面向電力物聯(lián)網(wǎng)的戶外智能維護與保養(yǎng)：融合型邊緣計算裝置設計

摘要：近年來，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設推動了電力系統(tǒng)智能化發(fā)展，其中智能維護與保養(yǎng)解決方案的應用有效提升了維護與保養(yǎng)的安全性、合規(guī)性以及效率。然而，隨著各種物聯(lián)網(wǎng)技術的融合應用，快速增長的感知數(shù)據(jù)量對上行帶寬的需求日益增加，給網(wǎng)絡通路帶來巨大壓力，同時也面臨著上行帶寬瓶頸帶來的信息實時性及可靠性的下降。針對上述問題及面臨的挑戰(zhàn)，本文設計了一種適用于戶外維護與保養(yǎng)的集成AI算力單元以及多種無線通信技術的邊緣計算裝置總體架構，同時分析了關鍵模塊的設計流程，并測試驗證了關鍵性能指標，為解決方案實際應用提供一定參考，助力電力設施的維護與保養(yǎng)智能化發(fā)展。

關鍵詞：電力物聯(lián)網(wǎng)；邊緣計算；無線通信技術

引言

隨著智能電網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，電力物聯(lián)網(wǎng)（IoT in power industry）已成為提升電力系統(tǒng)智能化水平的關鍵途徑[1]。在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設中，邊緣計算裝置作為核心組成部分，發(fā)揮著至關重要的作用。這些裝置能夠在施工現(xiàn)場提供實時的數(shù)據(jù)處理和通信服務，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和高效管理提供了有力支撐，將云端的計算任務有效分配到網(wǎng)絡邊緣側，降低數(shù)據(jù)傳輸帶寬要求和云計算中心的計算負荷，提高電力系統(tǒng)業(yè)務需求響應的速度[2]。本文旨在提供一種集成多物聯(lián)網(wǎng)通信技術，適用于戶外電力維護與保養(yǎng)作業(yè)現(xiàn)場邊緣計算裝置的設計方案，為相關領域的研究和應用提供參考。

1. 背景

電力維護與保養(yǎng)是確保戶外電力設施正常運行、延長設施使用壽命、預防安全事故發(fā)生的重要工作。戶外電力設施如變壓器、避雷器、電力電纜、配電柜等，由于長期暴露在自然環(huán)境中，容易受到風吹雨打、雷電沖擊、溫濕度變化等因素的影響，從而導致設備老化、損壞或性能下降。因此，定期進行設施維護與保養(yǎng)，可以及時發(fā)現(xiàn)并消除設備隱患，確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[3-4]。

目前現(xiàn)場維護與保養(yǎng)除了通過一人或多人協(xié)作的人工校驗、檢查、記錄來提高安全性和信息收集以外，有條件的團隊還能攜帶包括布控球、智能運維設備箱等信息化設備到現(xiàn)場，通過電子操作票、電子巡檢、攝像頭等工具，更加高效、準確地記錄、校驗現(xiàn)場操作信息，提高運維管理的水平和現(xiàn)場的安全性。

維護與保養(yǎng)現(xiàn)場不僅有常見的設備維修、老舊部件更換等操作，還需要收集各種傳感器數(shù)據(jù)，包括配電柜內傳感器、現(xiàn)場人員的安全帽、高壓電塔或電線桿上的傾角傳感器、位移傳感器等。

2. 傳統(tǒng)方案存在的問題及面臨的挑戰(zhàn)

（1）傳統(tǒng)方案依賴于云端物理集中的算力資源，任何數(shù)據(jù)在云中心的處理效率無疑是最高的，然而隨著越來越多的原始數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡邊緣側產(chǎn)生，在傳統(tǒng)的云中心計算模式中，數(shù)據(jù)傳輸速度顯然已經(jīng)成為云邊端架構中的性能瓶頸[5]。布控球作為維護與保養(yǎng)現(xiàn)場的流量大戶，要保障視頻數(shù)據(jù)流暢回傳到遠處的控制中心，以4k、H.265編碼、30fps視頻流為例，回傳鏈路需要提供穩(wěn)定的15～40Mbps的帶寬，而在特殊情況下，現(xiàn)場可能會有4臺布控球，若都連接到同一臺路由器，則該路由器需提供穩(wěn)定的60～160Mbps的上行帶寬才能滿足需求。在室內場景，有穩(wěn)定的光纖接入，基本可以滿足以上需求，但是在荒無人煙的戶外、山林等場景，4G/5G的覆蓋相對較弱，很難保證有良好的蜂窩接入，容易造成丟幀、卡頓，甚至斷開連接的情況。這些網(wǎng)絡延時和帶寬的問題[6]，對于操作合規(guī)監(jiān)控的實時性要求來說，是無法接受的。

（2）現(xiàn)場設備種類豐富，按傳統(tǒng)方案進行維護與保養(yǎng)操作，運維人員需要攜帶布控球、LoRa網(wǎng)關、藍牙網(wǎng)關、無線熱點（一般是4G/5G CPE）、戶外電源等，造成運維人員負擔重、現(xiàn)場信息化部署時間長等問題。

（3）面對無網(wǎng)絡場景，如何保障現(xiàn)場正常作業(yè)。在戶外維護與保養(yǎng)場景，某些極端情況下，現(xiàn)場無4G/5G信號覆蓋，不僅造成數(shù)據(jù)無法回傳，云端無法對現(xiàn)場情況進行研判，員工在緊急情況下也無法與外界進行溝通，存在一定的人身安全隱患。

3. 融合邊緣計算裝置的設計方案

本文提供了一種帶AI算力并集成多種數(shù)據(jù)通信技術及功能模塊的邊緣計算裝置（以下簡稱“裝置”）的整機設計方案。裝置主要是針對電力能源設施維護與保養(yǎng)場景需求而做的開發(fā)，以強大AI算力為核心能力，集成多種數(shù)據(jù)交互通道，包括Wi-Fi，蜂窩、LoRa、藍牙、北斗短報文等，同時還可以靈活擴展外接攝像頭、人員定位、電子圍欄等多種物聯(lián)網(wǎng)應用，支持內置鋰電池供電和外部供電兩種方式，適應移動應急業(yè)務需求。這些技術的融合使得裝置能夠在復雜多變的施工現(xiàn)場環(huán)境中穩(wěn)定運行，并提供高效的數(shù)據(jù)處理和通信服務。AI邊緣計算技術使得裝置能夠在靠近數(shù)據(jù)產(chǎn)生源處對數(shù)據(jù)進行預處理、本地計算、推理研判，從而減少上傳到云端的通信帶寬需求，降低傳輸時延和傳輸功耗[7]。Wi-Fi、LoRa、藍牙技術則提供了靈活的無線連接方案，方便施工現(xiàn)場物聯(lián)網(wǎng)設備的互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)收集。結合云端的監(jiān)管平臺，形成云-邊-端架構的智慧電力維護與保養(yǎng)整體解決方案[8-10]，通過云端集中管理、邊緣快速響應與終端數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高效實時處理，降低了對中心網(wǎng)絡的依賴，增強了系統(tǒng)的安全性和靈活性，為電力設施維護與保養(yǎng)、戶外施工提供了高效、可靠、靈活的技術支撐。

裝置的整體設計框圖如圖1所示，考慮到開發(fā)靈活性和后續(xù)性能升級的兼容性，整機硬件采用模塊化設計，主模塊（AI算力卡）、5G模塊、LoRa模塊、Wi-Fi模塊等均可以根據(jù)實際需求或相關技術的發(fā)展迭代進行選擇適配，支持更輕量化或者更高級別的技術方案，甚至可在產(chǎn)品生命周期內通過簡單地更換硬件實現(xiàn)整機性能的升級。

圖1 整體設計框圖

關鍵模塊設計方案如下：

3.1 主模塊

主模塊是裝置的核心部件，選用帶AI算力的計算卡（如NVIDIA的Jetson Xavier系列，最大支持32TOPS算力，內置8核ARM處理器，32GB內存），主要負責智能解算、信息處理、數(shù)據(jù)存儲轉發(fā)，協(xié)議轉換，網(wǎng)管路由等。系統(tǒng)采用雙硬盤設計，增強系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的健壯性，封裝選用M.2 NVME SSD，減小系統(tǒng)尺寸并降低整機功耗，硬盤容量可根據(jù)實際需要進行選擇。主模塊安裝在載板上，通過載板與Wi-Fi模塊、系統(tǒng)監(jiān)控板等次級主控模塊以及5G模塊、語音模塊、LoRa模塊、北斗模塊、藍牙模塊等功能模塊協(xié)同工作。

3.2 Wi-Fi模塊

Wi-Fi模塊在系統(tǒng)中的作用主要有兩部分：一是AP功能，提供近距離Wi-Fi設備的接入（布控球、PDA、安全帽等）；二是無線網(wǎng)橋功能，與遠端中繼設備橋接，為遠端機接入的Wi-Fi設備提供數(shù)據(jù)上聯(lián)鏈路，擴大裝置的信號覆蓋范圍。

Wi-Fi模塊根據(jù)實際需求選擇不同的主芯片方案，無線部分由三個MAC/PHY Radio以及對應的RF電路組成，提供射頻鏈路匹配、濾波、功率放大、外部天線接口等。以博通公司的BCM47622方案為例，可支持多達上百個STA的接入，配合大功率FEM及內置全向天線，可滿足現(xiàn)場近距離的PDA、布控球、安全帽等設備的接入需求。外掛的獨立5G MAC/PHY Radio用作橋接口，射頻鏈路通過ipex轉N轉接線接到裝置外殼上，外部通過饋線連接到定向天線，配合遠端機的對等性能定向天線及Wi-Fi方案，在滿足一定吞吐性能的前提下，通過以下遠場空間傳輸損耗公式計算，可實現(xiàn)300米以上的橋接距離，即

R=32.4+20log（D）+20log（M） （1）

M為工作頻段，設為5.2GHz，R為射頻鏈路預算，約為發(fā)射功率（23dBm）-接收靈敏度（-61dBm）+發(fā)射天線增益（8dBi）+接收天線增益（8dBi）-饋線接口損耗（2dB）=98dB，計算距離D約為366米。

有線部分，SoC內置GPHY引出MDI信號，經(jīng)過隔離變壓器及板間連接器，接入交換模塊與主模塊互通并傳輸數(shù)據(jù)，作為Wi-Fi模塊的上聯(lián)口，為接入的Wi-Fi設備及遠端機接入的Wi-Fi設備提供數(shù)據(jù)上聯(lián)通路。

3.3 交換模塊

裝置作為多控制器系統(tǒng)，各主控及模塊之間選用以太網(wǎng)作為進行數(shù)據(jù)交互的通信協(xié)議。相比傳統(tǒng)的I2C、SPI、RS485等板間通信協(xié)議，以太網(wǎng)有其他協(xié)議不具備的高帶寬的優(yōu)勢，這也是Wi-Fi模塊、加密算法模塊對高帶寬的需求。除此之外，為了將來能擴展其他通信協(xié)議網(wǎng)關，交換模塊也能提供額外的以太網(wǎng)接口，為其他網(wǎng)關設備提供數(shù)據(jù)服務。由于系統(tǒng)內交換模塊只提供數(shù)據(jù)交換及接口擴展功能，網(wǎng)關路由功能在主核心模塊內實現(xiàn)，因此芯片方案選用二層交換芯片，相比三層交換方案，可降低模塊的電路復雜度及軟件開發(fā)工作量，減少整機的物料成本及開發(fā)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

3.4 系統(tǒng)監(jiān)控模塊

系統(tǒng)監(jiān)控模塊主要用于監(jiān)控各功能模塊的狀態(tài)，并將狀態(tài)通過OLED屏、指示燈陣列對外顯示，便于使用人員快速識別系統(tǒng)狀態(tài)。監(jiān)控狀態(tài)包括電池電量、Wi-Fi接入設備數(shù)量、LoRa設備數(shù)量、橋接信號強度、5G/4G信號強度、充電狀態(tài)、北斗信號、設備溫度等信息。由于狀態(tài)信息數(shù)據(jù)量較小，監(jiān)控模塊主芯片方案選用MCU實現(xiàn)，通信協(xié)議選用MQTT傳輸協(xié)議。相比TCP/IP協(xié)議，MQTT傳輸協(xié)議效率高，對系統(tǒng)要求低，適用于低帶寬低功耗的場景，也不需要龐大的協(xié)議棧，可以選用更低成本低配置的MCU型號。在主模塊上運行MQTT服務端，收集各功能模塊的狀態(tài)信息并發(fā)布，監(jiān)控模塊通過MQTT協(xié)議從服務器訂閱所需的信息，并在設備面板上指示。

3.5 5G模塊

蜂窩模塊優(yōu)選5G模塊（向下兼容LTE），目前5G芯片方案根據(jù)性能、Release版本有MTK T730/T850系列、高通X62/X72系列、展銳V510/V516系列等芯片方案可選，模組廠家優(yōu)選移遠、龍尚、有方。由于蜂窩模塊開發(fā)門檻較高，常規(guī)應用一般直接購買模組廠家成熟產(chǎn)品，通過連接器安裝在載板上，與主模塊通過USB3.0協(xié)議進行通信，為整個系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)上聯(lián)鏈路。一般5G模塊需要外接4根天線，天線陣子安裝在天線支架上，通過饋線連接到5G模塊的ipex座子。

3.6 藍牙模塊

藍牙通信一般用作近場低速無線數(shù)據(jù)傳輸，裝置的藍牙模塊用于收集回傳現(xiàn)場藍牙設備的數(shù)據(jù)。實際使用時可通過修改軟件配置，將藍牙模塊修改為藍牙串口功能，實現(xiàn)無線本地運維，進行串口調試。由于藍牙方案成本較低，外圍電路簡單，可選擇Telink的TLSR系列藍牙芯片，直接在載板上實現(xiàn)設計，通過ipex將藍牙天線引出到裝置內部的天線支架上。

3.7 LoRa模塊

LoRa模塊市面上可選的比較多，一般為mini PCIe接口，通過SPI、USB等協(xié)議與主機進行通信，主機通過AT指令對LoRa模塊進行配置、收發(fā)信息。若對LoRa功能性能有特殊要求的，也可單獨設計LoRa模塊，封裝成mini PCIe金手指設計，兼容外購LoRa模組。

3.8 北斗模塊

北斗模塊由于應用的特殊性，有著較高的使用成本，模組和通信卡均在千元以上，考慮到應用選型的靈活性，采用外接方案，在裝置側邊設計M12 X-code接口，預留出12V供電及RS232接口，供后續(xù)適配所需的北斗模塊。

4. 方案實現(xiàn)及效果

裝置整機裝配的設計實現(xiàn)如圖2所示。各主板模塊均固定在主體支架上，支架固定在箱體上，電池組選用10AH軍工級別三元鋰電池組，配合系統(tǒng)低功耗設計，可支持10h以上續(xù)航，箱體可支持IP66以上的防水防塵等級，滿足戶外電力維護與保養(yǎng)場景的應用需求。

圖2 整機裝配示意圖

多用戶與橋接性能測試拓撲及測試結果如圖3所示，通過部署不同數(shù)量的數(shù)據(jù)采集終端，測試本地無線數(shù)據(jù)通路的多用戶吞吐性能。實際應用中，現(xiàn)場Wi-Fi終端數(shù)量一般在15個以內，高吞吐終端在5個以內，從測試數(shù)據(jù)看，完全滿足實際應用需求。通過在室外拉遠裝置和遠端機的距離，在兩端分別部署一臺數(shù)據(jù)采集終端，測試不同距離下的橋接性能。在200米距離下，橋接性能可達到接近250Mbps，滿足遠端接入的性能要求。

結語

本文設計了一款融合型邊緣計算裝置，該裝置集成了AI邊緣計算功能，融合了包括蜂窩、Wi-Fi、以太網(wǎng)、藍牙、LoRa、北斗等通信技術，結合大容量電池組及防水外箱的設計，具備了較強的戶外作業(yè)能力，還特別設計了網(wǎng)橋功能，大大提高了邊緣計算裝置的信號覆蓋能力，對于戶外電力維護與保養(yǎng)場景的邊緣計算裝置開發(fā)及解決方案設計具有一定的參考價值。

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作者簡介：梁舜，碩士研究生，工程師，459457721@qq.com，研究方向：無線通信與網(wǎng)絡。