基于边缘计算框架的电网基建智慧物联体系研究与实践

王晓波 韩东兴 王东强

基于边缘计算框架的电网基建智慧物联体系研究与实践

王晓波 韩东兴 王东强

（国网信通产业集团北京国电通网络技术有限公司，北京 102200）

电网基建规模的持续扩大，对其精益化管理提出了更高标准，驱动电网基建智慧物联体系建设不断深入。本文以边缘计算框架定位及其在工地现场的灵活应用为切入点，在归纳电网基建工程现场物联体系建设与管理需求的基础上，以国网公司智慧物联体系与边缘计算框架相关标准为指导依据，提出基于边缘计算框架的电网基建云边协同体系与层次架构方案，并从设计实践、应用实践和功能实践角度对电网基建智慧物联体系当前的建设情况进行分析和总结。

智慧物联体系；边缘计算框架；云边协同；电网基建物联体系；工地感知

0 引言

随着电网基建规模持续扩大，对工程管理能力提出了更高要求。电网基建工程以输变电工程为主体，具有点多、面广、线长、地偏等一系列特点，使工程现场管理面临更多挑战，也对工程精益化管理提出更高标准。同时，云计算、物联网、边缘计算、移动通信和人工智能等新一代信息通信技术的快速发展，为工程现场管理提供了更多创新手段，从而支撑工程现场管理能力提升。

通过在电网基建工程现场布置各类传感器，以及搭载边缘计算框架的各类边缘物联代理，实现对现场人、机、料、法、环、测等要素的自动感知与信息采集[1]，实现现场数据就地分析与闭环处理，并形成与云侧平台的云边协同和业务互动[2]，构建电网基建智慧物联体系，将有效提升电网基建现场管理能力，服务工程一线。

1 电网基建工程现场物联建设与管理需求

以电网基建工程现场管理要素为切入点，可将其物联建设需求按以下方面进行归纳。

1）人员监测与管理

管理要素主要是工程现场的各类人员及其关联的安全工器具，通过对现场人员身份、实时位置、图像和视频信息等的监测，实现对人员身份、到岗到位情况和安全作业状态的在线管理。

2）环境监测与预警

管理要素主要是工程现场各类内外部环境，既包括工程现场的广域气象环境监测，也包括有限空间作业中对各类有害气体的实时监测、电气主设备安装环境下对环境洁净度的实时监测，以及对高边坡地形、建筑本体和主设备基础等的地质状态监测。

3）施工装备监测与预警

管理要素主要是用于输变电工程机械化施工的各类施工装备，包括用于架空线路工程组塔阶段的抱杆拉线与承托绳拉力监测、张力放线阶段的牵引机与张力机监测，以及用于变电工程土建阶段的桩基和压实作业监测、电气施工阶段的真空净油机与抽气机监测等。

4）高危环节监测与管理

管理要素主要是与工程安全密切相关的高危环节和特种设备，包括深基坑在线监测、高大支模在线监测、塔吊运行状态实时监测、升降机运行状态实时监测、配电箱与用电安全情况监测，以及通过对风险作业视频与图像进行安全违章智能识别，实现对工程安全的在线监督与管理[3]。

5）质量检验检测与管理

管理要素主要是与输变电工程质量相关的实测实量数据和电气试验数据，包括钢筋与导线材料直径、建构筑物与基础结构尺寸、防雷接地与设备接地电阻、地脚螺栓紧固扭矩、线路弧垂尺寸等质量实测实量数据，以及对电气一次设备交接试验相关数据的监测，实现对工程质量的在线管理[4]。

2 电力智慧物联体系与边缘计算框架

国家电网有限公司于2019年开始智慧物联体系相关的设计与部署工作，并于2021年相继发布了相关企业标准，形成了国网公司智慧物联体系[5]。

2.1 智慧物联体系

智慧物联体系包括云端平台、搭载边缘计算框架与边缘侧应用程序（application, APP）的边缘物联代理、感知层终端，以及贯穿其中的物模型等多个部分，整体构成“云-管-边-端”四级体系层次[6-7]。智慧物联体系层次如图1所示。

图1 智慧物联体系层次

云是指部署在云端的物联管理平台及各专业上层应用，管是指联通边端侧与云侧的各类远程通信网络，边是指部署在区域现场具备边缘计算和云边互动能力的软硬件系统，端是指部署在采集对象内部或附近的各类终端与传感器。

2.2 边缘计算框架

在以边缘为核心的“云-管-边-端”四层体系架构中，边缘计算框架发挥着关键作用，其在智慧物联体系中的功能定位如图2所示。

结合功能定位和电网基建业务需要，可将边缘计算框架的作用归纳为如下三点[8-9]。

1）电网基建业务边缘计算的平台基础

边缘计算框架将网络通信、分析计算、数据存储、资源与应用管理等边缘能力融为一体，是电网基建业务边缘计算的平台基础，基于容器技术，可在不同基建现场各类硬件搭载，提供边缘平台服务。

2）赋能电网基建边缘侧APP

可面向各类电网基建边缘侧APP，通过开放其通信、数据、模型等基础服务能力，使各类电网基建边缘侧APP（含采集APP和业务APP）聚焦于电网基建业务自身，满足快速开发和灵活部署需要。

图2 边缘计算框架功能定位

3）电网基建云边协同的枢纽

边缘计算框架利用标准通信协议，对上面向云端实现电网基建业务协同和设备、容器、应用的交互协同，对下面向电网基建现场各类端设备提供数据上报、命令下发等通信枢纽服务。

2.3 标准物联模型

面对类型丰富、功能各异的端设备，为解决其数据格式不统一、传输协议多样化造成的数据处理与边缘计算问题，在智慧物联体系中引入标准物联模型[10]。

物联模型通过属性、事件、服务三个维度实现对端设备数据信息统一化描述，支撑各类感知数据信息在云、边间的标准化交互。

3 基于边缘计算框架的智慧基建云边协同架构

3.1 总体架构

电网基建智慧物联体系在总体架构上可划分为面向工程现场的工地感知层和边缘自治层，以及面向总部和省公司的远程监管层。电网基建智慧物联总体架构如图3所示。

3.2 工地感知层

工地感知层主要部署各类工地感知设备用于数据采集，利用有线、无线保真（wireless fidelity, WiFi）、远距离无线电（long range radio, LoRa）、射频识别（radio frequency identification, RFID）、蓝牙等组成工地物联网实现本地通信[11-13]，电网基建工程感知设备及其采集数据如下。

人员监测与管理类设备：利用智能安全帽感知现场音视频和人员位置等信息，利用智能手环监测人员体温、心率、血氧等健康指标，利用穿戴式近电感知设备感知近电距离。

环境监测与预警类设备：利用室外环境监测设备感知施工现场的温湿度、风速风向、扬尘噪声等参数，利用主设备安装环境监测设备感知安装环境中的微粒子、温湿度、微正压等参数，利用有限空间环境监测设备感知含氧量、有害气体含量等参数。

施工装备监测与预警类设备：利用拉力和倾角传感器感知抱杆组塔中的拉线拉力与抱杆倾角，利用牵引机与张力机智能监测设备感知张力架线中的牵引力、张力、放线速度等关键参数，利用桩基作业智能监测终端感知桩深、桩垂直度等参数。

高危环节监测与管理类设备：利用深基坑在线监测装置感知土体沉降、应力等参数，塔吊运行状态实时监测装置感知力矩、载重等参数，利用施工用电监测装置感知主配、分配、末配电流和剩余电流等参数，利用布控球等视频与智能分析设备，感知风险作业现场视频图像与违章作业信息。

质量检验检测与管理类设备：利用蓝牙游标卡尺和数显卷尺感知钢筋、导线、基础结构尺寸参数，利用蓝牙接地电阻测试仪感知防雷接地、杆塔接地、设备接地电阻参数，利用蓝牙扭矩扳手感知螺栓紧固扭矩参数，利用交接试验智能采集终端感知一次设备交接试验数据。

3.3 边缘自治层

边缘自治层主要部署搭载边缘计算框架的各类型边缘物联代理[14-15]，以边端分离、边端融合和边缘节点三种功能形态，面向工地现场不同管理需求，实现边缘就地分析、智慧工地管理和云边协同交互。

专用硬件型边缘物联代理：配置硬件平台化的边端分离型专用硬件，通过采集APP实现人员监测与管理类设备、环境监测与预警类设备、施工装备监测与预警类设备、高危环节监测与管理类设备的在线接入与数据采集。同时，按需构建业务APP进行业务处理，向具备现场管理能力的业务应用提供业务数据，协同其开展现场管理业务。

移动终端型边缘物联代理：在工地现场的移动APP中搭载边缘计算框架，使其成为边端融合型边缘物联代理，利用移动APP的硬件资源和蓝牙通信能力，通过采集APP实现质量检验检测与管理类设备的在线接入与数据采集。同时，通过与专用边缘代理设备的边缘协同，根据现场管理需要，实现现场移动APP的各项现场管理功能。

图3 电网基建智慧物联总体架构

服务器型边缘物联代理：在工地现场配置通用型服务器，并在其中搭载边缘计算框架，使其成为边缘节点型边缘物联代理，一方面，通过与专用硬件型边缘代理和移动终端型边缘物联代理的边缘协同，实现各类物模型化感知数据的集中汇聚和处理，另一方面，结合工地现场管理需要，提供智慧工地各项高级管理应用与功能。

此外，随着图像处理、机器视觉等技术的不断发展，在边缘物联代理中配置低功耗高算力专用硬件并搭载电网基建专用算法模型，利用深度学习的目标检测、人体姿态识别等智能分析技术，实现对电网基建工程现场多区域、全天候违章行为的自动检测与分析，提升边缘分析智能化水平。

3.4 远程监管层

远程监管层主要部署实时告警类、综合查询类、高级分析类、接口服务类等平台应用功能[16]。

实时告警类功能：实现对人员管理、工地环境、施工装备、高危环节、质量检验检测管理的实时综合告警，并对重要告警进行即时推送与提醒。

综合查询类功能：实现对人员监测、环境监测、施工装备监测、高危环节监测和质量检验检测相关感知数据的综合查询和综合展示。

高级分析类功能：结合输变电工程对进度、安全、质量、技术、造价、综合等专业管理的需要，进行进度跟踪、安全作业、质量控制、指标分析等高级分析、预警与管理。

接口服务类功能：实现云侧平台与基建边缘物联代理在设备管理、容器管理、应用管理和业务交互上的接口与数据交互。

4 电网基建智慧物联体系建设与实践

4.1 边缘计算框架与基建边缘物联代理设计实践

在电网基建智慧物联体系建设中，边缘物联代理处于关键环节，而边缘计算框架作为边缘物联代理的基础平台，既是联通上下的交互枢纽和承载边缘自治的调控核心，更是满足基建业务高效迭代的关键所在。为实现这些目标，需要依托边缘计算框架，在边缘物联代理中实现三解耦，即软件运行与硬件选型解耦、业务建设与平台框架解耦、数据采集与业务应用解耦。边缘物联代理解耦示意图如图4所示。

图4 边缘物联代理解耦示意图

软件运行与硬件选型解耦：由于电网基建工程类型规模不同、管理要素有别、感知需求各异，决定了其对于边缘物联代理的硬件资源需求存在明显差异，因此边缘计算框架必须依托容器化技术，实现与各工程现场边端分离型和边缘融合型专用硬件、边缘节点型通用服务器的解耦，更好满足各类工程现场的配置和实施需要。

业务建设与平台框架解耦：基于边缘计算框架提供的数据共享库、消息服务中心、资源与应用管理、标准对外交互接口等基础服务能力，电网基建工程业务与应用只需关注自身业务需求和功能逻辑，通过在边缘计算框架环境中，开发基建各类业务专用的边缘侧APP微应用，并根据业务需求和管理需要实现高效迭代即可。

数据采集与业务应用解耦：为进一步提升业务功能建设的灵活性和高效性，将边缘侧APP进一步划分为采集APP与业务APP。采集APP面向现场端设备，聚焦于设备紧耦合相关的协议适配与数据采集等功能，并将采集数据进行物模型转换后在边缘计算框架中保存。业务APP面向工程现场和云端平台的管理需要，基于边缘计算框架中的物模型化数据，聚焦于业务紧耦合相关的数据处理和业务分析功能。两者的分离与解耦，即能保证采集APP的长期稳定运行，又能支撑业务APP的高效迭代。

基于以上解耦原则，在工程实践与实际应用中，进行边缘计算框架的研发，具体功能包括设备管理、模型管理、应用管理、任务管理、算法管理、事件管理与系统管理等。边缘计算框架功能界面如图5所示。

4.2 基于边缘计算框架的边缘物联代理应用实践

1）专用硬件型边缘物联代理应用实践

应用于电网基建工程现场的专用硬件型边缘物联代理，采用专用硬件并搭载边缘计算框架，实现对于多种感知设备的南向集中接入，进行数据管理和边缘计算，通过数据交互与同级边缘物联代理实现边缘协同，通过北向交互接口实现与云侧平台云边协同。

在硬件资源配置上，结合输变电工程现场特点，综合评估通信能力需要、软件资源需求、工地环境因素和基建作业特点等，除满足边缘物联代理基本技术要求外，还应特别考虑如下因素：

（1）在防护等级上不低于IP65，以满足户外工地环境下的设备部署要求。

（2）具备自带电池独立工作能力，电池供电条件下可至少连续工作8h，以解决供电不便问题。

（3）本地通信支持WiFi、LoRa、蓝牙等无线通信方式，远程通信支持3G/4G/5G等无线公网方式，以解决有线网络难于布设的问题。

在工程实践与实际应用中，根据电网基建工程类型和规模差异，综合考虑设备计算存储能力要求、外形尺寸与重量等因素，为线路工程与小型变电工程研发了基础型设备，为大中型变电工程研发了增强型设备。专用硬件型边缘物联代理如图6所示。

图5 边缘计算框架功能界面

图6 专用硬件型边缘物联代理

2）移动终端型边缘物联代理与移动应用融合实践

智能移动终端在偏远、分散的电网基建工程管理中，具有重要作用。利用智能移动终端搭载边缘计算框架，既能发挥其在工程现场管理中的便携优势，又能深度融入基建物联体系，助力现场物联管理与移动应用深度融合。

结合管理需要，在工程实践与实际应用中，移动终端具体功能包括物联看板、设备统计、告警统计、人员穿戴设备、工程环境、施工机械、安全监测与质量检验功能。现场移动终端功能界面如图7所示。

图7 现场移动终端功能界面

3）服务器型边缘物联代理与智慧工地管理融合实践

在规模较大、管理要求高的高电压等级电网基建工程现场，可依托通用型服务器或工控机搭载边缘计算框架，通过建设智慧工地管理相关高级功能，实现边缘协同和工地自治，进一步提升工程的物联管理能力和精益化管控水平。

结合管理需要，在工程实践与实际应用中，智慧工地具体功能包括工程管理、建设资源管理、场地空间管理、视频监控交互、安全施工监测、系统管理功能。智慧工地功能界面如图8所示。

图8 智慧工地功能界面

4.3 基建平台功能建设实践

基建平台即基建全过程综合数字化管理平台，为电网基建各管理层级与参与单位提供了基建专业管理、全过程支撑和工程信息服务，是基建数字化管理和数据价值挖掘的工作平台。其与物联管理平台一起，形成了电网基建智慧物联体系的云侧平台，承载着电网基建智慧物联体系远程监管功能。

结合管理需要，在工程实践与实际应用中，基建平台具体功能包括工程统计情况、设备与工器具、参建队伍应用率、质量巡检、风险到岗到位统计功能。基建平台功能界面如图9所示。

5 结论

本文通过分析电网基建工程现场物联建设在人员监测与管理、环境监测与预警、施工装备监测与预警、高危环节监测与管理、质量检验检测与管理方面的需求，以国网公司智慧物联体系与边缘计算框架相关标准为指导依据，提出了基于边缘计算框架的电网基建物联体系在工地感知层、边缘自治层和远程监管层的架构，并从设计实践、应用实践和功能实践角度进行了归纳。

在电网基建数字化和信息化重心持续深入地向工程现场下移的趋势下，实时感知、边缘自治、云边协同的智慧物联技术发挥了越来越关键的作用，支撑工地现场管理方式从信息填报向实时感知加速演进，并以数据为纽带促进更多智能化管控手段不断涌现。随着电网基建业务管理“六精四化”持续推进，以及国网智慧物联体系和企业中台建设的不断深入，电网基建智慧物联体系将在业务和技术的双轮驱动下，在广度上向支撑人、机、料、法、环、测等要素全面感知扩展，在深度上向赋能进度、安全、质量、技术、造价、综合各专业融合创新推进。

图9 基建平台功能界面

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Research and practice of smart internet of things system for power grid infrastructure based on edge computing framework

WANG Xiaobo HAN Dongxing WANG Dongqiang

(Beijing Guodiantong Network Technology Co., Ltd, State Grid Info & Telecom Group, Beijing 102200)

As the scale of power grid capital construction continues to expand, higher standards have been put forward for its lean management, driving the continuous deepening of the construction of the smart internet of things system for power grid capital construction. This paper takes the positioning of the edge computing framework and its flexible application on the construction site as the starting point. On the basis of summarizing the construction and management requirements of the on-site internet of things system for power grid capital construction, it is guided by the relevant standards of the State Grid Corporation’s smart internet of things system and edge computing framework. Based on this, a cloud-edge collaboration system and hierarchical architecture scheme for power grid capital construction based on the edge computing framework is proposed, and the current construction of the power grid capital construction smart internet of things system is analyzed and summarized from the perspectives of design practice, application practice and functional practice.

smart internet of things system; edge computing framework; cloud edge collaboration; grid infrastructure internet of things system; construction plant perception

2022-06-27

2022-07-10

王晓波（1976—），男，陕西省岐山县人，硕士，高级工程师，主要从事电力数字化与信息化、电力基建管理、电力调度与交易业务研究工作。