广域物联技术下试验仪器智能管控系统的设计与实现

湖南五凌电力工程有限公司、湖南省水电智慧化工程技术研究中心 喻勇丽 何亚文 王仁权 罗周维 李奇艳 胡丽芳

上海一亚信息技术有限公司 余涛

水力发电作为一种绿色可再生能源，已经在我国得到了广泛的开发和利用。截至2020年底，我国水电装机容量已经达到3.7亿千瓦。当前，水电项目已经成为我国电力系统的重要组成部分，但大部分中小型水电厂分布在十分偏远的地区，布局比较零散。而随着水电项目的不断整合与行业改革的持续推进，现在我国已经开始实行流域水电厂群管控模式和专业化电站检修服务业务模式。水电厂的运营和检修业务，一般统一由专业的电力工程公司或团队来负责，此举较好地解决了单一水电厂在设备检修维护方面缺乏专业技术人员的问题。

当前，业界已经开展了一些对水电运维检修作业进行智慧管理的模式探索，主要是检修项目管理。但对水电厂检修作业中涉及的大量试验仪器，则缺乏专项管控。

水电厂检修作业用到的试验仪器一般具有以下特点：价格昂贵、种类繁多、对操作人员的专业水平要求高，有时候甚至需要得到授权才能使用，对试验仪器还要进行定期检定和校准。同时，它还不同于其他行业的试验仪器基本固定在某个位置，而是具有服务区域分散、流动性很强、广域服务的特点。

图1试验仪器智能管控系统硬件架构

现存问题和需求

传统水电厂试验仪器管理存在以下几方面局限性：

库房管理方面

（1）传统上存放试验仪器的库房通常是储物间，使用通用货架或者密集架来存放，试验仪器的大小不标准、存放位置不固定，并且在大部分情况下，都是依靠库房管理员进行人工出库、入库和手工登记，难以有效避免乱发、难找、误拿及丢失的情况发生。

（2）仓库环境温湿度状态得不到监控，无法进行自动调节，过高的温湿度会对试验仪器设备造成损害，试验人员如使用损坏的仪器设备开展作业，就会造成一定的安全隐患。

（3）在共享集成方面，有些水电厂有自己的试验仪器库房，而这些库房都是各自独立的，没有形成统一管理的集群，仪器的有无、状态好坏、是否在使用……这些信息都没有被共享，处于信息孤岛状态。

使用管理方面

一台试验仪器，要经常被运到多座水电厂进行现场使用，什么时候出库？到哪里去？执行什么任务？需要多长时间？由谁来负责？这些信息都没有被完整地记录下来，而且即使有记录，也只是借助Excel表格进行简单地记录，对仪器的使用状态和位置缺乏准确和实时了解，不能及时掌握试验仪器的现场状况，也无法开展行之有效的协同管理，当然也无法提高试验仪器的使用效率。

仪器合规方面

水电厂试验仪器的使用，大多需要按周期进行检定和校准。一部分试验仪器的检定和校准工作可以在内部完成，一部分还需要借助外部力量完成。现在需要人工记录检定和校准周期，以及下一轮的工作时间，无法做到及时提醒和预警，也无法保证试验仪器本身的合规。

试验仪器的使用具有很强的专业性。操作人员需要进行培训后才能上岗，因此，需要进行试验仪器使用前的检查，必须确认操作人员具备相应的资质。但在现实中，很多单位并没有进行仪器使用的合规性检查。

为了在试验仪器共享利用的前提下，更好地满足用户和管理员的功能需求，并且客观科学地开展试验仪器的效益评价，本文着重从平台总体设计及功能实现上探讨了基于PC端和移动设备端混合结构、集成4G/5G和无线射频识别的水电厂试验仪器智能共享与评价系统的建设。

图2试验仪器智能管控系统软件功能图

试验仪器智能管控系统的整体设计

按照稳定性、安全性、适时性、实用性、易用性等原则对整个试验仪器智能管控系统进行设计。

硬件总体架构

根据物联网的结构定义和设备资产管理领域的实际情况，管理方案将根据功能划分为三层，即感知层、网络层和应用层，具体的系统结构如图1所示。由RFID无源抗金属标签、RFID读写器、天线组、智能超高频手持终端、高清视频摄像头、温湿度传感器和内置蓝牙控制电源装置等设备组成RFID智慧货架管理及智能管控系统。

软件应用架构

软件系统采用B/S结构，分别用于PC端和移动设备端，软件功能分为仪器资产管理、智慧货架管理、报表查询管理、位置管理、移动APP应用和系统管理六大功能模块。功能结构如图2所示。

系统功能模块及运行模式

基于物联网的智慧仓库管理

试验仪器的库房管理智能化，基于物联网技术进行实现。系统包括感知采集设备、数据处理模块、货架管理模块和可视化模块。

感知采集设备包括RFID读写器、馈线、磁吸附RFID天线和无源柔性RFID抗金属标签；感知采集设备部署在货架主体上，通过RFID读写器感知附着在试验仪器上的RFID标签，采集实物的关键信息，并传输给数据处理模块。

例如，一排货架由4组货架组成，每组有4层，在货架的顶上安装一台16通道RFID读写器，每组货架的层板上安装一个RFID天线，通过馈线连接至RFID读写器。

RFID抗金属标签粘贴于试验仪器外壳上，用于标识试验仪器的关键信息数据，具体包括试验仪器的名称、型号、编码、类别、批次、数量、RFID读写器及RFID天线编号。通过调节RFID读写器功率和RFID天线的安装位置来适应不同的货架层高，从而实现RFID信号的全覆盖，并且相邻货位间的信号不会相互干扰。RFID读写器采用RFID天线轮流读取的方法对每层货架进行扫描。

数据处理模块包括RFID中间件和试验仪器定位引擎，RFID中间件对采集的数据进行过滤、筛选、加工、整合，试验仪器定位引擎得出仪器所在的层数和具体区域。

货架管理模块用于提供试验仪器的盘点、位置查询、出入库管理和配置服务。

可视化模块用于显示各个区域现有的试验仪器及在货架主体中的具体层数和位置。

温湿度监控

在库房内，利用Zigbee技术进行无线组网，连接高精度温湿度检测和报警设备，实现库房温湿度自动测量、报警。再将温湿度数据自动送入空调的电源开关控制模块，从而实现温湿度的自动调控。

智慧授权管理

基于物联网技术，研发设计一种蓝牙电源开关装置，安装在试验仪器的电源插座中。结合开发的手机应用软件，遥控蓝牙供电开关，实现试验仪器的远程授权观看。通过智慧授权管理，保证具有合格资质的人员才能开机操作使用。

远程定位管理

基于高德地图GPS定位的SDK接口，结合RFID识别技术，采用HbuilderX开发工具，研发HTML5+APP软件模块，通过扫描感应仪器设备上的RFID电子标签或二维码标识，实时获取该台设备的编码、名称、型号等信息，与定位信息一起写入服务器数据库，实现试验仪器的位置追溯功能，并在PC端和移动设备端显示试验仪器的移动位置轨迹。

软件系统其他特点

（1）远程入网和控制。试验仪器智能管控系统集成了4G/5G和Wifi，电脑、手机、平板电脑等都能通过有线或无线方式接入门户网站，用户入网不受时间地点的限制，管理员可以实现远程控制。

（2）协同共享功能，用户能发布信息寻求试验协助或进行合作攻关，或管理个人日程和通讯簿等个人事务。

（3）仪器的智能管控。建立试验仪器的全生命周期管理，以及特别权限的用户在使用过程中的互动功能，使试验仪器管控更加科学、智能、合理、全面。

（4）库房工作区的现场自动控制。系统集成了无线射频识别的门禁锁技术，以及安装红外视频监控装备，用户刷卡进出库房，或进行仪器的上机、下机等操作，初步实现了工作区的无人值守。

（5）统计分析。仪器信息包括基本信息、功能信息和使用技术支持，内容更丰富，分类更科学，增加了用户对试验贡献的信息，用户信息更完整，尤其是集成了效益评价，并对目前的评价标准和方法作了进一步量化和细化处理，提高了适用性，实现了智能化。

结论

本文利用RFID、蓝牙电源和广域的卫星定位等物联网技术和硬件，开发实现了需要经常进出和移动的试验仪器的智慧管控，结合软件系统，实现试验仪器智慧库房管理、使用管理和合规管理。

实际应用中，此管控系统实现了存取便利和安全，解决了合规管控的问题。该试验仪器的快速借还，试验仪器的预留、领用、退库，以及及时迅速准确盘点，节省了大量空间，避免了人为差错，并实现了与检修作业一线的紧密结合，大大提高了生产效率。