廣域物聯(lián)技術(shù)下試驗(yàn)儀器智能管控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

湖南五凌電力工程有限公司、湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心 喻勇麗 何亞文 王仁權(quán) 羅周維 李奇艷 胡麗芳

上海一亞信息技術(shù)有限公司 余濤

水力發(fā)電作為一種綠色可再生能源，已經(jīng)在我國(guó)得到了廣泛的開(kāi)發(fā)和利用。截至2020年底，我國(guó)水電裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到3.7億千瓦。當(dāng)前，水電項(xiàng)目已經(jīng)成為我國(guó)電力系統(tǒng)的重要組成部分，但大部分中小型水電廠分布在十分偏遠(yuǎn)的地區(qū)，布局比較零散。而隨著水電項(xiàng)目的不斷整合與行業(yè)改革的持續(xù)推進(jìn)，現(xiàn)在我國(guó)已經(jīng)開(kāi)始實(shí)行流域水電廠群管控模式和專(zhuān)業(yè)化電站檢修服務(wù)業(yè)務(wù)模式。水電廠的運(yùn)營(yíng)和檢修業(yè)務(wù)，一般統(tǒng)一由專(zhuān)業(yè)的電力工程公司或團(tuán)隊(duì)來(lái)負(fù)責(zé)，此舉較好地解決了單一水電廠在設(shè)備檢修維護(hù)方面缺乏專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員的問(wèn)題。

當(dāng)前，業(yè)界已經(jīng)開(kāi)展了一些對(duì)水電運(yùn)維檢修作業(yè)進(jìn)行智慧管理的模式探索，主要是檢修項(xiàng)目管理。但對(duì)水電廠檢修作業(yè)中涉及的大量試驗(yàn)儀器，則缺乏專(zhuān)項(xiàng)管控。

水電廠檢修作業(yè)用到的試驗(yàn)儀器一般具有以下特點(diǎn)：價(jià)格昂貴、種類(lèi)繁多、對(duì)操作人員的專(zhuān)業(yè)水平要求高，有時(shí)候甚至需要得到授權(quán)才能使用，對(duì)試驗(yàn)儀器還要進(jìn)行定期檢定和校準(zhǔn)。同時(shí)，它還不同于其他行業(yè)的試驗(yàn)儀器基本固定在某個(gè)位置，而是具有服務(wù)區(qū)域分散、流動(dòng)性很強(qiáng)、廣域服務(wù)的特點(diǎn)。

圖1試驗(yàn)儀器智能管控系統(tǒng)硬件架構(gòu)

現(xiàn)存問(wèn)題和需求

傳統(tǒng)水電廠試驗(yàn)儀器管理存在以下幾方面局限性：

庫(kù)房管理方面

（1）傳統(tǒng)上存放試驗(yàn)儀器的庫(kù)房通常是儲(chǔ)物間，使用通用貨架或者密集架來(lái)存放，試驗(yàn)儀器的大小不標(biāo)準(zhǔn)、存放位置不固定，并且在大部分情況下，都是依靠庫(kù)房管理員進(jìn)行人工出庫(kù)、入庫(kù)和手工登記，難以有效避免亂發(fā)、難找、誤拿及丟失的情況發(fā)生。

（2）倉(cāng)庫(kù)環(huán)境溫濕度狀態(tài)得不到監(jiān)控，無(wú)法進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，過(guò)高的溫濕度會(huì)對(duì)試驗(yàn)儀器設(shè)備造成損害，試驗(yàn)人員如使用損壞的儀器設(shè)備開(kāi)展作業(yè)，就會(huì)造成一定的安全隱患。

（3）在共享集成方面，有些水電廠有自己的試驗(yàn)儀器庫(kù)房，而這些庫(kù)房都是各自獨(dú)立的，沒(méi)有形成統(tǒng)一管理的集群，儀器的有無(wú)、狀態(tài)好壞、是否在使用……這些信息都沒(méi)有被共享，處于信息孤島狀態(tài)。

使用管理方面

一臺(tái)試驗(yàn)儀器，要經(jīng)常被運(yùn)到多座水電廠進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)使用，什么時(shí)候出庫(kù)？到哪里去？執(zhí)行什么任務(wù)？需要多長(zhǎng)時(shí)間？由誰(shuí)來(lái)負(fù)責(zé)？這些信息都沒(méi)有被完整地記錄下來(lái)，而且即使有記錄，也只是借助Excel表格進(jìn)行簡(jiǎn)單地記錄，對(duì)儀器的使用狀態(tài)和位置缺乏準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)了解，不能及時(shí)掌握試驗(yàn)儀器的現(xiàn)場(chǎng)狀況，也無(wú)法開(kāi)展行之有效的協(xié)同管理，當(dāng)然也無(wú)法提高試驗(yàn)儀器的使用效率。

儀器合規(guī)方面

水電廠試驗(yàn)儀器的使用，大多需要按周期進(jìn)行檢定和校準(zhǔn)。一部分試驗(yàn)儀器的檢定和校準(zhǔn)工作可以在內(nèi)部完成，一部分還需要借助外部力量完成。現(xiàn)在需要人工記錄檢定和校準(zhǔn)周期，以及下一輪的工作時(shí)間，無(wú)法做到及時(shí)提醒和預(yù)警，也無(wú)法保證試驗(yàn)儀器本身的合規(guī)。

試驗(yàn)儀器的使用具有很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)性。操作人員需要進(jìn)行培訓(xùn)后才能上崗，因此，需要進(jìn)行試驗(yàn)儀器使用前的檢查，必須確認(rèn)操作人員具備相應(yīng)的資質(zhì)。但在現(xiàn)實(shí)中，很多單位并沒(méi)有進(jìn)行儀器使用的合規(guī)性檢查。

為了在試驗(yàn)儀器共享利用的前提下，更好地滿足用戶和管理員的功能需求，并且客觀科學(xué)地開(kāi)展試驗(yàn)儀器的效益評(píng)價(jià)，本文著重從平臺(tái)總體設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)上探討了基于PC端和移動(dòng)設(shè)備端混合結(jié)構(gòu)、集成4G/5G和無(wú)線射頻識(shí)別的水電廠試驗(yàn)儀器智能共享與評(píng)價(jià)系統(tǒng)的建設(shè)。

圖2試驗(yàn)儀器智能管控系統(tǒng)軟件功能圖

試驗(yàn)儀器智能管控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

按照穩(wěn)定性、安全性、適時(shí)性、實(shí)用性、易用性等原則對(duì)整個(gè)試驗(yàn)儀器智能管控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

硬件總體架構(gòu)

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)定義和設(shè)備資產(chǎn)管理領(lǐng)域的實(shí)際情況，管理方案將根據(jù)功能劃分為三層，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由RFID無(wú)源抗金屬標(biāo)簽、RFID讀寫(xiě)器、天線組、智能超高頻手持終端、高清視頻攝像頭、溫濕度傳感器和內(nèi)置藍(lán)牙控制電源裝置等設(shè)備組成RFID智慧貨架管理及智能管控系統(tǒng)。

軟件應(yīng)用架構(gòu)

軟件系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，分別用于PC端和移動(dòng)設(shè)備端，軟件功能分為儀器資產(chǎn)管理、智慧貨架管理、報(bào)表查詢管理、位置管理、移動(dòng)APP應(yīng)用和系統(tǒng)管理六大功能模塊。功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)功能模塊及運(yùn)行模式

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧倉(cāng)庫(kù)管理

試驗(yàn)儀器的庫(kù)房管理智能化，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)包括感知采集設(shè)備、數(shù)據(jù)處理模塊、貨架管理模塊和可視化模塊。

感知采集設(shè)備包括RFID讀寫(xiě)器、饋線、磁吸附RFID天線和無(wú)源柔性RFID抗金屬標(biāo)簽；感知采集設(shè)備部署在貨架主體上，通過(guò)RFID讀寫(xiě)器感知附著在試驗(yàn)儀器上的RFID標(biāo)簽，采集實(shí)物的關(guān)鍵信息，并傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊。

例如，一排貨架由4組貨架組成，每組有4層，在貨架的頂上安裝一臺(tái)16通道RFID讀寫(xiě)器，每組貨架的層板上安裝一個(gè)RFID天線，通過(guò)饋線連接至RFID讀寫(xiě)器。

RFID抗金屬標(biāo)簽粘貼于試驗(yàn)儀器外殼上，用于標(biāo)識(shí)試驗(yàn)儀器的關(guān)鍵信息數(shù)據(jù)，具體包括試驗(yàn)儀器的名稱(chēng)、型號(hào)、編碼、類(lèi)別、批次、數(shù)量、RFID讀寫(xiě)器及RFID天線編號(hào)。通過(guò)調(diào)節(jié)RFID讀寫(xiě)器功率和RFID天線的安裝位置來(lái)適應(yīng)不同的貨架層高，從而實(shí)現(xiàn)RFID信號(hào)的全覆蓋，并且相鄰貨位間的信號(hào)不會(huì)相互干擾。RFID讀寫(xiě)器采用RFID天線輪流讀取的方法對(duì)每層貨架進(jìn)行掃描。

數(shù)據(jù)處理模塊包括RFID中間件和試驗(yàn)儀器定位引擎，RFID中間件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾、篩選、加工、整合，試驗(yàn)儀器定位引擎得出儀器所在的層數(shù)和具體區(qū)域。

貨架管理模塊用于提供試驗(yàn)儀器的盤(pán)點(diǎn)、位置查詢、出入庫(kù)管理和配置服務(wù)。

可視化模塊用于顯示各個(gè)區(qū)域現(xiàn)有的試驗(yàn)儀器及在貨架主體中的具體層數(shù)和位置。

溫濕度監(jiān)控

在庫(kù)房?jī)?nèi)，利用Zigbee技術(shù)進(jìn)行無(wú)線組網(wǎng)，連接高精度溫濕度檢測(cè)和報(bào)警設(shè)備，實(shí)現(xiàn)庫(kù)房溫濕度自動(dòng)測(cè)量、報(bào)警。再將溫濕度數(shù)據(jù)自動(dòng)送入空調(diào)的電源開(kāi)關(guān)控制模塊，從而實(shí)現(xiàn)溫濕度的自動(dòng)調(diào)控。

智慧授權(quán)管理

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研發(fā)設(shè)計(jì)一種藍(lán)牙電源開(kāi)關(guān)裝置，安裝在試驗(yàn)儀器的電源插座中。結(jié)合開(kāi)發(fā)的手機(jī)應(yīng)用軟件，遙控藍(lán)牙供電開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)儀器的遠(yuǎn)程授權(quán)觀看。通過(guò)智慧授權(quán)管理，保證具有合格資質(zhì)的人員才能開(kāi)機(jī)操作使用。

遠(yuǎn)程定位管理

基于高德地圖GPS定位的SDK接口，結(jié)合RFID識(shí)別技術(shù)，采用HbuilderX開(kāi)發(fā)工具，研發(fā)HTML5+APP軟件模塊，通過(guò)掃描感應(yīng)儀器設(shè)備上的RFID電子標(biāo)簽或二維碼標(biāo)識(shí)，實(shí)時(shí)獲取該臺(tái)設(shè)備的編碼、名稱(chēng)、型號(hào)等信息，與定位信息一起寫(xiě)入服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)儀器的位置追溯功能，并在PC端和移動(dòng)設(shè)備端顯示試驗(yàn)儀器的移動(dòng)位置軌跡。

軟件系統(tǒng)其他特點(diǎn)

（1）遠(yuǎn)程入網(wǎng)和控制。試驗(yàn)儀器智能管控系統(tǒng)集成了4G/5G和Wifi，電腦、手機(jī)、平板電腦等都能通過(guò)有線或無(wú)線方式接入門(mén)戶網(wǎng)站，用戶入網(wǎng)不受時(shí)間地點(diǎn)的限制，管理員可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

（2）協(xié)同共享功能，用戶能發(fā)布信息尋求試驗(yàn)協(xié)助或進(jìn)行合作攻關(guān)，或管理個(gè)人日程和通訊簿等個(gè)人事務(wù)。

（3）儀器的智能管控。建立試驗(yàn)儀器的全生命周期管理，以及特別權(quán)限的用戶在使用過(guò)程中的互動(dòng)功能，使試驗(yàn)儀器管控更加科學(xué)、智能、合理、全面。

（4）庫(kù)房工作區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制。系統(tǒng)集成了無(wú)線射頻識(shí)別的門(mén)禁鎖技術(shù)，以及安裝紅外視頻監(jiān)控裝備，用戶刷卡進(jìn)出庫(kù)房，或進(jìn)行儀器的上機(jī)、下機(jī)等操作，初步實(shí)現(xiàn)了工作區(qū)的無(wú)人值守。

（5）統(tǒng)計(jì)分析。儀器信息包括基本信息、功能信息和使用技術(shù)支持，內(nèi)容更豐富，分類(lèi)更科學(xué)，增加了用戶對(duì)試驗(yàn)貢獻(xiàn)的信息，用戶信息更完整，尤其是集成了效益評(píng)價(jià)，并對(duì)目前的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和方法作了進(jìn)一步量化和細(xì)化處理，提高了適用性，實(shí)現(xiàn)了智能化。

結(jié)論

本文利用RFID、藍(lán)牙電源和廣域的衛(wèi)星定位等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和硬件，開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了需要經(jīng)常進(jìn)出和移動(dòng)的試驗(yàn)儀器的智慧管控，結(jié)合軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)儀器智慧庫(kù)房管理、使用管理和合規(guī)管理。

實(shí)際應(yīng)用中，此管控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了存取便利和安全，解決了合規(guī)管控的問(wèn)題。該試驗(yàn)儀器的快速借還，試驗(yàn)儀器的預(yù)留、領(lǐng)用、退庫(kù)，以及及時(shí)迅速準(zhǔn)確盤(pán)點(diǎn)，節(jié)省了大量空間，避免了人為差錯(cuò)，并實(shí)現(xiàn)了與檢修作業(yè)一線的緊密結(jié)合，大大提高了生產(chǎn)效率。