基于物聯網技術的電力現場作業安全管理系統設計

徐越峰，馮 杰，紀云鴻，游 強，薛 釗

（國網陜西省電力公司，西安 710000）

0 引言

國家電網公司在21世紀初期就發布了“智能電網”計劃[1]，現已全面覆蓋各大企業運營、安全管理等各個領域，電網運行管理水平有了顯著提高。自國家電網公司到各網省公司以及基層單位，都在不斷探索和完善現代信息技術、先進通信技術與電力系統各環節、各領域的深度應用，致力于2024年建成泛在電力物聯網。

安全一直是電網建設和發展的永恒主題，國家電網公司始終把安全生產放在各項工作的首位，為了適應國民經濟提升、國家電網公司發展，必須確保國家供電系統安全穩定的運行及為百姓可靠供電。本文以電力現場作業安全管理為切入點，設計基于物聯網技術的電力現場作業安全管理系統設計，降低現場作業的風險性，提升安全管理水平。

1 電力現場作業安全管理系統硬件設計

1.1 基于管理違章工人的傳感器設計

系統硬件中的傳感器通常是由敏感元件和轉換元件兩部分組成（結構組成圖如圖1所示），有時還會加上輔助電源，敏感元件可以直接接收系統的數據信息，直接感受被測量，然后將數據信息傳遞到轉換元件，轉換元件會將敏感元件的信號輸出作為輸入，將敏感元件感知的非電量轉換成為電信號輸出，由于基于物聯網技術的電力現場作業安全管理系統輸出的信號都是非常弱的，所以要通過變換電路與信號調理將信號進行放大、調制等操作。

圖1 電力現場作業安全管理系統傳感器結構組成圖

在整個系統中，傳感器感知設備為本文安全管理系統的設計提供了物理變量、狀態信息以及變化感知等工具和手段，通過對現場作業數據信息的處理實現對現場作業違章工人的管理，保證現場作業的安全性和規范性，降低現場作業的風險性。

基于物聯網技術的電力現場作業安全管理系統傳感器結構采用結構式傳感器來接收安全管理系統發出的信號，通過數據庫系統對信號進行分析處理，保證了系統的穩定和安全，降低了工作人員的作業風險，在現場作業過程中，如果相關工作人員沒有按照國家電網公司的相關規定進行施工作業，電力現場作業安全管理系統當中的傳感器就會發出報警信號，系統將報警信號傳輸到后臺管理中樞，針對這一問題，在傳感器設計的基礎上，建立了現場作業風險模型（如圖2所示）[2]，該模型可以根據現場作業條件對現場的環境進行預測，如果作業環境不符合標準作業環境，那么此項工程計劃需要進一步改進和完善。

圖2 現場作業風險模型

1.2 基于工器具和人員安全的服務器設計

物聯網技術主要負責對數據信息的綜合分析和處理大量數據信息，并采用智能化的方式對現場作業風險進行決策和管理，保證現場作業人員和工器具的安全，降低國家電網公司工作人員的作業風險。物聯網、移動互聯、大數據分析、云計算、人工智能等技術是電力現場作業安全管理系統采用的主要技術。

電力現場作業安全管理系統基于物聯網技術進行服務器設計，主要解決國家電網信息處理和人與機器界面之間的問題，基于工器具和人員安全的服務器將采集到現場作業數據信息分別交給現場作業故障檢測服務器、工作人員情況匯總服務器和環境監測服務器處理，然后將數據信息發送到每一個現場作業數據信息統計終端，電力現場作業安全管理系統服務器構架圖如圖3所示[3]。

電力現場作業安全管理系統的服務器設計是基于物聯網技術，將現場作業的風險數據信息進行統計，并提前預警，實現了對現場作業的違背規定工作人員進行管理，同時還可以實時監測作業現場設備的故障問題以及對作業現場的環境進行提前預測分析，保證了現場作業過程中工人和作業工器具的安全。

圖3 電力現場作業安全管理系統服務器構架圖

國家電網公司基于物聯網技術對電力現場作業安全管理系統的服務器進行設計，實現實時接收數據信息、數據實時儲存、實時數據共享、歷史數據查詢以及歷史記錄的管理[4]，本文的服務器改進設計能夠有效降低現場作業的風險，保證國家電網公司現場作業相關數據能夠實時被監測。

2 電力現場作業安全管理系統硬件設計

2.1 基于風險預警的數據庫改進設計

基于管理違章工人的傳感器設計的基礎上，提高現場作業風險預警功能，降低國家電網公司工作人員的作業風險，加強對現場作業風險的預測及預警，保證電力現場作業安全系統的穩定是國家電網公司建設的必要條件。由于國家電網公司管理系統大多數的模塊都是以數據庫作為接口，改進現場作業安全管理系統的數據庫結構是實現現場作業風險預測的前提，同時也能保證國家電網公司信息查詢效率的提高。

基于物聯網技術將國家電網公司相關管理系統的數據庫進行改進設計時，首先要對數據庫的結構進行改進，即使數據庫中信息數據的增刪過程通常比較頻繁，且國家電網公司數據庫中的數據信息變化較多，但是系統的數據庫結構相對來說是比較穩定的，基于物聯網技術的數據庫一般采用的結構設計模式為三級結構模式，這種結構模式設計可以對現場作業風險進行提前預警，根據預警等級來判斷哪一個作業現場存在風險可能性較大，哪個時間段違章風險可能性較大，將電力現場作業安全系統的數據庫分為模式、模式以及外模式等三級軸象模式[5]，電力現場作業安全系統的數據庫三級模式如圖4所示。

圖4 電力現場作業安全管理系統的數據庫三級模式圖

為了降低國家電網公司工作人員的現場施工作業風險，系統的數據庫采用03版本進行安全管理系統的數據庫開發，主要是根據系統在運行過程中電力現場作業數據信息的管理以及前臺數據的存儲處理等工作。在基于風險預警的數據庫改進基礎上，得知系統的數據庫需要建立表格，主要包括國家電網公司設備的基本信息表、電網設備型號表、狀態信息表以及用戶基本數據信息表等，每一個表格之間都不是孤立存在的，是通過相關鍵關聯在一起的，共同構成了一個現場作業安全管理系統數據庫主體。

每一個表都是建立在物聯網技術上進行數據庫改進的，從而對現場作業風險提前預警。系統中用戶基本數據信息表主要是用來儲存用戶的詳細信息和訪問權限；電力設備的基本信息統計表是用來存放一些設備的基本信息；電網設備型號表的內容主要有電網設備的型號編碼以及設備類型名稱等相關信息。

2.2 基于現場風險判定的系統算法優化

為了判定哪個現場存在風險可能性較大以及哪個時間段違章風險可能性較大，本文基于工器具和人員安全的服務器設計的基礎上，提出SLIQ算法的優化設計來實現基于物聯網技術的電力現場作業安全管理系統的軟件設計。SLIQ算法是目前應用最廣泛的決策樹算法，是在SPRINT算法的基礎上設計的[6]，SPRINT算法的工作流程為：首先在作業現場所有元素中篩選出作業風險可能性最大的因素，再根據篩選的數據將國家電網公司數據劃分為若干個子集，對劃分每一個子集進行逐一判斷，最后選擇出一個影響力最大的因素；接著繼續對所選元素進行劃分，重復此步驟直到最后得到的子集只包含某一類型的數據為止。

SLIQ算法原理：設集合N包含n個國家電網公司數據樣本，類標號屬性可以用m個不同值來表示，對應的m個類別Mi，i {1，2，3，…，m}，設Mi中包含Ni個樣本，則對于一個給定的樣本分類所需要的期望信息為：設Q中有x個不同的數據值{n1，n2，n3，…，nx}，將集合A通過Q來進行劃分，可以將集合A劃分為x個子集{A1，A2，A3，…，Ax}，其中集合A中Q的取值為Qy的數據信息樣本都會在Ay中包含，如果Q是所選擇的測試屬性，設Axy是子集Ay中Mi的樣本數，那么Q劃分的子集計算結果為：

根據數據信息增益值可以看出，計算得到的E（Q）值越小，Gain（Q）的計算結果就越大，也就對電力現場作業安全管理越有利。

SLIQ算法的詳細步驟為：

1）從國家電網公司數據集合中隨機抽取一個子集，使子集中同時含有A和B；

2）采用SPRINT算法生成一棵該子集的決策樹；

3）判斷抽取子集意外的子集是否有使用步驟2）生成的決策樹，并根據電網信息，找出判定錯誤的子集；

4）如果有判定錯誤的子集，則將判定錯誤的子集重復步驟1）和步驟2）操作，重新生成決策樹；如果沒有判定錯誤的子集，說明生成的電網數據信息是可信任的，整個算法流程結束。

圖5為SLIQ算法的流程圖，其中訓練集是由X和Y組成的，X1、X2分別是X的子集，Y1和Y2分別是Y的 子集。

3 實例分析

圖5 SLIQ算法的流程圖

為了證明本文改進的系統設計可以降低現場作業的風險，提前對現場作業風險進行預警，利用初始國家電網公司相關管理系統，以及基于物聯網技術的電力現場作業安全管理系統，進行現場作業風險系數仿真實驗。

3.1 實驗過程

實驗過程中，準備10組不同環境的國家電網公司現場作業數據，進行仿真實驗，為了保證本次實驗的客觀性，模擬現場作業環境數據包括現場電壓、環境中空氣相對濕度、海拔高度、現場風向及風力大小、現場環境溫度等6組數據，利用兩個現場作業安全管理系統進行現場作業風險系數仿真實驗，其現場作業仿真環境數據如表1所示。

表1 現場作業仿真環境數據

仿真實驗開始之前，首先準備兩臺配置和型號完全相同的計算機，安裝piliant仿真軟件，根據表1的仿真環境數據，將準備的10組現場作業數據載入到仿真軟件中，在實際仿真驗證之前，要進行兩次空載實驗，保證整套仿真程序以及數據載入過程的穩定性。

接著根據仿真軟件的數據接口，分別連入初始國家電網公司相關管理系統，以及基于物聯網技術的電力現場作業安全管理系統，進行仿真實驗。為了更加明顯的對比實驗結果，引入現場作業風險系數作為實驗的對比指標，風險系數是評估國家電網公司信息是否安全的 指標。

3.2 實驗結果分析

根據兩種安全管理系統，在不同現場作業電壓的條件下，獲取的現場作業風險系數，繪制電力現場作業風險系數對比曲線，如圖6所示。

圖6 電力現場作業風險系數對比曲線

根據實驗結果可知，采用初始國家電網公司相關管理系統，以及基于物聯網技術的電力現場作業安全管理系統，在現場作業電壓非常小的時候都具有非常高的風險系數，但隨著現場作業電壓越來越接近現場作業標準電壓時，初始國家電網公司管理系統獲取的現場作業風險系數幾乎沒有變化，而本文提出的基于物聯網技術的電力現場作業安全管理系統，能有效降低現場作業的風險系數，因此可以采用基于物聯網技術的電力現場作業安全管理系統，提高國家電網公司現場違章管理水平，降低現場作業的風險。

4 結語

本文提出了基于物聯網技術的電力現場作業安全管理系統的設計，依托安全管理系統的硬件設計和軟件設計，實現了本文的改進研究。仿真實驗數據表明，本文設計的安全管理系統相比于初始系統，獲取的現場作業風險系數低，可以有效保證現場作業人員和工器具的安全。希望本文的研究能夠為國家電網公司管理系統的設計提供理論基礎。