基于NB-IOT智能調(diào)度無人值守管理平臺研究與應(yīng)用

國網(wǎng)福建省電力有限公司信息通信分公司 陳 爽 倪文書 林彧茜 李源灝 羅亮光

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的深入，以集團(tuán)化運(yùn)作、集約化發(fā)展、精益化管理和標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)為特征的管理框架已經(jīng)形成。電力通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，各種箱柜越來越多，管理和巡檢監(jiān)控難度大。如何通過有效的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)對機(jī)柜鎖的安全管控成為目前亟待解決的管理難題?，F(xiàn)有管理現(xiàn)狀是傳統(tǒng)鎖具安全性差，沒有安全管控與反饋機(jī)制；鑰匙眾多管理困難，在日常巡檢過程領(lǐng)取不便；手工填報(bào)效率低，日常巡檢過程后的結(jié)果反饋通過手工填報(bào)不能準(zhǔn)確及時(shí)；巡檢質(zhì)量與到位率無法監(jiān)控，巡檢過程某些人員隨意填報(bào)無法監(jiān)管。以上的生產(chǎn)管理難點(diǎn)急需通過一套有效的管理辦法和配套的信息化平臺來改變現(xiàn)狀。

根據(jù)上述情況、結(jié)合目前的主流的管理手段，規(guī)劃依托于新版i國網(wǎng)平臺機(jī)房日常運(yùn)維的權(quán)限管理、過程管理、安全管理、科學(xué)管理的目標(biāo)，即根據(jù)分配的管理權(quán)限可通過i國網(wǎng)APP開啟權(quán)限范圍內(nèi)的鎖具。作業(yè)過程管理記錄開關(guān)鎖具時(shí)間，做到過程有據(jù)可依，同時(shí)也可作為巡檢到位的依據(jù)。通過安全加密與動態(tài)密碼方式防止指令復(fù)制及偽造，在沒有通過i國網(wǎng)APP開啟的情況下，實(shí)時(shí)通知相關(guān)人員、分層管控，達(dá)到科學(xué)高效的管理作業(yè)人員、權(quán)限、鎖具以及現(xiàn)場事件。后續(xù)可結(jié)合巡檢能力上報(bào)巡檢信息、缺陷信息、巡檢任務(wù)自動化等，日常作業(yè)/巡檢作業(yè)結(jié)果靈活查詢能力，各分析報(bào)表展示等為管理層提供決策依據(jù)。

系統(tǒng)采用互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)思想，通過現(xiàn)場的傳統(tǒng)機(jī)械物理鎖具替換為性能卓越的藍(lán)牙控制鎖具，配套NB通訊模塊通過AES128加密方式保障通訊無法破解，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為中心消息服務(wù)+APP應(yīng)用服務(wù)+BS管理架構(gòu)模式，可便捷部署實(shí)施。

1 研究方向

結(jié)合機(jī)房機(jī)柜設(shè)備被隨意開啟、無法溯源等現(xiàn)狀，研究利用基于NB-IOT通信技術(shù)、自主的編解碼系統(tǒng)、二維碼發(fā)碼與識別技術(shù)、藍(lán)牙安全通信技術(shù)等，引入使用機(jī)柜物聯(lián)鎖。研究通過管理平臺的智能調(diào)度能力實(shí)現(xiàn)對機(jī)柜、開鎖作業(yè)人員、權(quán)限分配、鎖具狀態(tài)的綜合管理，實(shí)現(xiàn)機(jī)柜物聯(lián)鎖的新型管控模式。在本平臺上的二維碼管理上，遵循安全性基本原則，采用獨(dú)有原創(chuàng)加密算法，可控制有效使用時(shí)間或次數(shù)；有效降低誤碼率低，可根據(jù)算法技術(shù)和加密技術(shù)的配置調(diào)整成更為合適的識讀精度；打破傳統(tǒng)實(shí)體鑰匙的壁壘，將實(shí)體鑰匙虛擬化，可在多種應(yīng)用場景使用；強(qiáng)大的智能管控平臺可進(jìn)行功能配置，即刻開展多種應(yīng)用拓展和接入點(diǎn)。主要研究方向及技術(shù)引入如下：

研究新型機(jī)柜物聯(lián)鎖工作模式，在傳統(tǒng)鎖具上集成藍(lán)牙通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)掃碼開鎖、集成NB-IOT通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)鎖具監(jiān)測APP安卓端應(yīng)用可通過互聯(lián)網(wǎng)訪問，應(yīng)用程序服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器部署在i國網(wǎng)”環(huán)境中；研究通過藍(lán)牙通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)掃碼開啟機(jī)柜物聯(lián)鎖。在登錄APP安卓端掃一掃機(jī)柜物聯(lián)網(wǎng)鎖的唯一碼，鎖具內(nèi)置的藍(lán)牙模塊與手機(jī)的藍(lán)牙自動連接匹配，鑒權(quán)成功后，即可開鎖；研究使用NB-IOT通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對機(jī)柜物聯(lián)鎖的狀態(tài)監(jiān)測[1]，機(jī)柜物聯(lián)鎖內(nèi)置的NB-IOT模塊可采集鎖具的開合狀態(tài)、電池壽命情況、鎖具開合記錄。登錄APP安卓端可查詢鎖具的信息，實(shí)現(xiàn)對鎖具的監(jiān)測能力；研究通過手機(jī)安卓端，實(shí)現(xiàn)對機(jī)柜物聯(lián)鎖的開啟、添加、查看鎖具狀態(tài)、查看鎖具開合記錄的操作。研發(fā)APP安卓端，實(shí)現(xiàn)掃碼開鎖、添加鎖具、查詢開合記錄，并通過NB-IOT通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對鎖具狀態(tài)的監(jiān)測。

2 總體建設(shè)方案

為確保生產(chǎn)信息的安全傳輸，物聯(lián)鎖的狀態(tài)信息通過NB-IOT技術(shù)傳輸至運(yùn)營商通訊機(jī)房，再經(jīng)APN專線接入至應(yīng)用程序外網(wǎng)前置服務(wù)器，然后通過防火墻與單向網(wǎng)閘等防護(hù)設(shè)備傳輸至i國網(wǎng)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，保障數(shù)據(jù)通訊的安全。

目前已基于i國網(wǎng)的藍(lán)牙SDK研發(fā)新一期的應(yīng)用平臺，藍(lán)牙是一種支持設(shè)備短距離通信的無線電技術(shù)，能在包括移動電話、PAD、無線耳機(jī)、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無線信息交換。利用藍(lán)牙技術(shù)能效地簡化移動通信終端設(shè)備間的通信，從而數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無線通信拓寬道路。作為一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范，藍(lán)牙的首次配對需用戶通過PIN碼驗(yàn)證，PIN碼一般僅由數(shù)字構(gòu)成且位數(shù)很少，一般為4～6位。PIN碼在生成之后，設(shè)備會自動使用藍(lán)牙自帶的E2或E3加密算法來對PIN碼進(jìn)行加密，然后傳輸進(jìn)行身份認(rèn)證。在這個(gè)過程中，黑客很有可能通過攔截?cái)?shù)據(jù)包、偽裝成目標(biāo)藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行連接或采用“暴力攻擊”的方式來破解PIN碼。

此外，在藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)的過程中使用的加密算法的安全性也有待提高。出現(xiàn)以上情況的原因在于藍(lán)牙技術(shù)的本身，由于藍(lán)牙的設(shè)計(jì)目標(biāo)為設(shè)備間組成一個(gè)無基站式局域網(wǎng)，進(jìn)行多設(shè)備間的近距離通信，為保證私密性和安全性，藍(lán)牙協(xié)議要求每次連接前須進(jìn)行身份認(rèn)證。通過i國網(wǎng)的互聯(lián)網(wǎng)安全交互平臺、ISC認(rèn)證等調(diào)測集成，后續(xù)計(jì)劃與工作票系統(tǒng)、巡檢系統(tǒng)等打通數(shù)據(jù)通道，在派單環(huán)境與鎖具開鎖授權(quán)相結(jié)合，進(jìn)一步優(yōu)化工作流程，保障電網(wǎng)設(shè)備的安全運(yùn)行，節(jié)約人力資源和運(yùn)維成本。

在NB-IOT通信技術(shù)及智能調(diào)度基礎(chǔ)上，搭建智能調(diào)度低功耗門鎖的機(jī)柜物聯(lián)鎖無人值守平臺，利用自主的編解碼系統(tǒng)、發(fā)碼平臺、安全二維碼識別技術(shù)、藍(lán)牙安全通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)柜物聯(lián)鎖智能開關(guān)與調(diào)度，達(dá)到統(tǒng)一管控可溯源能力，確保機(jī)柜安全運(yùn)維，實(shí)現(xiàn)機(jī)柜無人值守新模式：業(yè)務(wù)功能架構(gòu)建設(shè)。運(yùn)維作業(yè)人員通過手機(jī)APP、微信公眾號、小程序的方式接收平臺工單，通過鑒權(quán)后調(diào)用手機(jī)藍(lán)牙掃描二維碼開啟機(jī)柜鎖。整個(gè)工作流程N(yùn)BIOT技術(shù)全程監(jiān)控，反饋數(shù)據(jù)供平臺校準(zhǔn)；工作流程設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)規(guī)劃分為業(yè)務(wù)工作線、平臺監(jiān)測線。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

管理平臺：提供對機(jī)柜、開鎖作業(yè)人員、權(quán)限分配、鎖具狀態(tài)的綜合管理，包含以下主要功能：鎖具管理。打破傳統(tǒng)實(shí)體鑰匙的壁壘，將實(shí)體鑰匙虛擬化，通過在本平臺上的二維碼管理，采用一鎖對一碼的管理模式。平臺上的二維碼遵循安全性基本原則，采用獨(dú)有原創(chuàng)加密算法，可控制有效使用時(shí)間或次數(shù)。有效降低誤碼率，可根據(jù)算法技術(shù)和加密技術(shù)的配置調(diào)整成更為合適的識讀精度；人員管理。實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員的實(shí)名制人員管理作為開關(guān)鎖的有效認(rèn)證信息?？尚略?、修改人員信息，以及刪除離職人員信息；權(quán)限分配。建立分級管理模式，實(shí)現(xiàn)對機(jī)柜鎖開關(guān)鎖的權(quán)限分配，引入NB-IOT技術(shù)，只有通過已授權(quán)的機(jī)柜才有申請開鎖的權(quán)限。有效解決機(jī)房機(jī)柜設(shè)備被隨意開啟，無法溯源等現(xiàn)狀。

智能監(jiān)測平臺：是基于物聯(lián)網(wǎng)溯源能力實(shí)時(shí)監(jiān)測及預(yù)警機(jī)柜鎖情況，確保精細(xì)化管控機(jī)柜鎖狀態(tài)。包含以下檢查項(xiàng)：開鎖記錄實(shí)時(shí)監(jiān)控。在智能調(diào)度管理平臺上，采用合理高效的檔案信息匹配管理，實(shí)現(xiàn)一碼對一鎖，鎖具開合一次記錄一次。實(shí)時(shí)監(jiān)測開合次數(shù)，大為有效的降低了對機(jī)柜鎖具的運(yùn)維管理成本；機(jī)柜鎖開合狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。基于NBIOT的通信技術(shù)對機(jī)柜物聯(lián)鎖的監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)測鎖具的開合狀態(tài)、故障情況等，大為有效的降低了對機(jī)柜鎖具的運(yùn)維管理成本；機(jī)柜鎖電池壽命實(shí)時(shí)監(jiān)控?；贜B-IOT的通信技術(shù)，對機(jī)柜物聯(lián)鎖的監(jiān)控，通過NB-IOT低功耗的通信技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測鎖具電池壽命狀態(tài)，大為有效的降低了對機(jī)柜鎖具的運(yùn)維管理成本。

掃碼智能開鎖：開鎖作業(yè)人員通過手機(jī)APP、微信公眾號、小程序的方式，接收平臺派發(fā)的作業(yè)工單，智能調(diào)度平臺通過雙方鑒權(quán)后，授權(quán)一次開鎖權(quán)限指令到作業(yè)人員設(shè)備上，調(diào)用手機(jī)藍(lán)牙掃描二維碼，開啟機(jī)柜鎖。開鎖技術(shù)采用二維碼和藍(lán)牙相結(jié)合達(dá)到解鎖目的，基于自主獨(dú)特的算法能力加密傳輸技術(shù)能力，過程防止惡意復(fù)制和篡改，保障機(jī)房機(jī)柜物聯(lián)鎖開合正常、安全、可信。

綜上，本研究基于NB-IOT通信、智能調(diào)度機(jī)柜門鎖搭建無人值守管理平臺，實(shí)現(xiàn)福建電力省市機(jī)房機(jī)柜、變電站機(jī)柜等運(yùn)維場景智能化、可溯源，形成閉環(huán)運(yùn)維管控；有效解決大量實(shí)體鑰匙的傳統(tǒng)管理模式、開合鎖的鎖繁瑣登記及多崗人員配備資源，未能及時(shí)監(jiān)測鎖柜開合狀態(tài)等問題。目前已經(jīng)通過在各種環(huán)境下的嚴(yán)苛測試，設(shè)備可在溫度-10～50℃、濕度95%(無凝結(jié))情況下不出故障穩(wěn)定工作。設(shè)備能在指令發(fā)出3秒內(nèi)正常開啟，開鎖成功率達(dá)99.9%的概率。設(shè)備的狀態(tài)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測、如發(fā)生掉線、電池電量低等會發(fā)起預(yù)警通知，保障設(shè)正常使用。同時(shí)也在非電力行業(yè)外的機(jī)房推廣，如政務(wù)公有云、商務(wù)公有云、黨政軍私有云機(jī)房機(jī)柜等場景需求，項(xiàng)目應(yīng)用成熟后，具有很高的推廣價(jià)值。