基于WindowsCE 的電網大型設備運輸狀態實時監測系統設計

韓建偉，鄭立中，鄭逸非，周翔宇，張李明

（1.國網安徽省電力有限公司建設分公司，安徽合肥 230022；2.安徽電力工程監理有限公司，安徽合肥 230022）

電網大型設備（變壓器、組合電器）體積、重量大，在運輸過程中極易因慣性而發生振動、沖撞以及加速度、傾斜度變化等情況，對設備結構造成影響，由此帶來性能與安全隱患[1]。如設備采取充油、充氣運輸，一旦途中發生泄漏，則后果將更加嚴重。目前，變壓器、組合電器的運輸一般由專業運輸公司承運。在運輸過程中，雖然部分物流公司可提供近期運輸車輛的追蹤信息，但業主、監理、施工及廠家對設備狀態均無法及時獲悉，待運輸任務完成后才能確認產品的完整情況[2]。

目前，針對電網大型設備運輸狀態實時監測技術的研究較少，結合電網大型設備監造工作經驗與設備運輸、驗收的現狀，研究開發了一種功能可靠、安裝使用簡便的檢測工具或儀器，用于實時監測大型設備的運輸狀態，保證設備運輸過程風險可控、在控。該工具對于施工單位接收時出現問題的原因能夠合理追溯，可以填補目前設備制造完成出廠到施工現場驗收之間的監管空白，進一步保障電網設備質量安全[3]。同時，通過信息采集、異常報警、在線監控等手段，將設備運輸狀態按照物聯網模式進行管理，打造全網泛在互聯的智慧拼圖[4]。

1 系統模型構建

1.1 系統模塊組成

如圖1 所示，整個智能監控系統分為物聯網終端（前端車載監控系統）、物聯網平臺（通訊線路）、安全監管應用（智能車載監控后臺）3 個部分。

圖1 集成車載4G智能監控系統模型示意圖

1）前端車載監控系統：包括各種攝像設備、拾音器、報警按鈕、多功能調度屏、語音對講設備、北斗等。

2）通訊線路：包含前端移動傳輸4G 與后臺指揮中心以太網網絡。

3）智能車載監控后臺：使用無線網絡對各類車輛進行集中管理與監控的系統。該后臺通過收集運輸過程中的視頻、音頻及碰撞數據等來識別風險，為用戶提供設備狀態信息，必要時可實現預警，可以實現無線遠程實時視頻監控、車輛歷史行駛軌跡回放、車輛區域管理、查看報警信息等可視化決策[5]。

1.2 運輸運動模型

基于WindowsCE 操作系統的電網大型設備運輸狀態監測模型的構建使用參數識別的方法進行[6]，即首先尋找歷史數據和未來數據的規律，以及其與時間的關系。

電力變壓器運輸車輛的運動參數受多種因素的影響，其中既有車輛本身性能的影響，又有車輛運輸路線上的環境因素及行駛質量等[7]的影響。在實際運輸中，加速度一旦超限，則應立即采取相應措施，降低加速度并進行加固等措施。此時，控制獲取的加速度是測量并經過濾波得到的，帶有一定的時間延后。運輸環境、路線等因素的不確定性決定了變壓器運輸的加速度是一組隨機的時間序列。在實際運輸過程中，僅通過測量使用這一延后的加速度來控制調節，顯然是不夠的[8]。

文中通過研究歷史加速度與未來加速度之間的關系，采用一種線性擬合的算法預測加速度，以預測代替測量，從而實現提前執行相應控制。

線性預測是指利用一組隨機數據建立其與時間的關系，進而建立輸入數據與輸出數據的動態模型[9-10]。

運行模型是已發生輸出x()n 的線性組合，可以用式（1）進行表示：

上式中，n 為運行模型的階數，ai為待識別變量。

利用最小二乘法對參數ai進行預測(i=1,2,…,n)，定義ai的估計值為，輸出估計值為式（2）：

1.3 數據需求

該系統的數據來源包含但不局限于傳感器、監控視頻、音頻等電力設備車載運輸狀態信息的相關數據[11-13]，如表1 所示。

表1 電力設備狀態信息相關數據

2 系統硬件設計

系統硬件部分如圖2 所示，其中包括CPU、GPRS、ARM 微處理器、三維沖撞數據采集、GPS 全球定位系統、溫度/濕度采集、音頻/視頻數據采集、壓力數據采集及無線傳輸模塊。

圖2 系統硬件構建

1）ARM 微處理器

ARM 微處理器是一種低耗能終端，可以在一個周期內完成數據的收集、存儲等流程，可同時完成數據處理和移位，提高運行效率。

2）三維沖撞數據采集

三維沖撞數據采集模塊主要針對運輸過程的沖撞信息進行記錄，并帶有時間數據[14]。

3）GPS 全球定位系統

GPS 全球定位基于GPRS 與INTERNET 通訊網絡的監控調度系統，以B/S 或C/S 技術為依托，固定地址接入，處理來自終端的各種設備信息[15]。

4）溫度/濕度采集

為使PLC 實現對溫度信號的數字化處理與自動控制，使用熱電阻式溫度計的溫度模擬輸入單元。將各種溫度計轉換出的模擬信號在用戶任意設置的量程內線性轉換成數字量，并按工程單位重新標定為百分比型數據后，保存到PLC 相應的存儲字內。

5）音頻/視頻數據采集

視頻、音頻信息的采集需采用專門的采集芯片，處理器不參與采集過程。可以實現不占用內存空間的實時采集，適應大型設備運輸的特殊情況采集[16]。

6）壓力數據采集

壓力數據采集方面主要通過空氣壓力自動產生系統、電動液壓壓力發生系統來調整，收集后統一送至無線傳輸模塊。

7）無線傳輸模塊

無線傳輸模塊是一種基于無線通訊終端進行信息數據上傳的平臺，結合移動通信的短消息業務，為大型設備運行中的設備信息提供傳輸通道。

3 系統軟件分析

3.1 系統軟件

系統整體軟件架構以分層處理結構為基礎，主要包括實時內核、接口層、驅動層、協議層與應用層。

實時內核的作用是對系統任務進行調度，并負責延時處理、任務通信與系統的內存管理等工作。無論是任務調度，還是任務通信，對于系統的運行情況均具有直接影響。因此，實時內核部分也是系統調度的核心，應用層主要負責完成系統實際運行過程中的所需任務。

協議層主要負責對嵌入式系統的通信協議進行管理，對信息通信過程中的協議進行解析。系統驅動層主要負責為相關接口進行驅動工作，以保證下層接口的有效性。

3.2 應用軟件

電網大型設備運輸狀態遠程監測技術研究分為WEB 端、APP 端，共涉及運輸信息、參數曲線、視頻監控、后臺管理4 個業務域，共有30 個一級業務子域。

4 應用實驗與分析

在仿真實驗中，首先，根據車載終端嵌入式系統軟件設計的硬件開發環境選擇微軟WindowsCE 操作系統，采用Embedddcd VC++4.0 系統開發工具。其次，整個實驗考慮到軟件設計的可靠性，對于車載終端的平均無故障工作時間（MTBF）要求不低于3 000 h。終端嵌入式電源參數及各項指標要求如表2 所示。

車載終端嵌入式系統軟件基于以上設定，在系統軟件中，首先，需要提供監控信息，主要包括設備實時采集的關鍵運輸參數，如設備的雙軸傾角、車輛運輸速度、設備沖擊振動等；其次，應提供大型電力設備運輸途中的在線監測和控制能力，確保及時識別運輸風險，及時預防事故發生。通過可視化設計可以看到行車路徑的歷史回放結果。

表2 電源參數及各項指標要求

通過系統可視結果可知，該系統可以較優地用于實時監測大型電力設備運輸過程中，對設備運輸的進度、速度、狀態、操作合規性等涉及到運輸質量安全的信息均可進行實時監控及綜合預警。

5 結束語

文中通過在貨運車輛上安裝車載監控系統，有效解決了大型電力設備車載運輸在移動狀態下數據的可靠存儲與分析、自動預警、實時傳輸，并實現相關軟硬件的配套。借助4G 無線監控系統，管理人員能夠通過計算機或手機實時了解車載設備的地理位置、運輸狀態，全方位提高電網大型設備運輸狀態遠程監測能力。