基于5G 的电网基建施工装备数字化协同方法

唐冬来，宋卫平，付世峻，黄璞，杨俏，叶鸿飞

（四川中电启明星信息技术有限公司，四川成都 610041）

随着中国经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，电力负荷逐年不断增加，电网基建工程数量也日益增多[1-2]。在传统的电网基建变电工程、线路工程的施工中，现场的施工装备包含吊车、电缆牵引机、电焊机等设备[3]。施工现场设备类型众多，缺乏有效的监管[4-5]。因此，亟需开展电网基建施工数字化协同工作，保障基建施工现场的施工安全。

现有电网基建施工协同技术主要包括移动互联协同和全流程管控两种，在移动互联协同中，采用大容量通信网络实现了施工装备之间的互联，并进行建设时序分析，提高基建施工装备之间的协同能力[6-8]。全流程管控中，通过对电网基建施工工艺和装备的全流程全寿命周期管理，提高基建施工装备之间的协同控制能力[9-10]。但上述方法中，仅涉及作业装备之间的通信与过程管控，对协同控制流程提升不足。

为解决电网基建工程中存在的施工装备数字化能力弱、协同性差的问题，提出了一种基于5G 的电网基建施工装备数字化协同方法。该方法采用了5G 和北斗技术，实现了电网基建施工的集中指挥和多位置任务协同。

1 基建施工装备数字化协同框架

文中所述的基于5G 的电网基建施工装备数字化协同框架主要包括：建立5G 网络通道、电网基建施工装备位置服务和电网基建施工装备数字化协同策略三部分内容，如图1 所示。

图1 电网基建施工装备数字化协同框架图

由图1 可见，在建立5G 网络通道环节中，首先，进行电网基建施工装备5G 网络切片划分，针对不同类型的电网基建施工装备单独划分5G 网络切片。然后，进行电网基建施工装备的通信资源划分，以提高电网基建施工装备数据传输能力。最后，根据电网基建施工装备数据传输的情况，进行电网基建施工装备通信任务调度。在电网基建施工装备位置服务环节，首先，采用北斗技术进行电网基建施工装备地理经纬度的定位，然后，采用授时技术，对每一个电网基建施工装备的时钟进行同步，确保各装备之间的时间一致。在电网基建施工装备数字化协同策略环节，首先，对电网基建施工装备的时空特性进行分析，然后，进行电网基建施工装备的使用忙闲状态分析，在此基础上，进行电网基建施工装备的多位置任务协同调度。

2 基建施工装备数字化协同模型

2.1 建立5G网络通道

2.1.1 基建施工装备5G网络切片

我国研制的5 代移动信息通信网技术（5th Generation Mobile Communication Technology，5G）是一种新一代的移动互联通信技术，具有传输速率高、时延极低和带宽大的特点[11-12]，在电网基建的变电站、输电线路工程中应用广泛。

网络切片是5G 技术中的按照电网基建施工装备需求组网的方式，在一个5G 通道上虚拟出多个网络[13]，每个电网基建装备的切片进行物理隔离，以适用于不同场景的通信。

电网基建施工装备主要分为重大施工装备和一般施工装备两类；其中重大施工装备包括加热装置、放线滑车、张力机等；一般施工装备包括高压验电器、电缆剪刀等。文中按照上述分类方法进行5G 网络切片划分，以提高数据传输的安全与可靠性。

2.1.2 基建施工装备通信资源分配

基建施工装备通信资源分配是在5G 网络切片划分的基础上，按照电网基建施工装备的类别与重要性级别进行资源分配[14]，通信资源分配如表1所示。

表1 电网基建施工装备通信资源分配表

遗传算法(Genetic Algorithm，GA)是一种采用计算机语言描述自然界生物进化过程理论最佳求解的一种算法，该算法通过遗传学机理和自然学仿真模拟生物的基因染色体传递、基因变异等过程。因此，文中选择GA 算法进行电网基建施工装备的染色体资源分配，提高电网基建施工装备的分配能力[15]。

设电网基建施工中有na个施工现场，电网基建施工装备有ma个，电网基建装备用h表示，则通信的信道需求总数量H为：

在遗传的初始群组构成中，设概率码为θ，概率码的信道取值为：

设电网基建施工信道中的单个体k的适应度为f(v)，则单个信道的分配率La为：

2.1.3 基建施工装备通信任务调度

设电网基建施工通信任务有nb个，权重用λ表示，任务调度V为：

2.2 电网基建施工装备位置服务

2.2.1 基建施工装备位置定位

电网基建施工装备位置根据北斗的地理位置定位技术进行坐标定位，以确定当前电网基建施工装备的地理位置。

设电网基建施工装备的点与大地的纬线夹角为ψ，经线夹角为ϕ，该装备的高度为g，圆曲率半径为d，偏心率为b，则该装备的坐标定位体系为：

2.2.2 基建施工装备时钟同步

受电网基建施工装备电池欠压、装备故障等因素影响，电网基建施工装置将出现时钟超差的情况，即各电网基建施工装置的时间不一致。基建施工装置的时钟超差后，将影响电网基建任务工作流、电网基建建筑信息模型（Building Information Modeling,BIM）等应用的时间协同性。所以在电网基建施工装备协同任务开始前，进行电网基建施工装备时钟同步。

北斗卫星导航系统(Beidou Navigation Satellite System，BDS)是中国自主研制的全球导航卫星系统。BDS 由空间、地面和用户三个组成部分构成。在全球范围内为电力客户提供高精度的授时服务，在中国范围内的授时精度达10 ns。因此，为提高电网基建装备之间的时间同步率，采用BDS 进行集中授时，确保电网基建施工数字化协同各项工作的时间同步。

2.3 电网基建施工装备数字化协同策略

2.3.1 基建施工装备资源时空特性分析

我们选择了现实主义，我们坚定地走在现实主义创作道路上，遵循了现实主义创作原则，实践了现实主义创作方法。在现实主义绘画创作方面，关东画派艺术家们经过半个多世纪的群体努力取得了辉煌成就。

在电网基建施工过程中，施工人员使用的各类装备具有不同的时间和空间分布特征。即在确定的时间段内，在某一个电网基建施工地理位置坐标点使用一种电网基建施工装备。

为确保电网基建施工数字化协同调度的效率，通过电网基建施工装备地理位置定位信息，并将其与电网基建施工时间进度里程碑计划进行结合，形成电网基建施工装备的时空分布图，以便电网基建施工调度指挥进行数字化协同调度控制。

2.3.2 基建施工装备使用状态分析

电网基建施工装备具有工作中和空闲中两种状态。对电网基建施工装备使用状态分析的目的是为了掌握装备的计划使用时间和当前使用状态，以便更好地进行电网基建施工数字化协同调度。文中的电网基建施工装备使用状态分析除包含当前电网基建施工装备状态外，还包括电网基建施工装备的实际与计划使用时间，如表2 所示。

表2 电网基建施工装备状态统计

2.3.3 基建施工装备多位置任务协同

电网基建施工装备多位置任务协同的目的是为了提高电网基建施工设备的综合利用率。该方法结合了电网基建施工装备的资源时空特性、使用状态和工作任务计划进行综合协同控制，求解电网基建施工装备的最优运行方法。

匈牙利算法于1955 年提出，是一种在限定时间内，求解电网基建施工装备任务分配问题优化的组合算法[16]。文中的匈牙利算法是求解电网基建施工装备多位置任务协同的最优策略。

设电网基建施工装备有nc个，用Xc表示；电网基建施工任务有mc个，用Yc表示；电网施工赋权二部图Enm为：

设赋权二部图中的顶点标号映射为Gc，顶点z的标号为P(z)，设Gc的顶点标号为l，Gc的l等子图为Gcl，最小的边为rl，算法终止于U和W，修改分配标号P′(z)为：

3 算例分析

3.1 场景与参数设定

为验证文中所提基于5G 的电网基建施工装备数字化协同方法的有效性，将其应用在某省电力公司的电网基建的变电站与线路施工中；文中所提方法的服务器采用物理机，部署在某省电力公司中心机房。服务器采用的操作系统为Windows Server 2019、处理器为因特尔至强e5-2699 V4，22 核心，运行频率为2.2 GHz，内存为32 GB，硬盘为4 TB。

文中用于对比的方法为文献[17]中的非合作博弈方法，该方法在电网基建施工行业广泛应用，具有行业通用性。

3.2 算例运行分析

3.2.1 电网基建施工装备通信资源分配时长

电网基建施工装备通信资源分配时长是衡量文中模型的分配能力指标，该指标的计算方式是单类的电网基建施工装备通信资源的起止时间，该指标时间越短，效果越好。

文中以电网基建施工的重大施工装备为例，选用九类重大施工装备，采用文中所提基于5G 的电网基建施工装备数字化协同方法与业界广泛使用的以WIFI 技术为基础的非合作博弈方法比对资源分配时长，对比结果如表3 所示。

表3 电网基建施工装备通信资源分配时长表

由表3 可见，文中所提基于5G 的电网基建施工装备数字化协同方法在通信资源资源分配时长方面优于非合作博弈方法。

3.2.2 基建施工装备多位置任务协同准确性

基建施工装备多位置任务协同准确性是为了判断文中所提模型的准确利用效率。其计算方式为模型经人工核实准确的任务协同次数与该模型总的任务协同次数之比，基建施工装备多位置任务协同准确性指标的取值范围为0～100%，该指标值越大，则多位置任务协同准确性越好。

分别选择基建施工装备多位置任务的数量为100、200、350、450、550、650、750 个，每组任务分配10 次，对比文中所提5G 的电网基建施工装备数字化协同方法与业界广泛使用的以WIFI 技术为基础的非合作博弈方法的多位置任务协同有效性，对比结果如图2 所示。

图2 基建施工装备数字化协同准确性对比图

由图2 可见，反映文中所提基于5G 的电网基建施工装备数字化协同方法在多位置任务协同准确性的有效率平均值为99.4%，优于非合作博弈方法。因此，文中所提方法更优。

4 结束语

为解决电网基建工程中存在的施工装备数字化能力弱、协同性差的问题，提出了一种基于5G 的电网基建施工装备数字化协同方法。在对电网基建施工装备信道划分的基础上，采用北斗技术对多类型施工装备位置定位，并利用匈牙利算法，建立电网基建施工装备数字化协同策略，实现基建施工界面下的集中指挥与多位置任务协同工作。文中所提方法的实际运行结果，验证了该方法的有效与可行性。下一步，将结合数字孪生技术，对电网基建施工装备数字化协同做进一步研究。