基于泛在物联网的电力物资智能管理系统设计

吕振辉，徐丽，张益波，李嘉迪

（国网上海市电力公司，上海 200120）

在完善智能电网的基础上，大力建设泛在电力物联网，构成能源流、业务流、数据流相互融合的能源互联网是未来电网建设发展的方向[1-3]。但目前在电力物资管理环节，泛在物联装备应用较少，智能型、效率型储运装置运用不足，电力物资管理严重依赖于人工处置，其管理方式粗犷、管理效率较低、状态管控能力不足[4-6]。

随着物联网技术的快速发展，应用智能储运装置构建泛在物联的电力物资智能管理系统，推动电力物资管理向精细化、智能化、高效化的管理模式转变，是符合未来电力物资管理的重要发展趋势[7-10]。

因此，文中开展基于泛在物联网的电力物资智能管理系统设计研究，以期实现电力物资的物联互通、泛在可视、管理智能。

1 系统物理架构设计

基于泛在物联网的电力物资智能管理系统的物理架构如图1 所示。储运单元存储电力废旧物资，称重传感器安装在储运单元的每个脚垫上，智能管理终端安装在扇门底部中心位置。称重传感器通过接线盒将电力设备的重量信号传送至智能管理终端，智能管理终端通过4G/5G NB-IoT 将重量、定位、高度等信号传送至电力物资智能管理系统。电力物资智能管理系统通过数据统计分析功能，实现对废旧物资储运的全程状态管控，为废旧物资全流程业务提供管理方案，实现储运策略的智能决策。

图1 系统物理架构

1.1 储运单元的优化设计

经过优化设计后的储运单元结构，储运单元的总质量仅为2 600 kg，储存容量却可达13.5 m3，具备较强的安全系数。在10 t 载重情况下的安全系数达2.11 倍；在26 t 堆重情况下的安全系数达1.64 倍；在10 t 载重+26 t 堆重情况下的安全系数达2.79 倍。相比于传统储存装置而言，储运单元在结构设计上具有以下几方面改进：

1）通过改进整体结构设计来减低自身重量，同时将原半扇门结构改为全扇门结构，能够提高电力物资卸载的效率；

2）通过改进门锁设计来减低开锁、上锁需要的时间，同时降低每一个门锁的质量；

3）在每个脚垫内安装称重传感器，实现称重部件与全扇门一体化，大幅降低了储运单元的质量，并提高了可储存电力物资的总容量。

1.2 智能管理终端的优化设计

智能管理终端将电力物资的位置、质量、高度、流程等数据数字化保存，并上送至电力物资智能管理系统。通过操作界面提供监测储运单元状态、设置参数等操作，是实现电力物资全状态监控、全流程管理的核心。

智能管理终端的结构采用模块化的设计以便于维护升级，其中包括称重模块、定位模块、通信模块和电源模块等。

1）称重模块。智能管理终端采用称重模块与其他功能模块分离的设计方法，称重传感器与智能管理终端实现了接线的解耦，如图2 所示。称重传感器通过接线盒连接终端盒，更换传感器时无需打开终端盒，这样能够方便称重传感器的安装使用和维护升级。

图2 称重传感器与智能管理终端接线

同时称重传感器在量程上留有足够的裕度，每个称重传感器的承重范围为10 t，能够确保承受电力物资的质量。称重时通过智能算法，直接在页面展示储运单元内部电力物资的质量。

2）定位模块。其结合双频GPS 定位技术[11-12]，该定位技术相比于传统单频定位技术，采用L1+L5波段进行定位，L5波段具有高信号码率的优点。同时通过双频可以消除大气电离层引起的定位误差，大幅度提高定位的精度，智能管理终端在信号强的空旷处可精确到3～5 m。在高度计算方面，根据气压差推算箱子的相对高度，可精确计算当前箱子的层数。

3）通信模块。智能管理终端外部留用升级调试接口，内部具备RS-485、I/O 等接口，方便拔插与维护。连接互联网的上行通信采用5G NB-IoT 通信，所使用的5G NB-IoT 芯片具有功耗低、抗干扰能力强等优点。

4）电源模块。其使用安全电池，在增大电池容量的同时不增加壳体尺寸。当电池发生异常情况时，会通过电子邮件告警等方式通知用户。所使用的LCC 电池相比于镍铬电池、锂电池等，具有工作温度范围广、发生穿刺也不会燃烧、充电速度快等优点。

2 系统业务功能设计

2.1 系统功能结构

文中通过称重传感器、定位模块、高度测量模块等智能传感装置与5G NG-IoT 通信技术，构建了覆盖储运装置、电力物资、仓库等的智能物联网。基于泛在物联网的电力物资智能管理系统，能够实现对电力物资全程状态管控、全量数据分析处理、全流程智能决策[13-14]，其系统结构如图3 所示。系统包括数据录入层、平台应用层和后台管理层3 层结构，各层的主要功能如下：

图3 基于泛在物联网的电力物资智能管理系统结构

1）数据录入层。即电力物资管理层，主要实现电力物资数字标签的录入、管理。

2）平台应用层。即业务流程管理层，实现资源管理、库存管理和处置管理等业务流程的智能化。资源管理包括库位编号、库位状态、自动分配等库位资源信息的管理，以及装备编号、装备状态、自动分配等储运装置信息的管理；库存管理包括库存清单、库存查询、库存盘点、仓库容积分析、月度仓储利用率、储运淡旺季分析等仓储统计分析功能；处置管理包括处置方法录入、出库时间提醒、处置预案生成、处置审批、处置预警等功能。

3）后台管理层。即参数设置层，具备系统管理和基础管理功能，系统管理对系统用户的姓名/编号、角色/岗位、数据/功能权限分配和系统运行日志等进行管理；基础管理包括环境参数设置、入库需求管理、仓储规则设置等仓库管理功能，以及供应方/承运方管理、移交单据管理等移交管理功能。

2.2 业务流程优化

2.2.1 现有管理业务流程及不足

现有电力物资管理流程中，当电力物资需要报废时，通常由保管使用单位办理入库手续后，组织将电力物资运送至指定仓库。送货前通过电话与电力物资管理部门进行预约，仓库采用人工记录即将入库的电力物资信息。在该过程中，电话预约送货、人工记录入库电力物资信息容易导致相关信息传递与记录的错漏，同时业务处理效率较低。

在入库阶段，当电力物资保管使用出具入库审批单及技术鉴定报告时，扫描电力物资“ID”办理电力物资移交并签署电力物资移交单。仓库通过人工进行称重计量、核实，该业务过程中，由于电力物资信息的核实需要花费较长时间，所以实际工作中通常先签署电力物资移交单后再计重核实。其容易导致电力物资信息的核查不严谨，且人工计重、核实不利于电力物资信息的记录与整合。

在完成入库单据审核及电力物资称重后，仓库管理人员为电力物资分配库位号，电力物资将放入指定库位。在库的电力物资将根据计划开展定期盘点。在此阶段中，人工分配库位不利于仓库容积的合理使用，而库位号、操作人员等信息未与物资相互绑定，不利于后续的盘点和出库，同时人工盘点方式的工作效率较低。

2.2.2 改进管理业务流程

针对现有电力物资管理业务流程存在的不足，基于上述电力物资智能管理系统，文中对电力物资管理业务流程的改进包括：

1）将电话预约送货的方式改进为通过电力物资智能管理系统进行预约。

2）将仓库人工记录电力物资信息改进为通过智能管理终端录入并保存电力物资信息。

3）将仓库人工计重、施工队核实的方式改进为储运单元自动计重，并通过智能管理终端上传系统，再通过系统核实相关信息。

4）将仓库保管员分配库位的方式改进为系统根据仓库分配优化算法自动分配库位。

5）将人工盘点电力物资方式改进为通过信息进行电力物资盘点，并对电力物资信息进行更新。

电力物资智能管理系统的管理业务流程如图4所示。基于该智能管理系统，实现了电力物资状态、仓库库位状态、电力物资处置进度、储运装置状态的全量可视化，并为电力物资处置、库位优化分配、电力物资盘点核查提供智能化决策。

图4 改进的电力物资智能管理业务流程

3 测试与分析

为验证文中设计开发的基于泛在物联网的电力物资管理系统的性能质量，采用黑盒测试法对其进行测试。黑盒测试法即输入测试用例数据，检查输出结果与预期结果的一致性，达到验证系统软件功能的目的[15-16]。

3.1 系统功能测试结果

电力物资智能管理系统功能测试结果如表1所示。

表1 系统功能测试结果

3.2 系统性能测试结果

电力物资智能管理系统性能测试结果如表2所示。

表2 系统性能测试结果

3.3 系统安全性测试结果

系统安全性测试主要针对系统的数据库安全性开展测试[17-18]，电力物资智能管理系统数据库安全性的测试结果如表3 所示。

表3 数据库安全性测试结果

4 结束语

该文设计了基于泛在物联网的电力物资智能管理系统的物理架构和功能架构。对传统电力物资管理业务流程的不足，提出了改进业务流程。通过算例分析表明，该文所设计的基于泛在物联网的电力物资智能管理系统功能达到了预期需求。系统各项性能指标均较优，数据库的安全性较好，能够满足电力物资管理的实际需求。但文中并未研究电力物资智能管理系统的应用效果，在后续将建立全面的评价指标体系来进一步研究与分析。