基于物联网通讯及云端服务地埋电缆防开挖破坏预警装置

国网青海省电力公司海东供电公司 谈生磊 侯天录 姜永宏 张首旺 杨 霄 青海大学水利电力学院 马玺尧

当前，对地埋电缆的安全维护通常采用人工巡视的方式，该种方式下存在以下问题：地埋电缆数量大，有限的维护人员无法做到完全掌握电缆状态；地面挖掘施工地点和时间随机性大，巡视人员无法做到100%发现施工挖掘，因此传统的人工巡视无法实现对地埋电缆损伤危害的预警目的。

本文针对以上情况，提出了基于物联网通讯及云端服务技术的地埋电缆防开挖破坏预警装置，采用技术手段监测地埋电缆路径上的开挖动作，将异常信息通过短信网关发送至维护人员手机，实现对地埋电缆开挖破坏的预警功能，可以为地埋电缆免受施工开挖损坏提供主动的，技术性的保障。

在我国，电缆入地已成为电力建设的一种趋势。随着各种工程建设的开展，地埋电缆受到地埋开挖破坏的事故时有发生，造成线路损伤、跳闸，严重危及电网安全，影响社会各界的有序用电，造成较大的经济损失，严重时甚至危及施工人员生命。为了避免地埋电缆的损伤，当前传统的方式为人工巡视所有电缆线路路径[1]，该种方式会耗费大量的人力物力，加上现有地埋电缆数量巨大，电力部门很难抽出足够的人手，对地埋电缆进行全面的巡视管理。因此，传统方法难以实现对地埋电缆挖掘破坏的防护。

针对当前地埋电缆防开挖破坏预警的需求，本项目研究了一套地埋电缆防开挖破坏预警装置，采用微功耗传感器，对目标电缆进行危害特征的监测，采用物联网通讯技术，将异常信息发送至云端服务器，采用云端应用进行监测装置管理、信息收集存储、异常信息转换、发送预警短信，对监测到的可能危害电缆安全的信息提前预警，发送至管理维护人员手机上，以弥补传统巡视中的不足，实现被动处理事故向主动监测事故苗头的转换，由事故后处理向事故前预防转换，避免地埋电缆受到地面开挖破坏[2]。

1 基于物联网通讯及云端服务的地埋电缆防开挖破坏预警装置的组成和应用

1.1 整体结构组成分析

本项目基于物联网通讯技术和云服务技术，由微功耗计算平台搭载姿态传感器和物联网通讯组件，组成现场监测装置；由云端服务器实现信息存储、预警信息转换与装置管理；浏览器系统前端用于实现系统人机交互；由用户移动电话端实现预警信息接收。整体结构示意图如图1所示。

图1 结构示意图

1.2 监测装置设计与应用

原理：地面挖掘施工过程中，需要采用机械手段，对地面施加机械力实现地面挖掘，在挖掘过程中，会形成多种地面的振动。本项目中，采用姿态传感器来监测地面是否存在开挖形成的振动信息。姿态传感器融合了加速度传感器和角速度传感器。地面的正常活动，其产生的振幅和位移都较小，其频率特征也与挖掘不同，由程序算法将开挖特征与正常人员车辆活动的机械振动特征进行区分判断。

功能设计。监测装置需要通过硬件及软件设计，实现：振动监测、振动数据运算分析、异常数据发送、低功耗运行等几方面功能。

监测装置组成。监测装置主要由微功耗处理器、姿态传感器、物联网通讯组件三大部分组成，以高能长效电池供电运行。配合防水外壳，可以安装在电缆路径的地面实现对电缆上方地面开挖的预警监测功能。

一是微功耗处理器：处理器是进行特征运算和运行控制的关键器件。本项目选用Cortex M0内核的处理器，其兼顾了功耗与运算性能，为本项目提供运算保障。二是姿态传感器：本项目选用微功耗6轴加速度姿态传感器，实现姿态感知与低功耗等项目要求。传感器不需要独立供电，由处理器的GPIO 端口进行供电。精简组件设计，提高可靠性，进一步降低功耗。三是物联网通讯组件：监测装置采用物联网（NB-IOT）通讯方式来实现信息及指令的传输。

本项目需要在电缆路径的全程进行监控，监测装置数量也较多，地域分布广，需要低功耗，低成本的数据传输方式来完成数据传输。NB-IoT 的四大特点：一是广覆盖；二是具备大连接能力；三是更低功耗；四是低成本，便于大面积应用[3]。

NB-IOT 的应用场景：NB-IoT 所支持的应用场景通常具有低速率、高时延、低频次、弱移动性的属性，适合于数据量小的智能型传感器应用。基于以上特征，本项目采用物联网通讯方式较为合适。

应用。本项目的监测装置，设计了防水抗压外壳，安装在路面需要监测的电缆路径上方，与地面齐平，不影响路面功能的同时实现对电缆路径上的开挖动作实现监测。应用场景图如图2所示。

图2 应用场景图

1.3 云端服务器的功能设计与应用

本项目现场监测装置的信息，通过物联网通讯模式，发送至云端服务器进行处理转换与数据存储，并通过服务器的短信网关，向维护人员发送预警短信。云端服务器应用方案相对于单位自己的计算机服务器，有着以下优势。

1.3.1 更优的整体性能

云服务器在整体性能上，全面胜过企业自己搭建服务器。利用弹性计算优势，避免了传统服务器的性能则受制于固有硬件参数。

1.3.2 更低的采购成本

企业自行搭建服务器须独自购买大量的物理机器，且随着服务器技术的升级换代，企业还要承担技术迭代，更新设备的费用。而云服务器方式，企业只须为自己的所用付费，无须承担设备采购成本。云服务器的规模效应分解到企业上，成本就变的非常低，同时设备升级的费用也由云服务商承担，大大减轻了企业压力。

1.3.3 根据需求定制解决方案

云计算的优势之一，就是以“需求为导向，依据企业自身的特点定制解决方案。实现资源高效利用，不浪费。

1.3.4 运维管理轻松省心

企业自行搭建服务器需要大量技术人员运行、维护，同时还要应对网络安全的威胁，日常成本较高。而云服务商不仅拥有专业的技术能力，同时具有较强、专业的网络安全能力。因此，本项目以云端应用来实现现场监测装置的管理和数据转换。

云端应用的功能设计。一是用户登录鉴权。应用中设计了有三级权限的账户，对应实现不同的管理功能，如添加班组，添加删除电缆名称，添加删除监测装置等。以不同权限实现不同的操作，避免误操作。二是数据库设计。本项目使用MySQL 数据库，其体积小、速度快、成本低，用于实现设备信息的存储、监测数据与信息的存储、上下行指令与消息队列的转换等功能。三是数据传输设计。数据传输主要是分为四大模块，分别为账户信息、mqtt 服务配置信息、设备信息、消息推送；账户信息主要存储管理端、用户端、后台Server管理端的信息；mqtt 服务配置信息主要用于配置、监控、管理MQTT 服务器运行状态，其中包含MQTTClient 连接管理、MQTTTopic 订阅管理、MQTTServer 端服务管理；设备信息主要是存储检测设备的设备安装信息、设备状态信息、设备连接MQTT 服务器配置信息；消息推送模块负责管理消息队列，用于推送下行指示信息、下行配置指令信息、客户端设备异常推送、客户端下行信息推送、管理端信息推送。

云端应用实现的功能。云端应用最终实现的功能包括：一是用户登录鉴权；二是以列表方式显示监测装置状态；三是以地图和图示方式显示监测装置状态；四是存储记录监测装置的地理位置和电缆名称等信息；五是展示异常预警信息；六是推送预警短信至设定的维护人员手机。

云端应用的展示方式。本项目的展示终端采用B/S 架构，无须在用户电脑端安装终端软件，只须要具备能够正常运行及具备宽带的电脑，使用浏览器即可登录操作。对电脑、系统及浏览器版本限制较少。系统主要界面展示如图3、图4所示。

图3 云端应用系统主界面

图4 监测装置地图方式显示效果展示图

2 项目总结

本项目基于物联网通讯技术、云端服务器，结合云端应用，手机短信等先进技术手段，实现地埋电缆地面挖掘振动的监测、异常信息传输，短信预警，设备可视化管理等功能，打造了基于物联网通讯及云端服务的地埋电缆防开挖破坏预警装置，助力地下电缆、管廊等设施的防开挖破坏安全维护，将传统的人员撒网式巡视，转换为定点监测，实现由“人防”到“技防”转变，实现由“被动处理”到“主动预防”的转变。本项目的应用，其对地下电缆的防护效果取得了质的飞跃，挖掘破坏隐患预警水平同步提升，以技术手段实现电缆运行的安全性和可靠性提升。