面向泛在电力物联网的智慧工地解决方案

蒋程晟，郑征凡，黄杨梁，郑 波，王德兵

（1.江苏句容抽水蓄能有限公司，江苏省句容市 212400；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江省杭州市 311122）

0 引言

传统的抽水蓄能电站智慧工地系统，主要以“五系统一中心”为主，包括：洞室门禁和人员定位管理系统、视频与安保监控系统、应急广播和通信系统、地质预警系统、防坠保护系统、安全监测（应急指挥）中心[1][2]。通过安装在现场的各类传感装置，构建智能监控和防范体系，能有效弥补传统方法和技术在监管中的缺陷，变被动“监督”为主动“监控”；同时，其也将为安全生产监督管理引入新理念，真正体现“安全第一、预防为主、综合治理”的安全生产方针[3][4]。然而，受制于传统的平台架构与技术水平，现有的智慧工地系统在功能、性能、应用上都有一些局限。

2019年国家电网有限公司提出了“三型两网、世界一流”的战略目标，致力于打造枢纽型、平台型、共享型企业，充分应用移动互联、人工智能等现代信息技术和先进通信技术，实现电力系统各个环节万物互联、人机交互，打造全面感知、信息高效处理、应用便捷的泛在电力物联网。“泛在物联”是指任何时间、任何地点、任何人、任何物之间的信息连接和交互，泛在电力物联网是泛在物联网在电力行业的具体表现形式和应用落地，其内涵包括连接的泛在化、终端的智能化、数据的共享化、服务的平台化。

1 传统智慧工地系统的架构、功能与局限

传统的智慧工地系统，主要包括五个层次，分别为数据显示层、数据操作层、数据处理层、数据传输层、数据采集层。数据采集层将前端监测的数据信号通过数据传输层传输至数据处理层，数据处理层对前端传输的数据信号进行处理并将处理结果进行存储，通过数据操作层的操作从数据处理层中调出处理数据，并在数据显示层显示结果。

受制于现有的技术框架和技术水平，传统智慧工地各子功能均为独立系统，无法形成统一的监视平台，不同系统间的数据融合度、业务横向贯通程度、平台的开放度和智能化服务水平，都还有待提升[5][6]。

2 泛在电力物联网在智慧工地系统设计中的整体应用框架

泛在电力物联网建设要求，电力系统的各环节要充分应用移动互联、人工智能等现代信息技术、先进通信技术，实现电力系统各环节万物互联、人机交互，具有状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活特征的智慧服务系统，包含感知层、网络层、平台层、应用层四层结构。按照此原则，面向泛在电力物联网的智慧工地系统架构设计也应贯彻这些理念，并应具有工作可靠、性能稳定、结构简单、易于调试、维护、更换和日后扩展等特点[7][8]。

在已建立的各个系统基础上，以现有系统为核心，以各子系统的信息流为纽带，以“云大物移智链”等前沿技术为支撑，设计“智—云—网—边—端”的应用框架。通过网络、串行工业总线等方式进行接入安全监测（应急指挥）中心，并通过系统本身的SDK或接口通信协议，实现系统对接，解决其信息孤岛状态。在尽可能保留原有功能的基础上，通过平台软件系统各相关子系统进行有效地升级、改造、融合，建立符合泛在物联内涵要求的应用服务组件，与平台有机整合为面向泛在电力物联网的智慧工地系统[9][10]。

3 面向泛在电力物联网的智慧工地系统设计方案

基于“云大物移智链”等前沿技术，江苏句容抽水蓄能电站（以下简称句容电站）从全息感知、泛在连接、开放共享、融合创新等方面对传统的智慧工地系统进行了提升，研发了智慧加水及计量系统、大坝填筑碾压质量监控系统，创造性地进行了面向泛在电力物联网的智慧工地设计实践。

3.1 设备布置

系统安全监测（应急指挥）中心主要由安全监测（应急指挥）中心集成系统服务器柜、安全监测（应急指挥）中心视频与安保监控设备柜、门禁及人员定位系统设备柜、通信及应急广播系统设备柜、UPS及配电柜等组成。视频监控终端、各工作站、广播呼叫站布置于监控台上，液晶拼接屏安装于室内墙上。在电站的办公及施工区域，分别设置出入口控制计算机、车辆出入控制系统设备、网络摄像机、定位基站、应急广播及电话终端以及设备箱，系统采用以太网结构，现地设备分别就近连接到设备箱内。

3.2 系统平台

系统平台采用模块化、分布式控制结构，每个模块既可独立完成相应的单一功能操作，各区域的监控功能分别由各个区域的现地设备完成；又可与其他模块配合完成更加复杂的联合功能操作，通过系统平台实现对各子系统的自动化管理。平台按扁平结构、集中协调、分散监控、统一界面、信息清晰、操控便捷、高可靠性的原则进行设计，可以长期在线稳定运行。

系统具备很强的兼容性、针对性和实用性，为施工期视频监控系统、电站办公自动化系统、新源公司应急指挥系统、电站工业电视系统和门禁系统、电站火灾报警及消防控制系统、消防广播系统等提供接口，设置合理的测点布置和软件功能并能清晰、准确地完成系统的各项功能定位。系统采取可靠的抗干扰、抗震措施，防止大气过电压、电磁波、无线电、静电和地震等造成系统设备的损坏和误动作。系统对外网络通信具有保障本系统安全运行的技术措施。

3.3 安全监测（应急指挥）中心

安全监测（应急指挥）中心是联系各系统、实现集成显示的中心控制室，具有安全监测和应急指挥功能。中心实现的安全监测主要功能为大屏显示、数据接入、数据显示、切换控制及扩展介入等。中心实现的应急指挥功能主要为远程监控、应急会商、应急管理、远程图像传输、声音信号处理、与上级安全监测（应急指挥）中心、与电站有关系统互联互通等。

3.4 智慧加水及计量系统

智慧加水及精准计量系统，是通过物联网传感技术、RFID识别技术、称重传感技术、流量控制技术以及信息推送等关键技术相集成，当运料车辆进入地磅和感应区，自动识别车重、车牌号等信息，通过数据分析与大数据计算，系统自动计算运料重量、加水量等相关信息，自动发送指令控制电磁阀启动加水流程，通过流量计严格控制加水量，同时通过LED显示屏系统自动推送车牌、运料重量、正在加水、加水完成请驶离等信息指引司机快速计量、加水和通行。系统全过程可无人值守。

初期将车队、车牌号、RFID卡号、车辆自重、加水比例等关键数据信息基础数据录入系统，形成初始数据库。运行过程中，系统通过与磅房系统、加水控制系统、车辆识别RFID系统、违规车辆视频监控系统形成数据对接，实现无人值守、智慧计量和加水功能，进行磅房计量及加水控制，见图1。

该系统是句容电站面向泛在电力物联网的创造性设计，有力规避了传统加水及计量系统的一些缺陷。系统可自动识别自动加水，避免人工干预、确保工程质量；可自动识别运料类型、自动称重，通过大数据计算，实现精准加水、缩短加水时间（约45s），提高车辆通行率，节约水资源；可自动识别、自动称重、自动统计报表，见图2，保证数据的准确性、高效性，有效避免了传统加水和计量系统的相应缺陷。

图2 电站智慧加水系统自动报表Figure 2 Automatic report of wise water system for power station

3.5 大坝填筑碾压质量监控系统

大坝填筑碾压质量监控系统建立了“监测—分析—反馈—处理”的大坝碾压质量监控体系。实时动态监控大坝碾压机械的运行轨迹，定时自动监测记录碾压机械的空间位置、振动力等技术参数，通过网络传输技术，将工程信息输入现场控制中心，对碾压轨迹、速度、碾压遍数、层厚等关键质量指标实现实时分析与动态反馈。其现场结构部署见图3。

图3 大坝填筑碾压质量监控系统现场结构部署图Figure 3 Field Structure Deployment Diagram of the Dam Filling and Rolling Quality Monitoring System

该系统包括基础信息管理、碾压施工过程实时监控、碾压施工过程指引、实时报警、碾压成果管理等功能模块，可进行施工单元管理、施工质量控制参数管理、施工设备管理、碾压轨迹监控、碾压遍数监控、碾压振动状态监控、碾压速度监控、施工设备超速报警、激振力不达标报警、碾压遍数不达标报警、碾压分析与成果输出、碾压过程回溯。

3.5.1 基础信息管理

基础信息管理包括施工单元管理、施工质量控制参数管理、施工设备管理。

碾压施工单元是在施工数字化管理平台中对工程PBS结构统一管理的基础上，针对碾压施工的特点，对施工部位进行细化管理，以满足碾压施工质量监控的要求，其界面见图4。碾压施工单元信息主要反映单元的高程信息（起高程、止高程），时间信息（起始时间、停工时间）、碾压边界信息等，按照设计图纸进行碾压施工单元定义。为了更加科学有效地分析碾压质量，系统还支持对碾压施工单元内部的埋件或仪器进行定位管理，在碾压质量分析、统计时将这些部位剔除。

图4 施工单元管理的界面Figure 4 Interface of the Construction Unit Management

碾压施工质量控制参数是指用来指导或控制施工过程的相关技术与评价参数。包括不同的碾压施工规则，主要包括不同分区的设计碾压遍数，包括振动碾压、无振碾压遍数；碾压车的速度范围，最大、最小速度；不同部位的压实度参数指标；不同部位的碾压坯层厚度要求，摊铺厚度、最终厚度及误差范围。

碾压机信息管理主要是对碾压机械的基本信息进行管理，包括机械类型、机械型号、编号、机械重量、碾轮质量、碾轮宽度、有效碾压宽度、标称速度范围、档位信息等设备基本参数；仪器编码、定位天线安装部位（横向、纵向偏移值、天线高度等）等设备监控参数；设备操作手及相关状态信息。

3.5.2 碾压施工过程实时监控

现场碾压施工时，系统可实现营地总控中心和现场监控中心“双监控”。

碾压机械工作时，现场监控实时同步显示图形化轨迹与碾压覆盖区域，对于超出设计施工部位的行走，系统自动进行标识，并支持分析统计。

系统可对碾压监控设备所传送的定位数据进行转换形成碾压后的曲面，根据车辆碾压所测量的数据在同一点不同时间位置的出现次数可以判断出对每个点的碾压次数，碾压轨迹以压轮宽为轨迹宽度，每重复一次的地方就用不同的颜色进行标识，从而统计和判断出整个范围内碾压遍数以及遍数范围，见图5。

图5 碾压遍数监控的界面Figure 5 Interface of the Rolling Pass Monitoring

系统可通过振动加速度传感器及采集器实时采集的数据，进行动态分析，实时展现振动碾的振动频率，激振力等。

系统可跟踪某个碾压施工单元的碾压过程，动态显示其超速部位，统计其超速次数，超速距离。

3.5.3 碾压施工过程指引

系统在碾压车司机室内安装有工业智能平板，能同步显示监控中心程序实时监控内容，包括动态轨迹、遍数、振动激振力等。该系统不仅仅是一个监控系统，还能帮助碾压车司机进行碾压施工，无需采用翻牌模式记录碾压遍数可实时查看，无需通过监控中心反馈当前碾压情况，无需通过反馈能第一时间接收到报警信息并进行调整，大大提高了现场施工效率、降低沟通成本，屏蔽人为因素的干扰，夜间施工也同样可以保证施工质量，见图6。

图6 碾压施工过程指引的界面Figure 6 Interface of the Rolling Construction Process Guidelines

3.5.4 实时报警

系统通过设置碾压仓面的运行速度控制标准值，当碾压机行驶出现超速状况时，碾压机驾驶室的工业平板会提示司机减速，另外监控中心软件也会弹出报警窗口，提示不达标的详细内容以及所在空间位置等。

当碾压机械的激振力状态不达标时，碾压机驾驶室的工业智能平板电脑会提示司机减速，同时监控中心软件也会弹出报警窗口。

图7 碾压成果报告Figure 7 The Rolling Results Report

系统通过设置碾压仓面的碾压遍数控制标准值，当结束施工时仓面碾压遍数不达标时，碾压机驾驶室的工业平板程序和监控中心软件会同时自动发出报警，提示不达标的详细内容以及所在空间位置等。

3.5.5 碾压成果管理

碾压单元施工结束后，可对单元碾压质量的各项数据进行分析（包括碾压遍数、碾压速度、振碾与静碾遍数、压实厚度、高程分布等），且能生成单元质量分析报告，见图7，支持直接打印，作为碾压工序质量验收评定的依据。

除了实时监控碾压的实际情况外, 由于所有的数据都已经储存在数据库中, 因此系统还可以对已经碾压的全过程实际情况进行回放, 作为施工效果的评价依据。

3.6 其他系统

面向泛在电力物联网的智慧工地系统还包括洞室门禁和人员定位管理系统、视频与安保监控系统、应急广播和通信系统、地质预警系统、防坠保护系统。

3.6.1 洞室门禁和人员定位管理系统

洞室门禁和人员定位管理系统包括各工程现场主要出入口门禁和地下洞室人员定位管理，实现工程现场主要出入口人员进出监控和洞室人员跟踪定位，包括门禁管理、人员实时定位监控、人员搜救、信息存储、历史轨迹回放、报警管理、地图配置、分类检索、用户管理及打印等功能。

3.6.2 视频与安保监控系统

所有重点工程部位与治安防控重点部位均设置视频监控点，实现现场视频实时监控功能，系统具有视频动态检测和智能分析功能，能对特定的部分通道具有智能分析的功能，包括闯入特定区域、人物越线、物品搬移等，当检测到电站内重要区域有人员活动或其他危险时，可立即将该监控区域的监控画面切换至视频监控终端显示器上，并发出预警信号。

3.6.3 应急广播和通信系统

工程所有重点防控部位均设置应急广播和通信系统。系统可实现分组分区广播，在监测中心配置有智能呼叫话筒，用于本地播送语音通知或紧急广播，可对不同区域进行不同内容的信息广播，并可实现手动、自动定时播放功能。通信系统可实现工程各防控部位之间的通信联系。

3.6.4 地质预警系统

在水工自动化监测系统形成前，由专人负责将施工期安全监测单位提供的安全监测数据分析报告和设计院提供的地质预警分析报告定期录入到安全监测（应急指挥）中心数据库中，使相关人员能随时调用安全监测数据。水工自动化监测系统形成后，负责将接入地质预警系统实现水工设施、水情的安全分析和预警。

3.6.5 防坠保护系统

防坠保护系统用于地下洞室群高空作业和高临边等高处作业的防坠落保护，以下区域应置防坠保护装置：在桥机两侧轨道、出线杆塔等场所建立永久性防坠保护系统。

4 结语

句容电站对智慧加水及计量系统、大坝填筑碾压质量监控系统的研发和应用，对传统智慧工地系统的创造性改良，在电站建设的过程中产生了巨大的效益，也是对建设泛在电力物联网的一个有意义的探索实践，随着工程进展，句容电站将洞室门禁和人员定位管理系统、视频与安保监控系统、应急广播和通信系统、地质预警系统、防坠保护系统等纳入智慧工地系统设计方案。

泛在电力物联网是未来的发展方向，其建设是一个系统、长期、动态的过程。同时，需要全产业链各个环节建立平台化的技术生态圈，建设方、设计方、施工方和设备制造商等紧密配合，通力合作，以信息感知、分析评价、业务支撑、辅助应用的智能化为途径，共同推动泛在电力物联网在智慧工地系统及其他水力发电场景中的应用发展。