管理系統(tǒng)，推動電力物資管理向精細化、智能化、高效化的管理模式轉變，是符合未來電力物資管理的重要發(fā)展趨勢[7-10]。

因此，文中開展基于泛在物聯(lián)網的電力物資智能管理系統(tǒng)設計研究，以期實現(xiàn)電力物資的物聯(lián)互通、泛在可視、管理智能。

1 系統(tǒng)物理架構設計

基于泛在物聯(lián)網的電力物資智能管理系統(tǒng)的物理架構如圖1 所示。儲運單元存儲電力廢舊物資，稱重傳感器安裝在儲運單元的每個腳墊上，智能管理終端安裝在扇門底部中心位置。稱重傳感器通過接線盒將電力設備的重量信號傳送至智能管理終端，智能管理終端通過4G/5G NB-IoT 將重量、定位、高度等信號傳送至電力物資智能管理系統(tǒng)。電力物資智能管理系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能，實現(xiàn)對廢舊物資儲運的全程狀態(tài)管控，為廢舊物資全流程業(yè)務提供管理方案，實現(xiàn)儲運策略的智能決策。

圖1 系統(tǒng)物理架構

1.1 儲運單元的優(yōu)化設計

經過優(yōu)化設計后的儲運單元結構，儲運單元的總質量僅為2 600 kg，儲存容量卻可達13.5 m3，具備較強的安全系數(shù)。在10 t 載重情況下的安全系數(shù)達2.11 倍；在26 t 堆重情況下的安全系數(shù)達1.64 倍；在10 t 載重+26 t 堆重情況下的安全系數(shù)達2.79 倍。相比于傳統(tǒng)儲存裝置而言，儲運單元在結構設計上具有以下幾方面改進：

1）通過改進整體結構設計來減低自身重量，同時將原半扇門結構改為全扇門結構，能夠提高電力物資卸載的效率；

2）通過改進門鎖設計來減低開鎖、上鎖需要的時間，同時降低每一個門鎖的質量；

3）在每個腳墊內安裝稱重傳感器，實現(xiàn)稱重部件與全扇門一體化，大幅降低了儲運單元的質量，并提高了可儲存電力物資的總容量。

1.2 智能管理終端的優(yōu)化設計

智能管理終端將電力物資的位置、質量、高度、流程等數(shù)據(jù)數(shù)字化保存，并上送至電力物資智能管理系統(tǒng)。通過操作界面提供監(jiān)測儲運單元狀態(tài)、設置參數(shù)等操作，是實現(xiàn)電力物資全狀態(tài)監(jiān)控、全流程管理的核心。

智能管理終端的結構采用模塊化的設計以便于維護升級，其中包括稱重模塊、定位模塊、通信模塊和電源模塊等。

1）稱重模塊。智能管理終端采用稱重模塊與其他功能模塊分離的設計方法，稱重傳感器與智能管理終端實現(xiàn)了接線的解耦，如圖2 所示。稱重傳感器通過接線盒連接終端盒，更換傳感器時無需打開終端盒，這樣能夠方便稱重傳感器的安裝使用和維護升級。

圖2 稱重傳感器與智能管理終端接線

同時稱重傳感器在量程上留有足夠的裕度，每個稱重傳感器的承重范圍為10 t，能夠確保承受電力物資的質量。稱重時通過智能算法，直接在頁面展示儲運單元內部電力物資的質量。

2）定位模塊。其結合雙頻GPS 定位技術[11-12]，該定位技術相比于傳統(tǒng)單頻定位技術，采用L1+L5波段進行定位，L5波段具有高信號碼率的優(yōu)點。同時通過雙頻可以消除大氣電離層引起的定位誤差，大幅度提高定位的精度，智能管理終端在信號強的空曠處可精確到3～5 m。在高度計算方面，根據(jù)氣壓差推算箱子的相對高度，可精確計算當前箱子的層數(shù)。

3）通信模塊。智能管理終端外部留用升級調試接口，內部具備RS-485、I/O 等接口，方便拔插與維護。連接互聯(lián)網的上行通信采用5G NB-IoT 通信，所使用的5G NB-IoT 芯片具有功耗低、抗干擾能力強等優(yōu)點。

4）電源模塊。其使用安全電池，在增大電池容量的同時不增加殼體尺寸。當電池發(fā)生異常情況時，會通過電子郵件告警等方式通知用戶。所使用的LCC 電池相比于鎳鉻電池、鋰電池等，具有工作溫度范圍廣、發(fā)生穿刺也不會燃燒、充電速度快等優(yōu)點。

2 系統(tǒng)業(yè)務功能設計

2.1 系統(tǒng)功能結構

文中通過稱重傳感器、定位模塊、高度測量模塊等智能傳感裝置與5G NG-IoT 通信技術，構建了覆蓋儲運裝置、電力物資、倉庫等的智能物聯(lián)網?；诜涸谖锫?lián)網的電力物資智能管理系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)對電力物資全程狀態(tài)管控、全量數(shù)據(jù)分析處理、全流程智能決策[13-14]，其系統(tǒng)結構如圖3 所示。系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)錄入層、平臺應用層和后臺管理層3 層結構，各層的主要功能如下：

圖3 基于泛在物聯(lián)網的電力物資智能管理系統(tǒng)結構

1）數(shù)據(jù)錄入層。即電力物資管理層，主要實現(xiàn)電力物資數(shù)字標簽的錄入、管理。

2）平臺應用層。即業(yè)務流程管理層，實現(xiàn)資源管理、庫存管理和處置管理等業(yè)務流程的智能化。資源管理包括庫位編號、庫位狀態(tài)、自動分配等庫位資源信息的管理，以及裝備編號、裝備狀態(tài)、自動分配等儲運裝置信息的管理；庫存管理包括庫存清單、庫存查詢、庫存盤點、倉庫容積分析、月度倉儲利用率、儲運淡旺季分析等倉儲統(tǒng)計分析功能；處置管理包括處置方法錄入、出庫時間提醒、處置預案生成、處置審批、處置預警等功能。

3）后臺管理層。即參數(shù)設置層，具備系統(tǒng)管理和基礎管理功能，系統(tǒng)管理對系統(tǒng)用戶的姓名/編號、角色/崗位、數(shù)據(jù)/功能權限分配和系統(tǒng)運行日志等進行管理；基礎管理包括環(huán)境參數(shù)設置、入庫需求管理、倉儲規(guī)則設置等倉庫管理功能，以及供應方/承運方管理、移交單據(jù)管理等移交管理功能。

2.2 業(yè)務流程優(yōu)化

2.2.1 現(xiàn)有管理業(yè)務流程及不足

現(xiàn)有電力物資管理流程中，當電力物資需要報廢時，通常由保管使用單位辦理入庫手續(xù)后，組織將電力物資運送至指定倉庫。送貨前通過電話與電力物資管理部門進行預約，倉庫采用人工記錄即將入庫的電力物資信息。在該過程中，電話預約送貨、人工記錄入庫電力物資信息容易導致相關信息傳遞與記錄的錯漏，同時業(yè)務處理效率較低。

在入庫階段，當電力物資保管使用出具入庫審批單及技術鑒定報告時，掃描電力物資“ID”辦理電力物資移交并簽署電力物資移交單。倉庫通過人工進行稱重計量、核實，該業(yè)務過程中，由于電力物資信息的核實需要花費較長時間，所以實際工作中通常先簽署電力物資移交單后再計重核實。其容易導致電力物資信息的核查不嚴謹，且人工計重、核實不利于電力物資信息的記錄與整合。

在完成入庫單據(jù)審核及電力物資稱重后，倉庫管理人員為電力物資分配庫位號，電力物資將放入指定庫位。在庫的電力物資將根據(jù)計劃開展定期盤點。在此階段中，人工分配庫位不利于倉庫容積的合理使用，而庫位號、操作人員等信息未與物資相互綁定，不利于后續(xù)的盤點和出庫，同時人工盤點方式的工作效率較低。

2.2.2 改進管理業(yè)務流程

針對現(xiàn)有電力物資管理業(yè)務流程存在的不足，基于上述電力物資智能管理系統(tǒng)，文中對電力物資管理業(yè)務流程的改進包括：

1）將電話預約送貨的方式改進為通過電力物資智能管理系統(tǒng)進行預約。

2）將倉庫人工記錄電力物資信息改進為通過智能管理終端錄入并保存電力物資信息。

3）將倉庫人工計重、施工隊核實的方式改進為儲運單元自動計重，并通過智能管理終端上傳系統(tǒng)，再通過系統(tǒng)核實相關信息。

4）將倉庫保管員分配庫位的方式改進為系統(tǒng)根據(jù)倉庫分配優(yōu)化算法自動分配庫位。

5）將人工盤點電力物資方式改進為通過信息進行電力物資盤點，并對電力物資信息進行更新。

電力物資智能管理系統(tǒng)的管理業(yè)務流程如圖4所示。基于該智能管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了電力物資狀態(tài)、倉庫庫位狀態(tài)、電力物資處置進度、儲運裝置狀態(tài)的全量可視化，并為電力物資處置、庫位優(yōu)化分配、電力物資盤點核查提供智能化決策。

圖4 改進的電力物資智能管理業(yè)務流程

3 測試與分析

為驗證文中設計開發(fā)的基于泛在物聯(lián)網的電力物資管理系統(tǒng)的性能質量，采用黑盒測試法對其進行測試。黑盒測試法即輸入測試用例數(shù)據(jù)，檢查輸出結果與預期結果的一致性，達到驗證系統(tǒng)軟件功能的目的[15-16]。

3.1 系統(tǒng)功能測試結果

電力物資智能管理系統(tǒng)功能測試結果如表1所示。

表1 系統(tǒng)功能測試結果

3.2 系統(tǒng)性能測試結果

電力物資智能管理系統(tǒng)性能測試結果如表2所示。

表2 系統(tǒng)性能測試結果

3.3 系統(tǒng)安全性測試結果

系統(tǒng)安全性測試主要針對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫安全性開展測試[17-18]，電力物資智能管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫安全性的測試結果如表3 所示。

表3 數(shù)據(jù)庫安全性測試結果

4 結束語

該文設計了基于泛在物聯(lián)網的電力物資智能管理系統(tǒng)的物理架構和功能架構。對傳統(tǒng)電力物資管理業(yè)務流程的不足，提出了改進業(yè)務流程。通過算例分析表明，該文所設計的基于泛在物聯(lián)網的電力物資智能管理系統(tǒng)功能達到了預期需求。系統(tǒng)各項性能指標均較優(yōu)，數(shù)據(jù)庫的安全性較好，能夠滿足電力物資管理的實際需求。但文中并未研究電力物資智能管理系統(tǒng)的應用效果，在后續(xù)將建立全面的評價指標體系來進一步研究與分析。