遠(yuǎn)程可視化交互式管理系統(tǒng)在水電企業(yè)中的應(yīng)用

付 根

(華電金沙江上游水電開發(fā)有限公司蘇洼龍分公司，四川 成都 610000)

0 引 言

國(guó)內(nèi)水電企業(yè)大多地處交通不便的偏遠(yuǎn)山區(qū)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)多、面廣、線長(zhǎng)、人員分散，再加上地質(zhì)條件差、交通不便等因素，導(dǎo)致企業(yè)有限的技術(shù)和管理精英難以做到對(duì)流域電站作業(yè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)督導(dǎo)，特別是在面對(duì)突發(fā)自然災(zāi)害和設(shè)備故障應(yīng)急處理時(shí)，電站現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)資源有限，而相關(guān)技術(shù)人員又無(wú)法迅速到位，這些現(xiàn)象在一定程度上造成了偏遠(yuǎn)地區(qū)流域電站安全生產(chǎn)保障體系和監(jiān)督體系的短板。如何充分發(fā)揮水電企業(yè)有限技術(shù)和管理人才的作用，使他們的能力和經(jīng)驗(yàn)更快捷、更廣泛、更深入地在作業(yè)一線釋放出來，切實(shí)加強(qiáng)水電企業(yè)一線安全生產(chǎn)保障體系和監(jiān)督體系的管理，正是目前力求解決的問題。

1 無(wú)線傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)

在做好安全措施的前提下，無(wú)線傳輸可以應(yīng)用于電力行業(yè)[1]。WiFi作為當(dāng)今使用最廣的一種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)之一，它具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)傳輸速度快，最新的WiFi 6版本最高速率可達(dá)11Gbps，理論速度相較WiFi 5提升近3倍；

(2)布線簡(jiǎn)單、靈活，安裝方便，易于擴(kuò)展；

(3)費(fèi)用低廉，WiFi技術(shù)成熟；

(4)數(shù)據(jù)帶寬高，WiFi 6支持MU-MIMO技術(shù)，有效解決大量設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)擁堵問題。

第五代移動(dòng)通信技術(shù)，已經(jīng)于2020年底在全球多個(gè)國(guó)家實(shí)現(xiàn)商用化[2]，5G具備以下特點(diǎn)：

(1)高速率，5G可以工作在6GHz以下的分米波以及28GHz以上的毫米波，更大的帶寬能帶來更大的通信速率[3]，5G數(shù)據(jù)傳輸峰值速度約為4G技術(shù)的20倍[4]；

(2)低時(shí)延，5G采用短幀、新波形以及先進(jìn)的編碼技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)扁平化，提升了網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延僅有4G的十分之一；

(3)容量大，5G網(wǎng)絡(luò)具備千兆赫茲的頻譜帶寬，能提供設(shè)備的高密度連接和大容量傳輸，實(shí)現(xiàn)真正意義上的萬(wàn)物互聯(lián)；

(4)安全性高，5G通過網(wǎng)絡(luò)分層、分域的安全網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，采用服務(wù)化架構(gòu)、隱私保護(hù)、認(rèn)證授權(quán)等方法，提供了標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案和更強(qiáng)的安全保障機(jī)制，通過已有通信基礎(chǔ)設(shè)備組建的公共網(wǎng)絡(luò)完成電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸將是一個(gè)趨勢(shì)[5]。

本項(xiàng)目采用基于WIFI/5G嵌入式可穿戴移動(dòng)語(yǔ)音圖像傳輸設(shè)備，實(shí)現(xiàn)電站作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程專家(指揮者、管理者或指揮中心等)之間的影像實(shí)時(shí)傳輸，迅速將分散于流域各站甚至更遠(yuǎn)的專業(yè)技術(shù)人員、管理人員匯聚到一個(gè)平臺(tái)，實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)督、交流和指揮。系統(tǒng)還具備自動(dòng)上傳和存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員巡回、檢修作業(yè)、重要操作、應(yīng)急處置等具體工作的實(shí)時(shí)影像信息、歷史影像信息查詢回放、用戶權(quán)限分級(jí)控制等功能，同時(shí)客戶端可運(yùn)行于電腦和手機(jī)等各類平臺(tái)，極大地提升了系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)用便捷性。此項(xiàng)目的有效實(shí)施，加強(qiáng)了監(jiān)督管理，提升了工作人員巡回檢查質(zhì)量，強(qiáng)化了安全監(jiān)督，對(duì)運(yùn)行操作、維護(hù)作業(yè)實(shí)施全過程監(jiān)護(hù)管理。通過遠(yuǎn)程指揮支援，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)遠(yuǎn)程指揮協(xié)調(diào)、應(yīng)急技術(shù)支援的技術(shù)目標(biāo)，為水電企業(yè)安全生產(chǎn)提供保障。

2 項(xiàng)目的重點(diǎn)及難點(diǎn)

2.1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫覆蓋

水電站建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，廠房間大小不一，設(shè)備眾多，要實(shí)現(xiàn)廠區(qū)無(wú)線信號(hào)無(wú)縫覆蓋，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備在廠區(qū)范圍能正常接收信號(hào)且信號(hào)強(qiáng)度滿足視頻傳輸要求，是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

2.2 終端設(shè)備自動(dòng)切換無(wú)線信號(hào)

水電站廠房搭建以AC+AP+POE交換機(jī)為整體架構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和基于5G的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，滿足視頻信號(hào)可靠、有效傳輸。通過設(shè)置終端設(shè)備接收信號(hào)強(qiáng)度閾值，在眾多無(wú)線AP信號(hào)和5G信號(hào)中，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換至發(fā)射功率最強(qiáng)的無(wú)線信號(hào)，視頻信號(hào)傳輸獲得最優(yōu)路徑，也是項(xiàng)目難點(diǎn)。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)終端設(shè)備的佩戴方式

現(xiàn)場(chǎng)工作人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行巡視或開展某項(xiàng)具體工作，一般要持續(xù)幾個(gè)小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間，長(zhǎng)時(shí)間的佩戴終端設(shè)備，會(huì)造成員工疲勞，不正確的佩戴方式會(huì)提高不安全事故發(fā)生概率，如何設(shè)計(jì)一個(gè)安全、舒適、牢固、便捷的終端設(shè)備，是項(xiàng)目長(zhǎng)期、有效執(zhí)行的關(guān)鍵。

2.4 電磁兼容性

無(wú)線信號(hào)會(huì)對(duì)水電廠一些電氣設(shè)備存在一定的電磁干擾，造成監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，如何有效避開對(duì)電磁兼容有明確要求的設(shè)備，合理布置無(wú)線信號(hào)發(fā)射點(diǎn)，是項(xiàng)目實(shí)施重點(diǎn)關(guān)注的問題。

2.5 網(wǎng)絡(luò)安全性

現(xiàn)階段網(wǎng)絡(luò)環(huán)境越發(fā)復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)不安全事件頻發(fā)，各企業(yè)對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全要求越來越高，安全通信網(wǎng)絡(luò)是通信安全的首要問題，新建信息系統(tǒng)通過設(shè)置合理的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，采用身份鑒別、訪問控制、安全審計(jì)、入侵防范、數(shù)據(jù)鑒別、備份及恢復(fù)等手段提升網(wǎng)絡(luò)安全環(huán)境，以保證網(wǎng)絡(luò)通信的安全。新建信息系統(tǒng)布署在管理信息大區(qū)，與生產(chǎn)控制大區(qū)之間進(jìn)行物理隔離，有效實(shí)現(xiàn)硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)等多方面全方位防護(hù)。

2.6 與現(xiàn)有信息系統(tǒng)深度融合

中國(guó)華電提出了建設(shè)數(shù)字華電的總目標(biāo)，數(shù)字電廠建設(shè)是新時(shí)代主動(dòng)適應(yīng)能源革命和數(shù)字革命融合發(fā)展的必由之路。新建的信息系統(tǒng)應(yīng)符合中國(guó)華電集團(tuán)有限公司平臺(tái)建設(shè)及數(shù)據(jù)規(guī)范以及數(shù)字化電廠建設(shè)相關(guān)要求，實(shí)現(xiàn)數(shù)字電廠模式、參數(shù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分系統(tǒng)維護(hù)和橫向系統(tǒng)共享，與現(xiàn)有信息系統(tǒng)深度融合，是本項(xiàng)目重點(diǎn)關(guān)注的地方。

3 項(xiàng)目的實(shí)施

3.1 實(shí)施內(nèi)容

基于WLAN/5G平臺(tái)的水電站現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程可視化交互式監(jiān)督指揮系統(tǒng)作為一種智能可視化系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)聲像交互、影像存儲(chǔ)、過程回放等基本功能，平臺(tái)能迅速匯聚水電企業(yè)精英力量，及時(shí)提出解決問題方案。WLAN/5G平臺(tái)的水電站現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程可視化交互式監(jiān)督指揮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程可視化交互式監(jiān)督指揮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

基于WLAN/5G平臺(tái)的流域電站現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程智能可視化交互式監(jiān)督指揮系統(tǒng)主要由系統(tǒng)終端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)傳輸和服務(wù)器及管理平臺(tái)組成。

3.1.1 系統(tǒng)終端設(shè)備

開發(fā)符合人體工程學(xué)的嵌入式WIFI/5G可穿戴移動(dòng)語(yǔ)音圖像傳輸終端設(shè)備，工作人員攜帶終端設(shè)備開展工作，對(duì)過程進(jìn)行視頻記錄，視頻文件保存在終端設(shè)備并能通過WIFI/5G自動(dòng)上傳至后臺(tái)服務(wù)器，終端設(shè)備能與遠(yuǎn)程電腦或者手機(jī)客戶端進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻通信，同時(shí)具備照明、定位等輔助功能。

3.1.2 傳輸系統(tǒng)

由AC+AP+POE交換機(jī)為整體架構(gòu)實(shí)現(xiàn)無(wú)線方案的搭建，通過合理設(shè)置AP位置，實(shí)現(xiàn)區(qū)域蜂窩全覆蓋。AC作為旁路模式部署在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，通過AC實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠AP統(tǒng)一管控，AC管控相鄰AP間漫游閾值，讀取終端設(shè)備信號(hào)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備無(wú)縫漫游。利用5G網(wǎng)絡(luò)的超大容量、超高速率、超低時(shí)延、超密集組網(wǎng)、可靠性高的特點(diǎn)，在通信機(jī)制上做到兼容5G、4G，并支持網(wǎng)絡(luò)優(yōu)選，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全傳輸。

3.1.3 服務(wù)器及管理平臺(tái)

服務(wù)器用于存儲(chǔ)音頻、視頻文件，通過系統(tǒng)管理平臺(tái)軟件可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻交互及系統(tǒng)平臺(tái)管理等功能。

3.2 實(shí)施方案

3.2.1 搭建軟硬件功能平臺(tái)

構(gòu)建基于WLAN/5G平臺(tái)的水電站現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程可視化交互式監(jiān)督指揮系統(tǒng)平臺(tái)以及支撐服務(wù)器。根據(jù)電廠實(shí)際需求，搭建基于WLAN/5G平臺(tái)的水電站現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程可視化交互式監(jiān)督指揮系統(tǒng)以及支撐服務(wù)器軟、硬件平臺(tái)。系統(tǒng)管理平臺(tái)按照功能采用模塊化的思路設(shè)計(jì)，如歷史任務(wù)查詢、視頻存儲(chǔ)、多點(diǎn)視頻交互等功能。

3.2.2 建立覆蓋全廠的無(wú)線信號(hào)網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)電廠實(shí)際情況，科學(xué)規(guī)劃，無(wú)線信號(hào)配置符合電磁兼容相關(guān)要求，合理設(shè)置AP位置，實(shí)現(xiàn)區(qū)域WIFI信號(hào)蜂窩覆蓋。AC管控各相鄰AP間漫游閾值，終端設(shè)備根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度自動(dòng)切換，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備在相鄰AP間無(wú)縫漫游。構(gòu)建覆蓋全廠的5G網(wǎng)絡(luò)，通過布署室外5G宏基站或者室內(nèi)微基站的方式，做到全廠室內(nèi)外覆蓋，終端設(shè)備通過公網(wǎng)基站接入運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)后臺(tái)與公網(wǎng)互聯(lián)，將終端設(shè)備采集到的各類信號(hào)，通過公網(wǎng)傳輸至系統(tǒng)服務(wù)器。

3.2.3 嵌入式WIFI/5G可穿戴移動(dòng)終端設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)符合現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求可穿戴音頻視頻終端設(shè)備，終端設(shè)備應(yīng)具備便攜性好、安全性高、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)電池電力供應(yīng)時(shí)間符合現(xiàn)場(chǎng)工作需要。在WinCE或Linux等操作系統(tǒng)環(huán)境下，設(shè)計(jì)終端設(shè)備應(yīng)用軟件，終端應(yīng)用軟件應(yīng)符合結(jié)構(gòu)清晰、邏輯性強(qiáng)、操作便捷等要求。終端設(shè)備能自動(dòng)或手動(dòng)切換傳輸網(wǎng)絡(luò)，綜合考慮傳輸要求與使用成本，選擇最優(yōu)傳輸通道。

3.2.4 電腦及手機(jī)客戶端

開發(fā)基于當(dāng)今主流移動(dòng)手機(jī)操作系統(tǒng)(Android、IOS)的客戶端軟件和基于windows操作系統(tǒng)電腦客戶端軟件，能實(shí)現(xiàn)手機(jī)端、電腦端、系統(tǒng)管理平臺(tái)以及可穿戴式移動(dòng)終端設(shè)備視頻交互等功能，提升系統(tǒng)使用便捷性。

3.3 實(shí)施效果

流域水電站多處交通條件較差地方，在遠(yuǎn)程可視化交互式管理系統(tǒng)投入運(yùn)行前，因技術(shù)及管理人員分散，需經(jīng)常派遣車輛來往于各站之間，不僅消耗大量的人力、物力、財(cái)力，還增加安全風(fēng)險(xiǎn)。遠(yuǎn)程可視化交互式管理系統(tǒng)的實(shí)施，大幅提升了流域電站人員利用率，降低了人力資源成本。在安全生產(chǎn)管理方面，因流域電站相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員無(wú)需到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，就能遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工作人員開展消缺工作，使缺陷遺留情況大幅減少，電站缺陷消除率大幅提升，技術(shù)改造、重大操作、檢修管理、應(yīng)急指揮等監(jiān)督管理得到有效實(shí)施；同時(shí)流域電站間派出車輛次數(shù)大幅減少，不僅有效降低生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)成本，也降低不安全事件發(fā)生概率，為流域電站安全生產(chǎn)管理提供可靠保障。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)電力安全生產(chǎn)環(huán)節(jié)中現(xiàn)場(chǎng)巡檢、檢修、消缺、重大操作、事故處理以及應(yīng)急處置遇到的問題，利用WIFI/5G為傳輸通道的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在水電廠中的優(yōu)勢(shì)，克服信息系統(tǒng)建設(shè)過程中的難點(diǎn)和重點(diǎn)，整合WIFI/5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和可穿戴嵌入式設(shè)備技術(shù)。根據(jù)實(shí)際情況，制訂出遠(yuǎn)程可視化交互式管理系統(tǒng)在電力安全生產(chǎn)中監(jiān)督指導(dǎo)方案，并予以實(shí)施，有效提升了水電企業(yè)缺陷消除率，縮短故障處置時(shí)間，強(qiáng)化應(yīng)急處置能力與效率，降低不安全事件發(fā)生概率和生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)成本。