基于無感識(shí)別技術(shù)的工器具智能分類系統(tǒng)設(shè)計(jì)

常 榮，陳運(yùn)忠，劉婉媛，李亞東

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司玉溪供電局，云南 玉溪 653100)

隨著現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展規(guī)模的不斷擴(kuò)大和科技水平的不斷進(jìn)步，電力企業(yè)對(duì)于工藝流程中的要求和規(guī)范化水平不斷提高，而工器具的種類也從過去的簡易工具逐步向高精尖的儀器方向靠攏。目前許多電力企業(yè)傾向于使用大量的精密電子儀器來進(jìn)行生產(chǎn)工作，價(jià)格從幾千到幾十萬元不等，很多損耗品或者零部件的價(jià)格在近幾年也不斷上漲，例如刀片、鉆頭等。除了工器具的價(jià)格不斷上漲之外，工器具的大量使用也不得不讓工器具分類這一重要研究內(nèi)容逐漸被人們所關(guān)注。

目前行業(yè)內(nèi)主流的傳統(tǒng)電網(wǎng)設(shè)備分類和管理并不能達(dá)到很好的效果，存在脫機(jī)、滯后及兼容性很差等問題，這就導(dǎo)致了電力企業(yè)存在很大的管理缺點(diǎn)和安全隱患。而智能管理和智能分類能夠消除單機(jī)的脫機(jī)性問題，能夠在短時(shí)間內(nèi)針對(duì)工器具的狀態(tài)做出及時(shí)的處理，具有高效性和實(shí)時(shí)性，可通過處理云平臺(tái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來對(duì)電力企業(yè)的設(shè)備和工器具進(jìn)行安全可靠的控制。

從目前的技術(shù)角度來說，無感識(shí)別技術(shù)的發(fā)展正處于上升期，是智能電網(wǎng)設(shè)備管理方面一種非常有發(fā)展前景和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的媒介手段。一方面，無感識(shí)別技術(shù)是基于20世紀(jì)五六十年代的雷達(dá)技術(shù)而發(fā)展起來的，目前無感識(shí)別技術(shù)由于其效率高、便捷、快速的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在商業(yè)、醫(yī)療、物流和交通等不同領(lǐng)域；另一方面，無感識(shí)別技術(shù)由于其強(qiáng)大的實(shí)用性而被廣泛應(yīng)用在不同的應(yīng)用場景，通過非接觸式的電子標(biāo)簽感知模式，在不超過100ms的時(shí)間內(nèi)就能夠通過無線射頻而感知到電子標(biāo)簽的條形碼，這種閱讀速度和感知范圍是那些接觸式閱讀標(biāo)簽的方式所不能達(dá)到的。無感識(shí)別技術(shù)不僅可以被應(yīng)用在各項(xiàng)交互業(yè)務(wù)，例如電網(wǎng)設(shè)備管理的狀態(tài)跟蹤或者流程監(jiān)管等，而且為電力企業(yè)管理實(shí)時(shí)、龐大和復(fù)雜的電網(wǎng)環(huán)境提供了高效、便捷的技術(shù)支持。

利用基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)工作原理和無感識(shí)別技術(shù)設(shè)計(jì)了一款工器具智能分類系統(tǒng)，以對(duì)龐大的工器具庫房進(jìn)行智能分類。系統(tǒng)是由無感識(shí)別元件、自動(dòng)識(shí)別裝置和監(jiān)控服務(wù)器組成的，并在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了不同類別工器具的有效分類。所研究的內(nèi)容可以應(yīng)用在電力企業(yè)精密儀器設(shè)備的智能管理、智能分類和系統(tǒng)自愈及自動(dòng)反饋等，利用傳感器可以進(jìn)行關(guān)鍵信息的快速收集，面對(duì)突發(fā)情況及時(shí)進(jìn)行處理。因此，設(shè)計(jì)一款基于無感識(shí)別技術(shù)的工器具智能分類系統(tǒng)能夠幫助電力企業(yè)或者電網(wǎng)單位實(shí)現(xiàn)運(yùn)維成本降低、多重?cái)?shù)據(jù)共享、系統(tǒng)管理有序和設(shè)備安全運(yùn)行，在行業(yè)內(nèi)具有較大的工程應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 基于無感識(shí)別技術(shù)的工器具智能分類系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 工器具智能分類系統(tǒng)原理

根據(jù)目前電力企業(yè)對(duì)工器具智能分類系統(tǒng)的需求和應(yīng)用前景，設(shè)計(jì)了一款基于無感識(shí)別技術(shù)的工器具智能分類系統(tǒng)，該系統(tǒng)集合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無感識(shí)別電子標(biāo)簽、自動(dòng)識(shí)別裝置和監(jiān)控服務(wù)器，工作原理圖如圖1所示。該系統(tǒng)能夠利用工器具的電子標(biāo)簽執(zhí)行不同工器具的數(shù)據(jù)采集、傳輸和運(yùn)算等不同指令，而系統(tǒng)的后臺(tái)工作人員能夠?qū)崟r(shí)掌握智能分類系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，并且在云計(jì)算平臺(tái)的支持下對(duì)不同工器具的狀態(tài)進(jìn)行追蹤和管理。

圖1 工器具智能分類系統(tǒng)

1.2 基于無感識(shí)別的電子標(biāo)簽和自動(dòng)識(shí)別裝置

1．2．1 電子標(biāo)簽

基于無感識(shí)別技術(shù)的電子標(biāo)簽利用了無線射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)，通過接受工器具所發(fā)出的電子射頻信號(hào)而產(chǎn)生了感應(yīng)電流，然后將所讀取的信號(hào)反饋至接收器。具體的工作流程可以簡述為：佩戴了電子標(biāo)簽的工器具在進(jìn)入或者離開工器具庫房的時(shí)候，也就進(jìn)入了自動(dòng)識(shí)別裝置的感知范圍，此時(shí)自動(dòng)識(shí)別裝置便會(huì)通過云計(jì)算平臺(tái)對(duì)電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和記錄，并且通過射頻信號(hào)所產(chǎn)生的感應(yīng)電流對(duì)不同的工器具進(jìn)行分類和記錄。本文所采用的無感識(shí)別電子標(biāo)簽如圖2所示，無感識(shí)別的應(yīng)用原理圖如圖3所示。

圖2 無感識(shí)別電子標(biāo)簽

圖3 無感識(shí)別工作原理

1．2．2 自動(dòng)識(shí)別裝置

自動(dòng)識(shí)別裝置的設(shè)置目的是對(duì)工器具庫房的設(shè)備或者器材進(jìn)行分類和監(jiān)控，其是由中央處理器(CPU)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器所組成的。自動(dòng)識(shí)別裝置能夠接收到設(shè)備的電子標(biāo)簽所發(fā)出的射頻信號(hào)，并且通過與大數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，將工器具進(jìn)行準(zhǔn)確的分類，以此來判斷該工器具是否處于可以被借用或入庫的狀態(tài)、是否需要進(jìn)行日常維修和保養(yǎng)。本文所使用的自動(dòng)識(shí)別裝置為高頻頻段(13.56MHz)下的射頻讀寫器，如圖4所示。工器具智能分類系統(tǒng)工作原理圖如圖5所示。

圖4 自動(dòng)讀寫設(shè)備

圖5 工器具智能分類系統(tǒng)工作原理

1.3 基于云計(jì)算平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的智能分類系統(tǒng)采用了云計(jì)算平臺(tái)架構(gòu)，示意圖如圖6所示。該系統(tǒng)由負(fù)荷分配、數(shù)據(jù)管理、物理存儲(chǔ)、計(jì)算邏輯、物理計(jì)算和Web總共六層組成。Web層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)云計(jì)算平臺(tái)的Web分站，是用戶與云計(jì)算平臺(tái)交流的唯一通道。同時(shí)，所采用的云計(jì)算平臺(tái)將上文所提到的自動(dòng)識(shí)別裝置與通信網(wǎng)絡(luò)相互關(guān)聯(lián)，通過與云端的大數(shù)據(jù)庫和自動(dòng)識(shí)別裝置所讀取到的數(shù)據(jù)信息相互結(jié)合，之后根據(jù)工作的需要生成各項(xiàng)數(shù)據(jù)記錄和預(yù)警信息，能夠自由通過數(shù)據(jù)讀取裝置、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和云端計(jì)算機(jī)提供大規(guī)模的數(shù)據(jù)支持。

圖6 工器具智能分類系統(tǒng)云計(jì)算平臺(tái)

2 工器具智能分類系統(tǒng)性能測(cè)試

2.1 無感識(shí)別測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)過程中，通過使用單線程、雙線程和四線程的設(shè)備來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過計(jì)算每組實(shí)驗(yàn)所花費(fèi)的時(shí)間來進(jìn)行結(jié)果分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。從圖7的內(nèi)容可以得到結(jié)論：單線程在無感識(shí)別工器具中所花費(fèi)的時(shí)間為1.2～1.6 s，使用雙線程進(jìn)行測(cè)試所花費(fèi)的時(shí)間為0.9～1.3 s，而四線程進(jìn)行測(cè)試所花費(fèi)的時(shí)間已經(jīng)降低到了0.6 s左右。也就是說，隨著線程數(shù)量的增加，無感識(shí)別所花費(fèi)的時(shí)間也在不斷降低，并且，線程數(shù)量越多，無感識(shí)別的時(shí)間也會(huì)呈現(xiàn)出更加平緩的波動(dòng)。因此，本系統(tǒng)將搭載在四線程的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行工作。

圖7 無感識(shí)別實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化圖

2.2 智能分類測(cè)試

基于無感識(shí)別技術(shù)的工器具智能分類系統(tǒng)，在很多情況下會(huì)因?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)、無感識(shí)別距離和環(huán)境不斷變化等不同因素而導(dǎo)致工器具的分類效果出現(xiàn)波動(dòng)。同樣，貼了電子標(biāo)簽的工器具也會(huì)因?yàn)楣て骶叩臄?shù)量或者相互重疊而導(dǎo)致自動(dòng)識(shí)別裝置對(duì)工器具的智能分類效率和準(zhǔn)確度降低。為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的智能分類系統(tǒng)的準(zhǔn)確率，分別在兩種不同的情況下進(jìn)行基于無感識(shí)別技術(shù)的智能分類實(shí)驗(yàn)，兩種情況分別為手持工器具和將工器具放置在手提箱中。工器具的測(cè)試數(shù)量分別為從1件到8件，每種情況分別測(cè)試50次，最終的測(cè)試結(jié)果如圖8和圖9所示。最終的結(jié)果顯示，手持工器具進(jìn)行智能分類的實(shí)驗(yàn)結(jié)果總共有9次錯(cuò)誤分類，其中手持5件、7件和8件工器具的錯(cuò)誤分類分別有2次。將工器具放在手提箱中的智能分類準(zhǔn)確率較高，只出現(xiàn)了7次錯(cuò)誤分類，其中分類4件、6件和7件工器具均只有1次錯(cuò)誤分類。

圖8 手持工器具智能分類結(jié)果

圖9 放在手提箱中的工器具智能分類結(jié)果

3 工器具智能分類系統(tǒng)使用情況分析

基于無感識(shí)別技術(shù)所設(shè)計(jì)的工器具智能分類系統(tǒng)自2021年6月份投入使用以來，取得了較好的預(yù)期效果。本文所設(shè)計(jì)的工器具智能分類系統(tǒng)共在20個(gè)班組投入使用，設(shè)立了系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)的后臺(tái)管理人員35人，其中系統(tǒng)管理人員有2人，不同類別的工器具管理人員4人，每個(gè)班組設(shè)置1名工器具管理人員，電力企業(yè)的總部管理人員和基層管理人員分別為4人和5人，能夠直接使用智能分類系統(tǒng)的工作人員總共有296人。本文面向的使用人員分類圖如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)管理人員分布圖

在2021年6月至2021年9月的試運(yùn)行階段中，工器具智能分類系統(tǒng)共將工器具分自動(dòng)分為3個(gè)大類，其中包括了13個(gè)小類，系統(tǒng)登記入庫的工器具有9616件，20個(gè)班組領(lǐng)用的工器具總共有3424件，平均每個(gè)班組領(lǐng)用約171件。通過龐大的數(shù)據(jù)庫記錄可以檢索到49637條工器具的取用記錄，平均每天的取用記錄約為523條，每個(gè)班組平均每天取用約26件。同時(shí)，工器具在這段時(shí)間內(nèi)都進(jìn)行了不同頻率的維修和保養(yǎng)，日常維修和保養(yǎng)記錄共有21229條，平均每天進(jìn)行維修和保養(yǎng)的工器具約為224件每天。具體的系統(tǒng)使用情況如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)使用情況統(tǒng)計(jì)圖

智能分類系統(tǒng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了部分人為操作的問題，比如系統(tǒng)管理人員在剛開始經(jīng)常會(huì)因?yàn)樽x寫設(shè)備或者操作系統(tǒng)的不流暢而輸入了很多錯(cuò)誤信息，共計(jì)313次，其中包括88次工器具入庫錯(cuò)誤記錄、70次工器具領(lǐng)用錯(cuò)誤記錄和155次日常工器具維護(hù)和保養(yǎng)錯(cuò)誤記錄。系統(tǒng)錯(cuò)誤記錄示意圖如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)錯(cuò)誤分類示意圖

從圖12可以看出，只有工器具的入庫、領(lǐng)用、維修和保養(yǎng)方面的記錄出現(xiàn)過問題，而日常取用記錄的全工作過程是由智能分類系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)操作的，因此并未發(fā)生錯(cuò)誤。而在經(jīng)過了多次的重點(diǎn)培訓(xùn)之后，系統(tǒng)管理人員在之后的工作中極大地降低了錯(cuò)誤率。在整個(gè)智能分類系統(tǒng)的試運(yùn)行過程中，總共出現(xiàn)了33起工器具丟失的情況，但是都能夠通過日常取用紀(jì)錄成功追查到負(fù)責(zé)人，并對(duì)其不按照規(guī)章流程辦事的行為做出嚴(yán)厲處罰。目前，系統(tǒng)能夠?qū)Σ煌墓て骶弑ｐB(yǎng)和維修期限進(jìn)行宏觀把控，并未出現(xiàn)工器具損壞或者無法使用的情況。

綜上所述，基于無感識(shí)別技術(shù)所設(shè)計(jì)的工器具智能分類系統(tǒng)的運(yùn)行效果良好，均已實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)預(yù)期和實(shí)際效果，在實(shí)際應(yīng)用過程中也得到了電力企業(yè)高層的高度認(rèn)可。通過該系統(tǒng)的正常運(yùn)行，電力企業(yè)的各項(xiàng)資產(chǎn)都得到了詳細(xì)記錄，同時(shí)，系統(tǒng)管理人員和物資管理人員都能夠?qū)ζ髽I(yè)資產(chǎn)的現(xiàn)狀有詳細(xì)的了解，可以隨時(shí)對(duì)管轄范圍內(nèi)的工器具進(jìn)行查詢和分析。隨著智能系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，工器具分類困難和難以查詢等問題都得到了徹底解決，為電力企業(yè)提供了極大的幫助。

4 結(jié) 論

電力企業(yè)對(duì)于工藝流程中的要求和規(guī)范化水平不斷提高，帶動(dòng)了工器具和器材成本和技術(shù)含量不斷上升，而工器具的種類也從過去的簡易工具逐步向高精尖的儀器方向靠攏。除了工器具的價(jià)格不斷上漲之外，工器具的大量使用也不得不讓工器具分類這一重要研究內(nèi)容逐漸被人們所關(guān)注。目前行業(yè)內(nèi)主流的傳統(tǒng)電網(wǎng)設(shè)備分類和管理并不能達(dá)到很好的效果，存在脫機(jī)、滯后及兼容性很差等問題，這就導(dǎo)致了工作人員或者管理設(shè)備無法準(zhǔn)確掌握電網(wǎng)設(shè)備或者工器具的工作現(xiàn)狀或者即時(shí)狀態(tài)，這也導(dǎo)致了電力企業(yè)存在很大的管理缺點(diǎn)和安全隱患。

基于無感識(shí)別技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計(jì)算平臺(tái)，構(gòu)建了面向電力企業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，結(jié)合云計(jì)算平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一款電力企業(yè)工器具智能分類系統(tǒng)。該系統(tǒng)將電子標(biāo)簽作為自動(dòng)識(shí)別裝置的工器具分類手段，工器具的數(shù)據(jù)在經(jīng)過自動(dòng)識(shí)別裝置進(jìn)行讀取之后轉(zhuǎn)入云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行大數(shù)據(jù)匹配，從而實(shí)現(xiàn)工器具的智能分類和管理。本文所設(shè)計(jì)的工器具智能分類系統(tǒng)在很大程度上解決了工器具在數(shù)據(jù)讀取、狀態(tài)診斷和智能分類管理上的問題，不僅杜絕了電力企業(yè)中的各種安全管理問題，保證了大數(shù)據(jù)的高效準(zhǔn)確，而且適應(yīng)了電力企業(yè)在信息分析和數(shù)據(jù)高度結(jié)合等方面的各種要求，在完善工器具智能分類和電力企業(yè)智能管理方面有著重要意義和參考價(jià)值。