基于物联网技术的电力现场作业安全管理系统设计

徐越峰，冯 杰，纪云鸿，游 强，薛 钊

（国网陕西省电力公司，西安 710000）

0 引言

国家电网公司在21世纪初期就发布了“智能电网”计划[1]，现已全面覆盖各大企业运营、安全管理等各个领域，电网运行管理水平有了显著提高。自国家电网公司到各网省公司以及基层单位，都在不断探索和完善现代信息技术、先进通信技术与电力系统各环节、各领域的深度应用，致力于2024年建成泛在电力物联网。

安全一直是电网建设和发展的永恒主题，国家电网公司始终把安全生产放在各项工作的首位，为了适应国民经济提升、国家电网公司发展，必须确保国家供电系统安全稳定的运行及为百姓可靠供电。本文以电力现场作业安全管理为切入点，设计基于物联网技术的电力现场作业安全管理系统设计，降低现场作业的风险性，提升安全管理水平。

1 电力现场作业安全管理系统硬件设计

1.1 基于管理违章工人的传感器设计

系统硬件中的传感器通常是由敏感元件和转换元件两部分组成（结构组成图如图1所示），有时还会加上辅助电源，敏感元件可以直接接收系统的数据信息，直接感受被测量，然后将数据信息传递到转换元件，转换元件会将敏感元件的信号输出作为输入，将敏感元件感知的非电量转换成为电信号输出，由于基于物联网技术的电力现场作业安全管理系统输出的信号都是非常弱的，所以要通过变换电路与信号调理将信号进行放大、调制等操作。

图1 电力现场作业安全管理系统传感器结构组成图

在整个系统中，传感器感知设备为本文安全管理系统的设计提供了物理变量、状态信息以及变化感知等工具和手段，通过对现场作业数据信息的处理实现对现场作业违章工人的管理，保证现场作业的安全性和规范性，降低现场作业的风险性。

基于物联网技术的电力现场作业安全管理系统传感器结构采用结构式传感器来接收安全管理系统发出的信号，通过数据库系统对信号进行分析处理，保证了系统的稳定和安全，降低了工作人员的作业风险，在现场作业过程中，如果相关工作人员没有按照国家电网公司的相关规定进行施工作业，电力现场作业安全管理系统当中的传感器就会发出报警信号，系统将报警信号传输到后台管理中枢，针对这一问题，在传感器设计的基础上，建立了现场作业风险模型（如图2所示）[2]，该模型可以根据现场作业条件对现场的环境进行预测，如果作业环境不符合标准作业环境，那么此项工程计划需要进一步改进和完善。

图2 现场作业风险模型

1.2 基于工器具和人员安全的服务器设计

物联网技术主要负责对数据信息的综合分析和处理大量数据信息，并采用智能化的方式对现场作业风险进行决策和管理，保证现场作业人员和工器具的安全，降低国家电网公司工作人员的作业风险。物联网、移动互联、大数据分析、云计算、人工智能等技术是电力现场作业安全管理系统采用的主要技术。

电力现场作业安全管理系统基于物联网技术进行服务器设计，主要解决国家电网信息处理和人与机器界面之间的问题，基于工器具和人员安全的服务器将采集到现场作业数据信息分别交给现场作业故障检测服务器、工作人员情况汇总服务器和环境监测服务器处理，然后将数据信息发送到每一个现场作业数据信息统计终端，电力现场作业安全管理系统服务器构架图如图3所示[3]。

电力现场作业安全管理系统的服务器设计是基于物联网技术，将现场作业的风险数据信息进行统计，并提前预警，实现了对现场作业的违背规定工作人员进行管理，同时还可以实时监测作业现场设备的故障问题以及对作业现场的环境进行提前预测分析，保证了现场作业过程中工人和作业工器具的安全。

图3 电力现场作业安全管理系统服务器构架图

国家电网公司基于物联网技术对电力现场作业安全管理系统的服务器进行设计，实现实时接收数据信息、数据实时储存、实时数据共享、历史数据查询以及历史记录的管理[4]，本文的服务器改进设计能够有效降低现场作业的风险，保证国家电网公司现场作业相关数据能够实时被监测。

2 电力现场作业安全管理系统硬件设计

2.1 基于风险预警的数据库改进设计

基于管理违章工人的传感器设计的基础上，提高现场作业风险预警功能，降低国家电网公司工作人员的作业风险，加强对现场作业风险的预测及预警，保证电力现场作业安全系统的稳定是国家电网公司建设的必要条件。由于国家电网公司管理系统大多数的模块都是以数据库作为接口，改进现场作业安全管理系统的数据库结构是实现现场作业风险预测的前提，同时也能保证国家电网公司信息查询效率的提高。

基于物联网技术将国家电网公司相关管理系统的数据库进行改进设计时，首先要对数据库的结构进行改进，即使数据库中信息数据的增删过程通常比较频繁，且国家电网公司数据库中的数据信息变化较多，但是系统的数据库结构相对来说是比较稳定的，基于物联网技术的数据库一般采用的结构设计模式为三级结构模式，这种结构模式设计可以对现场作业风险进行提前预警，根据预警等级来判断哪一个作业现场存在风险可能性较大，哪个时间段违章风险可能性较大，将电力现场作业安全系统的数据库分为模式、模式以及外模式等三级轴象模式[5]，电力现场作业安全系统的数据库三级模式如图4所示。

图4 电力现场作业安全管理系统的数据库三级模式图

为了降低国家电网公司工作人员的现场施工作业风险，系统的数据库采用03版本进行安全管理系统的数据库开发，主要是根据系统在运行过程中电力现场作业数据信息的管理以及前台数据的存储处理等工作。在基于风险预警的数据库改进基础上，得知系统的数据库需要建立表格，主要包括国家电网公司设备的基本信息表、电网设备型号表、状态信息表以及用户基本数据信息表等，每一个表格之间都不是孤立存在的，是通过相关键关联在一起的，共同构成了一个现场作业安全管理系统数据库主体。

每一个表都是建立在物联网技术上进行数据库改进的，从而对现场作业风险提前预警。系统中用户基本数据信息表主要是用来储存用户的详细信息和访问权限；电力设备的基本信息统计表是用来存放一些设备的基本信息；电网设备型号表的内容主要有电网设备的型号编码以及设备类型名称等相关信息。

2.2 基于现场风险判定的系统算法优化

为了判定哪个现场存在风险可能性较大以及哪个时间段违章风险可能性较大，本文基于工器具和人员安全的服务器设计的基础上，提出SLIQ算法的优化设计来实现基于物联网技术的电力现场作业安全管理系统的软件设计。SLIQ算法是目前应用最广泛的决策树算法，是在SPRINT算法的基础上设计的[6]，SPRINT算法的工作流程为：首先在作业现场所有元素中筛选出作业风险可能性最大的因素，再根据筛选的数据将国家电网公司数据划分为若干个子集，对划分每一个子集进行逐一判断，最后选择出一个影响力最大的因素；接着继续对所选元素进行划分，重复此步骤直到最后得到的子集只包含某一类型的数据为止。

SLIQ算法原理：设集合N包含n个国家电网公司数据样本，类标号属性可以用m个不同值来表示，对应的m个类别Mi，i {1，2，3，…，m}，设Mi中包含Ni个样本，则对于一个给定的样本分类所需要的期望信息为：设Q中有x个不同的数据值{n1，n2，n3，…，nx}，将集合A通过Q来进行划分，可以将集合A划分为x个子集{A1，A2，A3，…，Ax}，其中集合A中Q的取值为Qy的数据信息样本都会在Ay中包含，如果Q是所选择的测试属性，设Axy是子集Ay中Mi的样本数，那么Q划分的子集计算结果为：

根据数据信息增益值可以看出，计算得到的E（Q）值越小，Gain（Q）的计算结果就越大，也就对电力现场作业安全管理越有利。

SLIQ算法的详细步骤为：

1）从国家电网公司数据集合中随机抽取一个子集，使子集中同时含有A和B；

2）采用SPRINT算法生成一棵该子集的决策树；

3）判断抽取子集意外的子集是否有使用步骤2）生成的决策树，并根据电网信息，找出判定错误的子集；

4）如果有判定错误的子集，则将判定错误的子集重复步骤1）和步骤2）操作，重新生成决策树；如果没有判定错误的子集，说明生成的电网数据信息是可信任的，整个算法流程结束。

图5为SLIQ算法的流程图，其中训练集是由X和Y组成的，X1、X2分别是X的子集，Y1和Y2分别是Y的 子集。

3 实例分析

图5 SLIQ算法的流程图

为了证明本文改进的系统设计可以降低现场作业的风险，提前对现场作业风险进行预警，利用初始国家电网公司相关管理系统，以及基于物联网技术的电力现场作业安全管理系统，进行现场作业风险系数仿真实验。

3.1 实验过程

实验过程中，准备10组不同环境的国家电网公司现场作业数据，进行仿真实验，为了保证本次实验的客观性，模拟现场作业环境数据包括现场电压、环境中空气相对湿度、海拔高度、现场风向及风力大小、现场环境温度等6组数据，利用两个现场作业安全管理系统进行现场作业风险系数仿真实验，其现场作业仿真环境数据如表1所示。

表1 现场作业仿真环境数据

仿真实验开始之前，首先准备两台配置和型号完全相同的计算机，安装piliant仿真软件，根据表1的仿真环境数据，将准备的10组现场作业数据载入到仿真软件中，在实际仿真验证之前，要进行两次空载实验，保证整套仿真程序以及数据载入过程的稳定性。

接着根据仿真软件的数据接口，分别连入初始国家电网公司相关管理系统，以及基于物联网技术的电力现场作业安全管理系统，进行仿真实验。为了更加明显的对比实验结果，引入现场作业风险系数作为实验的对比指标，风险系数是评估国家电网公司信息是否安全的 指标。

3.2 实验结果分析

根据两种安全管理系统，在不同现场作业电压的条件下，获取的现场作业风险系数，绘制电力现场作业风险系数对比曲线，如图6所示。

图6 电力现场作业风险系数对比曲线

根据实验结果可知，采用初始国家电网公司相关管理系统，以及基于物联网技术的电力现场作业安全管理系统，在现场作业电压非常小的时候都具有非常高的风险系数，但随着现场作业电压越来越接近现场作业标准电压时，初始国家电网公司管理系统获取的现场作业风险系数几乎没有变化，而本文提出的基于物联网技术的电力现场作业安全管理系统，能有效降低现场作业的风险系数，因此可以采用基于物联网技术的电力现场作业安全管理系统，提高国家电网公司现场违章管理水平，降低现场作业的风险。

4 结语

本文提出了基于物联网技术的电力现场作业安全管理系统的设计，依托安全管理系统的硬件设计和软件设计，实现了本文的改进研究。仿真实验数据表明，本文设计的安全管理系统相比于初始系统，获取的现场作业风险系数低，可以有效保证现场作业人员和工器具的安全。希望本文的研究能够为国家电网公司管理系统的设计提供理论基础。