電力無線專網通信終端接入工勘測試體系研究

曹 晶， 卞宇翔， 馮 寶，李 程， 丁士長， 談 軍， 朱炫培

( 1. 國網江蘇省電力有限公司信息通信分公司，江蘇 南京 210024；2. 南瑞集團有限公司信息通信技術分公司，江蘇 南京 210003； 3. 南京郵電大學，江蘇 南京 210046)

0 引言

終端通信接入網是電力系統骨干通信網絡的延伸，是電力通信網的重要組成部分。目前，終端通信接入網已經開展了通用移動通信技術的長期演進(long term evolution，LTE)1.8 GHz無線專網規模化試點建設和業務接入工作，實現了運檢、營銷、安質、信通等業務部門10余類業務的靈活接入和可靠承載[1-4]。

電力LTE無線專網尚處于試點建設階段，為薄覆蓋網絡，首先完成基站、核心網建設，然后再進行終端業務接入工作。當前江蘇已經初步完成了電力LTE無線通信網絡的建設工作，正在加大業務終端接入力度。為了保證電力LTE無線專網終端通信接入的穩定以及業務的有效承載，需要對終端通信接入網進行實地工勘。江蘇電力無線專網前期試點工勘工作，普遍采用如下模式：工勘人員通常利用專網手臺設備現場測量并人工記錄通信終端安裝位置的參考信號接收功率(reference signal receiving power，RSRP)、信號與干擾加噪聲比(signal to interference plus noise ratio，SINR)等信號參數，利用GPS定位工具現場獲取并人工記錄通信終端安裝位置的經緯度信息，通過拍照或人工方式記錄待接入業務終端和通信信道的相關信息，待勘測結束后再進行照片數據和文字數據整理[5]。由于勘測過程中多個隊伍并行工作、使用多種測試設備、生成多個數據源以及數據記錄模式多種多樣，導致勘測項目和勘測數據容易出現遺漏或錯誤，影響工勘效率，同時增加了后期數據整理和分析的難度[6]。

因此，必需開展電力LTE無線專網通信終端接入工勘測試體系研究，并開發定制化APP軟件。文中針對江蘇電力LTE無線專網試點建設過程中現場工勘遇到的問題，參照運營商網絡，針對電力業務特有的需求，開展了適合電力系統的LTE無線專網通信終端接入工勘測試體系研究，設計了標準化的工勘測試體系，開發了具備各類現場工勘數據自動采集、自動整理、自動分析及現場數據遠程導入后臺等功能的APP軟件，保障了工勘項目和工勘數據的全面性、準確性和完整性，減少了數據分析和文件整理的工作量，提高了工勘效率。

1 現狀調研

1.1 電力業務需求現狀

當前，終端通信接入網普遍采用光纖、電力線載波、無線公網、無線專網等多種通信方式。電力無線專網主要采用230 MHz數傳電臺、微波、多載波無線信息本地環路(multi-carrier wireless information local loop，McWiLL)、LTE 1.8 GHz、LTE 230 MHz等通信技術[7-8]。隨著智能電網和能源互聯網的發展，電力業務對交互性、實時性、安全性和可靠性等通信指標提出了更高的要求，傳統的電力通信技術將難以滿足未來需求，需建設基于LTE 1.8GHz的無線專網。電力業務需求特點主要包括大寬帶需求、移動性需求、低成本和安全性需求、靈活性和交互性需求、高實時性和高可靠性需求[9]，具體如圖1所示。

圖1 電力業務關鍵技術需求要素示意Fig.1 Diagram of key technology requirements of power business

1.2 電力無線專網建設現狀

截至2017年1月，國網江蘇電力已經完成核心網建設3套、基站建設26座，覆蓋面積達800 km2，包含A+、A、B、C類供電區域，成功接入終端約5000臺，涵蓋配電自動化、用電信息采集、電動汽車充電站(樁)、分布式新能源等4項基本業務，還包括精準負荷控制、變電站基建視頻、配電機器人巡檢、物資倉儲管理、移動巡檢、應急通信等十余項擴展業務[10]。

但是，電力無線專網目前還處在建設初期階段，基站建設規模有限，而電力業務終端所處位置相對固定，且通常處于環境較為惡劣的地下室、強電井以及室外的環網柜、柱上開關等位置，因此難以實現業務終端的無線全覆蓋。若采用運營商延伸覆蓋方案，建設成本過高，經濟性很差。當然，電力無線專網在建設前期也試圖進行大范圍終端覆蓋，但是由于電力系統基站、核心網建設固有的特點，延伸性覆蓋還存在一定的建設難度[11]。

因此，電力無線專網業務終端接入應先完成基站、核心網建設，然后根據信號強度、干擾情況等特征參數選擇性接入通信終端。因此有必要對通信終端接入進行實地工勘，以推動電力無線專網試點建設工作。

1.3 電力無線專網終端工勘現狀

根據江蘇電力現場實施經驗，電力無線專網工勘過程中遇到的問題總結如下：

(1) 工勘指標體系不健全[12]。通過實地勘察和后續終端接入工作發現，電力LTE無線專網終端接入項目中存在多項工勘指標，指標內容復雜，涉及的方面多，也存在較多的漏洞和交叉指標，造成已存在的指標體系不夠健全。

(2) 數據采集問題。現場勘察的數據記錄普遍采用紙質記錄，在現場要一一測量各個指標參數數據并紙質填寫。現場勘察結束后，則需要將這些數據重新錄入辦公軟件或者繪圖軟件中，既造成了人力資源的浪費，也容易造成數據的混淆、遺漏、甚至丟失，影響工勘效率。

(3) 照片采集問題[13]。現場勘察時采集的各種照片，一般是手機或者相機拍攝，而保存的照片文件名也只有時間和編號，因此照片的內容無法通過文件名得知。在后期照片整理時，要將此次勘察的照片全部拷貝后進行整理，修改照片文件名，照片文件處理工作量巨大。

2 終端接入工勘測試體系研究

2.1 設計原則

電力LTE無線專網通信終端接入工勘測試體系遵循全面性、實用性和科學性等原則。

(1) 全面性原則。工勘測試體系必須涵蓋無線專網通信終端接入過程中需要考慮的全部因素，從通信環境、業務終端、通信終端、通信通道4個層面開展設計。指標體系應層次清楚、結構合理、相互關聯、協調一致。

(2) 實用性原則。工勘測試指標體系的指標涵義和勘察依據、方法必須明確，指標內容可以通過現場測量等手段直接獲取。指標體系的建立能夠為后期工程施工提供指導，具備實用性價值。

(3) 科學性原則。采用層次分析法[14]、德爾菲法[15]等理論方法進行指標體系設計，指標選取過程充分聽取設計、開發、實施、運行和維護等多個部門的業務專家意見，保證工勘測試指標體系的科學性。

2.2 研究思路

電力LTE無線專網的架構主要由核心網、回傳網、基站、通信終端和業務終端組成。其中，核心網、回傳網、基站等LTE無線專網主體工程已經建設完畢，工勘工作集中在業務終端接入層面，如圖2所示。

圖2 電力LTE無線專網通信終端接入工勘體系設計Fig.2 Design of power LTE wireless private network communication terminal access engineering system

電力LTE無線專網通信終端接入工勘測試體系設計總體思路如下：通過分析電力LTE無線專網架構、電力LTE無線專網終端接入工勘過程中遇到的問題及需求，采用層次分析法從通信環境、業務終端、通信終端、通信通道4個層面開展適合電力系統的LTE無線專網通信終端接入工勘測試體系的設計與研究。具體包括：確定工勘對象，建立工勘測試指標體系和確定詳細工勘內容3步。

2.3 設計步驟

基于電力LTE無線專網通信終端接入工勘測試體系的詳細設計步驟如下：

(1) 確定工勘對象。采用層次分析法開展工勘測試體系的設計，一級指標為工勘測試體系；二級指標共計4個，分別是通信環境、業務終端、通信終端、通信通道；三級指標根據通信環境設立無線通信終端安裝站點環境指標和機房電源指標；根據業務終端設立業務終端設備指標；根據通信終端設立通信終端設備指標和天饋線設備指標；根據通信通道設立有線信道指標和無線信道指標。具體指標結構體系如圖3所示。

圖3 工勘測試體系對象示意Fig.3 Engineering exploration system object diagram

(2) 建立工勘測試指標體系。根據步驟(1)確定的工勘對象和當前電力LTE無線專網通信終端接入工勘存在的問題，確定電力LTE無線專網通信終端接入工勘測試的詳細指標內容，建立四級工勘測試指標體系。

(3) 確定詳細工勘內容。基于步驟(1)和(2)，進一步確定詳細第四級工勘指標，其中站點環境下設站點名稱、站點地址、站點經緯度等13個詳細四級工勘內容；機房電源下設電源類型、電源取電方式等6個詳細第四級工勘指標；業務終端設備下設業務終端類型、業務終端型號、業務終端制造規范等8個詳細第四級工勘指標；通信終端設備下設安裝位置、安裝類型、安裝方式等8個詳細第四級工勘指標；天饋線設備下設天線安裝位置、天線類型等8個詳細第四級工勘指標；無線信道下設接入點應用于以太網的鏈路層協議(rapid ethernet ring protection protocol,RERP)值、接入點接收的信號強度指示(received signal strength indication,RSSI)值等4個詳細第四級工勘指標；有線信道下設網線長度等6個詳細第四級工勘指標。

3 工勘APP開發

APP軟件的系統架構設計包括前臺手機端勘察系統和后臺服務器端勘察系統兩部分。其中，前者在手機端通過拍攝照片、錄入數據方式采集勘察現場數據；后者在服務器側利用Excel服務軟件[16]導出數據并進行整理和分析。

手機端勘察系統包括工勘數據采集模塊和工勘數據交互模塊2個子模塊，具體如圖4所示。

圖4 手機端勘察系統模塊示意Fig.4 Diagram of handset exploration system module

工勘數據采集模塊包括：位置采集模塊、圖像采集模塊、信號采集模塊、存儲模塊等數據采集模塊。位置采集模塊，利用移動工勘終端自身GPS模塊完成包括經度、緯度等業務終端位置信息。圖像采集模塊，利用移動工勘終端自身攝像頭完成工勘現場機房、電源、業務終端等設備的拍照，并添加水印信息。信號采集模塊，通過特定指令獲取移動工勘終端自身RSRP、SINR[17]等信息。存儲模塊，完成各類采集數據的本地存儲。

工勘數據交互模塊完成移動工勘終端與后臺之間的數據交互，包括數據的添加、修改、刪除、上傳和下載等。

服務器端勘察系統后臺采用JavaEE中3種框架(spring struts hibernate，SSH)[18]，基于底層數據庫之上分為網站后臺和手機后臺兩部分。網站后臺由持久層與數據庫進行交互，上層為管理服務層，所有服務都需要業務邏輯來調用不同的數據訪問(data access object，DAO)層進行處理，即調用不同的數據庫進行操作，Action層則起到控制的作用，根據請求的不同將其分發到不同的業務邏輯進行處理。服務器端勘察系統可實現包括用戶管理、終端管理、文件管理、任務管理、文件操作和登錄控制等功能[19]。具體模塊功能如圖5所示。

圖5 服務器端勘察系統模塊示意Fig.5 Diagram of server-side exploration system module

根據電力系統的獨有特點，基于電力LTE無線專網通信終端接入工勘測試體系，開發了對應的工勘APP軟件，并取名為“易工勘”。軟件原型設計界面如圖6所示。

圖6 基于工勘測試體系的APP軟件界面原型Fig.6 Prototype of APP software interface based on thetesting system of engineering exploration

工勘人員實地勘測過程中使用本文開發的APP軟件，工勘實例如圖7所示。

圖7 “易工勘”APP軟件工勘實例Fig.7 "YiGongKan" APP software engineering examples

該軟件可以在運營商公網和電力無線專網兩類網絡下進行數據采集與上傳。當工勘現場運營商網絡信號不佳時，可以在電力無線專網中使用本軟件；而工勘現場運營商網絡信號強度較好時，就可以直接使用運營商無線公網上傳工勘數據。

另外，軟件可以讀取并篩選工勘歷史記錄，以便工勘人員查詢。可通過后臺查詢、分析、處理相關工勘數據，大大降低了現場工勘數據的后期處理難度，提高了工勘效率和工勘數據的準確性。

可以看出，該軟件功能豐富，操作簡單，交互和UI設計合理精致，滿足特定場景需求，實際應用效果明顯。

而工勘APP軟件對應后臺數據管理系統可以對工勘現場上傳來的數據進行處理。例如：后臺系統可以修改和刪除工勘現場上傳的工勘數據。也可以將工勘數據進行Excel導出，便于后期數據整理和歸檔。后臺數據管理系統界面如圖8所示。

圖8 后臺數據管理系統界面原型Fig.8 diagram of back-stage data management system interface prototype

4 結語

文中分析了江蘇電力無線專網試點建設過程中的通信終端工勘時遇到的問題，結合電力業務需求和電力無線專網建設特點，按照全面性、實用性和科學性的設計原則，采用層次分析法構建了完整的電力LTE通信終端接入工勘測試指標體系，并開發了基于工勘測試指標體系的“易工勘”APP和對應的后臺數據管理系統。APP軟件可以在電力無線專網和運營商公網兩種網絡中上傳工勘數據；而后臺數據管理系統可對工勘數據進行查詢、刪除、修改和導出操作。因此，文中提出的電力無線專網通信終端接入工勘測試體系和開發的對應APP軟件以及后臺數據管理系統可切實提高工勘效率和工勘數據的準確性，滿足工勘現場的實際需求。

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