視頻傳感網(wǎng)在高速公路電力維護(hù)中的應(yīng)用淺析

　　自2009年8月溫家寶總理提出“感知中國”以來,物聯(lián)網(wǎng)(The Internet of things)被正式列為國家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一。通過各種無線和有線的通訊網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)不僅實(shí)現(xiàn)了各種前端、樓控系統(tǒng)、家庭智能電器、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等實(shí)時(shí)在線監(jiān)測、定位報(bào)警、聯(lián)動指揮、遠(yuǎn)程控制等功能，而且實(shí)現(xiàn)了各類終端之間的信息關(guān)聯(lián)交互。作為物聯(lián)網(wǎng)一個(gè)重要分支的視頻傳感網(wǎng)因?qū)σ曨l信息同步采集和處理，廣泛應(yīng)用于高速公路日常維護(hù)之中。

　　一、需求分析

　　高速公路的快速發(fā)展，有力地促進(jìn)了我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步。高速公路收費(fèi)站點(diǎn)是保持高速公路管理正常運(yùn)行的命脈，而高速公路配發(fā)電設(shè)備是各收費(fèi)站所的收費(fèi)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、隧道通風(fēng)照明、道路監(jiān)控及辦公、生活設(shè)施等的電力保障。高速公路的性質(zhì)決定了高速公路各收費(fèi)站所必然是沿著高速公路呈分散的線狀分布，各收費(fèi)站所相隔較遠(yuǎn)，配發(fā)電設(shè)備各自獨(dú)立，各站所的設(shè)備管理人員和電工的素質(zhì)參差不齊，必然影響到對設(shè)備的保養(yǎng)。2010年浙江省高速公路發(fā)生供電線路因臺風(fēng)發(fā)生故障，突然發(fā)生停電，甚至大雨使線路發(fā)生了短路而跳閘，自發(fā)電無法供應(yīng)收費(fèi)道口情況時(shí)有發(fā)生，妨礙了收費(fèi)設(shè)備的正常運(yùn)行，使高速公路的正常運(yùn)行受到嚴(yán)重的影響。目前，浙江高速公路收費(fèi)站已經(jīng)達(dá)300個(gè)，高速公路配發(fā)電設(shè)備存在如下問題：一是故障信息不掌握。由于管理中心與各收費(fèi)站及當(dāng)?shù)貦C(jī)房距離較遠(yuǎn)，中心管理人員無法了解發(fā)電機(jī)房與配電屏的實(shí)際狀況，只能靠電話或推測，所以有時(shí)負(fù)荷已超載或跳閘時(shí)，仍然使機(jī)器強(qiáng)行運(yùn)轉(zhuǎn)，最后發(fā)生更大的事故。二是人員配備不到位。目前出于成本考慮，高速公路各管理所往往只配備一名電工，不能做到24小時(shí)值勤，晚間如遇停電或線路故障只能由收費(fèi)員兼職電工先行發(fā)電，再通知專職電工再從家里趕到現(xiàn)場，而兼職電工對設(shè)備了解及性能的掌握不夠全面電，無法對故障作出正確的判斷，甚至表達(dá)不出故障的狀況。此外電工維修水平也是參差不齊，有的在緊急情況下對于故障不敢排除。三是故障維護(hù)不及時(shí)。目前由于設(shè)備運(yùn)行時(shí)間較長，有的設(shè)備出現(xiàn)失保失修現(xiàn)象，長期帶病運(yùn)行。另外各種儀器儀表又不統(tǒng)一，有數(shù)字的又有模擬的，對管理、維護(hù)帶來了困難。因此，建立一個(gè)通過物聯(lián)網(wǎng)管理、維護(hù)設(shè)備的信息平臺勢在必行。

　　二、建設(shè)思路

　　在高速公路運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)最早是高速公路不停車收費(fèi)、多路徑識別、不停車收費(fèi)系統(tǒng)中采用射頻技術(shù)進(jìn)行對車輛的管理與收費(fèi)。有人認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)就必須采用射頻卡(RFID)，這點(diǎn)我們不敢茍同。RFID只是射頻電子標(biāo)簽，一般是讀出自己的身份信息結(jié)合后以無線的方式發(fā)出，短距離、低速率、低功耗無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(Zigbee)的功能更強(qiáng)，能與傳感器配合，把傳感器讀出的物體信息，經(jīng)過一定的處理，再與自己的身份信息結(jié)合后以無線的方式發(fā)出，其信息容量更大，主要適合于自動控制、傳感、監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域，前端采用這種技術(shù)只需要很低的功耗，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，其通信效率非常高。為此，構(gòu)建了以Zigbee、視頻傳感器等為核心的供配電設(shè)備監(jiān)控管理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)全段高速公路配發(fā)電設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)視和設(shè)備維護(hù)管理，并在各收費(fèi)所設(shè)立前端監(jiān)控點(diǎn)，負(fù)責(zé)相應(yīng)所的數(shù)據(jù)采集和當(dāng)?shù)卦O(shè)備維護(hù)。主要內(nèi)容簡述如下：

　　1、Zigbee

　　Zigbee一詞源自蜜蜂群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時(shí)，通過跳ZigZag形舞蹈來告知同伴，達(dá)到交換信息的目的。借此稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近程無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。一般而言,隨著通信距離的增大,設(shè)備的復(fù)雜度、功耗以及系統(tǒng)成本都在增加。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù),ZigBee技術(shù)將是最低功耗和成本的技術(shù)。同時(shí)由于ZigBee技術(shù)的低數(shù)據(jù)速率和通信范圍較小的特點(diǎn),也決定了ZigBee技術(shù)適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)。ZigBee有三個(gè)工作頻段：2.402～2.480GHz、868～868.6MHz、902～928MHz，共27個(gè)信道。信道接入方式采用CSMA-CA，能有效地減少了幀的沖突。為抗干擾和多徑，ZigBee在物理層采用直接序列擴(kuò)頻DSSS和頻率捷變FA技術(shù)，有更強(qiáng)的抗干擾和多徑的能力。

　　2、視頻傳感器

　　視頻傳感器屬于智能視頻分析范疇，通過對目標(biāo)特征的處理，分析和識別，從而獲取關(guān)鍵信息進(jìn)行判斷和決策，實(shí)現(xiàn)視頻信息的深度應(yīng)用。視頻傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)需遵循微型化、低成本、擴(kuò)展性和穩(wěn)定性好的基本設(shè)計(jì)原則，在有限成本的基礎(chǔ)上，致力于設(shè)計(jì)出具有視頻信息采集、處理、傳輸?shù)裙δ艿膫鞲衅鞴?jié)點(diǎn)，提高傳感器節(jié)點(diǎn)能力以最大限度地滿足大數(shù)據(jù)量、實(shí)時(shí)性要求較高的媒體信息的獲取與處理。視頻傳感器采集到的媒體信息，無論是靜態(tài)的圖像還是動態(tài)的視頻流，都具有很大冗余性和時(shí)空間關(guān)聯(lián)性，大量冗余數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸勢必會造成網(wǎng)絡(luò)資源的嚴(yán)重消耗。目前，在傳感器節(jié)點(diǎn)能量、計(jì)算處理能力、通信帶寬等資源普遍受限情況下，在視頻傳感器信息獲取、傳輸、展示中引入有效的網(wǎng)內(nèi)信息處理技術(shù)完成媒體信息壓縮編碼、特征提取、目標(biāo)識別以及信息融合等處理，并結(jié)合數(shù)據(jù)同步及任務(wù)協(xié)同處理，以減少網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量、提高網(wǎng)絡(luò)處理及響應(yīng)速度，進(jìn)而增強(qiáng)整個(gè)視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測能力。 

　　具體來說，以數(shù)字高清攝像機(jī)在1米范圍內(nèi)覆蓋儀表，并以指針表指針的兩個(gè)端點(diǎn)在圖像中的作出坐標(biāo)，根據(jù)坐標(biāo)求出指針指示示數(shù)對應(yīng)值的范圍，確定出指針式儀表的具體讀數(shù)后把數(shù)據(jù)發(fā)給傳輸網(wǎng)絡(luò)的ZIGBEE。特別是，前端節(jié)點(diǎn)可加控制器以及各種報(bào)警傳感器，由ZigBee的微控制器與RF收發(fā)器組成，通過485與數(shù)字儀表相連，不僅節(jié)省了工控產(chǎn)品中昂貴易損壞的連線，液體或過程控制設(shè)備可任意放置，而且對傳感器、泵或閥門的位置無特別要求，設(shè)備可移動，每個(gè)節(jié)點(diǎn)至少配置一個(gè)射頻裝置、微控制器和管理射頻和系統(tǒng)接口媒體訪問控制軟件。

　　三、實(shí)施方案

　　對于物聯(lián)網(wǎng)來說，前端物體應(yīng)安裝傳感器，把前端設(shè)備的信息轉(zhuǎn)化為能通過傳輸設(shè)備能進(jìn)行傳輸?shù)男畔?，然后通過身份識別與短距離傳輸設(shè)備傳輸信息。如下圖所示，傳感器為視頻傳感器。因?yàn)槟壳按蟛糠謨x器無論電壓表、電流表、功率因數(shù)表、溫度表等，在發(fā)電設(shè)備尤其是配電屏中都廣泛采用模擬指針式的電表，從直觀上、精度上還是價(jià)格上都有很大優(yōu)勢。但這種模擬表作為ZigBee的數(shù)據(jù)采集就帶來很大的困難，因?yàn)樽鳛槭褂谜卟豢赡艽蜷_表蓋對其電路進(jìn)行改造。因此，方案核心是通過攝像頭采集模擬表的圖像，經(jīng)數(shù)字化后送數(shù)字信號處理器進(jìn)行智能分析，即通過圖像處理和模式識別技術(shù)自動識別指針讀數(shù)，包括刻度和文字的識別，指針位置的判讀，再將讀數(shù)通過ZigBee的發(fā)射端把而數(shù)據(jù)無線接力傳輸?shù)诫娔X，再經(jīng)過以太網(wǎng)傳到管理中心的平臺。 

　　1、系統(tǒng)構(gòu)成

　　遠(yuǎn)程配發(fā)電設(shè)備Zigbee技術(shù)數(shù)據(jù)采集和信息管理系統(tǒng)主要由三部分組成。

　　第一部分的前端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及匯總數(shù)據(jù)，接受各配電房與發(fā)電機(jī)房配電設(shè)備上傳來的電數(shù)據(jù)通過ZigBee處理后通過無線匯總到配電房的電腦中。采集和轉(zhuǎn)發(fā)通信方式完全按系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行短距離傳輸。該系統(tǒng)為基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的分布式多點(diǎn)監(jiān)測系統(tǒng)，傳感器關(guān)系到監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，并且傳感器屬于易損設(shè)備。今后應(yīng)考慮現(xiàn)場的復(fù)雜情況，必須選用可靠、穩(wěn)定、易維護(hù)的傳感器。

　　第二部分是本地?cái)?shù)據(jù)存儲、交換和遠(yuǎn)程通信，它起著承上啟下的核心作用。首先RF接收器收集前端節(jié)點(diǎn)發(fā)出的檢測信號，經(jīng)ZigBee接受器處理在配電房的電腦中進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，然后通過局域網(wǎng)傳送到系統(tǒng)控制中心。

　　第三部分是系統(tǒng)控制中心，實(shí)現(xiàn)各類監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收、顯示、統(tǒng)計(jì)、自動綜合分析、存儲、應(yīng)用、發(fā)布。本系統(tǒng)構(gòu)建于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)平臺，把網(wǎng)絡(luò)連接看作一個(gè)整體設(shè)計(jì)須依賴于網(wǎng)絡(luò)平臺，包括網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、帶寬狀況、網(wǎng)絡(luò)類型及網(wǎng)絡(luò)管理，主要涉及的是服務(wù)器的設(shè)置，系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程更新程序的能力。管理處可通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程更新現(xiàn)場控制器上運(yùn)行的程序，更改采集周期、存儲方式等關(guān)鍵程序指標(biāo)，或完全更新程序，以滿足不同時(shí)期對現(xiàn)場監(jiān)測的需要;如有可能，也可在發(fā)生災(zāi)情或其它緊急時(shí)刻，管理人員可在通過顯示設(shè)備，顯示了解現(xiàn)場監(jiān)測情況;實(shí)現(xiàn)監(jiān)測中心與監(jiān)測現(xiàn)場設(shè)備間的雙向通信，使監(jiān)測中心可以方便的了解監(jiān)測現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)，并可隨時(shí)向下發(fā)送命令或更新現(xiàn)場設(shè)備上的應(yīng)用程序?，F(xiàn)場監(jiān)測站點(diǎn)需要用ZigBee監(jiān)測配發(fā)電設(shè)備的參數(shù)，通過與儀表相連。系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集器采集一系列參數(shù)，把配發(fā)電設(shè)備的電壓、電流、水溫、油壓以及停發(fā)電時(shí)間等先匯總到配電房的電腦，再通過局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)到監(jiān)測中心。傳遞過程中數(shù)據(jù)保證送達(dá)、數(shù)據(jù)等級設(shè)置等工作，以保證數(shù)據(jù)的安全性和完整性。供中心控制人員了解各設(shè)備情況，在發(fā)生故障時(shí)指導(dǎo)現(xiàn)場操作人員排除故障。

　　2、功能要求

　　通過自備柴油發(fā)電機(jī)控制器的數(shù)據(jù)通信口進(jìn)行規(guī)約接入，實(shí)現(xiàn)了高速公路配發(fā)電設(shè)備遠(yuǎn)程維護(hù)與監(jiān)視，也對微機(jī)繼電保護(hù)裝置進(jìn)行了監(jiān)視運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了其保護(hù)定值的查詢、下裝和定值單管理等多種功能。一是報(bào)表分析功能，即自動形成電壓、電流的運(yùn)行曲線，還能自動生成諸如功率、電能量、電壓合格率、供電可靠性等日月年報(bào)表，以便進(jìn)行電網(wǎng)運(yùn)行狀況的統(tǒng)計(jì)和考核，并進(jìn)一步進(jìn)行分析和預(yù)測。二是數(shù)據(jù)庫管理功能，即可定義不同級別的用戶群，實(shí)行嚴(yán)格的密碼管理和操作事件記錄，提供數(shù)據(jù)備份工具進(jìn)行數(shù)據(jù)備份，最大程度保證系統(tǒng)安全。三是運(yùn)行工況監(jiān)視功能，即自動監(jiān)視供配電監(jiān)控系統(tǒng)本身的運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)自身隱患，保障監(jiān)控收費(fèi)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。四報(bào)警功能，即設(shè)備故障報(bào)警、開關(guān)設(shè)備報(bào)警和異常情況報(bào)警，可以靈活設(shè)定報(bào)警條件，并和工作人員的手機(jī)綁定，在滿足報(bào)警條件時(shí)，自動發(fā)送報(bào)警信息以及語音通知，對已經(jīng)到達(dá)年限設(shè)備會自動提示進(jìn)行更換。五是查詢統(tǒng)計(jì)功能，即提供多種條件查詢和查詢結(jié)果分類方式，具備分項(xiàng)排序、統(tǒng)計(jì)最大值、最小值、平均值等分析處理功能，提供統(tǒng)計(jì)各類監(jiān)測數(shù)據(jù)功能，提供查詢結(jié)果打印功能。六是系統(tǒng)管理功能，即設(shè)置系統(tǒng)的一些參數(shù)，包括權(quán)限管理、設(shè)備管理、在線列表和監(jiān)控源類型設(shè)置等。

　　四、結(jié)束語

　　視頻傳感網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，通過視頻傳感網(wǎng)在高速公路電力維護(hù)中應(yīng)用表明，視頻傳感網(wǎng)不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)控各類設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，而且可以隨時(shí)了解設(shè)備工作位置、環(huán)境狀況、工作進(jìn)度等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，其應(yīng)用前景廣闊，尤其對于交通樞紐、環(huán)線公路以及高速公路應(yīng)用效果更加突出，如統(tǒng)計(jì)通行車輛數(shù)量、檢測交通違法目標(biāo)、識別故障車輛及判斷道路堵塞狀況等。