基于電子標(biāo)簽和智能數(shù)據(jù)處理的電力物資檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙文炎，盧澤鈺，郭宏偉

（國網(wǎng)冀北電力有限公司唐山供電公司，河北唐山 063000）

電網(wǎng)物資是保障電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的物質(zhì)基礎(chǔ)，開展電網(wǎng)物資質(zhì)量管理是國家、社會(huì)和企業(yè)的共同需要，是提高物資質(zhì)量水平、保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和提升供電服務(wù)質(zhì)量的必然要求。電網(wǎng)高質(zhì)量的發(fā)展、本質(zhì)安全離不開物力支撐，不合格的物資流入電網(wǎng)系統(tǒng)將給電力系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行造成威脅。為了防止電力系統(tǒng)安全事故，必須提升電力物資的檢測(cè)水平[1-6]。

在當(dāng)前的物資檢測(cè)過程中，由于缺乏有效的管控措施，物資抽樣、取樣檢測(cè)數(shù)據(jù)等物資狀態(tài)難以追溯，這都給電網(wǎng)的建設(shè)和平穩(wěn)運(yùn)行埋下了嚴(yán)重的安全隱患。因此，該文為加強(qiáng)電力物資檢測(cè)的管控，一方面引入到貨觸發(fā)檢測(cè)機(jī)制與智能取樣技術(shù)結(jié)合電子標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視物資流向，在觸發(fā)抽取、取樣派單、現(xiàn)場(chǎng)取樣讀取、位置跟蹤以及檢測(cè)合格保存等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行高效管控；另一方面引入智能化數(shù)據(jù)處理技術(shù)，完成物資檢測(cè)的精益化管理[7-13]。

1 理論分析

1.1 需求分析與功能模塊設(shè)計(jì)

該文從系統(tǒng)工程的理論對(duì)電力物資的檢測(cè)流程進(jìn)行分析，以系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)的目的為導(dǎo)向進(jìn)行需求分析。在物資檢測(cè)時(shí)，為每一項(xiàng)物資綁定標(biāo)簽。該標(biāo)簽伴隨物資入庫、流動(dòng)、出庫的全部流程，直到物資報(bào)廢。根據(jù)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的目的，逐步拆解，進(jìn)而獲得系統(tǒng)的功能模塊如圖1 所示[14-16]。

圖1 系統(tǒng)功能模塊

該文結(jié)合電網(wǎng)公司的物資檢測(cè)流程，設(shè)計(jì)了如圖1 所示的物資檢測(cè)系統(tǒng)功能模塊架構(gòu)。從圖中可以看出，文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)共包括物資賦碼、物資取樣、物資封樣、物資打卡、物資狀態(tài)查詢、物資稽查與告警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析7 個(gè)模塊，各個(gè)模塊的具體功能如下。

物資賦碼：該模塊用于物資到庫后的信息綁定。物資到貨后，倉儲(chǔ)管理人員按入庫順序隨機(jī)安裝電子標(biāo)簽。賦碼信息同時(shí)維護(hù)至倉儲(chǔ)到貨信息中，與物資供應(yīng)商、訂單號(hào)等信息進(jìn)行綁定。該電子標(biāo)簽是電力物資流轉(zhuǎn)的最重要標(biāo)識(shí)，所有的檢測(cè)均基于該標(biāo)簽進(jìn)行。

物資取樣：該模塊用于物資檢測(cè)樣本的取樣原則制定。由于電子標(biāo)簽是隨機(jī)的，物資取樣的方式也是隨機(jī)的，這保證了物資取樣的完全隨機(jī)化、確保取樣的公平公正性。

物資封樣：該模塊用于對(duì)取樣的電子標(biāo)簽進(jìn)行物資提取，取樣人員將提取的物資送至指定地點(diǎn)封樣。

物資打卡：該模塊用于對(duì)取樣封存的待測(cè)物資全程監(jiān)控，并對(duì)檢測(cè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行打卡管控，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)包括倉儲(chǔ)端、取樣、送樣、檢測(cè)、換貨等。打卡時(shí)將記錄用戶每次打卡的位置、上傳的照片視頻、打卡時(shí)間等相關(guān)信息，形成打卡時(shí)間線，便于用戶跟蹤核驗(yàn)。

物資狀態(tài)查詢：該模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于物資是否合格、取送樣視頻、物資所在位置等信息的查看。

物資稽查與告警：該模塊用于倉儲(chǔ)管理人員對(duì)物資狀態(tài)的稽查，一方面通過地點(diǎn)定位查詢周邊物資狀態(tài)；另一方面，可通過掃描物資二維碼查看物資的所屬狀態(tài)。該模塊還可以結(jié)合物資出庫時(shí)間，用于對(duì)超期物資進(jìn)行報(bào)警，結(jié)合推送功能以短信的形式發(fā)送至物資領(lǐng)用人手中。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析：在該模塊中，結(jié)合智能數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。系統(tǒng)可以結(jié)合物資的流向，生成鏈條報(bào)表、物資取送樣報(bào)表、物資檢測(cè)報(bào)表、物資退換貨情況報(bào)表。

1.2 電子標(biāo)簽和智能數(shù)據(jù)處理

在該文的物資檢測(cè)系統(tǒng)中，電子標(biāo)簽是電力物資管理流程中的重要標(biāo)識(shí)，貫穿于物資管理的全部生命周期。電子標(biāo)簽是射頻識(shí)別系統(tǒng)的組成之一，對(duì)于其基本組成包括讀寫器（Reader）、電子標(biāo)簽（Tag）和應(yīng)用系統(tǒng)。其中，電子標(biāo)簽放置于實(shí)物體上，讀寫器用于與標(biāo)簽間的通信，獲取電子標(biāo)簽的相關(guān)信息。在電子標(biāo)簽和讀寫器的通信過程中，由于多個(gè)讀寫器會(huì)共用無線信道，容易產(chǎn)生碰撞，造成互相干擾。因此需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求設(shè)計(jì)智能數(shù)據(jù)處理算法，在防止碰撞的基礎(chǔ)上分離出不同的標(biāo)簽信息。

電子標(biāo)簽通過反射讀寫器發(fā)送無線信號(hào)的能量來傳輸數(shù)據(jù)，其中由讀寫器到標(biāo)簽為前向傳輸。此時(shí)，電子標(biāo)簽接收的能量密度可表示為：

其中，P1為發(fā)射功率，G1為讀寫器發(fā)射天線的輸出增益。標(biāo)簽獲得的能量與標(biāo)簽天線的極化方式有關(guān)，當(dāng)處于正確極化時(shí)，其可獲得的最大功率為：

該文使用的電子標(biāo)簽系統(tǒng)為多發(fā)多收式（MIMO），在進(jìn)行防碰撞時(shí)，需要先建立該模式下的碰撞模型：

其中，S是輸入信號(hào)的矩陣，X是經(jīng)無線信道傳播后得到的信號(hào)矩陣。在工程應(yīng)用過程中，閱讀器接收天線的數(shù)目通常小于電子標(biāo)簽數(shù)目，通常情況下M

對(duì)于W和H的更新，使用梯度下降原則：

為了衡量文中設(shè)計(jì)的電子標(biāo)簽智能數(shù)據(jù)處理算法的性能，使用標(biāo)簽識(shí)別數(shù)量和吞吐量作為算法的評(píng)價(jià)指標(biāo)，二者的定義分別如下：

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)處理后臺(tái)實(shí)現(xiàn)

結(jié)合上文的相關(guān)理論，從電力生產(chǎn)的實(shí)際環(huán)境出發(fā)，設(shè)計(jì)了電力物資檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)的原理架構(gòu)如圖2 所示。電力物資在采購后被賦予唯一標(biāo)識(shí)的電子標(biāo)簽，經(jīng)閱讀器采集后進(jìn)行流轉(zhuǎn)。系統(tǒng)后臺(tái)部署的計(jì)算機(jī)參數(shù)如表1 所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

表1 系統(tǒng)后臺(tái)部署的計(jì)算機(jī)參數(shù)

圖3 給出了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理后臺(tái)界面和客戶端界面，其中圖3（a）是系統(tǒng)后臺(tái)的部分界面。可以看出，電力物資在經(jīng)閱讀器采集后，系統(tǒng)后臺(tái)生成了唯一的標(biāo)識(shí)碼。

圖3（b）、3（c）分別是系統(tǒng)客戶端的首頁與物資狀態(tài)界面，系統(tǒng)的客戶端可以在手機(jī)IOS 或Android系統(tǒng)上部署。從圖3（b）可以看出，系統(tǒng)首頁被劃分為物資打卡、統(tǒng)計(jì)查詢、物資稽查、轉(zhuǎn)儲(chǔ)申請(qǐng)、打卡日志等常用模塊，其中物資打卡可直接通過手機(jī)掃描設(shè)備上的電子標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)。圖3（c）是物資狀態(tài)界面。可以看出在該界面下，給出了某個(gè)編碼的物資所在位置與當(dāng)前的狀態(tài)，保證了物資流轉(zhuǎn)全過程的有效監(jiān)控。

圖3 系統(tǒng)后臺(tái)界面

2.2 電子標(biāo)簽部署實(shí)現(xiàn)

在1.2 節(jié)中，對(duì)電子標(biāo)簽的防碰撞模型及相關(guān)智能數(shù)據(jù)處理方法的相關(guān)理論進(jìn)行介紹。在進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要根據(jù)電力生產(chǎn)的實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境設(shè)計(jì)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)。該文使用的電子標(biāo)簽系統(tǒng)的基礎(chǔ)參數(shù)如表2 所示。

表2 電子標(biāo)簽系統(tǒng)部署的基礎(chǔ)參數(shù)

首先需要在該環(huán)境下確定讀寫器中天線的數(shù)量，文中對(duì)1.2 節(jié)中所屬的基于矩陣欠定分離的數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了仿真。同時(shí)為了對(duì)比文中所述算法的性能，在實(shí)驗(yàn)時(shí)還引入了現(xiàn)在常用的anti-BSS 算法作為對(duì)比。

圖4 給出了兩個(gè)算法在表1 環(huán)境下的仿真結(jié)果。

圖4 算法仿真結(jié)果

圖4（a）中給出了兩個(gè)算法系統(tǒng)的吞吐量隨著讀寫器天線個(gè)數(shù)變化的曲線?？梢钥闯?，該文算法的吞吐量不論是峰值還是平均值均大于anti-BSS 算法。在天線個(gè)數(shù)為6 時(shí)，系統(tǒng)可達(dá)到最大的吞吐量，此時(shí)的系統(tǒng)吞吐量為2.23 Mbit/s；anti-BSS 算法在天線個(gè)數(shù)為3 時(shí)，達(dá)到最大吞吐量，此時(shí)吞吐量大小為1.05 Mbit/s。

圖4（b）給出了讀寫器天線數(shù)和可識(shí)別天線數(shù)的關(guān)系。從曲線的總體趨勢(shì)看，在anti-BSS 算法下，系統(tǒng)讀寫器天線的識(shí)別性能為1∶1的關(guān)系，即1 個(gè)讀寫器天線可識(shí)別一個(gè)電子標(biāo)簽天線；該文的算法識(shí)別性能約為2∶1的關(guān)系，因此文中算法讀寫器的利用率更高。

3 結(jié)束語

該文通過對(duì)物資質(zhì)量管理需求充分調(diào)研，設(shè)計(jì)了基于電子標(biāo)簽和智能數(shù)據(jù)處理的物資檢測(cè)系統(tǒng)，充分實(shí)現(xiàn)供應(yīng)計(jì)劃、檢測(cè)計(jì)劃、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際到貨的緊密聯(lián)動(dòng)，迅速、高效地解決物資質(zhì)量檢測(cè)流程中存在的問題，有助于實(shí)現(xiàn)質(zhì)量信息評(píng)價(jià)面更廣、追溯力度更大、實(shí)用性更強(qiáng)的質(zhì)檢新局面。