输变电设备物联网人机交互系统情景感知模型

曹 敏 李 鹏, 谭 旻 蒋建波 张林山 尹福荣 李申章

(云南电网有限责任公司电力科学研究院1，云南 昆明 650217； 云南大学信息科学与工程学院2，云南 昆明 650091)



输变电设备物联网人机交互系统情景感知模型

曹 敏1李 鹏1,2谭 旻1蒋建波2张林山1尹福荣1李申章1

(云南电网有限责任公司电力科学研究院1，云南 昆明 650217； 云南大学信息科学与工程学院2，云南 昆明 650091)

针对输变电设备物联网系统中运维人员与设备之间的“人机互动问题”，研究了输变电设备人机交互系统的功能需求与总体结构，提出了基于情景感知的输变电设备人机交互模型。该模型由情景采集层、情景推理层、情景访问层和情景应用层构成。通过具体应用案例分析，证明了该模型在物联网环境下有助于提高输变电设备巡视、检修及维护过程的智能化水平，减少了运维人员的误操作概率。

物联网 输变电 全生命周期管理 人机交互系统 情景感知 智能巡检 移动应用 智能化

0 引言

输变电设备物联网是智能电网的重要组成部分，可实现输变电设备之间、设备与人之间的高效信息交互与决策[1-2]。国内外关于电力系统人机交互系统(human-computer interaction system,HCIS)方面的研究尚处于起步阶段。朱全胜[3]提出了四项智能电网人机交互系统亟需解决的关键技术，赖晓文[4]提出了横向集成、纵向挖掘、学习式与预知式的电力系统智能人机交互方式，朱作欣[5]提出了基于MapX的电力系统GIS人机交互技术，陈玮[6]提出了改进的电力系统动态监视中能量管理系统调度员信息交互模型。国内外针对输变电设备智能监测的人机交互系统研究尚未见报道，但是随着物联网技术的兴起，特别是在输变电设备智能监测与全寿命周期管理中的应用[7]领域，其重要性越来越明显。

本文针对输变电设备物联网系统中运维人员与设备之间的“人机互动问题”，研究了输变电设备人机交互系统的总体结构、信息推送模式及闭环辅助决策等具体问题，提出了基于情景感知的输变电设备人机交互模型，实现了运维人员与输变电设备之间的情景采集、抽象、搜索、推送及解释。

1 输变电设备物联网人机交互需求及架构

输变电设备物联网的整体结构主要由智能感知层、数据通信层、信息整合层、智能应用层这四层构成，如图1所示。

图1 输变电设备物联网结构图

智能感知层主要通过一体化智能监测装置，包括智能传感器、射频识别(radio frequency identification,RFID)设备、移动终端(手持式读写器)等，实现对输变电设备状态信息、环境信息以及本体信息(设备资产属性等)的采集、感知和识别，它是实现监测数据分布式处理以及“物物互联”、“人机互动”的硬件基础。在该层，现场运维人员通过iPad等手持式移动终端及RFID设备对输变电设备进行识别，并根据运维人员的角色及现场情景，自动从后台或前台获取设备的本体信息、历史状态信息及检修信息、当前状态信息、剩余寿命及故障隐患信息等。而运维人员亦可依据现场巡视、检修状况，把相关信息通过手持式移动终端设备上传至平台系统，从而实现了设备侧的人机互动。

数据通信层通过站内WiFi、现场总线(Fieldbus)、移动专网(GPRS)、卫星通信(GPS)、电力专网(Ethernet)、电力光纤网等通信方式，实现现场级传感器组网、变电站站级系统组网、供电局区域子站组网、主站系统组网，从而保证设备、平台、运维人员之间互动信息的可靠传递。

信息整合层实现对输变电设备信息的汇聚、存储、处理、融合和发布等功能，主要由主站级的全景信息集成平台实现。集成平台的数据来源包括：输变电设备状态信息、调度系统信息、生产管理信息以及公共安全信息。信息整合层是实现对输变电设备全面感知，以及“人机互动”的平台基础。

智能应用层负责对输变电设备进行状态评估、预测预警、智能诊断、风险评估和成本分析，形成全生命周期管理的智能应用。它是输变电设备物联网技术的最终体现，也是人机交互信息的处理终端。

系统侧的人机互动主要涉及变电站级、主站级的系统平台层，涵盖了信息整合层和智能应用层，运维人员通过变电站及主站的集中监控系统与设备进行人机交互。监控系统通过指纹识别器、IC卡识别器等装置确认运维人员的身份信息，并根据应用场景及角色自动推送不同尺度的输变电设备状态信息、运行信息、诊断评价信息及辅助决策信息。

文献[8]提出了由用户、网络和内容三部分组成的人机交互模型架构。本文根据输变电设备物联网的结构特点以及变电站、输电线路运维的实际要求，对该模型进行了改进，提出了输变电设备物联网人机交互架构，如图2所示。

由图2可知，该架构由人机交互用户、交互信息以及感知单元三大部分组成。人机交互的用户角色分为九类，它们通过移动终端或平台监控系统与输变电设备的监控信息、辅助信息进行互动。移动终端或平台监控系统识别用户身份后，根据人机交互用户的具体角色、场景、设备监测信息优先级、历史操作轨迹等输入条件，自动变更人机界面，并推送相关信息。

图2 输变电设备物联网人机交互架构图

由于所有的交互信息均存储在变电站分布式智能监测终端(intelligent electronic device,IED)、输电线路分布式IED、移动终端等各类感知单元中，因此移动终端或平台监控系统还需根据交互对象的选择条件，对通信网络进行访问控制。

综上可知，构建输变电设备物联网人机交互系统主要面临以下问题：

①输变电设备物联网交互信息的选择与展示；

②输变电设备物联网交互信息的可靠传输与访问控制。

本文主要针对第一个问题进行研究。基于情景感知计算理论，提出了一种输变电设备物联网人机交互系统模型。

2 基于情景感知的输变电设备人机交互模型

2.1 情景感知计算

1994年，B.N.Schilit 等[9]使用了Context Aware这个词，并通过枚举的方式将情景信息分为计算情景、用户情景、及物理情景这三类来定义。Dey[10]在其博士论文中给出了情景感知的定义：情景信息是可以用来描述实体情形的任何信息，所谓实体是指人、位置或其他和用户及应用交互相关的物体，包括用户和应用本身。因此，情景感知计算可以有效地利用智能空间环境中的情景信息给用户提供任务相关的信息和服务，可以发现和使用情景信息。总地来说，情景感知计算主要通过传感器技术获取用户的环境信息，通过情景模型中决策系统的处理与识别(这里主要包括情景通过传感器的直接获取或者情景推理)，为用户提供服务支持。

情景感知系统框架包括情景感知采集层、情景感知推理层、情景感知数据库、情景感知访问层、情景感知服务层[11-12]，其基本框架如图3所示。

图3 情景感知系统基本框架图

①情景感知采集层：对用户周围的环境进行感知和收集，主要由传感器和感知预处理器组成。

②情景感知推理层：主要进行情景数据推理工作，是整个情景感知系统的核心部分。本层的主要功能模块为情景信息器接收器、推理器、调用控制器。

③情景感知数据库：由情景数据库、规则库、服务数据库所组成,主要服务于情景感知推理引擎。

④情景感知访问层：由查询方式(主动方式)、推送方式(被动方式)组成。当该层为查询方式时，系统根据智能空间中的周围环境值变化情况为用户提供服务；当该层为推送方式时，由系统内部的实时监听器判断服务数据与用户周围环境变化之间的关系，从而为用户推送实时服务。

⑤情景感知服务层：向用户提供各种应用业务。

2.2 输变电设备人机交互模型

根据2.1节关于情景感知模型的定义及框架，提出了如图4所示的输变电设备物联网人机交互情景感知系统模型。

图4中，情景推理层获取输变电设备全景信息后，需对其进行抽象及存储。情景抽象(context abstraction,CA)的目的是获取关于外部交互特征的情景信息，主要包括三个方面：

①清洗收集的原始数据，并进行预处理，如采样、滤波、取均值、统计和校准；

②对不同情境特征的融合与聚类，并找到它们之间的关联；

③对上面处理过的情景进行解释，以获取隐藏在相关情景特征后面的语义。

图4 情景感知系统模型

“情景推理”模块需与“情景获取”模块配合工作。情景获取的目的是获取情景存储器中的原始情景，主要有显式查询、轮流检测、事件驱动这三种获取方法。

“情景选择与分析”模块及“情景协调与推送”模块共同构成了情景访问层。情景选择分析的目的是只选和应用相关的情景信息；情景协调和推送的目的是协调所有的操作处理，具体包括主动情景感知、被动情景感知。

3 应用实例分析

图5为某变电站移动应用平台示意图，基于Android操作系统的移动设备为人机交互系统的输入输出接口。该平台集成了具有高频扫描功能的RFID模块，并利用无线或有线多种传输方式的异构网络与服务平台进行通信。省公司主站及供电局子站主要承担提供数据流服务，与各业务系统进行数据交互；同时为移动应用终端、监控计算机等设备提供服务。

图5 变电站移动应用平台示意图

系统的人机交互应用功能主要有以下四方面。

①现场数据集成展示。

利用移动应用终端，从物联网系统及其他业务系统实时获取数据，按变电运行、输电管理、试验检修、安全监察、调度指挥等不同专业口进行划分，从而针对不同专业及其各层人员需求，实现不同的现场数据集成展示和监控预警提醒功能。通过物联网数据对“人”的推送，建立系统与“人”的互联。

②设备管理。

以生产系统中的设备台账为基础，利用EPC编码对每一个设备进行编码，移动终端通过获取设备的EPC编码，执行本地固化数据，调用或者实时调用物联网系统及其他业务系统中的设备数据和与设备相关的监测、缺陷、状态数据，实现人对物的快速识别和现场数据的高速获取。

③作业管理。

现场作业具有复杂的业务需求，移动终端需进行现场数据支撑，同时还需承担作业标准支撑、规范化作业管理、现场作业数据采集、物联网数据交互、作业环境提示等任务。因此，需针对不同的作业，制定不同的应用。本系统采用了组件式作业应用构建方式，根据

用户角色及管理权限划分，实现了各种类型的现场作业应用。

④记录查询。

系统提供以设备为对象的操作和维护记录查询功能。通过输变电设备物联网，移动应用终端实现了设备侧的现场查询功能，以服务于现场作业。

4 结束语

输变电设备物联网将具有标志及分布式处理能力的设备与运维人员联为一体，形成了“物物互联”、“人机互动”的虚拟网络。本文针对输变电设备物联网系统中运维人员与设备之间的“人机互动问题”，研究了输变电设备人机交互系统的功能需求与总体结构，提出了基于情景感知的输变电设备人机交互模型。该模型由情景采集层、情景推理层、情景访问层和情景应用层这四层构成。具体应用案例的分析证明了该模型在物联网环境下，有助于提高输变电设备巡视、检修及维护过程的智能化水平，降低了运维人员的误操作概率。

[1] International Telecommunication Union.The Internet of things[R].Geneva:ITU，2005.

[2] 孙其博,刘杰,黎羴，等.物联网:概念、架构与关键技术研究综述[J].北京邮电大学学报,2010,33(3):1-9.

[3] 朱全胜,孙怡,李卫东.智能电网中EMS人机交互的关键技术[J].电力自动化设备,2011,31 (8):117-121.

[4] 赖晓文,陈启鑫,夏清.基于SVG技术的电力系统可视化平台集成与方法库开发[J].电力系统自动化,2012,36(16):76-81.

[5] 朱作欣,朱全胜,马超.基于MapX的电力系统GIS人机交互设计[J].电网与清洁能源,2011,27(12):28-33.

[6] 陈玮,罗毅,涂光瑜.动态监视下电力系统状态的可视化[J].电力系统自动化,2004,28(8):68-71.

[7] 曹一家,何杰,黄小庆.物联网技术在输变电设备状态监测中的应用[J].电力科学与技术学报,2012,27(3):16-27.

[8] 胡永利,孙艳丰,尹宝才.物联网信息感知与交互技术[J].计算机学报,2012,35(6):1147-1163.

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[11]张烁,段富.基于智能移动平台的情景感知技术研究[J].计算机应用与软件,2013,30(8):166-169.

[12]顾君忠.情景感知计算[J].华东师范大学学报(自然科学版),2009(5):1-20.

Context-aware Model of Human-computer Interaction System for Power Transmission and Transformation Equipments Based on Internet of Things

Aiming at the human-computer interaction (HCI) between operators and equipment in IOT system of power transmission and transformation equipment,the functional requirements and overall structure of HCI system of power transmission and transformation equipment are researched,and the HCI model based on context awareness is proposed.The model is constituted of the acquisition,inference,access and application of contexts.Through analysing specific application case,it is shown that under IOT environment,the model is helpful to improve the intelligent level of processes of inspection,repair and maintenance for power transmission and transformation equipment,and reduces the probability of misuse of operators.

Internet of things Power grid Life-cycle management Human-computer interaction system Context aware Intelligent inspection Mobile application Intellectualization

国家自然科学基金资助项目(编号：61364024)；

云南省科技计划应用基础研究基金资助项目(编号：2014FB112)；

云南省教育厅科学研究基金资助项目(编号：2015Z014)；

云南大学中青骨干教师培养计划基金资助项目(编号：XT412003)。

曹敏(1961—)，男，1984年毕业于昆明工学院工业自动化仪表专业，获学士学位，教授级高级工程师；主要从事电力物联网、电力计量技术方向的研究。

TH86;TP23

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201608012

修改稿收到日期：2016-01-04。