唐冬來，宋衛(wèi)平，付世峻，黃璞，楊俏，葉鴻飛

（四川中電啟明星信息技術(shù)有限公司，四川成都 610041）

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，電力負(fù)荷逐年不斷增加，電網(wǎng)基建工程數(shù)量也日益增多[1-2]。在傳統(tǒng)的電網(wǎng)基建變電工程、線路工程的施工中，現(xiàn)場的施工裝備包含吊車、電纜牽引機(jī)、電焊機(jī)等設(shè)備[3]。施工現(xiàn)場設(shè)備類型眾多，缺乏有效的監(jiān)管[4-5]。因此，亟需開展電網(wǎng)基建施工數(shù)字化協(xié)同工作，保障基建施工現(xiàn)場的施工安全。

現(xiàn)有電網(wǎng)基建施工協(xié)同技術(shù)主要包括移動互聯(lián)協(xié)同和全流程管控兩種，在移動互聯(lián)協(xié)同中，采用大容量通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了施工裝備之間的互聯(lián)，并進(jìn)行建設(shè)時序分析，提高基建施工裝備之間的協(xié)同能力[6-8]。全流程管控中，通過對電網(wǎng)基建施工工藝和裝備的全流程全壽命周期管理，提高基建施工裝備之間的協(xié)同控制能力[9-10]。但上述方法中，僅涉及作業(yè)裝備之間的通信與過程管控，對協(xié)同控制流程提升不足。

為解決電網(wǎng)基建工程中存在的施工裝備數(shù)字化能力弱、協(xié)同性差的問題，提出了一種基于5G 的電網(wǎng)基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同方法。該方法采用了5G 和北斗技術(shù)，實現(xiàn)了電網(wǎng)基建施工的集中指揮和多位置任務(wù)協(xié)同。

1 基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同框架

文中所述的基于5G 的電網(wǎng)基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同框架主要包括：建立5G 網(wǎng)絡(luò)通道、電網(wǎng)基建施工裝備位置服務(wù)和電網(wǎng)基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同策略三部分內(nèi)容，如圖1 所示。

圖1 電網(wǎng)基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同框架圖

由圖1 可見，在建立5G 網(wǎng)絡(luò)通道環(huán)節(jié)中，首先，進(jìn)行電網(wǎng)基建施工裝備5G 網(wǎng)絡(luò)切片劃分，針對不同類型的電網(wǎng)基建施工裝備單獨劃分5G 網(wǎng)絡(luò)切片。然后，進(jìn)行電網(wǎng)基建施工裝備的通信資源劃分，以提高電網(wǎng)基建施工裝備數(shù)據(jù)傳輸能力。最后，根據(jù)電網(wǎng)基建施工裝備數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r，進(jìn)行電網(wǎng)基建施工裝備通信任務(wù)調(diào)度。在電網(wǎng)基建施工裝備位置服務(wù)環(huán)節(jié)，首先，采用北斗技術(shù)進(jìn)行電網(wǎng)基建施工裝備地理經(jīng)緯度的定位，然后，采用授時技術(shù)，對每一個電網(wǎng)基建施工裝備的時鐘進(jìn)行同步，確保各裝備之間的時間一致。在電網(wǎng)基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同策略環(huán)節(jié)，首先，對電網(wǎng)基建施工裝備的時空特性進(jìn)行分析，然后，進(jìn)行電網(wǎng)基建施工裝備的使用忙閑狀態(tài)分析，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行電網(wǎng)基建施工裝備的多位置任務(wù)協(xié)同調(diào)度。

2 基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同模型

2.1 建立5G網(wǎng)絡(luò)通道

2.1.1 基建施工裝備5G網(wǎng)絡(luò)切片

我國研制的5 代移動信息通信網(wǎng)技術(shù)（5th Generation Mobile Communication Technology，5G）是一種新一代的移動互聯(lián)通信技術(shù)，具有傳輸速率高、時延極低和帶寬大的特點[11-12]，在電網(wǎng)基建的變電站、輸電線路工程中應(yīng)用廣泛。

網(wǎng)絡(luò)切片是5G 技術(shù)中的按照電網(wǎng)基建施工裝備需求組網(wǎng)的方式，在一個5G 通道上虛擬出多個網(wǎng)絡(luò)[13]，每個電網(wǎng)基建裝備的切片進(jìn)行物理隔離，以適用于不同場景的通信。

電網(wǎng)基建施工裝備主要分為重大施工裝備和一般施工裝備兩類；其中重大施工裝備包括加熱裝置、放線滑車、張力機(jī)等；一般施工裝備包括高壓驗電器、電纜剪刀等。文中按照上述分類方法進(jìn)行5G 網(wǎng)絡(luò)切片劃分，以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩c可靠性。

2.1.2 基建施工裝備通信資源分配

基建施工裝備通信資源分配是在5G 網(wǎng)絡(luò)切片劃分的基礎(chǔ)上，按照電網(wǎng)基建施工裝備的類別與重要性級別進(jìn)行資源分配[14]，通信資源分配如表1所示。

表1 電網(wǎng)基建施工裝備通信資源分配表

遺傳算法(Genetic Algorithm，GA)是一種采用計算機(jī)語言描述自然界生物進(jìn)化過程理論最佳求解的一種算法，該算法通過遺傳學(xué)機(jī)理和自然學(xué)仿真模擬生物的基因染色體傳遞、基因變異等過程。因此，文中選擇GA 算法進(jìn)行電網(wǎng)基建施工裝備的染色體資源分配，提高電網(wǎng)基建施工裝備的分配能力[15]。

設(shè)電網(wǎng)基建施工中有na個施工現(xiàn)場，電網(wǎng)基建施工裝備有ma個，電網(wǎng)基建裝備用h表示，則通信的信道需求總數(shù)量H為：

在遺傳的初始群組構(gòu)成中，設(shè)概率碼為θ，概率碼的信道取值為：

設(shè)電網(wǎng)基建施工信道中的單個體k的適應(yīng)度為f(v)，則單個信道的分配率La為：

2.1.3 基建施工裝備通信任務(wù)調(diào)度

設(shè)電網(wǎng)基建施工通信任務(wù)有nb個，權(quán)重用λ表示，任務(wù)調(diào)度V為：

2.2 電網(wǎng)基建施工裝備位置服務(wù)

2.2.1 基建施工裝備位置定位

電網(wǎng)基建施工裝備位置根據(jù)北斗的地理位置定位技術(shù)進(jìn)行坐標(biāo)定位，以確定當(dāng)前電網(wǎng)基建施工裝備的地理位置。

設(shè)電網(wǎng)基建施工裝備的點與大地的緯線夾角為ψ，經(jīng)線夾角為?，該裝備的高度為g，圓曲率半徑為d，偏心率為b，則該裝備的坐標(biāo)定位體系為：

2.2.2 基建施工裝備時鐘同步

受電網(wǎng)基建施工裝備電池欠壓、裝備故障等因素影響，電網(wǎng)基建施工裝置將出現(xiàn)時鐘超差的情況，即各電網(wǎng)基建施工裝置的時間不一致?；ㄊ┕ぱb置的時鐘超差后，將影響電網(wǎng)基建任務(wù)工作流、電網(wǎng)基建建筑信息模型（Building Information Modeling,BIM）等應(yīng)用的時間協(xié)同性。所以在電網(wǎng)基建施工裝備協(xié)同任務(wù)開始前，進(jìn)行電網(wǎng)基建施工裝備時鐘同步。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Beidou Navigation Satellite System，BDS)是中國自主研制的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。BDS 由空間、地面和用戶三個組成部分構(gòu)成。在全球范圍內(nèi)為電力客戶提供高精度的授時服務(wù)，在中國范圍內(nèi)的授時精度達(dá)10 ns。因此，為提高電網(wǎng)基建裝備之間的時間同步率，采用BDS 進(jìn)行集中授時，確保電網(wǎng)基建施工數(shù)字化協(xié)同各項工作的時間同步。

2.3 電網(wǎng)基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同策略

2.3.1 基建施工裝備資源時空特性分析

我們選擇了現(xiàn)實主義，我們堅定地走在現(xiàn)實主義創(chuàng)作道路上，遵循了現(xiàn)實主義創(chuàng)作原則，實踐了現(xiàn)實主義創(chuàng)作方法。在現(xiàn)實主義繪畫創(chuàng)作方面，關(guān)東畫派藝術(shù)家們經(jīng)過半個多世紀(jì)的群體努力取得了輝煌成就。

在電網(wǎng)基建施工過程中，施工人員使用的各類裝備具有不同的時間和空間分布特征。即在確定的時間段內(nèi)，在某一個電網(wǎng)基建施工地理位置坐標(biāo)點使用一種電網(wǎng)基建施工裝備。

為確保電網(wǎng)基建施工數(shù)字化協(xié)同調(diào)度的效率，通過電網(wǎng)基建施工裝備地理位置定位信息，并將其與電網(wǎng)基建施工時間進(jìn)度里程碑計劃進(jìn)行結(jié)合，形成電網(wǎng)基建施工裝備的時空分布圖，以便電網(wǎng)基建施工調(diào)度指揮進(jìn)行數(shù)字化協(xié)同調(diào)度控制。

2.3.2 基建施工裝備使用狀態(tài)分析

電網(wǎng)基建施工裝備具有工作中和空閑中兩種狀態(tài)。對電網(wǎng)基建施工裝備使用狀態(tài)分析的目的是為了掌握裝備的計劃使用時間和當(dāng)前使用狀態(tài)，以便更好地進(jìn)行電網(wǎng)基建施工數(shù)字化協(xié)同調(diào)度。文中的電網(wǎng)基建施工裝備使用狀態(tài)分析除包含當(dāng)前電網(wǎng)基建施工裝備狀態(tài)外，還包括電網(wǎng)基建施工裝備的實際與計劃使用時間，如表2 所示。

表2 電網(wǎng)基建施工裝備狀態(tài)統(tǒng)計

2.3.3 基建施工裝備多位置任務(wù)協(xié)同

電網(wǎng)基建施工裝備多位置任務(wù)協(xié)同的目的是為了提高電網(wǎng)基建施工設(shè)備的綜合利用率。該方法結(jié)合了電網(wǎng)基建施工裝備的資源時空特性、使用狀態(tài)和工作任務(wù)計劃進(jìn)行綜合協(xié)同控制，求解電網(wǎng)基建施工裝備的最優(yōu)運行方法。

匈牙利算法于1955 年提出，是一種在限定時間內(nèi)，求解電網(wǎng)基建施工裝備任務(wù)分配問題優(yōu)化的組合算法[16]。文中的匈牙利算法是求解電網(wǎng)基建施工裝備多位置任務(wù)協(xié)同的最優(yōu)策略。

設(shè)電網(wǎng)基建施工裝備有nc個，用Xc表示；電網(wǎng)基建施工任務(wù)有mc個，用Yc表示；電網(wǎng)施工賦權(quán)二部圖Enm為：

設(shè)賦權(quán)二部圖中的頂點標(biāo)號映射為Gc，頂點z的標(biāo)號為P(z)，設(shè)Gc的頂點標(biāo)號為l，Gc的l等子圖為Gcl，最小的邊為rl，算法終止于U和W，修改分配標(biāo)號P′(z)為：

3 算例分析

3.1 場景與參數(shù)設(shè)定

為驗證文中所提基于5G 的電網(wǎng)基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同方法的有效性，將其應(yīng)用在某省電力公司的電網(wǎng)基建的變電站與線路施工中；文中所提方法的服務(wù)器采用物理機(jī)，部署在某省電力公司中心機(jī)房。服務(wù)器采用的操作系統(tǒng)為Windows Server 2019、處理器為因特爾至強(qiáng)e5-2699 V4，22 核心，運行頻率為2.2 GHz，內(nèi)存為32 GB，硬盤為4 TB。

文中用于對比的方法為文獻(xiàn)[17]中的非合作博弈方法，該方法在電網(wǎng)基建施工行業(yè)廣泛應(yīng)用，具有行業(yè)通用性。

3.2 算例運行分析

3.2.1 電網(wǎng)基建施工裝備通信資源分配時長

電網(wǎng)基建施工裝備通信資源分配時長是衡量文中模型的分配能力指標(biāo)，該指標(biāo)的計算方式是單類的電網(wǎng)基建施工裝備通信資源的起止時間，該指標(biāo)時間越短，效果越好。

文中以電網(wǎng)基建施工的重大施工裝備為例，選用九類重大施工裝備，采用文中所提基于5G 的電網(wǎng)基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同方法與業(yè)界廣泛使用的以WIFI 技術(shù)為基礎(chǔ)的非合作博弈方法比對資源分配時長，對比結(jié)果如表3 所示。

表3 電網(wǎng)基建施工裝備通信資源分配時長表

由表3 可見，文中所提基于5G 的電網(wǎng)基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同方法在通信資源資源分配時長方面優(yōu)于非合作博弈方法。

3.2.2 基建施工裝備多位置任務(wù)協(xié)同準(zhǔn)確性

基建施工裝備多位置任務(wù)協(xié)同準(zhǔn)確性是為了判斷文中所提模型的準(zhǔn)確利用效率。其計算方式為模型經(jīng)人工核實準(zhǔn)確的任務(wù)協(xié)同次數(shù)與該模型總的任務(wù)協(xié)同次數(shù)之比，基建施工裝備多位置任務(wù)協(xié)同準(zhǔn)確性指標(biāo)的取值范圍為0～100%，該指標(biāo)值越大，則多位置任務(wù)協(xié)同準(zhǔn)確性越好。

分別選擇基建施工裝備多位置任務(wù)的數(shù)量為100、200、350、450、550、650、750 個，每組任務(wù)分配10 次，對比文中所提5G 的電網(wǎng)基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同方法與業(yè)界廣泛使用的以WIFI 技術(shù)為基礎(chǔ)的非合作博弈方法的多位置任務(wù)協(xié)同有效性，對比結(jié)果如圖2 所示。

圖2 基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同準(zhǔn)確性對比圖

由圖2 可見，反映文中所提基于5G 的電網(wǎng)基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同方法在多位置任務(wù)協(xié)同準(zhǔn)確性的有效率平均值為99.4%，優(yōu)于非合作博弈方法。因此，文中所提方法更優(yōu)。

4 結(jié)束語

為解決電網(wǎng)基建工程中存在的施工裝備數(shù)字化能力弱、協(xié)同性差的問題，提出了一種基于5G 的電網(wǎng)基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同方法。在對電網(wǎng)基建施工裝備信道劃分的基礎(chǔ)上，采用北斗技術(shù)對多類型施工裝備位置定位，并利用匈牙利算法，建立電網(wǎng)基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同策略，實現(xiàn)基建施工界面下的集中指揮與多位置任務(wù)協(xié)同工作。文中所提方法的實際運行結(jié)果，驗證了該方法的有效與可行性。下一步，將結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，對電網(wǎng)基建施工裝備數(shù)字化協(xié)同做進(jìn)一步研究。