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全方位智能化电力巡检系统设计
作者：乔宝进 康迎华 高贞彦 刘东波
来源：RFID世界网
日期：2009-02-25 09:07:50
摘要：以巡检工作流程为设计原则，对巡检工作进行实时化、规范化和科学化管理，结合先进的嵌入式应用平台技术、蓝牙技术、GPS技术、GIS技术、RFID技术、条码扫描技术和数据挖掘技术， 形成一个具有输配电线路巡检、站房巡检、线路设备采集、缺陷管理、设备管理、权限管理等功能于一体的综合信息管理系统。
0引言
结合先进的嵌入式应用平台技术、蓝牙技术、GPS技术、GIS技术、RFID技术、条码扫描技术和数据挖掘技术的电力智能巡检系统能使巡检人员在现场按照巡检工作流程，进行巡检任务的查询、设备信息和地理信息的采集和查询、设备缺陷情况的记录等工作，具有路线安排、数据记录、工作状态监督、数据汇总统计等功能，并可与电力企业现有信息系统无缝连接，可有效查询现工作状态，及时发现线路的缺陷情况，并对设备缺陷情况进行智能化的预测和评定，克服了传统手工方式的缺点，保证输配电设备的高效率、低故障率安全运行。
1系统设计原理
1．1数据挖掘原理
数据挖掘是从大量数据中寻找其规律的技术，主要有数据准备、规律寻找和规律表示3个步骤。系统创造性地将数据挖掘技术应用到电力巡检缺陷管理工作中，真正使系统具有智能化的分析和判定，建立可调整的设备缺陷评判模型，对巡检数据进行深入的、自动化的分析和决策，包括自动生成设备缺陷等级，自动进行设备评级、对设备缺陷隐患进行预测，从而指导巡检工作等。分析过程会自动随着数据积累和评判模型的逐步完善而越来越准确。
1．2 PDA接受GPS定位原理
GPS接收机通过蓝牙与PDA实现无线数据通信，利用定位卫星传来的数据，可以在PDA上得到物体的实时位置、速度等参数。通过与巡检嵌入式GIS系统的集成，可以在PDA上实现数字导航和设备定位，很直观地在地图上了解设备所处的位置等信息。
GPS接收机的输出格式完全遵循GPS接口标准NMEA0183协议。NMEA0183定义了若干代表不同含义的语句，每个语句实际上是一个ASCII码串。这种码直观， 易于识别和应用。在试验中， 不需要了解NMEA0183通信协议的全部信息，仅需要从中挑选出需要的那部分定位数据，其余的信息忽略掉。GPS接收机与PDA通信时，通过串口每秒钟发送1O条数据。实际导航应用读取GPS的空间定位数据时，可以根据需要每隔几秒钟更新一次经纬度和时间数据，不必频繁地更新数据，否则，会浪费掌上设备有限的电能。
一个完整的NEMA0183语句是从起始符“$GPGGA”到终止符“<CR> <LF> ”为止的一段字符串。需要掌握的信息是经纬度、经纬度方向、GPS定位状态和接收信号的时间。所以当接收到这样一个完整的NEMA0183语句时，提取有用信息的方法是：先判定起始符$GPC,GA的位置，从起始符开始读入数据，再通过异或校验后的语句中寻找字符“， ”，然后截取前后2个“，”之间的字符(串)获得所关心的数据，并以回车符为一个CPS语句的终止符，得到一个完整的GPS信号。在提取出的GPS语句中，找寻经纬度所在的逗号位置，读出经纬度坐标，再将经纬度坐标根据需要进行相应的地图坐标转换。
1．3 PDA接受RFID和条形码识别原理
PDA与条码，RFID阅读器通信原理如图1。条形码扫描器识别条形码时，根据不同颜色的物体，其反射的可见光的波长不同，条码扫描器的光电转换器接收到与白条和黑条相应的强弱不同的反射光信号，并转换成相应的电信号输出到条码扫描器的放大整形电路，把模拟信号转换成数字电信号，根据码制所对应的编码规则，条码扫描器便可将条形符号换成相应的数字、字符信息，形成物体的编号。
近年来，无线射频识别(RFID)技术逐渐成为一种主流应用技术，该技术使快速物品识别成为可能。RFID技术与早期的条形码识别技术不同，它不需要近距离使用读码器，通过射频信号，可以实现远距离识别。RFID标签还可以将产品生产商、产品类型以及环境变量等各种信息作为身份的标识，不必像条形码那样使用斑马线标签。
另外，RFID系统还能从不同方向自动识别RFID标签，与条形码识别相比，极大提高了识别速率。RFID是一种非接触式的自动识别技术，它利用射频信号通过电感耦合或电磁耦合自动识别目标对象，并获取相关数据。标签是RFID技术的关键部分，RFID标签含有一个发送应答机，可以向RFID阅读器发送特定信号，绝大多数的RFID标签都有一个ID序列号(如SKU码)。阅读器在收到ID号后可以从数据库中检索相关数据，并按指示进行操作。RFID标签也可以具有可读写的存储器，用于存储向不同阅读器发送的信息，这些信息用于对贴附标签的物体进行识别。
GIS系统是电力系统基础的支撑系统。嵌入式GIS是在嵌入式设备上运行的地理信息系统。它通过手机或PDA等嵌入式设备结合GPS或GSM定位向个人提供随时随地的位置服务，不仅可以知道自己的位置，还可以随时查询附近的各种设施或单位在哪里。基于GPS的嵌入式GIS系统在电力巡检中发挥了重要作用，它与一般的GIS不同，由于它是运行在资源紧缺的嵌入式设备上，因此必须考虑如何合理利用资源，尽量减少资源的消耗，包括CPU运算量、内存和外存的消耗，提高效率。因此，在电力巡检中，嵌入式GIS必须“可裁剪”性，包括数据格式的剪裁、功能剪裁和数据剪裁。不同的用户对巡检任务的要求不同，裁剪可顾及巡检任务内容的精确性、完整性。这样可以节省容量和提高速度。剪裁的工作在巡检工作站端完成，包括地图数据格式转换和预处理、巡检任务的安排等。
1．4．1嵌入式GIS系统的体系结构
嵌入式GIS系统应用软件的系统结构因具体应用的不同而有所增减。如图2所示为嵌入式GIS系统应用软件所应具备的几个基本功能模块。通常该类系统最底层应为嵌入式操作系统Windows CE，然后上面依次为核心处理层和应用逻辑层。整个体系结构与GIS工作站和WebGis系统进行数据交互，便于进行业务裁剪和对外发布。
在嵌入式GIS系统中， 为了节省资源和提高运行效率，采用面向文件和对象的方式来管理空间数据。如图3。
2 电力智能巡检系统设计
2．1 系统结构
该系统由采集终端(GPS接收器、RFID和条码阅读器)、移动终端(PDA类掌上电脑)、巡检工作站、WEB发布服务器和数据库服务器组成如图4。方便灵活的插件式设计可以和第三方系统如输配电GIS系统和生产MIS系统进行对接，使电力企业的信息平台做到最大化的信息共享和应用。
该系统主要由巡检工作站平台和巡检移动平台两大部分组成，如图5。
2．3操作流程
该系统的操作流程如下：
(1)由巡检专责在工作站平台进行巡检任务的创建并下载任务到相应巡检员的PDA上，和巡检任务相关的线路设备、地图背景等信息可通过GIS系统自动输出。
(2)巡检员手持PDA选择相应的巡线定位方式，通过GPS或RFID或条码进行设备的定位采集，并可根据GPS坐标或编号进行设备的自动匹配，匹配成功将自动调出符合该信息的设备，同时在地图上醒目标识该设备，如果没有匹配到设备，则进行新设备的采集操作；巡检员逐一对巡检项目进行填写并记录相关信息。
(3)完成巡检后，巡检员将PDA连接到工作站平台，系统自动将巡检结果传人后台数据库。巡检专责会根据巡视人员所传人的数据进行集中处理，生成巡视记录和设备缺陷数据；可以对巡视人员的巡视次数、巡视时间、出勤率、巡视效率、到位率等进行统计分析，为考核巡视人员的工作情况提供真实可靠的依据；可以对缺陷数据进行数据挖掘深度分析，对设备缺陷发生率进行合理预测，对缺陷等级进行合理评定，而且随着数据积累的越来越多，这种预测和评定将会愈来愈准确。
3关键技术
3．1信号获取或解析
采集终端(GPS接收器、RFID和条码阅读器)采集的数据通过蓝牙和移动终端(PDA类掌上电脑)进行无线通信，移动终端的蓝牙处理模块对采集的数据进行解析，GPS每秒钟发送1O条数据，软件设置每5s更新1次坐标信息，一方面降低PDA的资源消耗，另一方面，对GPS数据进行平滑，过滤无用的噪声信息，防止坐标漂移；RFID和条码标签通过阅读器以蓝牙方式传送数据，PDA的蓝牙处理模块负责解析传来的标签信息(设备编号)。
3．2坐标变换
GPS定位所得出的结果属于WGS84坐标，而在工程上实用的大多是国家坐标系，或者是独立坐标系。独立坐标系一般是在国家坐标系基础上形成的， 因此，GPS定位结果的使用中就有与国家坐标系间的坐标转换问题。一般要通过2步转换：首先将WGS84的大地坐标(L，B)转换为对应于WGS84椭球的高斯平面坐标，然后再经过平面坐标转换，将高斯平面坐标转换为我国通用的西安8O或北京54平面坐标系统。
3．3数据挖掘
数据挖掘在应用时主要经过确定挖掘主题、建立数据连接、建立数据挖掘结构、建立挖掘模型、实现数据挖掘几步，才能实现一个比较完整的数据分析过程。在本文所述的电力智能巡检系统中，数据挖掘的主题主要是设备缺陷等级评定和缺陷预测；数据连接主要是利用DOTNET平台提供的数据挖掘专用函数或语言ADOMD．NET、ADO．NET提供的MDX语言来实现；数据结构主要是和缺陷相关的缺陷结构；建立数据挖掘模型的关键是维度的选取、维度的分割、维度属性的选取、实事数据项的选取，当完成基本框架的建立后，就可以进行维度体系的设计。在维度体系设计中，要详细定义维度类型、维度名称、维度成员及维度说明。电力智能巡检系统的维度类型主要分为时间维、设备维、缺陷模板维、环境因素维和缺陷等级维。
4结束语
电力智能巡检系统通过全方位、智能化的设计，融合当前先进的计算机技术，从根本上保证电力巡检工作能够全天候、长周期地运行，并通过掌上电脑完成巡检工作的详细规范性记录，使巡检管理和人员考核逐步走向电子化、信息化和标准化。
结合先进的嵌入式应用平台技术、蓝牙技术、GPS技术、GIS技术、RFID技术、条码扫描技术和数据挖掘技术的电力智能巡检系统能使巡检人员在现场按照巡检工作流程，进行巡检任务的查询、设备信息和地理信息的采集和查询、设备缺陷情况的记录等工作，具有路线安排、数据记录、工作状态监督、数据汇总统计等功能，并可与电力企业现有信息系统无缝连接，可有效查询现工作状态，及时发现线路的缺陷情况，并对设备缺陷情况进行智能化的预测和评定，克服了传统手工方式的缺点，保证输配电设备的高效率、低故障率安全运行。
1系统设计原理
1．1数据挖掘原理
数据挖掘是从大量数据中寻找其规律的技术，主要有数据准备、规律寻找和规律表示3个步骤。系统创造性地将数据挖掘技术应用到电力巡检缺陷管理工作中，真正使系统具有智能化的分析和判定，建立可调整的设备缺陷评判模型，对巡检数据进行深入的、自动化的分析和决策，包括自动生成设备缺陷等级，自动进行设备评级、对设备缺陷隐患进行预测，从而指导巡检工作等。分析过程会自动随着数据积累和评判模型的逐步完善而越来越准确。
1．2 PDA接受GPS定位原理
GPS接收机通过蓝牙与PDA实现无线数据通信，利用定位卫星传来的数据，可以在PDA上得到物体的实时位置、速度等参数。通过与巡检嵌入式GIS系统的集成，可以在PDA上实现数字导航和设备定位，很直观地在地图上了解设备所处的位置等信息。
GPS接收机的输出格式完全遵循GPS接口标准NMEA0183协议。NMEA0183定义了若干代表不同含义的语句，每个语句实际上是一个ASCII码串。这种码直观， 易于识别和应用。在试验中， 不需要了解NMEA0183通信协议的全部信息，仅需要从中挑选出需要的那部分定位数据，其余的信息忽略掉。GPS接收机与PDA通信时，通过串口每秒钟发送1O条数据。实际导航应用读取GPS的空间定位数据时，可以根据需要每隔几秒钟更新一次经纬度和时间数据，不必频繁地更新数据，否则，会浪费掌上设备有限的电能。
一个完整的NEMA0183语句是从起始符“$GPGGA”到终止符“<CR> <LF> ”为止的一段字符串。需要掌握的信息是经纬度、经纬度方向、GPS定位状态和接收信号的时间。所以当接收到这样一个完整的NEMA0183语句时，提取有用信息的方法是：先判定起始符$GPC,GA的位置，从起始符开始读入数据，再通过异或校验后的语句中寻找字符“， ”，然后截取前后2个“，”之间的字符(串)获得所关心的数据，并以回车符为一个CPS语句的终止符，得到一个完整的GPS信号。在提取出的GPS语句中，找寻经纬度所在的逗号位置，读出经纬度坐标，再将经纬度坐标根据需要进行相应的地图坐标转换。
1．3 PDA接受RFID和条形码识别原理
PDA与条码，RFID阅读器通信原理如图1。条形码扫描器识别条形码时，根据不同颜色的物体，其反射的可见光的波长不同，条码扫描器的光电转换器接收到与白条和黑条相应的强弱不同的反射光信号，并转换成相应的电信号输出到条码扫描器的放大整形电路，把模拟信号转换成数字电信号，根据码制所对应的编码规则，条码扫描器便可将条形符号换成相应的数字、字符信息，形成物体的编号。
近年来，无线射频识别(RFID)技术逐渐成为一种主流应用技术，该技术使快速物品识别成为可能。RFID技术与早期的条形码识别技术不同，它不需要近距离使用读码器，通过射频信号，可以实现远距离识别。RFID标签还可以将产品生产商、产品类型以及环境变量等各种信息作为身份的标识，不必像条形码那样使用斑马线标签。
另外，RFID系统还能从不同方向自动识别RFID标签，与条形码识别相比，极大提高了识别速率。RFID是一种非接触式的自动识别技术，它利用射频信号通过电感耦合或电磁耦合自动识别目标对象，并获取相关数据。标签是RFID技术的关键部分，RFID标签含有一个发送应答机，可以向RFID阅读器发送特定信号，绝大多数的RFID标签都有一个ID序列号(如SKU码)。阅读器在收到ID号后可以从数据库中检索相关数据，并按指示进行操作。RFID标签也可以具有可读写的存储器，用于存储向不同阅读器发送的信息，这些信息用于对贴附标签的物体进行识别。
图1 PDA与条码、RFID阅读器通信原理
GIS系统是电力系统基础的支撑系统。嵌入式GIS是在嵌入式设备上运行的地理信息系统。它通过手机或PDA等嵌入式设备结合GPS或GSM定位向个人提供随时随地的位置服务，不仅可以知道自己的位置，还可以随时查询附近的各种设施或单位在哪里。基于GPS的嵌入式GIS系统在电力巡检中发挥了重要作用，它与一般的GIS不同，由于它是运行在资源紧缺的嵌入式设备上，因此必须考虑如何合理利用资源，尽量减少资源的消耗，包括CPU运算量、内存和外存的消耗，提高效率。因此，在电力巡检中，嵌入式GIS必须“可裁剪”性，包括数据格式的剪裁、功能剪裁和数据剪裁。不同的用户对巡检任务的要求不同，裁剪可顾及巡检任务内容的精确性、完整性。这样可以节省容量和提高速度。剪裁的工作在巡检工作站端完成，包括地图数据格式转换和预处理、巡检任务的安排等。
1．4．1嵌入式GIS系统的体系结构
嵌入式GIS系统应用软件的系统结构因具体应用的不同而有所增减。如图2所示为嵌入式GIS系统应用软件所应具备的几个基本功能模块。通常该类系统最底层应为嵌入式操作系统Windows CE，然后上面依次为核心处理层和应用逻辑层。整个体系结构与GIS工作站和WebGis系统进行数据交互，便于进行业务裁剪和对外发布。
图2嵌入式GIS系统体系结构
在嵌入式GIS系统中， 为了节省资源和提高运行效率，采用面向文件和对象的方式来管理空间数据。如图3。
图3空间数据管理方式
2 电力智能巡检系统设计
2．1 系统结构
该系统由采集终端(GPS接收器、RFID和条码阅读器)、移动终端(PDA类掌上电脑)、巡检工作站、WEB发布服务器和数据库服务器组成如图4。方便灵活的插件式设计可以和第三方系统如输配电GIS系统和生产MIS系统进行对接，使电力企业的信息平台做到最大化的信息共享和应用。
图4系统结构图
该系统主要由巡检工作站平台和巡检移动平台两大部分组成，如图5。
图5系统功能图
2．3操作流程
该系统的操作流程如下：
(1)由巡检专责在工作站平台进行巡检任务的创建并下载任务到相应巡检员的PDA上，和巡检任务相关的线路设备、地图背景等信息可通过GIS系统自动输出。
(2)巡检员手持PDA选择相应的巡线定位方式，通过GPS或RFID或条码进行设备的定位采集，并可根据GPS坐标或编号进行设备的自动匹配，匹配成功将自动调出符合该信息的设备，同时在地图上醒目标识该设备，如果没有匹配到设备，则进行新设备的采集操作；巡检员逐一对巡检项目进行填写并记录相关信息。
(3)完成巡检后，巡检员将PDA连接到工作站平台，系统自动将巡检结果传人后台数据库。巡检专责会根据巡视人员所传人的数据进行集中处理，生成巡视记录和设备缺陷数据；可以对巡视人员的巡视次数、巡视时间、出勤率、巡视效率、到位率等进行统计分析，为考核巡视人员的工作情况提供真实可靠的依据；可以对缺陷数据进行数据挖掘深度分析，对设备缺陷发生率进行合理预测，对缺陷等级进行合理评定，而且随着数据积累的越来越多，这种预测和评定将会愈来愈准确。
3关键技术
3．1信号获取或解析
采集终端(GPS接收器、RFID和条码阅读器)采集的数据通过蓝牙和移动终端(PDA类掌上电脑)进行无线通信，移动终端的蓝牙处理模块对采集的数据进行解析，GPS每秒钟发送1O条数据，软件设置每5s更新1次坐标信息，一方面降低PDA的资源消耗，另一方面，对GPS数据进行平滑，过滤无用的噪声信息，防止坐标漂移；RFID和条码标签通过阅读器以蓝牙方式传送数据，PDA的蓝牙处理模块负责解析传来的标签信息(设备编号)。
3．2坐标变换
GPS定位所得出的结果属于WGS84坐标，而在工程上实用的大多是国家坐标系，或者是独立坐标系。独立坐标系一般是在国家坐标系基础上形成的， 因此，GPS定位结果的使用中就有与国家坐标系间的坐标转换问题。一般要通过2步转换：首先将WGS84的大地坐标(L，B)转换为对应于WGS84椭球的高斯平面坐标，然后再经过平面坐标转换，将高斯平面坐标转换为我国通用的西安8O或北京54平面坐标系统。
3．3数据挖掘
数据挖掘在应用时主要经过确定挖掘主题、建立数据连接、建立数据挖掘结构、建立挖掘模型、实现数据挖掘几步，才能实现一个比较完整的数据分析过程。在本文所述的电力智能巡检系统中，数据挖掘的主题主要是设备缺陷等级评定和缺陷预测；数据连接主要是利用DOTNET平台提供的数据挖掘专用函数或语言ADOMD．NET、ADO．NET提供的MDX语言来实现；数据结构主要是和缺陷相关的缺陷结构；建立数据挖掘模型的关键是维度的选取、维度的分割、维度属性的选取、实事数据项的选取，当完成基本框架的建立后，就可以进行维度体系的设计。在维度体系设计中，要详细定义维度类型、维度名称、维度成员及维度说明。电力智能巡检系统的维度类型主要分为时间维、设备维、缺陷模板维、环境因素维和缺陷等级维。
4结束语
电力智能巡检系统通过全方位、智能化的设计，融合当前先进的计算机技术，从根本上保证电力巡检工作能够全天候、长周期地运行，并通过掌上电脑完成巡检工作的详细规范性记录，使巡检管理和人员考核逐步走向电子化、信息化和标准化。
