基于经纬度信息的室外辅助巡检导航系统的实现

国网上海市电力公司长兴供电公司 袁伟东 张金荣 上海服泽能源科技有限公司 陈 玮

室外巡检工作中有大量室外设备分布广泛，所处地理位置偏僻，传统工作中往往需耗费大量人、物力对这些设备的分布情况、巡检流程等进行确定。而对于一些处于农田、山地等野外地区的杆变、箱变等电力设备，没有具体参照物也没有实际地理信息进行定位，巡检工作往往只能通过人工辨别等方式。巡检流程过于简陋，存在诸多弊端和缺陷，有着极大的改进空间：室外分布的杆变、箱变等电力设备分布广泛，且室外设备分布位置通常较为偏僻，巡检人员难以定位及制定合适的巡检线路进行巡检工作；巡检工作效率低下，巡检过程中的杆变、箱变等电力设备的位置数据也难以管理；由于室外电力设备基数大致使巡检工作量大，而传统巡检模式工效低下，工作时长与工作收益无法匹对，工作人员在巡检过程中的失误率也随之水涨船高。

终端设备随信息技术快速发展正在大面积普及，生产生活已步入互联网时代，与智能终端更是形影不离[1]。对分布于室外的杆变、箱变等电力设施，可利用信息化技术将其地理位置信息存储起来，构建位置坐标库进行统一坐标管理。同时为解决室外巡检过程中的室外设备难以定位、巡检效率低等问题，可定制用于辅助巡检的导航智能终端，提供室外设备的定位及室外设备的巡检线路导航等功能。

由于室外设备分布范围广、分布位置偏僻，仅通过GPS 辅助巡检难以准确定位，且由于电力需求的日益陡增，室外设备数量剧增，从而导致室外巡检路线越来越复杂，巡检的工作环境越来越多变。这些因素交错综合下往往极易致使巡检工作出现偏漏，如无法精准定位巡检设备、巡检路线导航错误致使人员走失等问题。巡检工作中上诉问题亟待解决，通过更精准的北斗导航系统采用基于经纬度的定位方案解决定位困难问题，实现更加准确地实时导航功能，能有效提高巡检效率和安全性。为此，保证输电网络的可靠性及提高的电能质量，研发基于经纬度的室外辅助巡检系统是有着迫切需求的。

1 总体设计方案

目前的输电网络，可针对室外的杆变设备等先建立一套相对完善的经纬度坐标数据库，通过北斗系统实现基于经纬度的导航、定位服务，提供室外巡检的辅助功能。其核心就在于如何利用杆变、箱变设备的经纬度坐标数据库数据，研究利用北斗RDSS 模块与北斗导航系统进行报文数据交互，通过经纬度信息实现更加精确的实现辅助室外巡检导航功能。

当前的北斗系统已经发展势头迅猛，定位范围已覆盖全球，其工作原理是与GPS 工作原理类似的无源定位技术。北斗系统由三个关键部分组成：用于监控地面的地面卫星、用户使用的位置信息采集终端设备以及处于宇宙中的北斗卫星。其工作流程是用户通过终端北斗通信模块向地面卫星发送携带交互请求的数据，通过地面卫星上传至位于宇宙的卫星，并基于空间卫星测算得到相关数据提供给终端导航服务（图1）。

图1 北斗卫星工作流程示意图

实际开发中实现的是用于发送报文数据的用户终端。定位导航的关键是卫星定位导航数据的接收、终端的硬件支持以及对导航功能的软件实现。

1.1 终端硬件设计

北斗通信单元模块，用于巡检工作中对巡检人员经纬度定位及当前位置的经纬度信息数据传输。基于经纬度的定位是通过北斗服务接口与中心服务器的北斗指挥机联络而获取的。终端中的北斗导航模块：北斗模块通过独立的通信模块与中心服务器的核心处理器连接，通过北斗RDSS 单元模块接口，利用北斗RDSS 单元模块将中心服务器实时接收的经纬度的定位数据及北斗系统的短报文数据解析获取的经纬度数据一同提供给北斗模块进行处理，将定位数据及短报文数据发送给所述中心服务处理器进行分析处理定制导航服务，其终端的导航模块与中心服务处理器同样需要建立连接，并将自身的定位数据上传服务器。

北斗服务由北斗基带处理单元、北斗RDSS 射频接收与发射通道、功放融合单元以及北斗天线等组成。北斗天线接收北斗RDSS 收发信号后通过北斗RDSS 射频接收与发射通道接收至北斗基带处理单元，利用北斗基带处理单元完成北斗RDSS 收发信号的调制解调，北斗基带处理单元通过功放融合单元对信号进行放大处理并传输至终端的北斗模块。

结合额外的接口协议，使得北斗手持终端整体形成了定位模块、地图模块、跟踪模块三大模块提供数据用于核心的程序框架和应用中心处理的数据生产中心。

1.2 终端软件设计

终端软件设计：页面展示层-数据访问接口-业务层（用户授权、用户鉴权、坐标查询、坐标管理、定位导航、数据处理）-数据层（经纬度坐标数据、用户数据）。整个终端的软件设计涉及到应用架构以及业务应用的功能实现，为保证软件具有良好的可扩展性，软件系统的应用架构根据业务应用功能划分为多层级、多模块搭建。

整体的软件系统基于最小功能职责设计，区分为页面展示层、业务层、数据层。基于前后端分离的设计，页面展示层只需接受中心服务器提供的数据并进行数据展示以及收集用户提交的表单数据给中心服务器即可，通过统一的RESTful 风格数据接口与服务后端的业务层进行交互。这样设计既能提升系统的工作效率，还可保障系统的稳定性和安全性。业务层的实现全部是基于实际业务，数据处理工作及数据存储直接下沉到数据层。通过数据层与电力设备的经纬度坐标数据进行交互，通过查询电站-输电线路-杆变、箱变等电力设备的三级递进关系，确定室外电力设备的具体信息与经纬度坐标。通过业务层对经纬度坐标进行编码处理，实现导航路径的具体规划。在通过数据接口下发至页面展示层，在静态地图上绘制详细路径规划页面。系统还提供原生实现的权限校验机制保证系统的安全性，敏感操作如经纬度坐标数据的删除、添加操作等需具有足够权限的角色进行操作，提升了系统安全性。

2 基于经纬度的辅助巡检终端硬件设计

2.1 导航终端开发选型

中心服务器系统采用OK6410开发板报文处理器的核心开发板，OK6410开发板是飞凌公司旗下基于ARM11内核架构设计的一款开发板，具有高性能、可扩展性高等优点，搭载了丰富的硬件接入接口，非常适合定制开发终端系统，优势在于其硬件技术更新始终保持良好的开发适配性，适用于各种业务。智能终端的迅速发展对于芯片要求愈加苛刻，OK6410开发板的内核是ARM11内核，ARM11是新一代的RISC 处理器，基于新指令架构ARMv6设计的微处理器。其性能更加优秀的同时还保持着性能与功耗的微妙平衡，可满足一些特定应用场景。移动应用场景下，Android 系统良好的开发生态圈与移动硬件兼容性使得其他移动操作系统难以望其项背。OK6410可完美支持Android 系统，此外它搭载的丰富硬件接口和扩展模块使其无疑是定制导航终端的首选。

终端通过硬件串口搭载的RDSS 模块用于接收北斗卫星的报文，参照NMEAO183协议规范将短报文数据解析，并把解析结果编码为UTF-8字符数据流上传到服务器。通过服务器部署的数据服务数据流获取的是16进制的字节数组，对该字节数组需进行解码，可解析为北斗系统传输的经纬度数据等导航数据。具体的报文协议的数据解析步骤需根据协议包内容定制开发处理，中心服务器进行数据的信息处理时，由于是按照字符流次序逐个依次处理，因此特别需注意其数据时效性问题。根据协议解析的数据，其中经纬度数据是最为重要的，可通过经纬数据进行地理编码获取实际地理位置信息，是导航服务的基础（图2）。

图2 数据处理流程图

2.2 终端系统模块构成图

终端系统搭载的用于接受北斗导航系统数据流的硬件主要由射频前端部分、高速0/D 转换器部分、基带信号处理部分和导航信息解算处理部分共同构成。射频前端部分可将终端系统接受到的北斗导航卫星射频信号转变为中频信号；转换器部分则将射频前端采集的中频信号解析转换为数字量；通过基带信号处理模块捕获北斗卫星在二维层面的信号，通过码相位追踪测算等方式测算终端到卫星的“伪距”；最后交由导航信息解算处理模块，通过信号模型和算法，设定关于三维坐标系的地理坐标的方程式，通过解方程式获取实际的地理位置坐标并进行偏差调整[2]。

图3 接收终端架构图

终端硬件开发板设计思路：通过系统总线搭建各个硬件元件与ARM11处理器的数据交互桥梁，由处理器负责系统硬件资源的调度与线程资源的分配。基于模块化的设计思想将各个单一模块硬件分别通过系统总线接入并交互处理信息协同工作，主要有：生成导航路径的北斗导航模块，可采用BD-228或RDSS 单元模块；与北斗系统进行报文通信的北斗通信模块，负责接受和发送报文数据[3]。其余硬件模块用于完善终端系统的基本功能（图4）。

图4 硬件设计示意图

3 基于经纬度的辅助巡检终端软件设计

3.1 经纬度坐标数据库设计

基于实际调研过程中采集的室外电力设备的实际地理位置和经纬度坐标、室外的杆变设备和箱变设备的详细数据信息等，通过抽象数据实体的数据特征与关联关系确定了经纬度坐标数据库的数据实体结构以及数据库实体的约束关系。

通过分析可以确定电站与输电线路间的关联关系是一对多，即一个电站关联多条输电线路；而输电线路与室外电力设备的关联关系也是一对多。基于此可构建“电站-输电线路-电力设备”三级递进的层次关系确定到具体电力设备的信息，这是系统中对于杆变、箱变等电力设备检索的根据。为保证经纬度坐标始终保持一致，数据库使用Varchar类型存储经纬度，防止数据持久化过程中发生精度丢失的问题。为保障数据的完整性，全部数据需维护Not Null 的约束，防止解析数据错误导致的空数据录入形成脏数据。数据删除定义deleted 删除标志，标志置为1时表示删除，系统对于此类数据不可见，但实际的物理存储还是存储着该数据，防止误操作数据删除时无法恢复。

3.2 程序流程图

图5 系统程序流程图

首次使用终端软件需用户使用手机号进行注册，确保用户的权限校验。通过软件登录进入系统获取权限Token，之后的功能和请求需校验Token 中的权限信息来保障系统的安全性。登录用户会获取由系统生成的Token。该Token 有时间限制，到期后用户需重新登录。用户访问需要终端对请求进行二次封装，必须携带Token 进行请求。系统收到请求后需第一时间校验携带的Token 时效性及权限。对于用户访问权限不足的资源时会拒绝用户请求。通过校验Token 判断用户的权限，普通用户仅能使用终端查询电力设备的坐标信息及使用终端的导航功能，高级管理还可执行经纬度坐标的数据管理，如删除经纬度、添加经纬度。

4 总结与展望

本系统是将室外输电线路杆塔等精细化并用于巡检路径定位的应用。解决的技术问题是提供一种可规划、记录路径，能提供输电线路杆塔巡检导航的软件系统；提供的技术方案是：输电线路杆塔精细化巡检路径定位装置，包括移动终端和后台服务器；移动终端跟随巡检人员收集巡检路线上的数据信息，通过对数据信息整理、规划后形成具有导航功能的地图资源包，然后下放至终端，便于用户通过导航快速、安全到达目的地；其终端设备可提高巡检人员的工作效率，可广泛应用于电力巡检领域，为巡检工作及巡检管理工作带来便利，提高工作效率和资源利用率。

随着国家“智能电网”发展的不断推进，互联网中的各项高精尖技术不断用于电力系统的日常中，尤其在电力系统巡检工作中已在配网自动化的发展方向上迈出了一大步。目前该系统研发了一套基于经纬度定位辅助巡检的设备，通过与北斗模块的报文交互处理，实现了精准的经纬度定位与定位数据实时传输进行导航的功能。项目当前在实际的应用市场前景广泛，尤其在电力行业更是如此。