一种电力隧道巡检管控系统的设计与实现

姚灏+江冬娜

【摘    要】针对电力隧道巡检对于巡维人员管理控制的需求，提出了一种隧道巡检管控系统。该系统通过无线网络技术实现对用户进行定位与监管，其手持终端利用Android智能手机，基于华为Espace进行二次开发;监控终端采用MySQL数据库，可以实现图片上传、隧道实时监控、签到签退、实时通讯、轨迹回放、故障分类及人员管理等服务。

【关键词】电力隧道    巡检    管控

中图分类号：TN929.5    文献标识码：A    文章编号：1006-1010（2014）-22-0077-05

Design and Implementation of Inspection Control System

for Electric Power Tunnel

YAO Hao， JIANG Dong-na

（Guangzhou Electric Power Design Institute， Guangzhou 510610， China）

[Abstract]Considering the demands on inspector management & control of electric power tunnel， a tunnel inspection control system is proposed in this paper. The system positions and inspects users through wireless network technology. Android smart phone is adopted as handheld terminal which is redeveloped based on HUAWEI Espace. MySQL database is used as monitoring terminal which can implement image upload， tunnel real-time monitoring， sign in and sign out， real-time communications， track playback， fault classification and personnel management， etc.

[Key words]electric power tunnel    inspection    management control

随着国民经济和城市建设的飞速发展，城市用电负荷急剧上升，但在城市密集供电区域无法采用传统的架空线供电方式。为了更有效地利用管廊资源，越来越多的城市输电线路采用电力隧道的形式敷设高压电缆。电力隧道建设在地下5～20m的范围内，且根据施工方法、管线资源的不同，同一隧道的深度、截面均有所不同。因此，在一般条件下，电信运营商的无线信号无法穿透土层进入隧道，而且由于截面不均、走向复杂，一般的对讲机等设备使用也受到诸多限制。

由于隧道的巡检人员在隧道中常常处于与外界隔绝的状态，无法及时获取外部信息，也不能及时回传自己在隧道内的工作发现。而且一旦发生紧急情况，也无法及时通知外界获取救援。为了使隧道维护工作更加便捷高效，对于巡检人员的管理更加规范化，有必要开发一套巡检管理系统用于隧道的日常维护工作。

1   背景概述

现有的电力电缆通道综合监控系统主要针对隧道内的设备设施、火灾报警、安保系统、环境检测等系统进行综合的可视化监控管理，同时为电力电缆温度、电网状态信息和其余附属设备预留相关接口接入[1]，而这些监控系统的网络通道主要采用EPON（Ethernet Passive Optical Network，以太网无源光网络）组网方式或工业以太网交换机组网[2]。从这个意义上来说，现有的监控都是后端监控模式，并没有针对巡检人员深入隧道后的监控方法。

从现有的电力隧道通信方式而言，主要可采用集群通信;或采用泄漏电缆，引入运营商进行信号覆盖;或采用有线方式，组成应急通信系统。集群通信由网络基础设施和移动台组成，可进行隧道内与调度台的语音对讲，但带宽小，主流的TETRA数字集群单载频4时隙最高可支持28.8kbps[3];泄漏电缆造价比较昂贵且工程施工量大，后期维护较难[4];而采用有线方式组成的应急通信系统则为固定点使用，不能移动。

2   业务需求分析

2.1  现状调查

截至2013年5月，广州地区已建成投产的电缆隧道工程主要有泮塘电力隧道、珠江新城电缆隧道麒麟电力隧道等工程，规模约19.8km。2020年广州市中心城区电力地下廊道建设项目总长为93.61km，远期整个电缆隧道网总长296km，其中新建主干隧道长度约为178km。而到目前为止，并未形成统一的电力隧道内通信建设方案。

目前主要的方法是采用有线通信的方式，使用隧道工作井处的交换机，放置IP电话。但随着隧道规模越来越大，这种固定点通信的方式无法适应巡检维护的需要。

2.2  业务分析

隧道巡检人员进入隧道进行巡维工作，主要目的是在于对电缆本体、附属设施及风水电等监控器材进行巡视和维护，并对发现的故障及时上报和处置。因此，其一般的业务需要如下：

（1）音视频通话：提供基于内网的音视频通讯功能，同时实现能与外部公网进行语音呼叫。

（2）故障记录上传：拍摄故障点并进行问题描述，且将图片和说明文字上传至管理中心。endprint

（3）消息接收：接收管理中心发送的文字指令、处置方案等。

（4）定位功能：将巡检人员在隧道中的位置信息上传监控服务端。

3   系统设计

3.1  网络拓扑结构

网络拓扑结构图如图1所示。

本系统终端通过Wi-Fi连接无线网络，登陆后实时将数据上传到管理监控服务器中进行处理，管理监控服务器再根据协议判断是通知管理监控端或是入库，从而对数据库服务器或管理监控端进行相应操作，管理监控端直接访问管理监控服务器来监视终端情况;整个系统部署于同一局域网内。

音视频通话功能利用IP-PBX（IP Private Branch eXchange，IP用户级交换机）系统实现。

3.2  隧道内的无线覆盖方案

隧道内采用Wi-Fi覆盖方式。而根据隧道的实际情况、巡检需求等，可以将覆盖方式分为胖AP（非集中控制型AP）和瘦AP（集中控制型AP）布置。这2种方式区别如下[5]：

（1）胖AP（非集中控制型AP）：具备一定的认证、被网管等功能的AP，不需要无线控制器即可接入网络。其优点是组网部署简单快速，造价较低;缺点是不能集中管理，不支持无缝漫游。

（2）瘦AP（集中控制型AP）：仅提供Wi-Fi无线接入、无其它任何功能的AP。其优点是能集中管理，支持无缝漫游;缺点是需配合AC（Access Controller，无线控制器）接入网络，适用于用户规模大、AP配置多、需大规模连续覆盖、有漫游切换需求的场所，造价较高。

3.3  软件系统的设计

本软件系统分为语音通讯模块、管理监控模块和终端3部分，如图2所示：

图2    软件系统图

具体描述如下：

◆语音通讯模块：实现与内网的音视频通讯、与外网的语音通讯功能;

◆管理监控模块：主要实现终端数据的接收、存储、定位监控、消息推送等功能;

◆终端：实现位置上传、语音通讯、照片上传、消息查看功能。

（1）电力隧道巡检管控系统软件开发

本系统界面主要包含移动终端和监控端2部分。具体描述如下：

◆移动终端

移动终端登录后，其主界面如图3所示。

登录采用简单的账户输入框、密码输入框加验证码输入框组合进行登录;登录后在签到/签退处，进入主功能界面的二维码扫描操作界面，完成巡检登入/登出记录。

“我的位置”可供巡检人员了解自己所处与地面的相对位置;“拍照上传”功能主要用于拍摄隧道情况并进行分类、文字描述等上传至监控终端;“设置”功能用于进行客户端的一般性配置。

◆监控端

监控端以Web形式展示，登录后其布局如图4所示。

监控端主要包括人员管理、故障分类、隧道地图、历史轨迹、巡检记录和隧道图片等功能。

监控端可查看人员的实时位置，也可以查看人员过往某一时间段在隧道内的活动轨迹回放;监控端可接收巡检人员发回的隧道情况实时记录，也可以查看某一时间段的故障或故障分类，并作出统计;监控端可与巡检人员进行音视频通话，或者直接发送文字化的工作指令至巡检人员的手持终端。

（2）数据结构设计

数据及时备份功能是在系统出现故障后可以及时恢复，把因系统故障造成的损失降到最小。可采用双机热备份，一台机器出现故障可自动切换到备份机器上，不影响系统的正常运行。

数据表主要包括如下信息：

◆用户信息表：存储用户基本信息，包括账号、密码、姓名、手机号码等;

◆用户分组表：存储用户分组信息;

◆操作描述表：用于定义操作的标示、说明及参数等;

◆用户日志表：记录用户所做的所有操作;

◆用户日志备份：为提高性能会定时将用户日志表中数据转存于此。

4   测试结果

本项目在广州电网珠江新城隧道中搭建了试验网络进行实地测试。该隧道长约1.2km，截面直径约为2.3m*2.3m，测试相关情况如表1所示：

表1    测试情况

测试要素 说明

部署AP数量 24台室外型AP

AP发射功率 500mW（2.4G Wi-Fi）

AP天线类型 全向天线

终端数量 4台

终端型号 华为P6、三星S4、索尼Z1、

三星N5100（平板电脑）

测得终端平均接入网络时间 2.2s

测得终端平均定位时间 3.4s

其他主要功能测试如下：

（1）图片回传及分类

图片回传监控终端界面如图5所示。

（2）语音通话

可实现手持终端与监控终端、手持终端之间的音视频通话。由于设备受限，手持终端与公网用户通话未测试。

（3）消息传递

可实现手持终端与监控终端、手持终端之间的文字消息传递。

（4）轨迹回放

可以选择特定时间段、监控人进行轨迹回放。回放采用打点方式记录，间隔时间可自行设置调整。

5   结语

本文所提出的电力隧道管控系统主要针对巡检人员在隧道内的活动进行管理，有利于发现问题并及时处理，可提升隧道运维的安全性和高效性。但该系统还有部分功能需进一步完善，如隧道地图导入、历史轨迹回放等，以期达到运行部门精细化管控的要求。

参考文献：

[1] 胡松军，朱琦锋，秦欢. 电力电缆隧道综合监控系统的应用[J]. 特种结构， 2009，26（6）： 104-106.

[2] 刘颖，贺绍鹏，郭小凯. 电力隧道视频及环境监控系统的网络结构方案之比较[J]. 机电信息， 2013（9）： 153-154.

[3] 郭强. TETRA数字集群数据传输设备的工业应用[J]. 移动通信， 2011（6）： 59-62.

[4] 杜世平，刘伟，戴波，等. 公路、铁路隧道覆盖解决方案研究[J]. 通信与信息技术， 2012（2）： 65-69.

[5] 李先权. WiFi网络构建与应用研究[D]. 广州： 华南理工大学， 2012.endprint

（3）消息接收：接收管理中心发送的文字指令、处置方案等。

（4）定位功能：将巡检人员在隧道中的位置信息上传监控服务端。

3   系统设计

3.1  网络拓扑结构

网络拓扑结构图如图1所示。

本系统终端通过Wi-Fi连接无线网络，登陆后实时将数据上传到管理监控服务器中进行处理，管理监控服务器再根据协议判断是通知管理监控端或是入库，从而对数据库服务器或管理监控端进行相应操作，管理监控端直接访问管理监控服务器来监视终端情况;整个系统部署于同一局域网内。

音视频通话功能利用IP-PBX（IP Private Branch eXchange，IP用户级交换机）系统实现。

3.2  隧道内的无线覆盖方案

隧道内采用Wi-Fi覆盖方式。而根据隧道的实际情况、巡检需求等，可以将覆盖方式分为胖AP（非集中控制型AP）和瘦AP（集中控制型AP）布置。这2种方式区别如下[5]：

（1）胖AP（非集中控制型AP）：具备一定的认证、被网管等功能的AP，不需要无线控制器即可接入网络。其优点是组网部署简单快速，造价较低;缺点是不能集中管理，不支持无缝漫游。

（2）瘦AP（集中控制型AP）：仅提供Wi-Fi无线接入、无其它任何功能的AP。其优点是能集中管理，支持无缝漫游;缺点是需配合AC（Access Controller，无线控制器）接入网络，适用于用户规模大、AP配置多、需大规模连续覆盖、有漫游切换需求的场所，造价较高。

3.3  软件系统的设计

本软件系统分为语音通讯模块、管理监控模块和终端3部分，如图2所示：

图2    软件系统图

具体描述如下：

◆语音通讯模块：实现与内网的音视频通讯、与外网的语音通讯功能;

◆管理监控模块：主要实现终端数据的接收、存储、定位监控、消息推送等功能;

◆终端：实现位置上传、语音通讯、照片上传、消息查看功能。

（1）电力隧道巡检管控系统软件开发

本系统界面主要包含移动终端和监控端2部分。具体描述如下：

◆移动终端

移动终端登录后，其主界面如图3所示。

登录采用简单的账户输入框、密码输入框加验证码输入框组合进行登录;登录后在签到/签退处，进入主功能界面的二维码扫描操作界面，完成巡检登入/登出记录。

“我的位置”可供巡检人员了解自己所处与地面的相对位置;“拍照上传”功能主要用于拍摄隧道情况并进行分类、文字描述等上传至监控终端;“设置”功能用于进行客户端的一般性配置。

◆监控端

监控端以Web形式展示，登录后其布局如图4所示。

监控端主要包括人员管理、故障分类、隧道地图、历史轨迹、巡检记录和隧道图片等功能。

监控端可查看人员的实时位置，也可以查看人员过往某一时间段在隧道内的活动轨迹回放;监控端可接收巡检人员发回的隧道情况实时记录，也可以查看某一时间段的故障或故障分类，并作出统计;监控端可与巡检人员进行音视频通话，或者直接发送文字化的工作指令至巡检人员的手持终端。

（2）数据结构设计

数据及时备份功能是在系统出现故障后可以及时恢复，把因系统故障造成的损失降到最小。可采用双机热备份，一台机器出现故障可自动切换到备份机器上，不影响系统的正常运行。

数据表主要包括如下信息：

◆用户信息表：存储用户基本信息，包括账号、密码、姓名、手机号码等;

◆用户分组表：存储用户分组信息;

◆操作描述表：用于定义操作的标示、说明及参数等;

◆用户日志表：记录用户所做的所有操作;

◆用户日志备份：为提高性能会定时将用户日志表中数据转存于此。

4   测试结果

本项目在广州电网珠江新城隧道中搭建了试验网络进行实地测试。该隧道长约1.2km，截面直径约为2.3m*2.3m，测试相关情况如表1所示：

表1    测试情况

测试要素 说明

部署AP数量 24台室外型AP

AP发射功率 500mW（2.4G Wi-Fi）

AP天线类型 全向天线

终端数量 4台

终端型号 华为P6、三星S4、索尼Z1、

三星N5100（平板电脑）

测得终端平均接入网络时间 2.2s

测得终端平均定位时间 3.4s

其他主要功能测试如下：

（1）图片回传及分类

图片回传监控终端界面如图5所示。

（2）语音通话

可实现手持终端与监控终端、手持终端之间的音视频通话。由于设备受限，手持终端与公网用户通话未测试。

（3）消息传递

可实现手持终端与监控终端、手持终端之间的文字消息传递。

（4）轨迹回放

可以选择特定时间段、监控人进行轨迹回放。回放采用打点方式记录，间隔时间可自行设置调整。

5   结语

本文所提出的电力隧道管控系统主要针对巡检人员在隧道内的活动进行管理，有利于发现问题并及时处理，可提升隧道运维的安全性和高效性。但该系统还有部分功能需进一步完善，如隧道地图导入、历史轨迹回放等，以期达到运行部门精细化管控的要求。

参考文献：

[1] 胡松军，朱琦锋，秦欢. 电力电缆隧道综合监控系统的应用[J]. 特种结构， 2009，26（6）： 104-106.

[2] 刘颖，贺绍鹏，郭小凯. 电力隧道视频及环境监控系统的网络结构方案之比较[J]. 机电信息， 2013（9）： 153-154.

[3] 郭强. TETRA数字集群数据传输设备的工业应用[J]. 移动通信， 2011（6）： 59-62.

[4] 杜世平，刘伟，戴波，等. 公路、铁路隧道覆盖解决方案研究[J]. 通信与信息技术， 2012（2）： 65-69.

[5] 李先权. WiFi网络构建与应用研究[D]. 广州： 华南理工大学， 2012.endprint

（3）消息接收：接收管理中心发送的文字指令、处置方案等。

（4）定位功能：将巡检人员在隧道中的位置信息上传监控服务端。

3   系统设计

3.1  网络拓扑结构

网络拓扑结构图如图1所示。

本系统终端通过Wi-Fi连接无线网络，登陆后实时将数据上传到管理监控服务器中进行处理，管理监控服务器再根据协议判断是通知管理监控端或是入库，从而对数据库服务器或管理监控端进行相应操作，管理监控端直接访问管理监控服务器来监视终端情况;整个系统部署于同一局域网内。

音视频通话功能利用IP-PBX（IP Private Branch eXchange，IP用户级交换机）系统实现。

3.2  隧道内的无线覆盖方案

隧道内采用Wi-Fi覆盖方式。而根据隧道的实际情况、巡检需求等，可以将覆盖方式分为胖AP（非集中控制型AP）和瘦AP（集中控制型AP）布置。这2种方式区别如下[5]：

（1）胖AP（非集中控制型AP）：具备一定的认证、被网管等功能的AP，不需要无线控制器即可接入网络。其优点是组网部署简单快速，造价较低;缺点是不能集中管理，不支持无缝漫游。

（2）瘦AP（集中控制型AP）：仅提供Wi-Fi无线接入、无其它任何功能的AP。其优点是能集中管理，支持无缝漫游;缺点是需配合AC（Access Controller，无线控制器）接入网络，适用于用户规模大、AP配置多、需大规模连续覆盖、有漫游切换需求的场所，造价较高。

3.3  软件系统的设计

本软件系统分为语音通讯模块、管理监控模块和终端3部分，如图2所示：

图2    软件系统图

具体描述如下：

◆语音通讯模块：实现与内网的音视频通讯、与外网的语音通讯功能;

◆管理监控模块：主要实现终端数据的接收、存储、定位监控、消息推送等功能;

◆终端：实现位置上传、语音通讯、照片上传、消息查看功能。

（1）电力隧道巡检管控系统软件开发

本系统界面主要包含移动终端和监控端2部分。具体描述如下：

◆移动终端

移动终端登录后，其主界面如图3所示。

登录采用简单的账户输入框、密码输入框加验证码输入框组合进行登录;登录后在签到/签退处，进入主功能界面的二维码扫描操作界面，完成巡检登入/登出记录。

“我的位置”可供巡检人员了解自己所处与地面的相对位置;“拍照上传”功能主要用于拍摄隧道情况并进行分类、文字描述等上传至监控终端;“设置”功能用于进行客户端的一般性配置。

◆监控端

监控端以Web形式展示，登录后其布局如图4所示。

监控端主要包括人员管理、故障分类、隧道地图、历史轨迹、巡检记录和隧道图片等功能。

监控端可查看人员的实时位置，也可以查看人员过往某一时间段在隧道内的活动轨迹回放;监控端可接收巡检人员发回的隧道情况实时记录，也可以查看某一时间段的故障或故障分类，并作出统计;监控端可与巡检人员进行音视频通话，或者直接发送文字化的工作指令至巡检人员的手持终端。

（2）数据结构设计

数据及时备份功能是在系统出现故障后可以及时恢复，把因系统故障造成的损失降到最小。可采用双机热备份，一台机器出现故障可自动切换到备份机器上，不影响系统的正常运行。

数据表主要包括如下信息：

◆用户信息表：存储用户基本信息，包括账号、密码、姓名、手机号码等;

◆用户分组表：存储用户分组信息;

◆操作描述表：用于定义操作的标示、说明及参数等;

◆用户日志表：记录用户所做的所有操作;

◆用户日志备份：为提高性能会定时将用户日志表中数据转存于此。

4   测试结果

本项目在广州电网珠江新城隧道中搭建了试验网络进行实地测试。该隧道长约1.2km，截面直径约为2.3m*2.3m，测试相关情况如表1所示：

表1    测试情况

测试要素 说明

部署AP数量 24台室外型AP

AP发射功率 500mW（2.4G Wi-Fi）

AP天线类型 全向天线

终端数量 4台

终端型号 华为P6、三星S4、索尼Z1、

三星N5100（平板电脑）

测得终端平均接入网络时间 2.2s

测得终端平均定位时间 3.4s

其他主要功能测试如下：

（1）图片回传及分类

图片回传监控终端界面如图5所示。

（2）语音通话

可实现手持终端与监控终端、手持终端之间的音视频通话。由于设备受限，手持终端与公网用户通话未测试。

（3）消息传递

可实现手持终端与监控终端、手持终端之间的文字消息传递。

（4）轨迹回放

可以选择特定时间段、监控人进行轨迹回放。回放采用打点方式记录，间隔时间可自行设置调整。

5   结语

本文所提出的电力隧道管控系统主要针对巡检人员在隧道内的活动进行管理，有利于发现问题并及时处理，可提升隧道运维的安全性和高效性。但该系统还有部分功能需进一步完善，如隧道地图导入、历史轨迹回放等，以期达到运行部门精细化管控的要求。

参考文献：

[1] 胡松军，朱琦锋，秦欢. 电力电缆隧道综合监控系统的应用[J]. 特种结构， 2009，26（6）： 104-106.

[2] 刘颖，贺绍鹏，郭小凯. 电力隧道视频及环境监控系统的网络结构方案之比较[J]. 机电信息， 2013（9）： 153-154.

[3] 郭强. TETRA数字集群数据传输设备的工业应用[J]. 移动通信， 2011（6）： 59-62.

[4] 杜世平，刘伟，戴波，等. 公路、铁路隧道覆盖解决方案研究[J]. 通信与信息技术， 2012（2）： 65-69.

[5] 李先权. WiFi网络构建与应用研究[D]. 广州： 华南理工大学， 2012.endprint