基于GIS與物聯(lián)網(wǎng)集成的地下電纜井在線監(jiān)測系統(tǒng)

袁林峰，徐勇明，史建勛

（國網(wǎng)浙江嘉善縣供電有限公司，浙江 嘉善 314100）

配電網(wǎng)是整個電力系統(tǒng)中的一個重要部分，它負責將電力傳輸?shù)接脩簦叵码娎|井是配電網(wǎng)中的重要一環(huán)，它的穩(wěn)定運行與否對配電網(wǎng)安全運行起到關鍵作用。在電力井運維過程中，常常發(fā)現(xiàn)井蓋被盜；電纜中間接頭溫度異常后，不能及時獲取事故位置并及早處理，只能等完全爆燃，引起停電等安全事故后，才能到達現(xiàn)場處置；電纜井施工前，不能及時掌握井內水位信息和井內有毒氣體濃度情況，增加了施工風險和引發(fā)不必要的人員傷亡概率；敷設新電纜或電纜線路規(guī)劃時，不能查看電纜孔位利用、電纜安裝環(huán)境等井內現(xiàn)場情況。隨著物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計算技術的成熟，以及地理信息系統(tǒng)（GIS）技術的廣泛應用，利用三者集成技術對配電網(wǎng)絡中地下電纜井進行在線監(jiān)控變得必要和可能。文獻[1-2]提出了GIS與各類監(jiān)測設備集成系統(tǒng)的方法，但傳感器與監(jiān)控中心通信采用了光纖網(wǎng)絡，光纖網(wǎng)絡布設成本高，對不具備該條件的地區(qū)推廣難度大；所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸?shù)胶笈_進行分析和處理，效率低下且容易延時。文獻[3-6]提出了電纜井監(jiān)控的一些技術和手段，但沒有與GIS技術進行集成，各類監(jiān)控數(shù)據(jù)可視化還是傳統(tǒng)表格形式，沒有與被監(jiān)控物體空間位置結合起來，不夠直觀，未能發(fā)揮GIS空間定位、空間分析技術優(yōu)勢。

本文綜合各參考文獻資料，在地下電纜及設備普查成果數(shù)據(jù)庫基礎上，提出了基于GIS和物聯(lián)網(wǎng)集成的嘉善縣地下電纜井在線監(jiān)測應用研究的內容、技術方法，為電纜井的智能運維提供新思路、新方法。

1 系統(tǒng)設計

1.1 設計原則

安全性上，系統(tǒng)設計過程中，嚴格執(zhí)行國家電網(wǎng)信息系統(tǒng)建設規(guī)范[7]，各類傳感器數(shù)據(jù)傳輸要使用國家電網(wǎng)認可的網(wǎng)絡形式，如國家電網(wǎng)外網(wǎng)專用網(wǎng)絡，或采集的各類傳感器數(shù)據(jù)須經(jīng)國家電網(wǎng)認可的邊緣計算設備轉發(fā)后才能傳輸出去。本項目設計應考慮到未來擴展要求，在接口設計上考慮為其他設備接入留有余地。并在智能化系統(tǒng)、安防監(jiān)控系統(tǒng)的主要設備選型方面留有冗余；在系統(tǒng)運行過程中，要保證不同技術水平的人員能熟練使用系統(tǒng)，對一些基礎功能，要能利用可視化界面操作的方式進行配置。

1.2 系統(tǒng)主要設備

有害氣體傳感器模組：是使用MEMS氣體傳感器而研發(fā)的微型氣體傳感器件，可用于同時檢測和識別空氣中CO、H2S、CH4氣體的濃度。各類傳感器采用Modbus通信協(xié)議。

無線液位監(jiān)測終端模組：設備串行接口，電源采用TVS防浪涌保護設計，保證設備可靠性和穩(wěn)定性；提供穩(wěn)定可靠的NB-IoT網(wǎng)絡傳輸；支持UDP/COAP協(xié)議。

無線測溫模塊：通過高壓電場取電，本系統(tǒng)只需高壓系統(tǒng)有電即可，與負載電流大小無關。

井蓋監(jiān)控設備：實時監(jiān)測井蓋狀態(tài)，當有人開啟井蓋時，會通過短信、微信等方式向相關人員報警。

高清槍擊攝像機：攝像頭內安裝有存儲卡，用來存儲本地畫面，可隨時調取查看。

邊緣計算信息采集終端：主要用于接收各傳感器的實時數(shù)據(jù)，并進行相關計算分析，把最終結果統(tǒng)一傳送到云端，該設備具有邊緣計算功能：減輕云的負擔，提高系統(tǒng)實時性；異構接入：支持485以太網(wǎng)、Lora Wi-Fi等多種接口接入；多協(xié)議轉換：支持DLT645的101、104等多種規(guī)約的解析；多因子認證：身份認證，軟硬件數(shù)據(jù)加密等[9]。

由于井內無適合各設備使用的電源，故攝像頭和邊緣計算采集終端利用豎立在井外的太陽能帆板供電。

1.3 系統(tǒng)架構設計

系統(tǒng)中的測溫、液位、有毒氣體、井蓋翻動傳感器采集的信息，通過NB-IoT無線傳輸把數(shù)據(jù)發(fā)送給國家電網(wǎng)信息安全認證的邊緣計算信息采集裝置。對于視頻，由于采用的邊緣計算采集裝置對視頻數(shù)據(jù)接入效率較低，故視頻信息通過4G網(wǎng)絡發(fā)送到視頻信息服務器。邊緣計算信息采集裝置把收集到的監(jiān)測信息，通過國家電網(wǎng)VPN發(fā)送給監(jiān)測中心服務器。

監(jiān)測中心還有如下數(shù)據(jù)庫服務器，地圖服務器：用于發(fā)布所在區(qū)域的地圖瓦片服務（WMTS服務），各客戶端可在線調用所在地區(qū)地圖瓦片數(shù)據(jù)；地下電纜及設備臺賬數(shù)據(jù)庫：包含地下電纜及設備空間及屬性信息，在地圖上可查看其空間位置及屬性信息，各監(jiān)測信息可掛接在臺賬數(shù)據(jù)庫中對應的臺賬空間位置上，通過GIS實現(xiàn)地下電纜及設備臺賬信息與監(jiān)測信息的集成。系統(tǒng)運維管理數(shù)據(jù)庫：主要包括用戶數(shù)據(jù)、權限數(shù)據(jù)、角色數(shù)據(jù)、系統(tǒng)日志等。監(jiān)測平臺與各監(jiān)測設備通信通過UDP協(xié)議，根據(jù)通信協(xié)議具體規(guī)則，可把傳輸過來的一串字符解析成可辨識的內容，存入數(shù)據(jù)庫中。整個監(jiān)測平臺采用B/S架構實現(xiàn)，系統(tǒng)架構圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)技術路線

2.1 項目硬件安裝施工要求

由于地下電力井所處地理位置不同，有些井內電纜常年被水浸泡，安裝電纜中間接頭測溫設備時，要用防水膠帶包裹嚴實，防止進水；邊緣計算采集裝置也要采用達到IP66防水級別，井內信號可采用伸出井外的增益天線發(fā)射，根據(jù)項目經(jīng)驗，在有水浸的電纜上，無線信號在水中傳播非常不穩(wěn)定，測溫設備與邊緣計算采集設備之間通信采用有線連接方式。視頻攝像頭要根據(jù)井內水位情況選用不同防水級別攝像頭。

圖1 系統(tǒng)架構圖

2.2 系統(tǒng)軟件技術路線

軟件開發(fā)架構采用Visual Studio 2017 Asp.NET MVC4.7實現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫采用MongoDB，GIS功能（地圖底圖調用、地圖定位、空間分析等）采用開源的Leaflet實現(xiàn)。

2.2.1 整體實現(xiàn)思路

各傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)處理、入庫、視頻信息接入、前端頁面顯示的處理步驟如下：

傳感器數(shù)據(jù)傳輸利用UDP協(xié)議，服務端接收數(shù)據(jù)后利用Socket編程[10]，根據(jù)邊緣計算數(shù)據(jù)終端通訊協(xié)議進行解析，邊緣計算數(shù)據(jù)終端通信協(xié)議規(guī)則如表1所示（長度單位為字節(jié)）。

表1 邊緣計算通信協(xié)議規(guī)則

對采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)按通信協(xié)議規(guī)則進行解析，解析后獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)，把監(jiān)測數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，并與臺賬對應設備建立關聯(lián)關系。

預警規(guī)則庫建立，根據(jù)對歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，設置好溫度、水位、有毒氣體等的預警值，并在數(shù)據(jù)庫中建立規(guī)則庫。

前端系統(tǒng)界面根據(jù)臺賬空間數(shù)據(jù)，把電力井在地圖上用圖標表示，點擊某個圖標，利用HTML5的WebSocket協(xié)議，實現(xiàn)實時Socket通信，獲取服務端解析后的監(jiān)控數(shù)據(jù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)與規(guī)則庫中預警值進行比對，根據(jù)比對情況，在地圖上用不同顏色圖標進行預警，達到預警條件，則通過短信或微信方式把預警信息發(fā)送給相關人員。對于視頻信息，利用HTML5播放器VideoJS向遠程DTU服務器發(fā)送POST請求，獲取視頻數(shù)據(jù)[11]。

2.2.2 地圖瓦片離線發(fā)布技術

由于監(jiān)測中心位于內網(wǎng)，不能在線調用地圖底圖數(shù)據(jù)，目前，可利用商業(yè)軟件實現(xiàn)離線地圖調用，但從系統(tǒng)成本考慮，系統(tǒng)中根據(jù)OGC標準地圖服務規(guī)范，利用WPF開發(fā)技術和DotSpatial開源插件，實現(xiàn)了把谷歌、天地圖、百度等主流離線地圖數(shù)據(jù)發(fā)布成WMTS地圖服務功能，為系統(tǒng)應用提供標準的WMTS地圖服務。

2.2.3 傳感器數(shù)據(jù)存儲技術

由于嘉善縣目前安裝了傳感器的電纜井近500個，上述傳感器每天不間斷向服務器發(fā)送數(shù)據(jù)，日積月累，數(shù)據(jù)量顯著增大，為了對傳感器數(shù)據(jù)進行高效存儲，采用MongoDB作為數(shù)據(jù)庫，它可以很好地利用其兼具非關系型數(shù)據(jù)庫和關系型數(shù)據(jù)庫的部分功能和特點[10]。在C#環(huán)境中使用MongoDB，需要下載MongoDB.dll，作為C#操作MongoDB的驅動。為了提高數(shù)據(jù)存儲效率，對每個傳感器實時發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，與庫中該傳感器最近的一條記錄值進行比對，如果變化范圍在設定的規(guī)則內，則庫中不存儲該數(shù)據(jù)，表明該傳感器監(jiān)測值正常，否則，把該數(shù)據(jù)存入庫中，表明該傳感器監(jiān)測值異常，這樣可大大減少數(shù)據(jù)存儲量。

規(guī)則庫根據(jù)每個電纜井的位置、環(huán)境、季節(jié)、氣候等設置，并可在電纜運維過程中，根據(jù)經(jīng)驗進行規(guī)劃優(yōu)化。每個電纜井建立一個數(shù)據(jù)集，由于測溫、水位、有毒氣體每5 min向服務器發(fā)送一次數(shù)據(jù)，故每5 min把測溫傳感器、水位傳感器、有毒氣體傳感器數(shù)據(jù)生成一個數(shù)據(jù)文檔，一個電纜井內有多根電纜需測溫，故測溫設備有N臺，文檔結構如下：

{

id:'202',

WellID:'9a17e016-ed25-4774-afa5-

71fa66469d1f',

time:'2019-08-23 10:05:00',

datas:[

{

DeviceIMEI:869505046491724,

tem:28,

remarks:'測溫',

dlID:'5#'

},

?

{

DeviceIMEI:863434040377118,

CO:12,

remarks:'一氧化碳濃度(ppm)'

},

{

DeviceIMEI:869505046491401,

H2S:0.5,

remarks:'硫化氫濃度(ppm)'

},

{

DeviceIMEI:69505046513204,

WaterLel:0.8,

remarks:'水位高度(m)'

}

]

}

為了控制數(shù)據(jù)規(guī)模，每個電纜井的傳感器數(shù)據(jù)1個月覆蓋1次。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)效果

系統(tǒng)開發(fā)完成后，實現(xiàn)了如下主要功能：

地下電纜及設備臺賬GIS管理：在地圖上查看地下電纜和設備空間位置，臺賬屬性信息。

實時監(jiān)測信息管理：利用GIS作為切入點，在地圖上，點擊某個地下電纜井，可查看該井內各電纜的測溫信息、有毒氣體信息（主要是CO、CH4、HS）、井蓋翻動狀況、井內現(xiàn)場視頻信息等。根據(jù)監(jiān)測信息，自動進行預警分析，預警異常則把預警信息通過手機短信、微信等方式發(fā)送給相關人員。監(jiān)測信息統(tǒng)計報表，能生成監(jiān)測信息日報、周報、月報、年報等，分析各電纜井及設備運行情況，為相關部門提供決策依據(jù)。圖2為井內現(xiàn)場視頻信息查看效果，可查看任一時間節(jié)點的歷史視頻信息，并支持視頻信息的遠程下載功能。

GIS功能：矢量、影像地圖切換；面積、距離量測；新敷設電纜時，對規(guī)劃新線路上已有電纜井孔位占用情況進行空間分析，找出符合敷設要求的電纜井，主要實現(xiàn)思路是利用GIS緩存分析功能，對規(guī)劃路徑上50 m范圍內的電纜井進行空間查詢。如果某個井東南西北四個方向上最少有兩個未使用孔位，則該井被認為可作為敷設新電纜使用，否則不滿足敷設電纜要求。地圖上，把規(guī)劃路徑上滿足條件的電纜井用綠色圖標表示，不滿足條件的用紅色圖標表示，點擊某個電纜井圖標，可查看其東南西北四個面上孔位使用情況（已使用孔位、未使用孔位）。

對預警異常的電纜井，相關人員根據(jù)路網(wǎng)信息，通過GIS的路徑分析，自動進行路徑導航，使不熟悉路況的處置人員能夠以最快的時間到達現(xiàn)場，提高故障處理效率。根據(jù)預警信息情況，對有異常情況的電纜井用紅色圖標表示，全部正常的用綠色圖標表示，達到監(jiān)測信息地圖可視化表達效果，直觀明了。

系統(tǒng)運維管理：包括用戶管理、角色管理、部門管理、權限管理、角色權限分配管理、系統(tǒng)日志等。

4 結束語

利用物聯(lián)網(wǎng)和GIS集成在行業(yè)應用上發(fā)揮了重要作用，通過在嘉善縣部分地下電纜井電纜中間接頭安裝測溫傳感器、液位傳感器、井蓋翻動傳感器、井內有毒氣體傳感器，并利用GIS與監(jiān)測信息進行集成，對開發(fā)的主要技術路線進行了說明，對硬件施工要求也進行了一定說明。目前系統(tǒng)已投入使用，解決了傳統(tǒng)地下電纜井人工運維的弊端，提高了運維效率和信息傳輸?shù)陌踩裕瑸榈叵码娎|井智能運維提供了可行的解決方案。

圖2 視頻監(jiān)控信息查看