基于ASP的電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

劉 沁，王春麗，尹 琛，陳秉乾，高 獻，林曉寧，吳慧瑩

(1.國網(wǎng)福建省電力有限公司，福建 福州 350009； 2.國網(wǎng)福建省電力有限公司 經(jīng)濟技術(shù)研究院，福建 福州 350012)

電力施工安全質(zhì)量管理工作受到眾多電力領(lǐng)域研究學(xué)者的重視，目前電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)已取得較大進步。電力施工環(huán)境具有較高的復(fù)雜性[1]，人工方式無法獲取電力施工安全質(zhì)量的有效監(jiān)測。目前人類生活已步入信息化以及智能化[2]，人工智能等眾多技術(shù)的誕生，為電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測提供了新的發(fā)展方向。將信息化技術(shù)應(yīng)用于電力施工安全質(zhì)量管理中，利用信息化技術(shù)實現(xiàn)電力施工安全質(zhì)量的有效監(jiān)管[3-4]，提升電力施工監(jiān)管水平。高效的電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測工作對于智能化電網(wǎng)的建設(shè)維護以及升級均具有重要意義。

ASP技術(shù)是服務(wù)器端動態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)，是常應(yīng)用于系統(tǒng)開發(fā)的重要技術(shù)。目前針對電力監(jiān)測的研究較多，叢培杰等[5-6]針對電力系統(tǒng)變壓器和帶電作業(yè)設(shè)計了監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)電力系統(tǒng)變壓器以及帶電作業(yè)的有效監(jiān)測，但未針對電力施工安全質(zhì)量進行研究，實用性較差。本文設(shè)計了基于ASP的電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，將ASP技術(shù)作為電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)的網(wǎng)頁技術(shù)。通過系統(tǒng)測試驗證，所設(shè)計電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)可以監(jiān)測電力施工安全質(zhì)量，具有較高的電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測性能，可以保障電力施工人員的施工安全，為智能化電力系統(tǒng)建設(shè)以及電力系統(tǒng)維護提供基礎(chǔ)。

1 基于ASP的電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

將ASP技術(shù)與超文本類標識語言作為系統(tǒng)的技術(shù)核心，分別采用B/S架構(gòu)和.NET平臺，充分考慮電力企業(yè)施工安全質(zhì)量監(jiān)測需求，設(shè)計基于ASP的電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有開發(fā)簡單的優(yōu)勢，用戶通過系統(tǒng)表示層可以實現(xiàn)信息刪除、修改以及增加等各項功能。系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，依據(jù)MVC分層設(shè)計思想，避免系統(tǒng)各層之間存在較高的耦合性，令系統(tǒng)開發(fā)更加簡單，易于維護。基于ASP的電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the system

從圖1可以看出，系統(tǒng)包括表示層、智能監(jiān)測層、通信層以及數(shù)據(jù)層。將ZigBee節(jié)點設(shè)置于電力施工現(xiàn)場，通過ZigBee節(jié)點采集電力施工安全質(zhì)量信息，節(jié)點所采集的信息利用通信層的無線收發(fā)模塊傳送至智能監(jiān)測層，智能監(jiān)測層的智能監(jiān)測模塊利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理數(shù)據(jù)，監(jiān)測電力施工現(xiàn)場是否存在安全質(zhì)量問題，并將監(jiān)測結(jié)果傳送至表示層展示至用戶。

(1)表示層。表示層位于系統(tǒng)最上層，是展示至用戶的最外層。通過系統(tǒng)表示層接收用戶提交的數(shù)據(jù)，表示層是系統(tǒng)與用戶交互的重要操作界面[7]，電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果通過表示層將系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果直觀展示至用戶。

(2)通信層。通信層實現(xiàn)電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測的遠程控制以及數(shù)據(jù)傳輸，無線收發(fā)模塊可以實現(xiàn)不同操作點檢索與控制數(shù)據(jù)庫服務(wù)器內(nèi)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)利用ZigBee通信方式，可將不同電力施工現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳送至系統(tǒng)各層。

(3)智能監(jiān)測層。智能監(jiān)測層是系統(tǒng)的核心部分，是處理電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測用戶提交的各項功能請求的重要部分。智能監(jiān)測層在系統(tǒng)中的位置極為關(guān)鍵。智能監(jiān)測層具有較高的擴展性能，同時具有調(diào)用數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)的功能[8]。系統(tǒng)的智能監(jiān)測層利用ASP.NET MVC框架作為網(wǎng)頁開發(fā)技術(shù)。

(4)數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層是電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)層接收以及處理系統(tǒng)各層數(shù)據(jù)，依據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果實時監(jiān)測電力施工安全質(zhì)量。系統(tǒng)數(shù)據(jù)層可以實時生成報表，為系統(tǒng)提供用戶所需的歷史數(shù)據(jù)。系統(tǒng)選取ORACLE數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，ORACLE數(shù)據(jù)庫可實現(xiàn)與ASP.NET MVC框架的良好結(jié)合。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.2.1 無線收發(fā)模塊

無線收發(fā)模塊位于系統(tǒng)的通信層。電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)在電力施工現(xiàn)場設(shè)置監(jiān)測節(jié)點，所設(shè)置的監(jiān)測節(jié)點作為系統(tǒng)的傳感器載體，通過所設(shè)置的節(jié)點采集現(xiàn)場信息。利用ZigBee無線通信技術(shù)傳輸現(xiàn)場信息。選取JN5148芯片作為無線收發(fā)模塊的微控制器，該控制器具有成本低以及功耗低的優(yōu)點。JN5148芯片中設(shè)置了ZigBee PRO協(xié)議棧作為無線數(shù)據(jù)收發(fā)協(xié)議。將IEEE802.15.4協(xié)議標準應(yīng)用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸中，該協(xié)議可以滿足電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測的通信需求。無線收發(fā)模塊的電路如圖2所示。從圖2可以看出，JN5148芯片作為無線收發(fā)模塊的核心，利用該芯片通過SPI總線接口與UART異步串口實現(xiàn)與系統(tǒng)DSP數(shù)據(jù)處理芯片的通信，利用DSP數(shù)據(jù)處理芯片控制無線收發(fā)模塊。無線收發(fā)模塊設(shè)置限流電阻將狀態(tài)指示燈提升至電源端，利用限流電阻指示無線收發(fā)模塊的工作狀態(tài)[9]。系統(tǒng)設(shè)置了高頻濾波電容，通過高頻濾波電容避免無線收發(fā)模塊受到高頻干擾，保障JN5148芯片的穩(wěn)定工作。

圖2 無線收發(fā)模塊電路Fig.2 Wireless transceiver module circuit diagram

1.2.2 智能監(jiān)測模塊

系統(tǒng)智能監(jiān)測模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。智能監(jiān)控模塊主要包括監(jiān)控主板以及無線調(diào)制解調(diào)器模塊2部分。其中，監(jiān)控主板包括微控制單元外圍電路、數(shù)字模擬信號以及電平轉(zhuǎn)換電路等；無線調(diào)制解調(diào)器模塊包括TC35i外圍電路。

圖3 智能監(jiān)測模塊結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure diagram of intelligent monitoring module

智能監(jiān)控模塊設(shè)置了3個16位的定時計數(shù)器，設(shè)置并行口以及中斷源，可以滿足電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)需求。智能監(jiān)控模塊設(shè)置了鎖存器，可以實現(xiàn)程序存儲器以及外部數(shù)據(jù)的有效擴展。智能監(jiān)控模塊利用A/D轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)模擬量的輸入，A/D轉(zhuǎn)換芯片選取ADC0809芯片，該芯片可擴展至64路模擬信號的有效采集。智能監(jiān)控模塊的ATMEI89C52微控制器中，固化了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測算法等監(jiān)控軟件，具有極高的數(shù)據(jù)處理實時性，微控制器中設(shè)置了8個P1口，利用4078型或非門與中斷源INTO連接。系統(tǒng)電平信號存在變化導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)中斷時，利用中斷服務(wù)程序?qū)崟r處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，避免電源切斷等突發(fā)情況下影響電力施工安全質(zhì)量的實時監(jiān)測。

1.3 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測

智能監(jiān)控模塊利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法作為電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測算法。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是深度學(xué)習(xí)中的重要算法，通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取所采集的電力施工現(xiàn)場圖像，提取圖像中的電力施工安全質(zhì)量相關(guān)特征，稀疏化所提取的特征，獲取最終電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果。xi與yi分別為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中電力施工安全質(zhì)量的神經(jīng)元輸入、輸出安全質(zhì)量信號，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中神經(jīng)元輸入與輸出間關(guān)系表達式如下[10]：

(1)

式中，ω與f()分別為權(quán)值矩陣以及激勵函數(shù)；b為偏置。

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測電力施工安全質(zhì)量時，采用損失函數(shù)K衡量卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與實際安全質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果之間的偏差。將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值矩陣ω利用梯度下降法更新，更新表達式如下：

ωk=ωk-1-μ?K/μ?ωk-1

(2)

式中，μ為學(xué)習(xí)率。

通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)率衡量采用該算法監(jiān)測電力施工安全質(zhì)量時的學(xué)習(xí)效率以及學(xué)習(xí)速度。

1.4 ASP.NET MVC框架的系統(tǒng)網(wǎng)頁開發(fā)

ASP開發(fā)模塊位于系統(tǒng)的智能監(jiān)測層，ASP開發(fā)模塊利用ASP.NET MVC框架作為開發(fā)技術(shù)。ASP.NET MVC是微軟MVC框架中的開源代碼，ASP.NET是加載頁面以及綁定數(shù)據(jù)，通過瀏覽器頁面獲取數(shù)據(jù)的重要技術(shù)。ASP.NET MVC框架應(yīng)用于電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中的開發(fā)流程如圖4所示。

圖4 ASP.NET MVC開發(fā)流程Fig.4 ASP.NET MVC development flow chart

通過圖4可以看出，ASP.NET MVC開發(fā)主要包括視圖層、模型層以及控制器3部分。

(1)視圖層。通過視圖層展示用戶所需的電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)運行過程中的電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測業(yè)務(wù)通過視圖層展示。視圖層可以展示模型層的數(shù)據(jù)，具有刷新數(shù)據(jù)模型層數(shù)據(jù)的功能。

(2)模型層。通過ASP.NET MVC框架的模型層封裝或應(yīng)用電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯，模型層同樣可以應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理。電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)頁中需要使用視圖時，網(wǎng)頁所需使用的視圖需通過該模型登記，完成模型登記后的視圖，才能實現(xiàn)電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測業(yè)務(wù)邏輯的有效應(yīng)用與封裝。

(3)控制器。通過控制器控制電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)頁中各項應(yīng)用程序的流程，控制器可以實現(xiàn)網(wǎng)頁不同層面的組織作用，可以處理與響應(yīng)電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的用戶行為以及數(shù)據(jù)模型的變化。

ASP.NET MVC框架具有如下特點：①ASP.NET MVC框架具有URL重寫策略，可將視圖引擎加入框架中，具有較高的可擴展性，可以為電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)重載action、移植以及定制等各項功能；②將ASP.NET MVC框架應(yīng)用于電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中，可以建立易于搜索的URL，建立不包括文件擴展名的易于理解的URL。

2 系統(tǒng)測試

為驗證所設(shè)計系統(tǒng)監(jiān)測電力施工安全質(zhì)量的有效性，選取某電力企業(yè)的電力施工過程作為監(jiān)測對象。在電力施工現(xiàn)場中，設(shè)置50個監(jiān)測節(jié)點，采用所設(shè)置的監(jiān)測節(jié)點采集電力企業(yè)施工現(xiàn)場圖像，采用本文系統(tǒng)監(jiān)測電力施工是否存在安全質(zhì)量問題。

采用本文系統(tǒng)采集電力施工現(xiàn)場圖像，電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)輸出的監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，采用本文系統(tǒng)可以有效監(jiān)測電力施工安全質(zhì)量，識別電力施工現(xiàn)場的工作人員是否佩戴安全帽、安全帶、工作服等施工安全質(zhì)量問題。系統(tǒng)監(jiān)測電力施工安全質(zhì)量時，監(jiān)測結(jié)果為安全時，采用紅色標識直觀展示監(jiān)測結(jié)果；監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)影響電力施工安全質(zhì)量的異常情況時，如圖5(b)中的工作人員未穿戴工作服，系統(tǒng)采用黃色標識展示至監(jiān)測人員，監(jiān)測人員可以依據(jù)監(jiān)測結(jié)果，明確電力施工過程中的安全質(zhì)量問題。

圖5 電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果Fig.5 Monitoring results of power construction safety and quality monitoring system

采用本文系統(tǒng)正式監(jiān)測電力施工安全質(zhì)量時，通過設(shè)置于電力施工現(xiàn)場的眾多節(jié)點采集現(xiàn)場圖像，利用所采集圖像中包含的電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測元素訓(xùn)練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。統(tǒng)計采用本文監(jiān)測系統(tǒng)對電力施工現(xiàn)場安全質(zhì)量監(jiān)測內(nèi)容的識別速度，統(tǒng)計結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，在不同監(jiān)測數(shù)據(jù)量情況下，采用本文系統(tǒng)均可以保障在100 ms以內(nèi)識別一幀電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測圖像，表明本文系統(tǒng)具有極高的監(jiān)測性能。本文系統(tǒng)可在短時間內(nèi)高速識別電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測圖像，為電力施工安全質(zhì)量精準監(jiān)測提供有效依據(jù)。本文系統(tǒng)具有較高的數(shù)據(jù)處理性能，應(yīng)用于電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測中，實用性較高。

圖6 監(jiān)測內(nèi)容識別速度Fig.6 Monitoring content recognition speed

統(tǒng)計采用本文系統(tǒng)監(jiān)測該電力企業(yè)于2019年11月的電力施工安全質(zhì)量，電力施工現(xiàn)場存在異常情況的監(jiān)測結(jié)果，并將本文系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果與實際電力施工現(xiàn)場異常情況對比，對比結(jié)果見表1。

表1 電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果Tab.1 Monitoring results of power construction safety and quality

從表1可以看出，采用本文系統(tǒng)可以有效監(jiān)測電力施工安全質(zhì)量問題，在電力企業(yè)不同類型電力施工過程中，均可以有效監(jiān)測其中存在的電力施工安全質(zhì)量異常情況。本文系統(tǒng)可以有效監(jiān)測電力施工過程中的異常情況，監(jiān)測安全質(zhì)量異常結(jié)果與電力施工安全質(zhì)量實際異常次數(shù)極為吻合，驗證了本文系統(tǒng)具有極高的電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測有效性。

統(tǒng)計采用本文系統(tǒng)監(jiān)測該電力企業(yè)于2019年不同類型電力施工的安全質(zhì)量時，監(jiān)測安全帶、安全帽等安全質(zhì)量內(nèi)容的監(jiān)測精度，監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，采用本文系統(tǒng)監(jiān)測電力施工安全質(zhì)量，不同類型電力施工監(jiān)測內(nèi)容的監(jiān)測精度均高于98%。系統(tǒng)測試結(jié)果驗證本文系統(tǒng)具有較高的監(jiān)測性能。本文系統(tǒng)具有較高的監(jiān)測速度，監(jiān)測電力施工安全質(zhì)量問題的監(jiān)測精度較高，整體表現(xiàn)較好。本文系統(tǒng)在施工人員身體遮擋等復(fù)雜情況下，仍可以精準監(jiān)測安全帶等較難監(jiān)測部分，監(jiān)測性能良好。

圖7 系統(tǒng)監(jiān)測精度Fig.7 System monitoring accuracy

采用本文系統(tǒng)監(jiān)測電力施工安全質(zhì)量問題，監(jiān)測結(jié)果顯示電力施工現(xiàn)場存在異常情況時，精準定位施工人員對于保障電力施工現(xiàn)場的安全施工極為重要。統(tǒng)計采用本文系統(tǒng)監(jiān)測電力施工現(xiàn)場存在異常時對8名異常電力施工人員的定位結(jié)果，統(tǒng)計結(jié)果如圖8所示。

圖8 電力施工現(xiàn)場人員定位結(jié)果Fig.8 Personnel location results of power construction site

從圖8可以看出，采用本文系統(tǒng)可以有效監(jiān)測電力施工現(xiàn)場存在的異常情況，發(fā)現(xiàn)電力施工現(xiàn)場存在異常時，可以精準定位電力施工人員，有助于施工管理者快速找到施工人員，解決施工現(xiàn)場存在的異常，保障電力施工安全進行，提升電力施工安全質(zhì)量，最大限度地避免電力施工安全事故發(fā)生。

3 結(jié)論

目前我國電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測多依賴現(xiàn)場巡檢，現(xiàn)場巡檢實時性較差，通過現(xiàn)場巡檢發(fā)現(xiàn)安全質(zhì)量問題時，將問題上報至運維部門，運維部門接到上報后處理安全質(zhì)量問題，工作效率較低，容易影響電力施工質(zhì)量，嚴重者可能出現(xiàn)重大安全事故，造成嚴重損失。基于ASP技術(shù)設(shè)計電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，通過智能化的電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，明確電力施工安全質(zhì)量問題，提升電力系統(tǒng)的施工安全性。通過系統(tǒng)測試，驗證了所設(shè)計系統(tǒng)具有較高的電力施工安全質(zhì)量監(jiān)測有效性，可以及時發(fā)現(xiàn)電力施工現(xiàn)場存在的問題，提升電力系統(tǒng)運行的智能化以及信息化。