面向泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的智慧工地解決方案

蔣程晟，鄭征凡，黃楊梁，鄭 波，王德兵

（1.江蘇句容抽水蓄能有限公司，江蘇省句容市 212400；2.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江省杭州市 311122）

0 引言

傳統(tǒng)的抽水蓄能電站智慧工地系統(tǒng)，主要以“五系統(tǒng)一中心”為主，包括：洞室門禁和人員定位管理系統(tǒng)、視頻與安保監(jiān)控系統(tǒng)、應急廣播和通信系統(tǒng)、地質(zhì)預警系統(tǒng)、防墜保護系統(tǒng)、安全監(jiān)測（應急指揮）中心[1][2]。通過安裝在現(xiàn)場的各類傳感裝置，構(gòu)建智能監(jiān)控和防范體系，能有效彌補傳統(tǒng)方法和技術(shù)在監(jiān)管中的缺陷，變被動“監(jiān)督”為主動“監(jiān)控”；同時，其也將為安全生產(chǎn)監(jiān)督管理引入新理念，真正體現(xiàn)“安全第一、預防為主、綜合治理”的安全生產(chǎn)方針[3][4]。然而，受制于傳統(tǒng)的平臺架構(gòu)與技術(shù)水平，現(xiàn)有的智慧工地系統(tǒng)在功能、性能、應用上都有一些局限。

2019年國家電網(wǎng)有限公司提出了“三型兩網(wǎng)、世界一流”的戰(zhàn)略目標，致力于打造樞紐型、平臺型、共享型企業(yè)，充分應用移動互聯(lián)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)和先進通信技術(shù)，實現(xiàn)電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)萬物互聯(lián)、人機交互，打造全面感知、信息高效處理、應用便捷的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)。“泛在物聯(lián)”是指任何時間、任何地點、任何人、任何物之間的信息連接和交互，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是泛在物聯(lián)網(wǎng)在電力行業(yè)的具體表現(xiàn)形式和應用落地，其內(nèi)涵包括連接的泛在化、終端的智能化、數(shù)據(jù)的共享化、服務的平臺化。

1 傳統(tǒng)智慧工地系統(tǒng)的架構(gòu)、功能與局限

傳統(tǒng)的智慧工地系統(tǒng)，主要包括五個層次，分別為數(shù)據(jù)顯示層、數(shù)據(jù)操作層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)采集層。數(shù)據(jù)采集層將前端監(jiān)測的數(shù)據(jù)信號通過數(shù)據(jù)傳輸層傳輸至數(shù)據(jù)處理層，數(shù)據(jù)處理層對前端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號進行處理并將處理結(jié)果進行存儲，通過數(shù)據(jù)操作層的操作從數(shù)據(jù)處理層中調(diào)出處理數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)顯示層顯示結(jié)果。

受制于現(xiàn)有的技術(shù)框架和技術(shù)水平，傳統(tǒng)智慧工地各子功能均為獨立系統(tǒng)，無法形成統(tǒng)一的監(jiān)視平臺，不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)融合度、業(yè)務橫向貫通程度、平臺的開放度和智能化服務水平，都還有待提升[5][6]。

2 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在智慧工地系統(tǒng)設(shè)計中的整體應用框架

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)要求，電力系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)要充分應用移動互聯(lián)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)、先進通信技術(shù)，實現(xiàn)電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)萬物互聯(lián)、人機交互，具有狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應用便捷靈活特征的智慧服務系統(tǒng)，包含感知層、網(wǎng)絡層、平臺層、應用層四層結(jié)構(gòu)。按照此原則，面向泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的智慧工地系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計也應貫徹這些理念，并應具有工作可靠、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、易于調(diào)試、維護、更換和日后擴展等特點[7][8]。

在已建立的各個系統(tǒng)基礎(chǔ)上，以現(xiàn)有系統(tǒng)為核心，以各子系統(tǒng)的信息流為紐帶，以“云大物移智鏈”等前沿技術(shù)為支撐，設(shè)計“智—云—網(wǎng)—邊—端”的應用框架。通過網(wǎng)絡、串行工業(yè)總線等方式進行接入安全監(jiān)測（應急指揮）中心，并通過系統(tǒng)本身的SDK或接口通信協(xié)議，實現(xiàn)系統(tǒng)對接，解決其信息孤島狀態(tài)。在盡可能保留原有功能的基礎(chǔ)上，通過平臺軟件系統(tǒng)各相關(guān)子系統(tǒng)進行有效地升級、改造、融合，建立符合泛在物聯(lián)內(nèi)涵要求的應用服務組件，與平臺有機整合為面向泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的智慧工地系統(tǒng)[9][10]。

3 面向泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的智慧工地系統(tǒng)設(shè)計方案

基于“云大物移智鏈”等前沿技術(shù)，江蘇句容抽水蓄能電站（以下簡稱句容電站）從全息感知、泛在連接、開放共享、融合創(chuàng)新等方面對傳統(tǒng)的智慧工地系統(tǒng)進行了提升，研發(fā)了智慧加水及計量系統(tǒng)、大壩填筑碾壓質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，創(chuàng)造性地進行了面向泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的智慧工地設(shè)計實踐。

3.1 設(shè)備布置

系統(tǒng)安全監(jiān)測（應急指揮）中心主要由安全監(jiān)測（應急指揮）中心集成系統(tǒng)服務器柜、安全監(jiān)測（應急指揮）中心視頻與安保監(jiān)控設(shè)備柜、門禁及人員定位系統(tǒng)設(shè)備柜、通信及應急廣播系統(tǒng)設(shè)備柜、UPS及配電柜等組成。視頻監(jiān)控終端、各工作站、廣播呼叫站布置于監(jiān)控臺上，液晶拼接屏安裝于室內(nèi)墻上。在電站的辦公及施工區(qū)域，分別設(shè)置出入口控制計算機、車輛出入控制系統(tǒng)設(shè)備、網(wǎng)絡攝像機、定位基站、應急廣播及電話終端以及設(shè)備箱，系統(tǒng)采用以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)地設(shè)備分別就近連接到設(shè)備箱內(nèi)。

3.2 系統(tǒng)平臺

系統(tǒng)平臺采用模塊化、分布式控制結(jié)構(gòu)，每個模塊既可獨立完成相應的單一功能操作，各區(qū)域的監(jiān)控功能分別由各個區(qū)域的現(xiàn)地設(shè)備完成；又可與其他模塊配合完成更加復雜的聯(lián)合功能操作，通過系統(tǒng)平臺實現(xiàn)對各子系統(tǒng)的自動化管理。平臺按扁平結(jié)構(gòu)、集中協(xié)調(diào)、分散監(jiān)控、統(tǒng)一界面、信息清晰、操控便捷、高可靠性的原則進行設(shè)計，可以長期在線穩(wěn)定運行。

系統(tǒng)具備很強的兼容性、針對性和實用性，為施工期視頻監(jiān)控系統(tǒng)、電站辦公自動化系統(tǒng)、新源公司應急指揮系統(tǒng)、電站工業(yè)電視系統(tǒng)和門禁系統(tǒng)、電站火災報警及消防控制系統(tǒng)、消防廣播系統(tǒng)等提供接口，設(shè)置合理的測點布置和軟件功能并能清晰、準確地完成系統(tǒng)的各項功能定位。系統(tǒng)采取可靠的抗干擾、抗震措施，防止大氣過電壓、電磁波、無線電、靜電和地震等造成系統(tǒng)設(shè)備的損壞和誤動作。系統(tǒng)對外網(wǎng)絡通信具有保障本系統(tǒng)安全運行的技術(shù)措施。

3.3 安全監(jiān)測（應急指揮）中心

安全監(jiān)測（應急指揮）中心是聯(lián)系各系統(tǒng)、實現(xiàn)集成顯示的中心控制室，具有安全監(jiān)測和應急指揮功能。中心實現(xiàn)的安全監(jiān)測主要功能為大屏顯示、數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)顯示、切換控制及擴展介入等。中心實現(xiàn)的應急指揮功能主要為遠程監(jiān)控、應急會商、應急管理、遠程圖像傳輸、聲音信號處理、與上級安全監(jiān)測（應急指揮）中心、與電站有關(guān)系統(tǒng)互聯(lián)互通等。

3.4 智慧加水及計量系統(tǒng)

智慧加水及精準計量系統(tǒng)，是通過物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)、RFID識別技術(shù)、稱重傳感技術(shù)、流量控制技術(shù)以及信息推送等關(guān)鍵技術(shù)相集成，當運料車輛進入地磅和感應區(qū)，自動識別車重、車牌號等信息，通過數(shù)據(jù)分析與大數(shù)據(jù)計算，系統(tǒng)自動計算運料重量、加水量等相關(guān)信息，自動發(fā)送指令控制電磁閥啟動加水流程，通過流量計嚴格控制加水量，同時通過LED顯示屏系統(tǒng)自動推送車牌、運料重量、正在加水、加水完成請駛離等信息指引司機快速計量、加水和通行。系統(tǒng)全過程可無人值守。

初期將車隊、車牌號、RFID卡號、車輛自重、加水比例等關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)，形成初始數(shù)據(jù)庫。運行過程中，系統(tǒng)通過與磅房系統(tǒng)、加水控制系統(tǒng)、車輛識別RFID系統(tǒng)、違規(guī)車輛視頻監(jiān)控系統(tǒng)形成數(shù)據(jù)對接，實現(xiàn)無人值守、智慧計量和加水功能，進行磅房計量及加水控制，見圖1。

該系統(tǒng)是句容電站面向泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)造性設(shè)計，有力規(guī)避了傳統(tǒng)加水及計量系統(tǒng)的一些缺陷。系統(tǒng)可自動識別自動加水，避免人工干預、確保工程質(zhì)量；可自動識別運料類型、自動稱重，通過大數(shù)據(jù)計算，實現(xiàn)精準加水、縮短加水時間（約45s），提高車輛通行率，節(jié)約水資源；可自動識別、自動稱重、自動統(tǒng)計報表，見圖2，保證數(shù)據(jù)的準確性、高效性，有效避免了傳統(tǒng)加水和計量系統(tǒng)的相應缺陷。

圖2 電站智慧加水系統(tǒng)自動報表Figure 2 Automatic report of wise water system for power station

3.5 大壩填筑碾壓質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)

大壩填筑碾壓質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)建立了“監(jiān)測—分析—反饋—處理”的大壩碾壓質(zhì)量監(jiān)控體系。實時動態(tài)監(jiān)控大壩碾壓機械的運行軌跡，定時自動監(jiān)測記錄碾壓機械的空間位置、振動力等技術(shù)參數(shù)，通過網(wǎng)絡傳輸技術(shù)，將工程信息輸入現(xiàn)場控制中心，對碾壓軌跡、速度、碾壓遍數(shù)、層厚等關(guān)鍵質(zhì)量指標實現(xiàn)實時分析與動態(tài)反饋。其現(xiàn)場結(jié)構(gòu)部署見圖3。

圖3 大壩填筑碾壓質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場結(jié)構(gòu)部署圖Figure 3 Field Structure Deployment Diagram of the Dam Filling and Rolling Quality Monitoring System

該系統(tǒng)包括基礎(chǔ)信息管理、碾壓施工過程實時監(jiān)控、碾壓施工過程指引、實時報警、碾壓成果管理等功能模塊，可進行施工單元管理、施工質(zhì)量控制參數(shù)管理、施工設(shè)備管理、碾壓軌跡監(jiān)控、碾壓遍數(shù)監(jiān)控、碾壓振動狀態(tài)監(jiān)控、碾壓速度監(jiān)控、施工設(shè)備超速報警、激振力不達標報警、碾壓遍數(shù)不達標報警、碾壓分析與成果輸出、碾壓過程回溯。

3.5.1 基礎(chǔ)信息管理

基礎(chǔ)信息管理包括施工單元管理、施工質(zhì)量控制參數(shù)管理、施工設(shè)備管理。

碾壓施工單元是在施工數(shù)字化管理平臺中對工程PBS結(jié)構(gòu)統(tǒng)一管理的基礎(chǔ)上，針對碾壓施工的特點，對施工部位進行細化管理，以滿足碾壓施工質(zhì)量監(jiān)控的要求，其界面見圖4。碾壓施工單元信息主要反映單元的高程信息（起高程、止高程），時間信息（起始時間、停工時間）、碾壓邊界信息等，按照設(shè)計圖紙進行碾壓施工單元定義。為了更加科學有效地分析碾壓質(zhì)量，系統(tǒng)還支持對碾壓施工單元內(nèi)部的埋件或儀器進行定位管理，在碾壓質(zhì)量分析、統(tǒng)計時將這些部位剔除。

圖4 施工單元管理的界面Figure 4 Interface of the Construction Unit Management

碾壓施工質(zhì)量控制參數(shù)是指用來指導或控制施工過程的相關(guān)技術(shù)與評價參數(shù)。包括不同的碾壓施工規(guī)則，主要包括不同分區(qū)的設(shè)計碾壓遍數(shù)，包括振動碾壓、無振碾壓遍數(shù)；碾壓車的速度范圍，最大、最小速度；不同部位的壓實度參數(shù)指標；不同部位的碾壓坯層厚度要求，攤鋪厚度、最終厚度及誤差范圍。

碾壓機信息管理主要是對碾壓機械的基本信息進行管理，包括機械類型、機械型號、編號、機械重量、碾輪質(zhì)量、碾輪寬度、有效碾壓寬度、標稱速度范圍、檔位信息等設(shè)備基本參數(shù)；儀器編碼、定位天線安裝部位（橫向、縱向偏移值、天線高度等）等設(shè)備監(jiān)控參數(shù)；設(shè)備操作手及相關(guān)狀態(tài)信息。

3.5.2 碾壓施工過程實時監(jiān)控

現(xiàn)場碾壓施工時，系統(tǒng)可實現(xiàn)營地總控中心和現(xiàn)場監(jiān)控中心“雙監(jiān)控”。

碾壓機械工作時，現(xiàn)場監(jiān)控實時同步顯示圖形化軌跡與碾壓覆蓋區(qū)域，對于超出設(shè)計施工部位的行走，系統(tǒng)自動進行標識，并支持分析統(tǒng)計。

系統(tǒng)可對碾壓監(jiān)控設(shè)備所傳送的定位數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換形成碾壓后的曲面，根據(jù)車輛碾壓所測量的數(shù)據(jù)在同一點不同時間位置的出現(xiàn)次數(shù)可以判斷出對每個點的碾壓次數(shù)，碾壓軌跡以壓輪寬為軌跡寬度，每重復一次的地方就用不同的顏色進行標識，從而統(tǒng)計和判斷出整個范圍內(nèi)碾壓遍數(shù)以及遍數(shù)范圍，見圖5。

圖5 碾壓遍數(shù)監(jiān)控的界面Figure 5 Interface of the Rolling Pass Monitoring

系統(tǒng)可通過振動加速度傳感器及采集器實時采集的數(shù)據(jù)，進行動態(tài)分析，實時展現(xiàn)振動碾的振動頻率，激振力等。

系統(tǒng)可跟蹤某個碾壓施工單元的碾壓過程，動態(tài)顯示其超速部位，統(tǒng)計其超速次數(shù)，超速距離。

3.5.3 碾壓施工過程指引

系統(tǒng)在碾壓車司機室內(nèi)安裝有工業(yè)智能平板，能同步顯示監(jiān)控中心程序?qū)崟r監(jiān)控內(nèi)容，包括動態(tài)軌跡、遍數(shù)、振動激振力等。該系統(tǒng)不僅僅是一個監(jiān)控系統(tǒng)，還能幫助碾壓車司機進行碾壓施工，無需采用翻牌模式記錄碾壓遍數(shù)可實時查看，無需通過監(jiān)控中心反饋當前碾壓情況，無需通過反饋能第一時間接收到報警信息并進行調(diào)整，大大提高了現(xiàn)場施工效率、降低溝通成本，屏蔽人為因素的干擾，夜間施工也同樣可以保證施工質(zhì)量，見圖6。

圖6 碾壓施工過程指引的界面Figure 6 Interface of the Rolling Construction Process Guidelines

3.5.4 實時報警

系統(tǒng)通過設(shè)置碾壓倉面的運行速度控制標準值，當碾壓機行駛出現(xiàn)超速狀況時，碾壓機駕駛室的工業(yè)平板會提示司機減速，另外監(jiān)控中心軟件也會彈出報警窗口，提示不達標的詳細內(nèi)容以及所在空間位置等。

當碾壓機械的激振力狀態(tài)不達標時，碾壓機駕駛室的工業(yè)智能平板電腦會提示司機減速，同時監(jiān)控中心軟件也會彈出報警窗口。

圖7 碾壓成果報告Figure 7 The Rolling Results Report

系統(tǒng)通過設(shè)置碾壓倉面的碾壓遍數(shù)控制標準值，當結(jié)束施工時倉面碾壓遍數(shù)不達標時，碾壓機駕駛室的工業(yè)平板程序和監(jiān)控中心軟件會同時自動發(fā)出報警，提示不達標的詳細內(nèi)容以及所在空間位置等。

3.5.5 碾壓成果管理

碾壓單元施工結(jié)束后，可對單元碾壓質(zhì)量的各項數(shù)據(jù)進行分析（包括碾壓遍數(shù)、碾壓速度、振碾與靜碾遍數(shù)、壓實厚度、高程分布等），且能生成單元質(zhì)量分析報告，見圖7，支持直接打印，作為碾壓工序質(zhì)量驗收評定的依據(jù)。

除了實時監(jiān)控碾壓的實際情況外, 由于所有的數(shù)據(jù)都已經(jīng)儲存在數(shù)據(jù)庫中, 因此系統(tǒng)還可以對已經(jīng)碾壓的全過程實際情況進行回放, 作為施工效果的評價依據(jù)。

3.6 其他系統(tǒng)

面向泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的智慧工地系統(tǒng)還包括洞室門禁和人員定位管理系統(tǒng)、視頻與安保監(jiān)控系統(tǒng)、應急廣播和通信系統(tǒng)、地質(zhì)預警系統(tǒng)、防墜保護系統(tǒng)。

3.6.1 洞室門禁和人員定位管理系統(tǒng)

洞室門禁和人員定位管理系統(tǒng)包括各工程現(xiàn)場主要出入口門禁和地下洞室人員定位管理，實現(xiàn)工程現(xiàn)場主要出入口人員進出監(jiān)控和洞室人員跟蹤定位，包括門禁管理、人員實時定位監(jiān)控、人員搜救、信息存儲、歷史軌跡回放、報警管理、地圖配置、分類檢索、用戶管理及打印等功能。

3.6.2 視頻與安保監(jiān)控系統(tǒng)

所有重點工程部位與治安防控重點部位均設(shè)置視頻監(jiān)控點，實現(xiàn)現(xiàn)場視頻實時監(jiān)控功能，系統(tǒng)具有視頻動態(tài)檢測和智能分析功能，能對特定的部分通道具有智能分析的功能，包括闖入特定區(qū)域、人物越線、物品搬移等，當檢測到電站內(nèi)重要區(qū)域有人員活動或其他危險時，可立即將該監(jiān)控區(qū)域的監(jiān)控畫面切換至視頻監(jiān)控終端顯示器上，并發(fā)出預警信號。

3.6.3 應急廣播和通信系統(tǒng)

工程所有重點防控部位均設(shè)置應急廣播和通信系統(tǒng)。系統(tǒng)可實現(xiàn)分組分區(qū)廣播，在監(jiān)測中心配置有智能呼叫話筒，用于本地播送語音通知或緊急廣播，可對不同區(qū)域進行不同內(nèi)容的信息廣播，并可實現(xiàn)手動、自動定時播放功能。通信系統(tǒng)可實現(xiàn)工程各防控部位之間的通信聯(lián)系。

3.6.4 地質(zhì)預警系統(tǒng)

在水工自動化監(jiān)測系統(tǒng)形成前，由專人負責將施工期安全監(jiān)測單位提供的安全監(jiān)測數(shù)據(jù)分析報告和設(shè)計院提供的地質(zhì)預警分析報告定期錄入到安全監(jiān)測（應急指揮）中心數(shù)據(jù)庫中，使相關(guān)人員能隨時調(diào)用安全監(jiān)測數(shù)據(jù)。水工自動化監(jiān)測系統(tǒng)形成后，負責將接入地質(zhì)預警系統(tǒng)實現(xiàn)水工設(shè)施、水情的安全分析和預警。

3.6.5 防墜保護系統(tǒng)

防墜保護系統(tǒng)用于地下洞室群高空作業(yè)和高臨邊等高處作業(yè)的防墜落保護，以下區(qū)域應置防墜保護裝置：在橋機兩側(cè)軌道、出線桿塔等場所建立永久性防墜保護系統(tǒng)。

4 結(jié)語

句容電站對智慧加水及計量系統(tǒng)、大壩填筑碾壓質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)和應用，對傳統(tǒng)智慧工地系統(tǒng)的創(chuàng)造性改良，在電站建設(shè)的過程中產(chǎn)生了巨大的效益，也是對建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的一個有意義的探索實踐，隨著工程進展，句容電站將洞室門禁和人員定位管理系統(tǒng)、視頻與安保監(jiān)控系統(tǒng)、應急廣播和通信系統(tǒng)、地質(zhì)預警系統(tǒng)、防墜保護系統(tǒng)等納入智慧工地系統(tǒng)設(shè)計方案。

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是未來的發(fā)展方向，其建設(shè)是一個系統(tǒng)、長期、動態(tài)的過程。同時，需要全產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)建立平臺化的技術(shù)生態(tài)圈，建設(shè)方、設(shè)計方、施工方和設(shè)備制造商等緊密配合，通力合作，以信息感知、分析評價、業(yè)務支撐、輔助應用的智能化為途徑，共同推動泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在智慧工地系統(tǒng)及其他水力發(fā)電場景中的應用發(fā)展。