面向电网作业智能可穿戴系统体系架构设计与研究

鲍兴川

(全球能源互联网研究院信息通信研究所，江苏 南京 211106)

面向电网作业智能可穿戴系统体系架构设计与研究

鲍兴川

(全球能源互联网研究院信息通信研究所，江苏 南京211106)

随着电网规模日益扩大，传统作业模式已不能适应电网发展，而智能可穿戴设备是未来计算机形态和体系的重要发展方向。基于增强现实的智能可穿戴技术可以提升电网作业工作质量、效率及安全作业水平。通过面向电网输、变、配作业应用场景调研，结合智能可穿戴、通信网络及其后台服务技术，提出了针对电网作业的智能可穿戴系统解决方案，设计了适合电网作业的智能可穿戴系统体系总体技术架构，包括其前端电网作业智能可穿戴终端设备的硬件系统、系统软件和应用软件架构，以及为前端应用服务的后台服务软件架构等。该套架构设计方案已经在多个科研项目的电力作业现场试点验证。应用效果证明，该方案切实改进了电网作业工作方式，提高了作业质量、工作效率及标准化水平，并能够辅助解决作业人员人身安全监护问题。该方案对当前智能可穿戴技术在电网作业的应用研究和实施具有一定的指导、示范意义。

电力能源； 人工智能； 智能可穿戴系统； 增强现实； 智能终端； 后台服务; 云服务； 无线通信网络

0 引言

随着电网规模的日益扩大和新型设备的投产，电网设备安装、运行、检修面临资料繁多、步骤复杂、设备拆装精准度高以及人员水平不一等问题，传统作业模式已不能适应电网发展要求。在电网设备安装作业方面，新型设备、大型设备不断涌现，安装作业的执行环节更加复杂，安装步骤流程及精度、准确度要求高，作业复杂程度大大提高，导致安装作业效率低、质量难以保证。在电网设备的运行、检修作业方面，运检作业人员难以在作业现场快速、全面地掌握设备信息并根据趋势判断设备状态；同时，标准化作业指导卡与实际操作未能实现无缝衔接，工作模式有待改进。通过移动互联技术，虽然可以应用手机、掌上计算机实现部分现场信息的实时采集、同步及分析，但在交互中占用双手，影响视线，因此现场作业指导、协作能力较弱。而智能穿戴设备集成多媒体、传感器、无线通信等多种技术，支持语音识别、手势识别、头部动作等多种友好的交互方式，能够无遮挡地叠加和融合各类信息，及时提供所需的智能互联服务。

增强现实(argmentedreality,AR)技术则将真实世界信息和虚拟世界信息无缝集成，使真实环境和虚拟物体实时叠加到同一个画面或空间。基于增强现实的智能穿戴设备，使作业人员可通过前端多维信息展示、后台历史数据趋势分析、远程协作支持实现智能化作业指导。目前，基于增强现实的智能穿戴技术已在消费电子、工业、医疗等领域中取得多项创新应用，通过引入增强现实技术，给电网设备的安装、运行、检修作业带来了新的信息化、智能化解决方案。因此，有必要开展基于增强现实的电网作业智能穿戴技术研究。

目前，其系统体系架构设计是当前研究的热点。基于其系统体系架构设计和开发的电网作业系统，可以提高电网作业人员在设备安装、检修作业的工作质量、工作效率及标准化水平，带来可观的经济效益和社会效益[1-2]。

1 应用场景

本文设计和研究的电网作业智能穿戴技术架构，需针对现场作业的需求。具体需求分析从电网设备安装、运行、检修作业展开，从一线人员作业过程出发，通过可穿戴设备辅助其完成每一项具体任务，内容包括作业情景感知、路线规划导航、运行状态分析、作业场景识别、可视化协作、辅助分析指导等，切实解决一线员工在信息采集、获取、传输与分析等方面的技术局限性，以及操作不便等实际问题。

经充分调研输电、变电、配电等不同现场作业环境及其作业内容，并与各现场一线工作人员进行深入交流后，梳理了输电、变电、配电不同的业务详细需求及应用场景。输电、变电、配电业务的详细作业需求包括输电、变电、配电在现场作业中的共同需求及其各自的特有需求。

①共同需求。

输电、变电、配电现场作业中存在的共同需求有：标准作业指导卡信息化、现场取证(录音、录像、拍照)、人员定位、资料查询、远程会商(n对n)、现场协助(1对1)、备品备件仓储管理、各种报表管理、现场作业增强现实辅助、作业人员生命体征监测、设备外观查看等。

②变电作业特有需求。

变电现场作业中存在的特有需求主要集中在运检领域，如红外测温、表计识别、指示灯识别、油位识别、设备状态监视、噪声识别等。

③输电作业特有需求。

输电现场巡检作业中存在的特有需求有：输电线安全距离测量、设备野外耐荷、电池供电长续航、野外现场通信、远距离红外测温、硬件三防(防水、防震、防尘)等。

④配电作业特有需求。

配电现场巡检作业中存在的需求有：配电抢修室内定位及导航、电话通信、红外测温、表计识别等。

2 解决方案

2.1电网作业智能可穿戴系统总体架构

电力智能可穿戴研究最终要实现建设电力系统工业级穿戴设备研发基础平台和协同体系，实现满足电力应用需求的定制化穿戴硬件设备及后台作业支持系统，提升电力作业的信息化、智能化水平。按照以上需求调研的情况，所设计的面向电网作业的电力智能可穿戴系统架构如图1所示。

图1 智能可穿戴系统架构图

2.2通信网络方案

2.2.1变电作业通信方案

智能安全帽与智能手表(环)之间的通信采用蓝牙4.0技术，实现LED灯开关及亮度调整、近电报警器自检及灵敏度调整、摄像、拍照、红外热像图等数据和控制信号的传输。

在变电站四面围墙的中间位置布置WiFi接入点(accesspoint，AP)，并在变电站设备区中心处布置1个AP，智能头盔和智能手表通过WiFi无线连接到AP，AP与交换系统之间以有线以太网连接。作业人员与后台系统之间的通信信息包括人员位置、音视频、照片、语音通话、红外热像图、设备参数、身体异常报警、近电报警、SF6报警、跌倒报警、紧急情况报警等数据和控制信号。

GPS定位精度低且抗干扰性能差，不适用于变电站内的复杂环境。利用变电站内的卫星定位基准站和布置的5个AP，与智能头盔上的WiFi定位辅助、GPS实现卫星信号差分定位，并结合基于信号接收强度的二次定位方法，可确保定位精度在25cm以内，以满足变电站内巡视路径跟踪及防止误入带电间隔的需要[3-4]。

2.2.2输电作业通信方案

在远离变电站的输电线路杆塔上下作业时，与监控系统的通信由智能头盔上的LTE-4G通信方式实现。智能手环、智能眼镜、智能手套等信息，由智能头盔通过蓝牙以穿戴在单个作业人员为单位进行信息融合后上传。由于不需要巡视路径跟踪及防止误入带电间隔，因此人员定位不需要达到变电站内的精度要求，定位方法采用GPS或北斗，以及长期演进(longtermevolution,LTE)辅助定位的方案[5]。

3 电网作业智能可穿戴终端

3.1终端设备硬件架构

根据电网作业场景需求，并结合现有作业装备可知：面向电网作业的可穿戴定制化设备主要包括智能头盔、智能眼镜、智能手套、腕带式人体生命体征监测装置等。

①智能头盔。

智能头盔设备，具有双目显示增强现实、无线通信、音视频输入输出、GPS定位、近电告警、红外测温等功能。具体功能包括：显示功能具备32°以上的可视广角，允许第三方程序调用头部追踪功能，使用陀螺仪感应器配合AR技术产生增强现实代入感。头盔集成陀螺仪、磁罗盘、加速度计等各种传感器，安装支持摄影的摄像头，并集成WiFi、视频播放元件，支持蓝牙、LTE-4G功能[6]。智能头盔硬件架构如图2所示。

图2 智能头盔硬件架构图

②智能眼镜。

智能眼镜设备具有增强现实、高清晰摄像、多传感、内置大容量存储等功能。智能眼镜能够简单地处理多媒体信息，在低强度使用情况下保证一定的工作时间。其硬件电路架构与智能头盔类似[7]。

③智能手套。

智能手套用于实现人体与设备间体感交互功能。通过内置的传感器(识别手部动作)和蓝牙模块(用于与手机相连接)，佩戴者能够用大拇指与其他手指单击或双击来完成对各种设备的控制，其中包括多媒体数据的操作。手掌部位的激活传感器确保只有在用户有需求时才会对其他设备进行控制。智能手套基本上是四季通用的，同时手套内置的无线控制组件是可拆卸的。智能手套软件具有开放的API接口，提供给第三方开发者在API接口上开发出相应的应用APP[8-9]。

④腕带式人体生命体征监测装置。

腕带式人体生命体征监测装置一般以手环的形式出现，其集成ECG心电、PPG脉搏、红外测温等生命体征传感器和九轴陀螺仪、定位等感知传感器，传感器经过信号调理电路，使其具有体温传感、心跳传感、定位、加速、方向感应等功能。一般还需集成蓝牙、WiFi、GPRS等通信模块和LCD显示、震动器、声音等功能模块[10-11]，才能组成一个完整的装置。智能手环(表)硬件架构如图3所示[5]。

图3 智能手环(表)硬件架构图

3.2终端设备软件

终端设备软件是针对嵌入式设备、在智能可穿戴设备上运行的软件，包括终端硬件服务软件和终端应用软件。终端设备软件架构如图4所示。

在终端硬件服务软件设计中，主要遵循常规嵌入式软件开发的一般架构，分为操作系统和驱动层、设备接口层和数据融合层。底层操作系统选用适合AR的安卓7.0，其Linuxkernel为3.10，在Linux中开发增强现实显示模组、景深摄像头、红外、近电告警、蓝牙、九轴陀螺仪、GPS、人体生命体征等传感器驱动。设备接口层用于对摄像头、红外传感等外设进行数据预处理。数据融合层包括集成在操作系统内的图像识别、手势识别、语音识别等融合算法。终端应用软件部分分为系统接口层、组件类库和运行环境层和应用层，组件类库开发硬件服务接口、终端可视化组件和仪器集成接口等。应用层设计了和后台服务配合的变电检修系统APP、变电巡检系统APP、输电巡检系统APP等。

图4 终端设备软件架构图

4 电网作业后台云服务系统技术架构

与可穿戴前端对应，在电网行业可穿戴技术需求调研的基础上，面向电力的巡检、电网基建、运检等业务领域，设计并实现了智能可穿戴电网作业后台支持云服务系统技术体系架构。电力智能可穿戴电网作业后台支持系统与终端设备采用C/S架构，后台管理采用B/S架构。整个后台软件包括数据存储层、数据处理层、基础功能层和业务逻辑层，以及运行和安全管理软件。其支持系统技术架构如图5所示。

数据存储层设计有结构化数据库和分布式文件系统，数据处理层设计有数据融合、信息空间构建、并行计算、流计算、图计算等数据处理功能，基础功能层设计有图形分析、语音分析、精准地图、卫星地图、流媒体服务等功能，业务逻辑层设计有情景推送、业务数据管理、协助作业、权限管理等服务软件。运行及安全管理软件部分包括安全管理、设备管理、组件管理、计算管理和存储管理等模块。

图5 支持系统技术架构图

5 结束语

智能可穿戴技术是多学科前沿技术的综合体现，本文提出的面向电网作业总体解决方案和技术架构已经在多个科研项目和电力作业现场试点得到验证，部分成果已经得到了工程应用。该研究切实地改进了电网作业人员工作方式，提高了电网设备安装、检修、巡检作业的工作质量和工作效率及标准化水平，并可以辅助解决作业人员人身安全的监护问题。目前的研究和应用情况充分体现了智能可穿戴技术在电力行业的广阔应用前景，并具有较好的经济效益和社会效益。

但是，目前的智能可穿戴技术在电网作业中的应用研究尚处于初级阶段，还有一些短期内不易解决的问题。随着室内定位和导航、精确近电告警、增强现实显示、机器视听、高速低功耗无线通信网络、低功耗处理单元计算能力、微体积微质量元件等技术的高速发展，其系统的架构还需要根据技术的发展不断完善和优化。面向电网作业的智能可穿戴系统体系架构设计与研究成果，将为推动智能穿戴技术在电力行业及其他行业的应用提供参考。

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[2] 夏侯士戟，陈东义，黄志奇.基于可穿戴计算的现场作业辅助模式 [J].计算机集成制造系统，2007,13(11):2269-2275.

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ResearchandDesignoftheArchitectureofSmartWearableSystemforGridOperations

BAO Xingchuan

(Research Institute of Information and Communication,Global Energy Interconnection Research Institute,Nanjing211106,China)

With the growing scale of the power grid,the traditional mode of operation cannot adapt to the development of power grid,while smart wearable equipment is an important development direction of future computer form and system.The smart wearable technology based on argmented reality (AR)can improve the quality,efficiency and safety of grid operations.Through investigating the application scenarios of power grid,including transmission,transformation and distribution,and combining with smart wearable and communication network and background service technologies,the solution of smart wearable system for power grid is proposed.The overall technical architecture of smart wearable system and communication network system suitable for grid operation are designed,including the front end equipment hardware,system software and application software architecture,and the terminal application software architecture background service,etc.The whole structure of the design has been verified in a number of scientific research projects in the power industry; the application effects improve the work quality and efficiency of the grid operation,and enhance the level of standardization and the safety of operation staffs.The design provides guidance and reference for research and implementation of smart wearable technology in power grid applications.

Power energy; Artificial intelligence; Smart wearable system; AR; Smart terminal; Background service; Cloud service; Wireless communication network

TH89;TP368

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201710021

修改稿收到日期:2017-04-11

国家电网公司2016年海外基金资助项目(5455HT160027)

鲍兴川(1973—)，男，硕士，高级工程师，主要从事电力系统自动化、电力系统信息通信技术的研究和开发工作。

E-mail:baoxingchuan@geiri.sgcc.com.cn。