面向電網作業智能可穿戴系統體系架構設計與研究

鮑興川

(全球能源互聯網研究院信息通信研究所，江蘇 南京 211106)

面向電網作業智能可穿戴系統體系架構設計與研究

鮑興川

(全球能源互聯網研究院信息通信研究所，江蘇 南京211106)

隨著電網規模日益擴大，傳統作業模式已不能適應電網發展，而智能可穿戴設備是未來計算機形態和體系的重要發展方向。基于增強現實的智能可穿戴技術可以提升電網作業工作質量、效率及安全作業水平。通過面向電網輸、變、配作業應用場景調研，結合智能可穿戴、通信網絡及其后臺服務技術，提出了針對電網作業的智能可穿戴系統解決方案，設計了適合電網作業的智能可穿戴系統體系總體技術架構，包括其前端電網作業智能可穿戴終端設備的硬件系統、系統軟件和應用軟件架構，以及為前端應用服務的后臺服務軟件架構等。該套架構設計方案已經在多個科研項目的電力作業現場試點驗證。應用效果證明，該方案切實改進了電網作業工作方式，提高了作業質量、工作效率及標準化水平，并能夠輔助解決作業人員人身安全監護問題。該方案對當前智能可穿戴技術在電網作業的應用研究和實施具有一定的指導、示范意義。

電力能源； 人工智能； 智能可穿戴系統； 增強現實； 智能終端； 后臺服務; 云服務； 無線通信網絡

0 引言

隨著電網規模的日益擴大和新型設備的投產，電網設備安裝、運行、檢修面臨資料繁多、步驟復雜、設備拆裝精準度高以及人員水平不一等問題，傳統作業模式已不能適應電網發展要求。在電網設備安裝作業方面，新型設備、大型設備不斷涌現，安裝作業的執行環節更加復雜，安裝步驟流程及精度、準確度要求高，作業復雜程度大大提高，導致安裝作業效率低、質量難以保證。在電網設備的運行、檢修作業方面，運檢作業人員難以在作業現場快速、全面地掌握設備信息并根據趨勢判斷設備狀態；同時，標準化作業指導卡與實際操作未能實現無縫銜接，工作模式有待改進。通過移動互聯技術，雖然可以應用手機、掌上計算機實現部分現場信息的實時采集、同步及分析，但在交互中占用雙手，影響視線，因此現場作業指導、協作能力較弱。而智能穿戴設備集成多媒體、傳感器、無線通信等多種技術，支持語音識別、手勢識別、頭部動作等多種友好的交互方式，能夠無遮擋地疊加和融合各類信息，及時提供所需的智能互聯服務。

增強現實(argmentedreality,AR)技術則將真實世界信息和虛擬世界信息無縫集成，使真實環境和虛擬物體實時疊加到同一個畫面或空間。基于增強現實的智能穿戴設備，使作業人員可通過前端多維信息展示、后臺歷史數據趨勢分析、遠程協作支持實現智能化作業指導。目前，基于增強現實的智能穿戴技術已在消費電子、工業、醫療等領域中取得多項創新應用，通過引入增強現實技術，給電網設備的安裝、運行、檢修作業帶來了新的信息化、智能化解決方案。因此，有必要開展基于增強現實的電網作業智能穿戴技術研究。

目前，其系統體系架構設計是當前研究的熱點。基于其系統體系架構設計和開發的電網作業系統，可以提高電網作業人員在設備安裝、檢修作業的工作質量、工作效率及標準化水平，帶來可觀的經濟效益和社會效益[1-2]。

1 應用場景

本文設計和研究的電網作業智能穿戴技術架構，需針對現場作業的需求。具體需求分析從電網設備安裝、運行、檢修作業展開，從一線人員作業過程出發，通過可穿戴設備輔助其完成每一項具體任務，內容包括作業情景感知、路線規劃導航、運行狀態分析、作業場景識別、可視化協作、輔助分析指導等，切實解決一線員工在信息采集、獲取、傳輸與分析等方面的技術局限性，以及操作不便等實際問題。

經充分調研輸電、變電、配電等不同現場作業環境及其作業內容，并與各現場一線工作人員進行深入交流后，梳理了輸電、變電、配電不同的業務詳細需求及應用場景。輸電、變電、配電業務的詳細作業需求包括輸電、變電、配電在現場作業中的共同需求及其各自的特有需求。

①共同需求。

輸電、變電、配電現場作業中存在的共同需求有：標準作業指導卡信息化、現場取證(錄音、錄像、拍照)、人員定位、資料查詢、遠程會商(n對n)、現場協助(1對1)、備品備件倉儲管理、各種報表管理、現場作業增強現實輔助、作業人員生命體征監測、設備外觀查看等。

②變電作業特有需求。

變電現場作業中存在的特有需求主要集中在運檢領域，如紅外測溫、表計識別、指示燈識別、油位識別、設備狀態監視、噪聲識別等。

③輸電作業特有需求。

輸電現場巡檢作業中存在的特有需求有：輸電線安全距離測量、設備野外耐荷、電池供電長續航、野外現場通信、遠距離紅外測溫、硬件三防(防水、防震、防塵)等。

④配電作業特有需求。

配電現場巡檢作業中存在的需求有：配電搶修室內定位及導航、電話通信、紅外測溫、表計識別等。

2 解決方案

2.1電網作業智能可穿戴系統總體架構

電力智能可穿戴研究最終要實現建設電力系統工業級穿戴設備研發基礎平臺和協同體系，實現滿足電力應用需求的定制化穿戴硬件設備及后臺作業支持系統，提升電力作業的信息化、智能化水平。按照以上需求調研的情況，所設計的面向電網作業的電力智能可穿戴系統架構如圖1所示。

圖1 智能可穿戴系統架構圖

2.2通信網絡方案

2.2.1變電作業通信方案

智能安全帽與智能手表(環)之間的通信采用藍牙4.0技術，實現LED燈開關及亮度調整、近電報警器自檢及靈敏度調整、攝像、拍照、紅外熱像圖等數據和控制信號的傳輸。

在變電站四面圍墻的中間位置布置WiFi接入點(accesspoint，AP)，并在變電站設備區中心處布置1個AP，智能頭盔和智能手表通過WiFi無線連接到AP，AP與交換系統之間以有線以太網連接。作業人員與后臺系統之間的通信信息包括人員位置、音視頻、照片、語音通話、紅外熱像圖、設備參數、身體異常報警、近電報警、SF6報警、跌倒報警、緊急情況報警等數據和控制信號。

GPS定位精度低且抗干擾性能差，不適用于變電站內的復雜環境。利用變電站內的衛星定位基準站和布置的5個AP，與智能頭盔上的WiFi定位輔助、GPS實現衛星信號差分定位，并結合基于信號接收強度的二次定位方法，可確保定位精度在25cm以內，以滿足變電站內巡視路徑跟蹤及防止誤入帶電間隔的需要[3-4]。

2.2.2輸電作業通信方案

在遠離變電站的輸電線路桿塔上下作業時，與監控系統的通信由智能頭盔上的LTE-4G通信方式實現。智能手環、智能眼鏡、智能手套等信息，由智能頭盔通過藍牙以穿戴在單個作業人員為單位進行信息融合后上傳。由于不需要巡視路徑跟蹤及防止誤入帶電間隔，因此人員定位不需要達到變電站內的精度要求，定位方法采用GPS或北斗，以及長期演進(longtermevolution,LTE)輔助定位的方案[5]。

3 電網作業智能可穿戴終端

3.1終端設備硬件架構

根據電網作業場景需求，并結合現有作業裝備可知：面向電網作業的可穿戴定制化設備主要包括智能頭盔、智能眼鏡、智能手套、腕帶式人體生命體征監測裝置等。

①智能頭盔。

智能頭盔設備，具有雙目顯示增強現實、無線通信、音視頻輸入輸出、GPS定位、近電告警、紅外測溫等功能。具體功能包括：顯示功能具備32°以上的可視廣角，允許第三方程序調用頭部追蹤功能，使用陀螺儀感應器配合AR技術產生增強現實代入感。頭盔集成陀螺儀、磁羅盤、加速度計等各種傳感器，安裝支持攝影的攝像頭，并集成WiFi、視頻播放元件，支持藍牙、LTE-4G功能[6]。智能頭盔硬件架構如圖2所示。

圖2 智能頭盔硬件架構圖

②智能眼鏡。

智能眼鏡設備具有增強現實、高清晰攝像、多傳感、內置大容量存儲等功能。智能眼鏡能夠簡單地處理多媒體信息，在低強度使用情況下保證一定的工作時間。其硬件電路架構與智能頭盔類似[7]。

③智能手套。

智能手套用于實現人體與設備間體感交互功能。通過內置的傳感器(識別手部動作)和藍牙模塊(用于與手機相連接)，佩戴者能夠用大拇指與其他手指單擊或雙擊來完成對各種設備的控制，其中包括多媒體數據的操作。手掌部位的激活傳感器確保只有在用戶有需求時才會對其他設備進行控制。智能手套基本上是四季通用的，同時手套內置的無線控制組件是可拆卸的。智能手套軟件具有開放的API接口，提供給第三方開發者在API接口上開發出相應的應用APP[8-9]。

④腕帶式人體生命體征監測裝置。

腕帶式人體生命體征監測裝置一般以手環的形式出現，其集成ECG心電、PPG脈搏、紅外測溫等生命體征傳感器和九軸陀螺儀、定位等感知傳感器，傳感器經過信號調理電路，使其具有體溫傳感、心跳傳感、定位、加速、方向感應等功能。一般還需集成藍牙、WiFi、GPRS等通信模塊和LCD顯示、震動器、聲音等功能模塊[10-11]，才能組成一個完整的裝置。智能手環(表)硬件架構如圖3所示[5]。

圖3 智能手環(表)硬件架構圖

3.2終端設備軟件

終端設備軟件是針對嵌入式設備、在智能可穿戴設備上運行的軟件，包括終端硬件服務軟件和終端應用軟件。終端設備軟件架構如圖4所示。

在終端硬件服務軟件設計中，主要遵循常規嵌入式軟件開發的一般架構，分為操作系統和驅動層、設備接口層和數據融合層。底層操作系統選用適合AR的安卓7.0，其Linuxkernel為3.10，在Linux中開發增強現實顯示模組、景深攝像頭、紅外、近電告警、藍牙、九軸陀螺儀、GPS、人體生命體征等傳感器驅動。設備接口層用于對攝像頭、紅外傳感等外設進行數據預處理。數據融合層包括集成在操作系統內的圖像識別、手勢識別、語音識別等融合算法。終端應用軟件部分分為系統接口層、組件類庫和運行環境層和應用層，組件類庫開發硬件服務接口、終端可視化組件和儀器集成接口等。應用層設計了和后臺服務配合的變電檢修系統APP、變電巡檢系統APP、輸電巡檢系統APP等。

圖4 終端設備軟件架構圖

4 電網作業后臺云服務系統技術架構

與可穿戴前端對應，在電網行業可穿戴技術需求調研的基礎上，面向電力的巡檢、電網基建、運檢等業務領域，設計并實現了智能可穿戴電網作業后臺支持云服務系統技術體系架構。電力智能可穿戴電網作業后臺支持系統與終端設備采用C/S架構，后臺管理采用B/S架構。整個后臺軟件包括數據存儲層、數據處理層、基礎功能層和業務邏輯層，以及運行和安全管理軟件。其支持系統技術架構如圖5所示。

數據存儲層設計有結構化數據庫和分布式文件系統，數據處理層設計有數據融合、信息空間構建、并行計算、流計算、圖計算等數據處理功能，基礎功能層設計有圖形分析、語音分析、精準地圖、衛星地圖、流媒體服務等功能，業務邏輯層設計有情景推送、業務數據管理、協助作業、權限管理等服務軟件。運行及安全管理軟件部分包括安全管理、設備管理、組件管理、計算管理和存儲管理等模塊。

圖5 支持系統技術架構圖

5 結束語

智能可穿戴技術是多學科前沿技術的綜合體現，本文提出的面向電網作業總體解決方案和技術架構已經在多個科研項目和電力作業現場試點得到驗證，部分成果已經得到了工程應用。該研究切實地改進了電網作業人員工作方式，提高了電網設備安裝、檢修、巡檢作業的工作質量和工作效率及標準化水平，并可以輔助解決作業人員人身安全的監護問題。目前的研究和應用情況充分體現了智能可穿戴技術在電力行業的廣闊應用前景，并具有較好的經濟效益和社會效益。

但是，目前的智能可穿戴技術在電網作業中的應用研究尚處于初級階段，還有一些短期內不易解決的問題。隨著室內定位和導航、精確近電告警、增強現實顯示、機器視聽、高速低功耗無線通信網絡、低功耗處理單元計算能力、微體積微質量元件等技術的高速發展，其系統的架構還需要根據技術的發展不斷完善和優化。面向電網作業的智能可穿戴系統體系架構設計與研究成果，將為推動智能穿戴技術在電力行業及其他行業的應用提供參考。

[1] 陳東義.可穿戴式計算機的發展與趨勢(I)[J].重慶大學學報(自然科學版),2000,23(3):119-124.

[2] 夏侯士戟，陳東義，黃志奇.基于可穿戴計算的現場作業輔助模式 [J].計算機集成制造系統，2007,13(11):2269-2275.

[3] 相建南,盧松柏.移動與可穿戴技術在心血管遠程監護的應用[J].電子科技大學學報,2010,39(增刊):1-5.

[4] 郭雨松,于振，趙煒妹.基于可穿戴技術的電力作業安全監護平臺研究[J].電力信息與通信技術,2015,13(1):69.

[5] 潘立波.基于Wi-Fi技術的無線定位算法研究與實現[D].杭州:浙江大學,2013.

[6] 張磊,徐志剛.消防員多功能音視頻通信頭盔裝置研發[J].中國公共安全(學術版),2011(2):68-71.

[7] 張廣,鄭捷文,吳太虎.可穿戴技術在軍事作業中的應用[J].北京生物醫學工程,2009,28(2):210-214.

[8] 顏盛銀,單鳴雷,朱昌平,等.基于聲波衰減的六氟化硫濃度無線傳感器[J].壓電與聲光,2013,35(5):698-701.

[9] 雷述宇,方輝,劉俊,等.國產640×512非制冷氧化釩紅外焦平面探測器的研制[J].紅外技術,2013,35(12):759-763.

[10]彭桂力,劉知貴,劉利.ZTP135S-R型傳感器在體溫計中的應用[J].國外電子元器件,2006(4):38-40.

[11]王榮,章韻,陳建新.基于三軸加速度傳感器的人體跌倒檢測系統設計與實現[J].計算機應用,2012,32(5):1450-1452.

ResearchandDesignoftheArchitectureofSmartWearableSystemforGridOperations

BAO Xingchuan

(Research Institute of Information and Communication,Global Energy Interconnection Research Institute,Nanjing211106,China)

With the growing scale of the power grid,the traditional mode of operation cannot adapt to the development of power grid,while smart wearable equipment is an important development direction of future computer form and system.The smart wearable technology based on argmented reality (AR)can improve the quality,efficiency and safety of grid operations.Through investigating the application scenarios of power grid,including transmission,transformation and distribution,and combining with smart wearable and communication network and background service technologies,the solution of smart wearable system for power grid is proposed.The overall technical architecture of smart wearable system and communication network system suitable for grid operation are designed,including the front end equipment hardware,system software and application software architecture,and the terminal application software architecture background service,etc.The whole structure of the design has been verified in a number of scientific research projects in the power industry; the application effects improve the work quality and efficiency of the grid operation,and enhance the level of standardization and the safety of operation staffs.The design provides guidance and reference for research and implementation of smart wearable technology in power grid applications.

Power energy; Artificial intelligence; Smart wearable system; AR; Smart terminal; Background service; Cloud service; Wireless communication network

TH89;TP368

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201710021

修改稿收到日期:2017-04-11

國家電網公司2016年海外基金資助項目(5455HT160027)

鮑興川(1973—)，男，碩士，高級工程師，主要從事電力系統自動化、電力系統信息通信技術的研究和開發工作。

E-mail:baoxingchuan@geiri.sgcc.com.cn。