于显浩，邱 伟，黄文龙，黄建榮，宋文志

（1．福建厦门抽水蓄能有限公司，福建省厦门市 361108；2．北京国电通网络技术有限公司，北京市 100070）

0 引言

面对电网传统业务及智慧能源等新兴业务，电网设备及客户侧感知、采集和监控等需求日益增强，亟须构建一套标准化、互动化、智能化的物联管理体系，以能实时感知各类设备及客户侧的海量运行信息，并对传感设备进行统一接入管理，实现智慧物联、深度感知、友好互动的建设目标[2]。随着信息技术快速发展，抽水蓄能电站工程建设现场物联网应用已具有一定基础，基建现场施工安全、施工质量、施工进度等业务管控过程中，产生大量的物联感知设备，由于感知终端应用及其广泛，接口样式繁多，无法集中管理。

未来的万物互联的应用服务程序需要一种新的计算模型替代传统云计算模型，边缘计算是一种在网络边缘执行计算任务的新型计算模型，因而较好地解决这些问题[3]。本文以抽水蓄能电站基建项目现场多类型物联感知数据接入为背景，开展厂站级物联接入装置及边端计算系统研究，实现终端统一的管理，解决现场多类型物联感知数据接入困扰，对抽水蓄能电站基建信息化建设具有重要的意义。

1 基建现场物联感知设备应用现状与接入需求

1.1 基建现场各业务系统物联感知终端梳理分析

本文通过对抽水蓄能电站现场物联感知系统应用调研收集，分析现场施工安全、施工质量、施工进度等业务领域中业务系统采用的设备及协议形成物联系统建设表（见表1）。

表1 抽水蓄能电站物联系统建设表Table 1 Construction table of IOT system of Pumped Storage Power Station

1.2 基建现场物联感知终端接入目标与意义

1.2.1 提升边缘计算能力，赋能基建管理

通过对现场物联感知终端接入与管理，利用边端侧物联代理装置的网络、计算、存储等能力，实现对现场物联感知终端数据处理。通过边缘物联代理就地分析处理能力，重点解决占用资源大和实时性要求高视频监控业务的智能分析，实现基建现场人脸识别、安全帽识别、着装监测、烟火监测等功能，通过边端侧服务，将处理提取后的主要特征信息上传统一物联管理中心系统，有效减轻集中数据处理的负担，提高处理时效，发挥数据的价值，为厂站侧的管理提供辅助决策，赋能抽水蓄能基建管理。

1.2.2 统一接口标准，提升接入管理能力

利用边缘物联代理装置实现厂站侧通信协议的全覆盖，包括网络通讯模块、RS485通讯模块、模拟量输入模块，支持4G、NB-IoT、LoRa、ZigBee等低功耗物联网通信协议，全面实现各类物联终端的泛在连接，现场物联感知设备借助边缘物联代理装置接口标准，实现与物联管理中心系统的连接，实现基建现场多类型物联终端设备统一标准接入。

1.2.3 加强安全防护，实现数据网络接入

基建现场物联感知终端设备类型多、标准不一，在安全防护设计方面更是缺乏设计。边缘物联代理装置安全接入则统一采用专用的安全协议规范来实现安全防护，包括终端接入前的密钥协商以及终端接入后的通信过程中通过硬件加密卡进行加解密，有效保证接入终端安全合规性及数据传输的通道安全。同时，边缘物联代理装置按照安全接入要求，采用经过安全加固的无线终端，通过安全接入平台的终端接入认证、传输通道加密、业务访问控制等安全防护措施，可将基建现场物联终端数据信息接入信息内网，实现内网环境下安全、可靠、稳定的数据传输。

2 基建现场物联感知接入技术方案

2.1 基于边端侧物联代理的传感器接入方案

随着物联网应用的不断展开，大量移动终端设备参与服务计算，传统的云计算模型已经不能满足网络边缘设备产生数据的速度，边缘计算模型应运而生，并成为近几年的研究热点[4]。抽水蓄能电站基建现场物联感知设备面临数量繁多，各感知设备存在非标接口现象，各类型终端设备接口不一导致接入较难且工作量较大，为避免各类接口不一问题，本文提出采用边端侧物联代理装置来实现现场物联感知设备接入，解决现场物联传感接入难问题。

如图1所示，边缘物联代理装置是建立在网络层之上的协议转换器，是连接各物联传感器设备与统一物联管理中心系统的桥梁[5]。通过边缘物联代理装置提前建立各类传感器资源，并形成统一接入标准，借助其对现场传感设备进行接入，可最大化降低现场物联接入管理难题，降低实施接入工作量，满足基建现场物联传感设备统一接入需求。

图1 物联传感接入结构图Figure 1 IOT sensor access structure diagram

2.2 基建现场边端侧物联代理应用部署方案

如图2所示，边缘代理装置是连接现场物联传感器网络与物联代理中心系统接入与控制设备，传感器收集的数据通过边缘代理装进行互联互通，并进一步实现数据的转换及转发[6]。边端侧物联代理装置是连接现场物联传感器网络与统一物联管理系统中心接入与控制设备，现场物联传感器收集的数据通过边端侧物联代理装置实现与统一物联管理系统中心连接，并实现对统一物联管理系统中心数据上报与处理。

图2 现场部署图Figure 2 Site deployment diagram

2.3 边端侧物联代理装置硬件模块设计

边缘物联代理装置设计方案参照公司智慧物联体系的整体框架，针对抽水蓄能电站基建业务特点研发面向施工作业现场的边缘物联代理装置，实现现场感知终端的数据接入、边缘计算、数据上传到上级管理平台和区域自治服务等功能于一体的软硬件系统。该边缘物联代理要能够适应基建现场的环境条件，尤其是工程存在的网络条件差、供电条件差、工作地点不固定的情况。边缘物联代理装置为适应现场各类通信协议标准（例如：WiFi、ZigBee、Lora、RS485等）传感器接入；边缘物联代理装置的系统硬件架构必须灵活多变以适应各种复杂的现场环境。图3为边缘物联代理装置硬件结构。

图3 边缘物联代理装置硬件结构图Figure 3 Hardware structure diagram of edge IOT agent device

2.4 边端侧物联代理功能设计

边缘物联代理软件架构主要参考《国家电网有限公司可信边缘计算框架技术白皮书》的架构要求，在其要求基础上针对嵌入式环境作了针对性调整。边缘物联代理架构主要包含：设备接入层、基础服务层、支持服务层、边缘应用层、对外交互层（见图4）。

图4 功能架构图Figure 4 Functional architecture diagram

2.4.1 设备接入层

设备接入层主要作用是数据接入，通过不同种类的硬件通讯接口接入各类传感器设备，采集数据。根据具体传感器协议接口类型进行划分，如表2所示。

表2 传感器协议接口类型划分表Table 2 StationSensor protocol interface type division table

每种协议模块针对该协议类型实现一个通用通讯协议框架，用于采集不同种类设备的数据。比如RS485实现一个基于RS485接口的通用通讯协议，例如MODBUS协议，要求接入的设备必须符合该协议，否则属于定制性开发。

设备接入层支持第三方应用部署，不同应用可以实现不同数据接入协议，极大提升边缘物联代理设备的可扩展性。同时可配合上层平台，提供Docker应用下载、部署、管理等功能。

2.4.2 基础服务层

基础服务层包含设备控制、应用升级、数据缓存、数据存储等基础模块。

设备控制。提供界面和API，可对边缘物联代理设备进行系统配置管理。支持参数设置功能，平台可通过该功能改变边缘物联代理工作状态，如设置IP地址等。用户可通过访问边缘物联代理的界面，查询状态，更改配置。

应用升级。提供软件在线升级功能。

数据缓存。将数据分析处理后的数据缓存到本地，最多支持3天存储。根据网络环境决定是否启用该功能，如果网络环境较差，数据无法上传平台，启用该功能，网络环境恢复后，关闭该功能，数据直接上传。

数据存储。提供本地数据存储服务。可用于存储软件参数、配置参数等信息，或者存储数据解析结果等。

2.4.3 支撑服务层

支撑服务层提供视频AI服务、AI模型管理服务、数据解析服务、数据计算服务等。

视频AI服务。对视频数据进行AI智能解析，将视频数据转化为结构化数据。默认搭载的AI智能分析算法为山火检测、工程作业车辆检测。

AI模型管理服务。用于管理AI算法模型和NPU加速硬件，初始化NPU硬件，对NPU硬件负载做均衡，载入、调度AI算法，实现算法可替换性。

数据解析服务。提供两种主要功能：将传感器设备等原始数据解析成数值数据，将视频流解析成图像帧。数据解析服务利用边缘物联代理网关自带的硬件加速数据解析速度，可极大降低CPU的占用率，比如利用硬件解码芯片对视频H.264解码。

数据计算服务。对数值数据进行分析计算，包括传感器数据分析过滤、滤波等。

2.4.4 边缘应用层

边缘应用层用于部署各类业务应用。默认自带应用是山火和工程车辆检测应用。

边缘业务层基于设备接入层、基础服务层、支持服务层提供的核心功能，开发业务应用。比如基于山火检测等AI服务，开发警报上传、告警记录等业务应用，基于温度传感器接入服务，开发高温告警、温度预测等业务应用。

边缘应用层支持第三方应用部署，不同应用可以各自业务功能，极大提升边缘物联代理设备的功能可扩展性。同时可配合上层平台，提供Docker应用下载、部署、管理等功能。

2.4.5 对外交互层

对外交互层负责提供对外对接功能，包括MQTT通讯协议、多端发送、数据同步、数据安全加密等模块。

3 基建现场物联感知设备接入应用情况

通过选取现场部分视频监控终端设备进行接入，进一步论证了通过边缘物联代理装置可实现对现场物联传感设备接入与管理，边缘代理设备及末端感知设备的在线、离线心跳状态，点击边缘设备、切换相关联的末端感知设备论证现场物联应用进行深化应用，如图5所示。

图5 边缘代理设备管理Figure 5 Edge agent device management

同时，实现对视频监控设备状态及监控数据分析。如图6所示，对接入设备数据统计（包括：各工程总人数、未佩戴安全帽人数、佩戴安全帽人数柱形图统计等）。与现有视频监控系统进行连接，达到在营地办公楼、应急中心、各管理项目部能够实时查看施工现场的影像，并且能够形成区域集中化管理，精准完成对高清摄像机进行远程控制操作、数据存储、OCR识别、画面捕捉等多元化应用，为未来的其他系统、传感器以及硬件设备上的接入提供宝贵经验。

图6 基建现场物联接入应用Figure 6 Infrastructure site IOT access application

4 结论

物联网（Internet of Things）是近几年来兴起的一种大规模虚拟网络技术，它通过各种接入技术实现电子设备与互联网的互联，进而完成信息汇聚与交互[7]。抽水蓄能电站工程建设正处于快速发展时期，物联网成熟技术应用已经成为企业数字化转型、数字新基建必经之路，现场将有大量的物联感知设备需要进行统一接入与管理，并通过边端侧数据实时处理技术、分布式泛可扩展的实时智能分析能力，支持各类应用功能，最终实现现场物联感知采集数据加工与分析[8]。因此，本文研究提出的基建现场物联感知设备借助边缘物联代理装置实现对物联数据统一接入管理方案，可有效提升电站物联管理能力，解决抽水蓄能电站基建现场物联感知设备通信接口标准不统一、数据价值挖掘不够充分、安全防护能力薄弱等管理难题。