摘要：本项目提出的智能化事故隐患预警系统，它整合了多种智能标签技术、基于扩频通信原理的高覆盖LoRaWAN无线网络技术、在自主开发的安全数据模型上进行参数分析，开发变电站作业安全态势感知技术，可以使传统安全管理模型中安全管理各自为战，作业过程缺少细节、事后奖惩然而事前缺少预警介入的不足之处加以完善，进而将传统安全管理升级为作业过程透明，关键操作节点可控，安全效果可预期的管理模式，提高电力部门防患于未然的能力。
关键词：LoRaWAN；态势感知；安全
0引言
电力工业是国民经济基础命脉产业，直接关系到国民经济发展和社会稳定，涉及千家万户，方方面面的，任何小的意外事件发生，都有可能对国民的生产、生活秩序造成相当大的破坏效果。电力安全问题一直是一个重要的话题，即使作为专业人员，在电力施工过程中，由于各种不确定因素的存在，也面临着种种危险。传统的安全管理模式大多是以经验来管理，缺乏科学性，因此在长久的电力施工中难免会引发安全事故问题。
电力施工有野外作业以及电站内作业等，特别是野外作业时，由于缺乏管理以及不确定因素较多，再加上有些施工队因为种种主观和客观的因素影响下，雇佣了不具备相应上岗施工资质的非专业人士，或者为追赶施工进度，在高低温或者恶劣天气条件下长时间工作，进行疲劳作业，从而使作业过程中发生安全事故的概率大大地增加。
研究从管人和管物两处入手，构建一种物联网安全应用系统，开发施工人员的可穿戴式身份识别及双模定位技术，开发电力安全工器具管理技术，然后通过对物联网实时采集的数据分析，进行电力施工作业安全态势感知的辨识和事故隐患预警，以期达到最终杜绝一切安全事故的发生的目的。
1.LoRaWAN技术概述
物联网的快速发展对无线通信技术提出了更高的要求，专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计的LPWAN（low-power Wide-Area Network，低功耗广域网）也快速兴起。
LoRa：易于建设和部署的低功耗广域物联技术
2013年8月，Semtech公司向业界发布了一种新型的基于1GHz以下的超长距低功耗数据传输技术（Long Range，简称LoRa）的芯片。其接受灵敏度达到了惊人的-148dbm，与业界其他先进水平的sub-GHz芯片相比，最高的接收灵敏度改善了20db以上，这确保了网络连接可靠性。
它使用线性调频扩频调制技术，即保持了像FSK（频移键控）调制相同的低功耗特性，又明显地增加了通信距离，同时提高了网络效率并消除了干扰，即不同扩频序列的终端即使使用相同的频率同时发送也不会相互干扰，因此在此基础上研发的集中器/网关（Concentrator/Gateway）能够并行接收并处理多个节点的数据，大大扩展了系统容量。
2.采用LoRa技术的优势
一般说来，传输速率、工作频段和网络拓扑结构是影响传感网络特性的三个主要参数。传输速率的选择将影响系统的传输距离和电池寿命；工作频段的选择要折中考虑频段和系统的设计目标；而在FSK系统中，网络拓扑结构的选择是由传输距离要求和系统需要的节点数目来决定的。LoRa技术融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，拥有前所未有的性能。此前，只有那些高等级的工业无线电通信会融合这些技术，而随着LoRa技术的引入，嵌入式无线通信领域的局面发生了彻底的改变。
LoRa技术具有以下特点：1、抗干扰：得益于LoRa技术扩频调制解调技术优异的抗干扰性能、FEC前向纠错技术，及433MHZ频段，相比2.4G的zigbee和wifi等无线技术，特别适合电力施工现场复杂的电磁环境。2、免布线：采用LoRa无线技术，无需布线，安装即可使用，省去现场施工人工成本。3、灵活性：根据工厂现场环境，网关可选择通过RJ45、3G、4G网络，甚至是RS232\RS485串口连接到服务器。4、便利性：安全管理人员通过手机app、浏览器随时随地可查看人员信息、安全设备状态、微环境等信息，相比传统人工记录统计的方式，大大提高了安全管理水平。
3.传统电网施工安全管理方式的难点
电力行业野外施工项目有相当大一部分是外包工程，当有些施工队规模相对小，有时候有资质的施工人员不够，就会违反规定，让没有资质的劳工顶班，从而为意外的发生埋下祸根。
事故隐患的来源有很多，比较常见的有：
1）不具备带电作业资格人员进行带电作业以及其它无证上岗的行为；
2）地线使用不规范：装设接地线前不验电，未在工作地段两端装设完接地线就开始线路停电检修，还有检修结束忘记拆除接地线；
3）未佩戴安全帽进入施工现场；
4）高处作业未使用安全带和保险钩。
一般说来，施工作业安全管理工作重点包括：加强基础工作，强化监督，建立安全生产的长效机制和提高安全生产监管水平；努力控制和消除事故安全隐患，切实有效的整治安全生产薄弱环节；抓专业班组、抓标准化、抓队伍建设、抓安全技术、抓一线员工培训为重点；切实落实责任制、落实安全投入、落实技术措施，努力实现“零”事故目标；推动工程安全生产工作持续稳定发展[1]。
完整的管理体系由操作规范、安全工器具、安全生产执行者等部分构成完整的电力安全生产链条，作为实现安全管理环节中最重要角色——人，却是整个链条中最容易最薄弱的，容易发生意外的一环。
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4.基于LoRa技术的电网施工安全智能管理系统设计方案
1、主要研究内容
基于LoRaWAN无线物联网技术的巡检和施工人员的可穿戴式身份识别和记录系统，可穿戴式身份识别及越界预警子系统，电力安全工器具的资产定位和安全预警子系统，基于LoRaWAN无线物联网的节点管理和安全数据采集云平台开发，以及电力运检、施工作业安全态势感知（Security Situation Awareness）技术，适合变电站作业信息联网安全方案研究，并可以将预警信号通过安灯（ANDON）系统等方式及时发布。
主要研究内容如下：
（1）巡检和施工人员的可穿戴式身份识别和记录系统
通过蓝牙、指纹等手段实现施工人员的身份识别，并将数据通过LoRaWAN上传到后台的服务器的数据库中，后台实时显示当前的车载物联网网关的GPS、人员的位置信息和指纹信息；
（2）可穿戴式身份识别及越界预警子系统
符合电力施工安全规范的可穿戴式LoRaWAN设备，研究开发一种微型生物感知的传感器，可以感知LoRaWAN设备的使用情况，并通过使用场景进行模式切换，以形成相应的便携式能源吸收和利用率的最大化策略。可穿戴式LoRaWAN设备通过与安全整备环境设施中人体探测雷达驱动下的物联网嗅探认证器之间无线电识别协议交换数据，从而实现人员的权限自动认证过程。达到非接触式不停留运检人员身份识别的效果，对不具备带电作业资格人员进行作业区进行预警。
（3）基于LoRaWAN无线物联网的节点管理和安全数据采集云平台开发
开发内容有：
a. LoRaWAN通信协议的深度定制开发；
b. 多标准互通接入技术开发，实现本项目研究的几种类型的传感器接入协议的转换和整合；
c.网关的管理技术。包括注册登录管理、权限管理、任务管理、数据管理、故障管理、状态监测、远程诊断、参数查询和配置、事件处理、远程控制等。为实现定位节点传感网的可管理，不仅要实现网关设备本身的管理，还要进一步通过网关实现LoRaWAN无线网内各传感器节点的管理，例如获取节点的ID、状态、设备属性、iBeacon/GPS坐标等信息。
d. 充分利用云平台特有的弹性计算、高可靠性、高可管理性、按需分配资源等云计算优势，开发基于LoRaWA无线物联网的安全节点管理和数据采集云平台，覆盖变电站电力生产全周期的安全监控，包含了设备连接、设备管理、应用管理、数据采集、云端SPC数据存储、数据分析与数据可视化技术；
（4）电力运检、施工作业安全态势感知（Security Situation Awareness）技术
电力运检、施工要在变电站的这样的一个复杂的、存在大量作业风险的系统环境中开展工作。通过无线物联网传感器获取安全相关的关键操作人和设备的动态要素持续监控，从而理解电力作业的安全态势，进而形成对未来短期的预测，形成预警机制。重点就在于事故隐患相关的信息收集、分析和预警技术研究。安全姿态感知开发内容对应于安全姿态感知3级模型，一级姿态要素的获取由基于LoRaWAN的物联网系统来实现，因此本级主要开发内容在于传感器数据的获得。二级姿态感知重点在于理解电力部门特有的设备高危险源以及高危险操作的发生，结合人员资质信息和长期的人员的施工安全记录评估结果，从而对当前的安全姿态有更加全面的理解。三级姿态感知的关键在于辨识事故隐患，预测可能发生的问题。开发重点在于数据分析，提高分析的准确性和实时响应速度。
2、软件系统架构
基于物联网的变电站作业事故隐患预警系统的构成主要可以分为几个部分：
基于LoRaWAN的，具有无线定位功能的传感器节点，由于功能不同，节点也会分成可穿戴式类型（如安全帽和安全带等）的和预设区域内固定方式使用的安全工器具（接地线、安全围栏等）；
用于感知节点位置的LoRaWAN无线网关，它负责接收传感器节点上传的位置感知信息（蓝牙iBeacon/GPS），节点的状态信息（是不是在正常的佩戴中，是否保持固定等）等；
物联网云服务器。包含了设备连接、设备管理、应用管理、数据采集、云端SPC数据存储、数据分析与数据可视化界面；
传感器在物联网网关软件管理下进行协同感知，由此获得的包含身份识别和定位数据，由网关经公网上传至到云服务器，在云端进行安全的数据融合和计算，形成一致的安全隐患预警结果，再经由数据接口输出到。系统具有较强的环境适应性、软硬件可扩展性和应用接口的一致性。解决作业人员和工器具的位置和状态信息的有效采集问题和远程传输的问题。
5 结语
基于RoLa技术的电网施工安全智能管理系统，可有效管理施工人员误入安全间隔，及时发出预警；通过系统实时动态显示施工现场从事高危工作（如登高作业、在未完全停电区域实施起吊作业）的人员生理体征。利用大数据及特定算法，评估现场施工人员的疲劳程度和精神压力水平等重要生理指标，若出现异常情况，及时通过可穿戴设备向当事人发出预警，同时向施工现场负责发送预警短信更换人员，还具有工作超时预警功能，可保障现场施工安全、高效、有序的进行，实现施工现场安全全要素管理，打造了一个适应电力行业的智能安全管理系统，有极大的推广价值。
参考文献：
[1]彭石明.电力企业安全文化建设[J].电力安全技术.2005，10：45-47.
[2]龚钢军，孙毅，蔡明明等. 面向智能电网的物联网架构与应用方案研究[J]. 电力系统保护与控制，2011，39（2）：52-58.
[3]胡文平．基于智能信息融合的电力设备故障诊断新技术研究[D]．武汉：华中科技大学，2005.
论文作者:郑燕平1,郑俊1
论文发表刊物:《电力设备》2018年第28期
论文发表时间:2019/3/12
标签：作业论文; 技术论文; 节点论文; 电力论文; 穿戴论文; 数据论文; 网关论文; 《电力设备》2018年第28期论文;