基于GIS与物联网集成的地下电缆井在线监测系统

袁林峰，徐勇明，史建勋

（国网浙江嘉善县供电有限公司，浙江 嘉善 314100）

配电网是整个电力系统中的一个重要部分，它负责将电力传输到用户，地下电缆井是配电网中的重要一环，它的稳定运行与否对配电网安全运行起到关键作用。在电力井运维过程中，常常发现井盖被盗；电缆中间接头温度异常后，不能及时获取事故位置并及早处理，只能等完全爆燃，引起停电等安全事故后，才能到达现场处置；电缆井施工前，不能及时掌握井内水位信息和井内有毒气体浓度情况，增加了施工风险和引发不必要的人员伤亡概率；敷设新电缆或电缆线路规划时，不能查看电缆孔位利用、电缆安装环境等井内现场情况。随着物联网和边缘计算技术的成熟，以及地理信息系统（GIS）技术的广泛应用，利用三者集成技术对配电网络中地下电缆井进行在线监控变得必要和可能。文献[1-2]提出了GIS与各类监测设备集成系统的方法，但传感器与监控中心通信采用了光纤网络，光纤网络布设成本高，对不具备该条件的地区推广难度大；所有数据统一传输到后台进行分析和处理，效率低下且容易延时。文献[3-6]提出了电缆井监控的一些技术和手段，但没有与GIS技术进行集成，各类监控数据可视化还是传统表格形式，没有与被监控物体空间位置结合起来，不够直观，未能发挥GIS空间定位、空间分析技术优势。

本文综合各参考文献资料，在地下电缆及设备普查成果数据库基础上，提出了基于GIS和物联网集成的嘉善县地下电缆井在线监测应用研究的内容、技术方法，为电缆井的智能运维提供新思路、新方法。

1 系统设计

1.1 设计原则

安全性上，系统设计过程中，严格执行国家电网信息系统建设规范[7]，各类传感器数据传输要使用国家电网认可的网络形式，如国家电网外网专用网络，或采集的各类传感器数据须经国家电网认可的边缘计算设备转发后才能传输出去。本项目设计应考虑到未来扩展要求，在接口设计上考虑为其他设备接入留有余地。并在智能化系统、安防监控系统的主要设备选型方面留有冗余；在系统运行过程中，要保证不同技术水平的人员能熟练使用系统，对一些基础功能，要能利用可视化界面操作的方式进行配置。

1.2 系统主要设备

有害气体传感器模组：是使用MEMS气体传感器而研发的微型气体传感器件，可用于同时检测和识别空气中CO、H2S、CH4气体的浓度。各类传感器采用Modbus通信协议。

无线液位监测终端模组：设备串行接口，电源采用TVS防浪涌保护设计，保证设备可靠性和稳定性；提供稳定可靠的NB-IoT网络传输；支持UDP/COAP协议。

无线测温模块：通过高压电场取电，本系统只需高压系统有电即可，与负载电流大小无关。

井盖监控设备：实时监测井盖状态，当有人开启井盖时，会通过短信、微信等方式向相关人员报警。

高清枪击摄像机：摄像头内安装有存储卡，用来存储本地画面，可随时调取查看。

边缘计算信息采集终端：主要用于接收各传感器的实时数据，并进行相关计算分析，把最终结果统一传送到云端，该设备具有边缘计算功能：减轻云的负担，提高系统实时性；异构接入：支持485以太网、Lora Wi-Fi等多种接口接入；多协议转换：支持DLT645的101、104等多种规约的解析；多因子认证：身份认证，软硬件数据加密等[9]。

由于井内无适合各设备使用的电源，故摄像头和边缘计算采集终端利用竖立在井外的太阳能帆板供电。

1.3 系统架构设计

系统中的测温、液位、有毒气体、井盖翻动传感器采集的信息，通过NB-IoT无线传输把数据发送给国家电网信息安全认证的边缘计算信息采集装置。对于视频，由于采用的边缘计算采集装置对视频数据接入效率较低，故视频信息通过4G网络发送到视频信息服务器。边缘计算信息采集装置把收集到的监测信息，通过国家电网VPN发送给监测中心服务器。

监测中心还有如下数据库服务器，地图服务器：用于发布所在区域的地图瓦片服务（WMTS服务），各客户端可在线调用所在地区地图瓦片数据；地下电缆及设备台账数据库：包含地下电缆及设备空间及属性信息，在地图上可查看其空间位置及属性信息，各监测信息可挂接在台账数据库中对应的台账空间位置上，通过GIS实现地下电缆及设备台账信息与监测信息的集成。系统运维管理数据库：主要包括用户数据、权限数据、角色数据、系统日志等。监测平台与各监测设备通信通过UDP协议，根据通信协议具体规则，可把传输过来的一串字符解析成可辨识的内容，存入数据库中。整个监测平台采用B/S架构实现，系统架构图如图1所示。

2 系统技术路线

2.1 项目硬件安装施工要求

由于地下电力井所处地理位置不同，有些井内电缆常年被水浸泡，安装电缆中间接头测温设备时，要用防水胶带包裹严实，防止进水；边缘计算采集装置也要采用达到IP66防水级别，井内信号可采用伸出井外的增益天线发射，根据项目经验，在有水浸的电缆上，无线信号在水中传播非常不稳定，测温设备与边缘计算采集设备之间通信采用有线连接方式。视频摄像头要根据井内水位情况选用不同防水级别摄像头。

图1 系统架构图

2.2 系统软件技术路线

软件开发架构采用Visual Studio 2017 Asp.NET MVC4.7实现，数据库采用MongoDB，GIS功能（地图底图调用、地图定位、空间分析等）采用开源的Leaflet实现。

2.2.1 整体实现思路

各传感器监测数据处理、入库、视频信息接入、前端页面显示的处理步骤如下：

传感器数据传输利用UDP协议，服务端接收数据后利用Socket编程[10]，根据边缘计算数据终端通讯协议进行解析，边缘计算数据终端通信协议规则如表1所示（长度单位为字节）。

表1 边缘计算通信协议规则

对采集的监测数据按通信协议规则进行解析，解析后获取的监测数据，把监测数据存入数据库，并与台账对应设备建立关联关系。

预警规则库建立，根据对历史数据的统计，设置好温度、水位、有毒气体等的预警值，并在数据库中建立规则库。

前端系统界面根据台账空间数据，把电力井在地图上用图标表示，点击某个图标，利用HTML5的WebSocket协议，实现实时Socket通信，获取服务端解析后的监控数据，监测数据与规则库中预警值进行比对，根据比对情况，在地图上用不同颜色图标进行预警，达到预警条件，则通过短信或微信方式把预警信息发送给相关人员。对于视频信息，利用HTML5播放器VideoJS向远程DTU服务器发送POST请求，获取视频数据[11]。

2.2.2 地图瓦片离线发布技术

由于监测中心位于内网，不能在线调用地图底图数据，目前，可利用商业软件实现离线地图调用，但从系统成本考虑，系统中根据OGC标准地图服务规范，利用WPF开发技术和DotSpatial开源插件，实现了把谷歌、天地图、百度等主流离线地图数据发布成WMTS地图服务功能，为系统应用提供标准的WMTS地图服务。

2.2.3 传感器数据存储技术

由于嘉善县目前安装了传感器的电缆井近500个，上述传感器每天不间断向服务器发送数据，日积月累，数据量显著增大，为了对传感器数据进行高效存储，采用MongoDB作为数据库，它可以很好地利用其兼具非关系型数据库和关系型数据库的部分功能和特点[10]。在C#环境中使用MongoDB，需要下载MongoDB.dll，作为C#操作MongoDB的驱动。为了提高数据存储效率，对每个传感器实时发送过来的数据，与库中该传感器最近的一条记录值进行比对，如果变化范围在设定的规则内，则库中不存储该数据，表明该传感器监测值正常，否则，把该数据存入库中，表明该传感器监测值异常，这样可大大减少数据存储量。

规则库根据每个电缆井的位置、环境、季节、气候等设置，并可在电缆运维过程中，根据经验进行规划优化。每个电缆井建立一个数据集，由于测温、水位、有毒气体每5 min向服务器发送一次数据，故每5 min把测温传感器、水位传感器、有毒气体传感器数据生成一个数据文档，一个电缆井内有多根电缆需测温，故测温设备有N台，文档结构如下：

{

id:'202',

WellID:'9a17e016-ed25-4774-afa5-

71fa66469d1f',

time:'2019-08-23 10:05:00',

datas:[

{

DeviceIMEI:869505046491724,

tem:28,

remarks:'测温',

dlID:'5#'

},

⋮

{

DeviceIMEI:863434040377118,

CO:12,

remarks:'一氧化碳浓度(ppm)'

},

{

DeviceIMEI:869505046491401,

H2S:0.5,

remarks:'硫化氢浓度(ppm)'

},

{

DeviceIMEI:69505046513204,

WaterLel:0.8,

remarks:'水位高度(m)'

}

]

}

为了控制数据规模，每个电缆井的传感器数据1个月覆盖1次。

3 系统实现效果

系统开发完成后，实现了如下主要功能：

地下电缆及设备台账GIS管理：在地图上查看地下电缆和设备空间位置，台账属性信息。

实时监测信息管理：利用GIS作为切入点，在地图上，点击某个地下电缆井，可查看该井内各电缆的测温信息、有毒气体信息（主要是CO、CH4、HS）、井盖翻动状况、井内现场视频信息等。根据监测信息，自动进行预警分析，预警异常则把预警信息通过手机短信、微信等方式发送给相关人员。监测信息统计报表，能生成监测信息日报、周报、月报、年报等，分析各电缆井及设备运行情况，为相关部门提供决策依据。图2为井内现场视频信息查看效果，可查看任一时间节点的历史视频信息，并支持视频信息的远程下载功能。

GIS功能：矢量、影像地图切换；面积、距离量测；新敷设电缆时，对规划新线路上已有电缆井孔位占用情况进行空间分析，找出符合敷设要求的电缆井，主要实现思路是利用GIS缓存分析功能，对规划路径上50 m范围内的电缆井进行空间查询。如果某个井东南西北四个方向上最少有两个未使用孔位，则该井被认为可作为敷设新电缆使用，否则不满足敷设电缆要求。地图上，把规划路径上满足条件的电缆井用绿色图标表示，不满足条件的用红色图标表示，点击某个电缆井图标，可查看其东南西北四个面上孔位使用情况（已使用孔位、未使用孔位）。

对预警异常的电缆井，相关人员根据路网信息，通过GIS的路径分析，自动进行路径导航，使不熟悉路况的处置人员能够以最快的时间到达现场，提高故障处理效率。根据预警信息情况，对有异常情况的电缆井用红色图标表示，全部正常的用绿色图标表示，达到监测信息地图可视化表达效果，直观明了。

系统运维管理：包括用户管理、角色管理、部门管理、权限管理、角色权限分配管理、系统日志等。

4 结束语

利用物联网和GIS集成在行业应用上发挥了重要作用，通过在嘉善县部分地下电缆井电缆中间接头安装测温传感器、液位传感器、井盖翻动传感器、井内有毒气体传感器，并利用GIS与监测信息进行集成，对开发的主要技术路线进行了说明，对硬件施工要求也进行了一定说明。目前系统已投入使用，解决了传统地下电缆井人工运维的弊端，提高了运维效率和信息传输的安全性，为地下电缆井智能运维提供了可行的解决方案。

图2 视频监控信息查看