基于电子标签和智能数据处理的电力物资检测系统设计

2022-04-13赵文炎卢泽钰郭宏伟

电子设计工程 2022年6期

赵文炎，卢泽钰，郭宏伟

（国网冀北电力有限公司唐山供电公司，河北唐山 063000）

电网物资是保障电网安全、稳定、经济运行的物质基础，开展电网物资质量管理是国家、社会和企业的共同需要，是提高物资质量水平、保障电网安全稳定运行和提升供电服务质量的必然要求。电网高质量的发展、本质安全离不开物力支撑，不合格的物资流入电网系统将给电力系统的安全平稳运行造成威胁。为了防止电力系统安全事故，必须提升电力物资的检测水平[1-6]。

在当前的物资检测过程中，由于缺乏有效的管控措施，物资抽样、取样检测数据等物资状态难以追溯，这都给电网的建设和平稳运行埋下了严重的安全隐患。因此，该文为加强电力物资检测的管控，一方面引入到货触发检测机制与智能取样技术结合电子标签实现实时监视物资流向，在触发抽取、取样派单、现场取样读取、位置跟踪以及检测合格保存等关键节点进行高效管控；另一方面引入智能化数据处理技术，完成物资检测的精益化管理[7-13]。

1 理论分析

1.1 需求分析与功能模块设计

该文从系统工程的理论对电力物资的检测流程进行分析，以系统所需实现的目的为导向进行需求分析。在物资检测时，为每一项物资绑定标签。该标签伴随物资入库、流动、出库的全部流程，直到物资报废。根据系统所要实现的目的，逐步拆解，进而获得系统的功能模块如图1 所示[14-16]。

图1 系统功能模块

该文结合电网公司的物资检测流程，设计了如图1 所示的物资检测系统功能模块架构。从图中可以看出，文中设计的系统共包括物资赋码、物资取样、物资封样、物资打卡、物资状态查询、物资稽查与告警、数据统计与分析7 个模块，各个模块的具体功能如下。

物资赋码：该模块用于物资到库后的信息绑定。物资到货后，仓储管理人员按入库顺序随机安装电子标签。赋码信息同时维护至仓储到货信息中，与物资供应商、订单号等信息进行绑定。该电子标签是电力物资流转的最重要标识，所有的检测均基于该标签进行。

物资取样：该模块用于物资检测样本的取样原则制定。由于电子标签是随机的，物资取样的方式也是随机的，这保证了物资取样的完全随机化、确保取样的公平公正性。

物资封样：该模块用于对取样的电子标签进行物资提取，取样人员将提取的物资送至指定地点封样。

物资打卡：该模块用于对取样封存的待测物资全程监控，并对检测关键节点进行打卡管控，关键节点包括仓储端、取样、送样、检测、换货等。打卡时将记录用户每次打卡的位置、上传的照片视频、打卡时间等相关信息，形成打卡时间线，便于用户跟踪核验。

物资状态查询：该模块可以实现对于物资是否合格、取送样视频、物资所在位置等信息的查看。

物资稽查与告警：该模块用于仓储管理人员对物资状态的稽查，一方面通过地点定位查询周边物资状态；另一方面，可通过扫描物资二维码查看物资的所属状态。该模块还可以结合物资出库时间，用于对超期物资进行报警，结合推送功能以短信的形式发送至物资领用人手中。

数据统计与分析：在该模块中，结合智能数据处理算法进行相关的数据统计与分析。系统可以结合物资的流向，生成链条报表、物资取送样报表、物资检测报表、物资退换货情况报表。

1.2 电子标签和智能数据处理

在该文的物资检测系统中，电子标签是电力物资管理流程中的重要标识，贯穿于物资管理的全部生命周期。电子标签是射频识别系统的组成之一，对于其基本组成包括读写器（Reader）、电子标签（Tag）和应用系统。其中，电子标签放置于实物体上，读写器用于与标签间的通信，获取电子标签的相关信息。在电子标签和读写器的通信过程中，由于多个读写器会共用无线信道，容易产生碰撞，造成互相干扰。因此需要在系统设计时，根据系统的实际需求设计智能数据处理算法，在防止碰撞的基础上分离出不同的标签信息。

电子标签通过反射读写器发送无线信号的能量来传输数据，其中由读写器到标签为前向传输。此时，电子标签接收的能量密度可表示为：

其中，P1为发射功率，G1为读写器发射天线的输出增益。标签获得的能量与标签天线的极化方式有关，当处于正确极化时，其可获得的最大功率为：

该文使用的电子标签系统为多发多收式（MIMO），在进行防碰撞时，需要先建立该模式下的碰撞模型：

其中，S是输入信号的矩阵，X是经无线信道传播后得到的信号矩阵。在工程应用过程中，阅读器接收天线的数目通常小于电子标签数目，通常情况下M

对于W和H的更新，使用梯度下降原则：

为了衡量文中设计的电子标签智能数据处理算法的性能，使用标签识别数量和吞吐量作为算法的评价指标，二者的定义分别如下：

2 系统实现

2.1 数据处理后台实现

结合上文的相关理论，从电力生产的实际环境出发，设计了电力物资检测系统，系统的原理架构如图2 所示。电力物资在采购后被赋予唯一标识的电子标签，经阅读器采集后进行流转。系统后台部署的计算机参数如表1 所示。

图2 系统架构

表1 系统后台部署的计算机参数

图3 给出了系统的数据处理后台界面和客户端界面，其中图3（a）是系统后台的部分界面。可以看出，电力物资在经阅读器采集后，系统后台生成了唯一的标识码。

图3（b）、3（c）分别是系统客户端的首页与物资状态界面，系统的客户端可以在手机IOS 或Android系统上部署。从图3（b）可以看出，系统首页被划分为物资打卡、统计查询、物资稽查、转储申请、打卡日志等常用模块，其中物资打卡可直接通过手机扫描设备上的电子标签实现。图3（c）是物资状态界面。可以看出在该界面下，给出了某个编码的物资所在位置与当前的状态，保证了物资流转全过程的有效监控。

图3 系统后台界面

2.2 电子标签部署实现

在1.2 节中，对电子标签的防碰撞模型及相关智能数据处理方法的相关理论进行介绍。在进行系统实现时，需要根据电力生产的实际生产环境设计系统的相关参数。该文使用的电子标签系统的基础参数如表2 所示。

表2 电子标签系统部署的基础参数

首先需要在该环境下确定读写器中天线的数量，文中对1.2 节中所属的基于矩阵欠定分离的数据处理方法进行了仿真。同时为了对比文中所述算法的性能，在实验时还引入了现在常用的anti-BSS 算法作为对比。

图4 给出了两个算法在表1 环境下的仿真结果。

图4 算法仿真结果

图4（a）中给出了两个算法系统的吞吐量随着读写器天线个数变化的曲线。可以看出，该文算法的吞吐量不论是峰值还是平均值均大于anti-BSS 算法。在天线个数为6 时，系统可达到最大的吞吐量，此时的系统吞吐量为2.23 Mbit/s；anti-BSS 算法在天线个数为3 时，达到最大吞吐量，此时吞吐量大小为1.05 Mbit/s。

图4（b）给出了读写器天线数和可识别天线数的关系。从曲线的总体趋势看，在anti-BSS 算法下，系统读写器天线的识别性能为1∶1的关系，即1 个读写器天线可识别一个电子标签天线；该文的算法识别性能约为2∶1的关系，因此文中算法读写器的利用率更高。