工频电压比例基准实验室智慧控制系统的设计与实现.pdf

2023 年 10 月工频电压比例基准实验室智慧控制系统的设计与实现潘俊臣袁李家龙袁那辰星袁罗增袁刘莹莹（深圳市国电科技通信有限公司，广东 深圳 518109）【摘要】为落实国家高电压计量站智慧实验室数字化建设袁打造智慧实验室建设标杆袁实现工频电压比例基准实验室环境信息自动采集尧人员操作可视化追溯及违规操作智能化监管袁设计一种工频电压比例基准实验智慧控制系统袁对其功能实现进行分析袁以期为相关人员提供参考遥【关键词】实验室曰智慧曰控制曰设备曰系统【中图分类号】N33【文献标识码】A【文章编号】1006-4222（2023）10-0157-030 引言科技创新作为国家发展全局的核心，应实施创新驱动发展战略，坚持走中国特色自主创新道路。实验室作为科技创新的源头，在科学研究领域扮演着重要的角色，可确保国家经济高质量发展。我国高度重视实验室建设，并将其纳入国家发展规划1。而目前传统实验室存在信息化程度低、能耗高、共享资源不充分等问题，已经跟不上新发展阶段科技创新的时代浪潮。新一代信息技术的不断发展与应用，为建设新型智慧实验室指明了技术发展方向2。国际商业机器（IBM）公司提出的智慧地球包含三大要素，即物联化、互联化、智能化3，其实质就是将新一代互联网技术充分应用到各行各业，将感应器嵌入、装备到医院、电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道，通过互联网形成物联网，而后通过超级计算机和云计算，使人类以更加精细、动态的方式工作和生活，从而在世界范围内提升智慧水平4。由此可以看出，智慧实验室的基本内涵可以概括为综合利用传感、控制、互联网、大数据、人工智能、自动控制、机器人等先进技术，构建在一定程度上能够感知试验人员语言或行为诉求，并自动实现这些诉求的现代化实验室5。1 工频电压比例基准实验室智慧控制系统概述智慧实验室通过与传感器设备互联使其具备了感知事物状态的能力，能够将试验人员诉求、环境变化、研究对象的信息转变成控制信息，从而实现试验人员的诉求并完成相关实验任务6。智慧实验室的建立是对国家在基础建设工作成效的充分肯定，对推动社会经济高质量发展和支撑质量强国战略具有重大意义。在工频电压比例基准实验室中加入智慧实验室建设元素，引进智慧感知硬件设备，实现实验室温湿度、电源质量、试验台体等环境信息监控，通过激光电子围栏防范试验中有人员闯入，通过人脸识别联动门禁及视频监控设备提升实验室安全管理能力，并将采集到的信息通过智慧大屏实时展示。该系统解决了传统实验室控制系统存在的环境信息依赖人工采集、人员操作无法可视化追溯以及违规操作等安全因素不能进行智能化监管等问题。工频电压比例基准实验室智慧控制系统采用微服务架构、MySQL 数据库、Vue 前端框架等技术，经过不同的数据传输协议将各种智能设备信息传送到控制中心进行处理，经过处理后的数据再实时显示到智慧大屏中。2 总体架构设计工频电压比例基准实验室智慧控制系统总体架构如图 1 所示。工频电压比例基准实验室智慧控制系统主要包括显示层和数据采集层。此外，该系统还连接外部融合装置以及各类试验、监测设备，为该系统提供基础数据。显示层包含系统主站和系统大屏。系统主站提供试验管理、人员管理、试验数据分析、日志管理等功能；系统大屏主要用于获取、展示实验环境数据及部分主站计算分析后的试验数据。数据采集层包含统一协议组件和统一接口组件。统一协议组件对融合装置上传的试验数据和环境监测数据进行解析，解析结果交给统一接口组件进行转换，并推送至消息中间件，系统显示层接收消专题综述1572023 年 10 月息后对数据进行结构化存储和展示。融合装置为硬件装置，其通信融合机及环境采集单元提供了一体化的设备接入矩阵，采用 PXI 箱体结构，各种通信板卡插入卡槽即可转接不同的通信方式，分别用于试验数据和环境监测数据的采集。设备包括试验设备和环境监测设备。试验设备是指开展工频电压比例基准实验的各类设备，用于收集实验数据；环境检测设备主要用于监测实验室的环境，收集环境监测数据。3 显示层设计3.1 系统主站设计系统主站采用 SpringBoot 架构，集成了多种组件7，简化了程序的创建、开发、运行和部署流程。系统主站主要包括系统接入、服务监控保护、服务治理配置、服务注册发现、业务服务群、数据管理等模块。（1）系统接入模块。系统接入模块即主站网关，该模块基于 Nginx 的正反向代理和负载均衡策略，为用户提供统一的业务应用操作界面和信息展示窗口，是工频电压比例基准实验室智慧控制系统直接面向操作用户的部分，通过黑白名单和授权认证对用户进行安全认证、访问请求进行安全控制。（2）服务监控保护模块。该模块通过 Sleuth 链路追踪技术、Turbine 集群监控技术、Hystrix 容错保护框架对集群进行监控和容错保护。（3）服务治理配置模块。该模块通过 Consul 服务治理、Eureka 服务注册及 Config 服务配置管理等Spring Cloud 框架对系统服务进行服务治理和配置管理。（4）业务服务群模块。该模块采用微服务的架构方式进行集群部署，平台按业务进行横向划分六大微服务模块，提供统一的业务服务功能，在设计上充分解耦，可复用性高。（5）数据管理模块。该模块对接数据采集层和各数据库，可实现数据的存储、分析、检索、缓存，为系统提供数据管理支持。3.2 系统大屏设计系统大屏主要用于显示获取的环境信息和试验数据，显示的模块可分为智慧大屏显示模块与智慧场景联动模块。3.2.1 智慧大屏显示模块智慧大屏主要显示数据智能设备实时信息与实验室其他关键信息，包括当前时间、实验室基础信息、标准器信息、实验室环境监控信息、电源质量监控信息、实验室视频监控信息、试验人员信息、告警信息、稳定性曲线。（1）当前时间。显示当前的北京时间。（2）实验室基础信息。显示当前实验室的名称、负责人、安全负责人、实验室资质等信息。（3）实验室环境监控信息。显示实验室的温湿度监控信息，通过连接 LoRa 网关设备，获取 4 个传感器温湿度，计算温湿度平均值作为最终显示值。（4）电源质量监控信息。显示电源质量监控装置获取的电源信息（频率值、有效值等）。（5）实验室视频监控信息。显示通过统一资源定位系统（uniform resource locator,URL）视频流地址获取的视频画面。（6）试验人员信息。显示当前实验室中的试验人员信息，同时，连接激光电子围栏，当非试验人员闯入时，将发出告警信息。（7）稳定性曲线。显示稳定型曲线，曲线数据为各个分压器与互感器在不同时间段的比值误差与相位误差。3.2.2 智慧场景联动模块（1）人脸识别门禁联动。人脸识别门禁联动包括以下两项功能：淤人脸识别信息录入。管理人员在人脸识别终端硬件设备上录入新的试验人员人脸及身份信息，然后存入工频电压比例基准实验智慧控制系统。于人脸识别大屏联动反馈。试验人员扫描人脸进入实验室时，人脸识别终端校验权限信息，校验通图 1 工频电压比例基准实验室智慧控制系统总体架构工频电压比例基准实验室智慧控制系统显示层试验管理人员管理权限管理日志管理主站接口访问人脸识别智能开关视频监控告警信息大屏数据采集层统一协议组件KAFKA 交互统一接口组件融合装置通信融合机环境采集单元工频感应分压器标准电压互感器标准电流互感器电源质量监控装置温湿度传感器视频监控装置环境监测设备试验设备专题综述1582023 年 10 月过后打开门禁，同时将进入人员的姓名发动给工频电压比例基准实验智慧控制系统，系统在数据库中匹配对应的人员头像及身份信息，根据匹配结果在智慧大屏显示试验人员信息。（2）语音播报联动。语音播报联动主要包括以下4 项功能：淤试验人员进入实验室语音播报。当试验人员通过人脸识别设备扫描人脸通过时，语音系统延时 5 s 后根据不同角色播放欢迎语音。当进入人员为本实验室的试验人员时，语音系统播报实验室当前的温湿度、光照强度等信息。于开始试验语音播报。试验人员打开试验台总开关，准备开始试验时，语音系统播放“试验即将开始，请您按照规程规范准确操作，试验设备已通电，请勿进入试验区域”的语音。盂激光电子围栏告警播放。实验室将试验区域用激光电子围栏围住，防止试验人员误闯入。当触发激光电子围栏警告时，语音系统播放“试验区域危险，请立即离开”的语音；当触发激光电子围栏断电时，语音系统播放“非法闯入试验区域，已断电”的语音。榆温湿度及电能波动超过阈值告警。当温湿度及电能波动超过阈值时将播放告警信息，触发时立即播放一次，在距触发事件发生时间点的 1 min、5 min、30 min 后各播放一次，此后每 30 min 循环播放一次。播放告警信号期间，若监测到各项参数回到正常值范围，则停止上述循环播放；若再次超过阈值时将立即触发报警并重新开始循环。（3）实验室灯光联动。当有人员进出实验室时，根据人员角色、进出时间段、光照强度情况、是否持续检测到有人员在实验室活动的情况，来控制实验室灯光的开关。该智慧场景能够有效减少电能消耗，提升工频电压比例基准实验室的智慧管控能力，帮助试验人员更加方便、快捷地进行试验。（4）激光电子围栏告警联动。激光电子围栏是为了避免出现试验人员误闯入试验区域的情况，保护试验人员的安全。激光电子围栏告警联动包括以下4 项功能：淤激光电子围栏示警。试验人员在进行试验前，按下空气开关，试验总台通电，智慧大屏显示黄色告警信息，提示正在实验中。同时，打开激光电子围栏，通知 LoRa 网关，警示灯亮起。于激光电子围栏触发。当有人员误闯入试验区域，立即触发激光电子围栏，监测到触发信号，通知 LoRa 网关，蜂鸣器警示灯开启，智慧大屏显示红色告警，同时联动语音播放系统播放告警信息。盂蜂鸣器警示灯关闭。当危险情况被排除时，试验人员按下智能开关，工频电压比例基准实验室智慧控制系统获取智能开关信号后，通知 LoRa 网关，蜂鸣器警示灯关闭。榆试验总台断电。试验人员完成试验后手动按下空气开关，试验总台断电，工频电压比例基准实验室智慧控制系记录空气开关为关闭状态，并通知 LoRa 网关，警示灯关闭。4 系统数据采集层设计统一协议组件包含协议解析模块、数据解析模块及辅助模块。协议解析模块包含 485 协议解析器、消息队列遥测传输（MQTT）协议解析器及传输控制协议（TCP）解析器分别处理来自 485 设备、网络设备、网关设备三类设备的数据，可转换成工频电压比例基准实验室智慧控制系统可识别的数据格式。数据解析模块提供高加密标准（AES）和 RSA 算法的加解密功能，对解析后的数据加密、设备获取的数据解密以保证数据传输的安全性；辅助模块提供协议配置和数据传输功能，协议配置服务提供统一的协议配置入口，方便上传新接入设备的通信协议，为协议解析提供依据。5 结语本文设计了一种工频电压比例基准实验室智慧控制系统，并详细分析了系统主站、系统大屏及系统数据采集层。通过该系统的设计及实现，能够规范化试验人员的试验操作，实时监测试验环境，提高试验人员的工作效率，为实现基准实验室全周期管理提供有力保障，提升了实验室运维服务能力，对推进基准实验室物联网建设有着重要意义。参考文献1 马胜国，孙永明，魏本海，等.建设计量智慧实验室的探索研究J.科技风，2023（9）：69-71.2 庄丽.信息技术在智慧实验室管理中的应用J.电子技术，2023，52（4）：214-215.3 许晔，孟弘，程家瑜，等.IBM“智慧地球”战略与我国的对策J.中国科技论坛，2010（4）：20-23.4 凌璐，陈雅伦，杨聪明.基于物联网技术的智慧计量实验室管理平台J.江苏通信，2022，38（2）：60-63.5 李雨鑫，解迎刚，孙锦，等.智能实验室管理与控制系统的设计J.物联网技术，2022，12（5）：94-96.6 陈印超，叶名炀，陈嘉豪，等.智慧实验室安防系统研究设计J.电子制作，2022，30（17）：44-46，40.7 潘培伟.基于微服务架构的学习系统的设计与实现D.广州：广东工业大学，2022.作者简介院潘俊臣（1992），男，汉族，四川达州人，硕士研究生，工程师，研究方向为软件研发架构、互联网体系结构。专题综述159