基于邊緣計算框架的電網基建智慧物聯體系研究與實踐

王曉波 韓東興 王東強

基于邊緣計算框架的電網基建智慧物聯體系研究與實踐

王曉波 韓東興 王東強

（國網信通產業集團北京國電通網絡技術有限公司，北京 102200）

電網基建規模的持續擴大，對其精益化管理提出了更高標準，驅動電網基建智慧物聯體系建設不斷深入。本文以邊緣計算框架定位及其在工地現場的靈活應用為切入點，在歸納電網基建工程現場物聯體系建設與管理需求的基礎上，以國網公司智慧物聯體系與邊緣計算框架相關標準為指導依據，提出基于邊緣計算框架的電網基建云邊協同體系與層次架構方案，并從設計實踐、應用實踐和功能實踐角度對電網基建智慧物聯體系當前的建設情況進行分析和總結。

智慧物聯體系；邊緣計算框架；云邊協同；電網基建物聯體系；工地感知

0 引言

隨著電網基建規模持續擴大，對工程管理能力提出了更高要求。電網基建工程以輸變電工程為主體，具有點多、面廣、線長、地偏等一系列特點，使工程現場管理面臨更多挑戰，也對工程精益化管理提出更高標準。同時，云計算、物聯網、邊緣計算、移動通信和人工智能等新一代信息通信技術的快速發展，為工程現場管理提供了更多創新手段，從而支撐工程現場管理能力提升。

通過在電網基建工程現場布置各類傳感器，以及搭載邊緣計算框架的各類邊緣物聯代理，實現對現場人、機、料、法、環、測等要素的自動感知與信息采集[1]，實現現場數據就地分析與閉環處理，并形成與云側平臺的云邊協同和業務互動[2]，構建電網基建智慧物聯體系，將有效提升電網基建現場管理能力，服務工程一線。

1 電網基建工程現場物聯建設與管理需求

以電網基建工程現場管理要素為切入點，可將其物聯建設需求按以下方面進行歸納。

1）人員監測與管理

管理要素主要是工程現場的各類人員及其關聯的安全工器具，通過對現場人員身份、實時位置、圖像和視頻信息等的監測，實現對人員身份、到崗到位情況和安全作業狀態的在線管理。

2）環境監測與預警

管理要素主要是工程現場各類內外部環境，既包括工程現場的廣域氣象環境監測，也包括有限空間作業中對各類有害氣體的實時監測、電氣主設備安裝環境下對環境潔凈度的實時監測，以及對高邊坡地形、建筑本體和主設備基礎等的地質狀態監測。

3）施工裝備監測與預警

管理要素主要是用于輸變電工程機械化施工的各類施工裝備，包括用于架空線路工程組塔階段的抱桿拉線與承托繩拉力監測、張力放線階段的牽引機與張力機監測，以及用于變電工程土建階段的樁基和壓實作業監測、電氣施工階段的真空凈油機與抽氣機監測等。

4）高危環節監測與管理

管理要素主要是與工程安全密切相關的高危環節和特種設備，包括深基坑在線監測、高大支模在線監測、塔吊運行狀態實時監測、升降機運行狀態實時監測、配電箱與用電安全情況監測，以及通過對風險作業視頻與圖像進行安全違章智能識別，實現對工程安全的在線監督與管理[3]。

5）質量檢驗檢測與管理

管理要素主要是與輸變電工程質量相關的實測實量數據和電氣試驗數據，包括鋼筋與導線材料直徑、建構筑物與基礎結構尺寸、防雷接地與設備接地電阻、地腳螺栓緊固扭矩、線路弧垂尺寸等質量實測實量數據，以及對電氣一次設備交接試驗相關數據的監測，實現對工程質量的在線管理[4]。

2 電力智慧物聯體系與邊緣計算框架

國家電網有限公司于2019年開始智慧物聯體系相關的設計與部署工作，并于2021年相繼發布了相關企業標準，形成了國網公司智慧物聯體系[5]。

2.1 智慧物聯體系

智慧物聯體系包括云端平臺、搭載邊緣計算框架與邊緣側應用程序（application, APP）的邊緣物聯代理、感知層終端，以及貫穿其中的物模型等多個部分，整體構成“云-管-邊-端”四級體系層次[6-7]。智慧物聯體系層次如圖1所示。

圖1 智慧物聯體系層次

云是指部署在云端的物聯管理平臺及各專業上層應用，管是指聯通邊端側與云側的各類遠程通信網絡，邊是指部署在區域現場具備邊緣計算和云邊互動能力的軟硬件系統，端是指部署在采集對象內部或附近的各類終端與傳感器。

2.2 邊緣計算框架

在以邊緣為核心的“云-管-邊-端”四層體系架構中，邊緣計算框架發揮著關鍵作用，其在智慧物聯體系中的功能定位如圖2所示。

結合功能定位和電網基建業務需要，可將邊緣計算框架的作用歸納為如下三點[8-9]。

1）電網基建業務邊緣計算的平臺基礎

邊緣計算框架將網絡通信、分析計算、數據存儲、資源與應用管理等邊緣能力融為一體，是電網基建業務邊緣計算的平臺基礎，基于容器技術，可在不同基建現場各類硬件搭載，提供邊緣平臺服務。

2）賦能電網基建邊緣側APP

可面向各類電網基建邊緣側APP，通過開放其通信、數據、模型等基礎服務能力，使各類電網基建邊緣側APP（含采集APP和業務APP）聚焦于電網基建業務自身，滿足快速開發和靈活部署需要。

圖2 邊緣計算框架功能定位

3）電網基建云邊協同的樞紐

邊緣計算框架利用標準通信協議，對上面向云端實現電網基建業務協同和設備、容器、應用的交互協同，對下面向電網基建現場各類端設備提供數據上報、命令下發等通信樞紐服務。

2.3 標準物聯模型

面對類型豐富、功能各異的端設備，為解決其數據格式不統一、傳輸協議多樣化造成的數據處理與邊緣計算問題，在智慧物聯體系中引入標準物聯模型[10]。

物聯模型通過屬性、事件、服務三個維度實現對端設備數據信息統一化描述，支撐各類感知數據信息在云、邊間的標準化交互。

3 基于邊緣計算框架的智慧基建云邊協同架構

3.1 總體架構

電網基建智慧物聯體系在總體架構上可劃分為面向工程現場的工地感知層和邊緣自治層，以及面向總部和省公司的遠程監管層。電網基建智慧物聯總體架構如圖3所示。

3.2 工地感知層

工地感知層主要部署各類工地感知設備用于數據采集，利用有線、無線保真（wireless fidelity, WiFi）、遠距離無線電（long range radio, LoRa）、射頻識別（radio frequency identification, RFID）、藍牙等組成工地物聯網實現本地通信[11-13]，電網基建工程感知設備及其采集數據如下。

人員監測與管理類設備：利用智能安全帽感知現場音視頻和人員位置等信息，利用智能手環監測人員體溫、心率、血氧等健康指標，利用穿戴式近電感知設備感知近電距離。

環境監測與預警類設備：利用室外環境監測設備感知施工現場的溫濕度、風速風向、揚塵噪聲等參數，利用主設備安裝環境監測設備感知安裝環境中的微粒子、溫濕度、微正壓等參數，利用有限空間環境監測設備感知含氧量、有害氣體含量等參數。

施工裝備監測與預警類設備：利用拉力和傾角傳感器感知抱桿組塔中的拉線拉力與抱桿傾角，利用牽引機與張力機智能監測設備感知張力架線中的牽引力、張力、放線速度等關鍵參數，利用樁基作業智能監測終端感知樁深、樁垂直度等參數。

高危環節監測與管理類設備：利用深基坑在線監測裝置感知土體沉降、應力等參數，塔吊運行狀態實時監測裝置感知力矩、載重等參數，利用施工用電監測裝置感知主配、分配、末配電流和剩余電流等參數，利用布控球等視頻與智能分析設備，感知風險作業現場視頻圖像與違章作業信息。

質量檢驗檢測與管理類設備：利用藍牙游標卡尺和數顯卷尺感知鋼筋、導線、基礎結構尺寸參數，利用藍牙接地電阻測試儀感知防雷接地、桿塔接地、設備接地電阻參數，利用藍牙扭矩扳手感知螺栓緊固扭矩參數，利用交接試驗智能采集終端感知一次設備交接試驗數據。

3.3 邊緣自治層

邊緣自治層主要部署搭載邊緣計算框架的各類型邊緣物聯代理[14-15]，以邊端分離、邊端融合和邊緣節點三種功能形態，面向工地現場不同管理需求，實現邊緣就地分析、智慧工地管理和云邊協同交互。

專用硬件型邊緣物聯代理：配置硬件平臺化的邊端分離型專用硬件，通過采集APP實現人員監測與管理類設備、環境監測與預警類設備、施工裝備監測與預警類設備、高危環節監測與管理類設備的在線接入與數據采集。同時，按需構建業務APP進行業務處理，向具備現場管理能力的業務應用提供業務數據，協同其開展現場管理業務。

移動終端型邊緣物聯代理：在工地現場的移動APP中搭載邊緣計算框架，使其成為邊端融合型邊緣物聯代理，利用移動APP的硬件資源和藍牙通信能力，通過采集APP實現質量檢驗檢測與管理類設備的在線接入與數據采集。同時，通過與專用邊緣代理設備的邊緣協同，根據現場管理需要，實現現場移動APP的各項現場管理功能。

圖3 電網基建智慧物聯總體架構

服務器型邊緣物聯代理：在工地現場配置通用型服務器，并在其中搭載邊緣計算框架，使其成為邊緣節點型邊緣物聯代理，一方面，通過與專用硬件型邊緣代理和移動終端型邊緣物聯代理的邊緣協同，實現各類物模型化感知數據的集中匯聚和處理，另一方面，結合工地現場管理需要，提供智慧工地各項高級管理應用與功能。

此外，隨著圖像處理、機器視覺等技術的不斷發展，在邊緣物聯代理中配置低功耗高算力專用硬件并搭載電網基建專用算法模型，利用深度學習的目標檢測、人體姿態識別等智能分析技術，實現對電網基建工程現場多區域、全天候違章行為的自動檢測與分析，提升邊緣分析智能化水平。

3.4 遠程監管層

遠程監管層主要部署實時告警類、綜合查詢類、高級分析類、接口服務類等平臺應用功能[16]。

實時告警類功能：實現對人員管理、工地環境、施工裝備、高危環節、質量檢驗檢測管理的實時綜合告警，并對重要告警進行即時推送與提醒。

綜合查詢類功能：實現對人員監測、環境監測、施工裝備監測、高危環節監測和質量檢驗檢測相關感知數據的綜合查詢和綜合展示。

高級分析類功能：結合輸變電工程對進度、安全、質量、技術、造價、綜合等專業管理的需要，進行進度跟蹤、安全作業、質量控制、指標分析等高級分析、預警與管理。

接口服務類功能：實現云側平臺與基建邊緣物聯代理在設備管理、容器管理、應用管理和業務交互上的接口與數據交互。

4 電網基建智慧物聯體系建設與實踐

4.1 邊緣計算框架與基建邊緣物聯代理設計實踐

在電網基建智慧物聯體系建設中，邊緣物聯代理處于關鍵環節，而邊緣計算框架作為邊緣物聯代理的基礎平臺，既是聯通上下的交互樞紐和承載邊緣自治的調控核心，更是滿足基建業務高效迭代的關鍵所在。為實現這些目標，需要依托邊緣計算框架，在邊緣物聯代理中實現三解耦，即軟件運行與硬件選型解耦、業務建設與平臺框架解耦、數據采集與業務應用解耦。邊緣物聯代理解耦示意圖如圖4所示。

圖4 邊緣物聯代理解耦示意圖

軟件運行與硬件選型解耦：由于電網基建工程類型規模不同、管理要素有別、感知需求各異，決定了其對于邊緣物聯代理的硬件資源需求存在明顯差異，因此邊緣計算框架必須依托容器化技術，實現與各工程現場邊端分離型和邊緣融合型專用硬件、邊緣節點型通用服務器的解耦，更好滿足各類工程現場的配置和實施需要。

業務建設與平臺框架解耦：基于邊緣計算框架提供的數據共享庫、消息服務中心、資源與應用管理、標準對外交互接口等基礎服務能力，電網基建工程業務與應用只需關注自身業務需求和功能邏輯，通過在邊緣計算框架環境中，開發基建各類業務專用的邊緣側APP微應用，并根據業務需求和管理需要實現高效迭代即可。

數據采集與業務應用解耦：為進一步提升業務功能建設的靈活性和高效性，將邊緣側APP進一步劃分為采集APP與業務APP。采集APP面向現場端設備，聚焦于設備緊耦合相關的協議適配與數據采集等功能，并將采集數據進行物模型轉換后在邊緣計算框架中保存。業務APP面向工程現場和云端平臺的管理需要，基于邊緣計算框架中的物模型化數據，聚焦于業務緊耦合相關的數據處理和業務分析功能。兩者的分離與解耦，即能保證采集APP的長期穩定運行，又能支撐業務APP的高效迭代。

基于以上解耦原則，在工程實踐與實際應用中，進行邊緣計算框架的研發，具體功能包括設備管理、模型管理、應用管理、任務管理、算法管理、事件管理與系統管理等。邊緣計算框架功能界面如圖5所示。

4.2 基于邊緣計算框架的邊緣物聯代理應用實踐

1）專用硬件型邊緣物聯代理應用實踐

應用于電網基建工程現場的專用硬件型邊緣物聯代理，采用專用硬件并搭載邊緣計算框架，實現對于多種感知設備的南向集中接入，進行數據管理和邊緣計算，通過數據交互與同級邊緣物聯代理實現邊緣協同，通過北向交互接口實現與云側平臺云邊協同。

在硬件資源配置上，結合輸變電工程現場特點，綜合評估通信能力需要、軟件資源需求、工地環境因素和基建作業特點等，除滿足邊緣物聯代理基本技術要求外，還應特別考慮如下因素：

（1）在防護等級上不低于IP65，以滿足戶外工地環境下的設備部署要求。

（2）具備自帶電池獨立工作能力，電池供電條件下可至少連續工作8h，以解決供電不便問題。

（3）本地通信支持WiFi、LoRa、藍牙等無線通信方式，遠程通信支持3G/4G/5G等無線公網方式，以解決有線網絡難于布設的問題。

在工程實踐與實際應用中，根據電網基建工程類型和規模差異，綜合考慮設備計算存儲能力要求、外形尺寸與重量等因素，為線路工程與小型變電工程研發了基礎型設備，為大中型變電工程研發了增強型設備。專用硬件型邊緣物聯代理如圖6所示。

圖5 邊緣計算框架功能界面

圖6 專用硬件型邊緣物聯代理

2）移動終端型邊緣物聯代理與移動應用融合實踐

智能移動終端在偏遠、分散的電網基建工程管理中，具有重要作用。利用智能移動終端搭載邊緣計算框架，既能發揮其在工程現場管理中的便攜優勢，又能深度融入基建物聯體系，助力現場物聯管理與移動應用深度融合。

結合管理需要，在工程實踐與實際應用中，移動終端具體功能包括物聯看板、設備統計、告警統計、人員穿戴設備、工程環境、施工機械、安全監測與質量檢驗功能。現場移動終端功能界面如圖7所示。

圖7 現場移動終端功能界面

3）服務器型邊緣物聯代理與智慧工地管理融合實踐

在規模較大、管理要求高的高電壓等級電網基建工程現場，可依托通用型服務器或工控機搭載邊緣計算框架，通過建設智慧工地管理相關高級功能，實現邊緣協同和工地自治，進一步提升工程的物聯管理能力和精益化管控水平。

結合管理需要，在工程實踐與實際應用中，智慧工地具體功能包括工程管理、建設資源管理、場地空間管理、視頻監控交互、安全施工監測、系統管理功能。智慧工地功能界面如圖8所示。

圖8 智慧工地功能界面

4.3 基建平臺功能建設實踐

基建平臺即基建全過程綜合數字化管理平臺，為電網基建各管理層級與參與單位提供了基建專業管理、全過程支撐和工程信息服務，是基建數字化管理和數據價值挖掘的工作平臺。其與物聯管理平臺一起，形成了電網基建智慧物聯體系的云側平臺，承載著電網基建智慧物聯體系遠程監管功能。

結合管理需要，在工程實踐與實際應用中，基建平臺具體功能包括工程統計情況、設備與工器具、參建隊伍應用率、質量巡檢、風險到崗到位統計功能。基建平臺功能界面如圖9所示。

5 結論

本文通過分析電網基建工程現場物聯建設在人員監測與管理、環境監測與預警、施工裝備監測與預警、高危環節監測與管理、質量檢驗檢測與管理方面的需求，以國網公司智慧物聯體系與邊緣計算框架相關標準為指導依據，提出了基于邊緣計算框架的電網基建物聯體系在工地感知層、邊緣自治層和遠程監管層的架構，并從設計實踐、應用實踐和功能實踐角度進行了歸納。

在電網基建數字化和信息化重心持續深入地向工程現場下移的趨勢下，實時感知、邊緣自治、云邊協同的智慧物聯技術發揮了越來越關鍵的作用，支撐工地現場管理方式從信息填報向實時感知加速演進，并以數據為紐帶促進更多智能化管控手段不斷涌現。隨著電網基建業務管理“六精四化”持續推進，以及國網智慧物聯體系和企業中臺建設的不斷深入，電網基建智慧物聯體系將在業務和技術的雙輪驅動下，在廣度上向支撐人、機、料、法、環、測等要素全面感知擴展，在深度上向賦能進度、安全、質量、技術、造價、綜合各專業融合創新推進。

圖9 基建平臺功能界面

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Research and practice of smart internet of things system for power grid infrastructure based on edge computing framework

WANG Xiaobo HAN Dongxing WANG Dongqiang

(Beijing Guodiantong Network Technology Co., Ltd, State Grid Info & Telecom Group, Beijing 102200)

As the scale of power grid capital construction continues to expand, higher standards have been put forward for its lean management, driving the continuous deepening of the construction of the smart internet of things system for power grid capital construction. This paper takes the positioning of the edge computing framework and its flexible application on the construction site as the starting point. On the basis of summarizing the construction and management requirements of the on-site internet of things system for power grid capital construction, it is guided by the relevant standards of the State Grid Corporation’s smart internet of things system and edge computing framework. Based on this, a cloud-edge collaboration system and hierarchical architecture scheme for power grid capital construction based on the edge computing framework is proposed, and the current construction of the power grid capital construction smart internet of things system is analyzed and summarized from the perspectives of design practice, application practice and functional practice.

smart internet of things system; edge computing framework; cloud edge collaboration; grid infrastructure internet of things system; construction plant perception

2022-06-27

2022-07-10

王曉波（1976—），男，陜西省岐山縣人，碩士，高級工程師，主要從事電力數字化與信息化、電力基建管理、電力調度與交易業務研究工作。