基于GPS+GPRS的输电线路防外破管理系统及方法

摘要

本发明公开了基于GPS+GPRS的输电线路防外破管理系统及方法，本发明由车载终端获取线路保护区附近施工车辆实时位置信息，根据施工车辆位置信息、工地参数和施工车辆参数实时计算施工车辆对线路导线水平和直线距离，当此距离小于系统设定警戒值时，系统会通过施工现场声光报警、远程监控报警和告警短信3种手段进行外破跳闸危险预警。本发明能够帮助线路运维人员实时掌握路保护区附近施工车辆位置，及时发现施工车辆对线路安全距离不足的隐患，保障输电线路安全稳定运行。

说明书

技术领域：

本发明涉及基于GPS+GPRS的输电线路防外破管理系统及方法，尤其涉及一种在线监测输电线路保护区附近施工车辆对线路导线距离，

背景技术：

近年来，随着经济社会的快速发展，建筑施工工地数量成倍增长，架空输电线路保护区（架空输电线路保护区：架空导线外线向外侧水平延伸并垂直于地面所形成的两平行面内的区域）附近建筑施工所使用的汽车吊、挖掘机、打夯机和泵车等大型施工机械接近或接触导线，频繁引起输电线路外破跳闸事故，给电网的安全稳定运行带来了极大挑战，综合管理输电线路保护区附近各种建筑施工车辆，降低输电线路外破跳闸率成为当前电网公司急需解决的新问题。

针对上述问题，目前主要采取专人蹲守看护和远程视频监控两种方式进行防治。专人蹲守看护需要投入大量的人力、物力，对于点多面广的输电线路线下施工不易做到全天候、全方位监控；远程视频监控虽能做到对输电线路附近施工车辆实时监控，但由于视频监控设备和其流量通信费用较高，不易大规模推广使用。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足而提供一种在线监测输电线路保护区附近施工车辆位置，实现输电线路保护区附近施工车辆远程监控，及时发现施工车辆对线路导线安全距离不足的隐患，准确发出线路外破跳闸预警，提高工作效率，降低成本的基于GPS+GPRS的输电线路防外破管理系统及方法。

本发明的目的可以通过如下措施来达到：基于GPS+GPRS的输电线路防外破管理系统，其特征在于其包括车载终端、GPRS无线网络、应用服务器、数据库服务器、监控终端、运维人员和车辆司机手机，车载终端实时获取线路保护区附近施工车辆位置信息和速度数据，经GPRS移动网络上传至应用服务器；应用服务器通过透明传输协议经GPRS移动网络与车载终端建立通信连接，实时接收车载终端上传的施工车辆位置信息和速度数据，并根据施工车辆位置信息、工地参数、施工车辆参数计算施工车辆对线路导线水平和直线距离，计算完成后，将施工车辆经度、纬度、速度及其对导线水平和直线距离一并存入数据库服务器；当施工车辆对线路导线水平和直线距离小于系统设定警戒值时，应用服务器通过透明传输协议将线路外破预警信息发送至车载终端，通过TCP/IP协议将线路外破预警信息发送至监控终端，同时发送告警短信至运维人员及车辆司机手机；监控终端实时读取数据库服务器中的施工车辆经度、纬度、速度和对线路导线直线距离和水平距离，并在监控终端的监控屏中显示，监控终端运行后，通过TCP/IP协议实时监听来自应用服务器的线路外破预警信息，收到线路外破预警信息后，监控终端通过监控软件进行监控室语音报警；其中：

所述的车载终端包括GPS模块、GPRS模块、中央处理器、声光报警模块和电源模块，中央处理器分别连接 GPS模块、GPRS模块、声光报警模块和电源模块；车载终端设有唯一的12位终端编号，车载终端编号存于中央处理器内存中； GPS模块实现施工车辆经纬度和速度的实时获取，GPRS模块通过GPRS网络与应用服务器连接，中央处理器实现对GPS模块、GPRS模块和声光报警模块的协调控制，声光报警模块实现施工车辆的现场报警，电源模块完成车载终端的不间断供电；

所述的应用服务器包括通信模块、数据处理模块、数据运算模块和短信报警模块四部分；通信模块通过透明传输协议与车载终端通信，接收车载终端上传的数据；数据处理模块对接收的数据进行解码；数据运算模块根据施工车辆位置信息、工地参数、施工车辆参数计算施工车辆对导线水平和直线距离，并将计算结果与系统设定警戒值比较；短信报警模块实现系统告警短信发送功能；

所述的数据库服务器操作系统为windows server 2008，数据库软件采用sql server2008，数据库主要完成用户信息、施工车辆参数、工地参数、施工车辆位置信息和速度数据、车辆对导线水平和直线距离的存储，同时为应用服务器和监控终端提供数据查询服务；所述的用户信息包括用户名、密码；所述的施工车辆参数包括施工车辆所在工地位置、施工车辆类型、施工车辆臂杆最大长度、车载终端GPS天线安装高度和施工车辆司机联系方式；所述的工地参数包括工地具体位置、工地线路名称、工地线路起止杆塔号、工地线路起止杆塔经纬度、边相导线对线路中心水平距离和边相导线对地最短距离；

所述的监控终端包括用户管理模块、工地管理模块、车辆管理模块、外破预警模块、车辆位置实时显示模块和车辆历史轨迹查询模块，具有用户管理、工地管理、车辆管理、外破预警、车辆位置实时显示和车辆历史轨迹查询6项功能；用户管理模块实现用户信息的添加、删除、修改和权限维护；工地管理模块实现工地参数的添加、修改和删除；车辆管理模块实现施工车辆参数的添加、修改和删除；外破预警模块通过TCP/IP协议监听应用服务器发送的线路外破预警信息，当收到线路外破预警信息时，调用PC机音响进行监控室语音报警；车辆位置实时显示模块通过列表和曲线两种形式，实时显示车载终端经纬度、速度及其对线路导线距离；车辆历史轨迹查询模块实现对指定施工车辆指定时间段的历史位置信息和对线路导线距离信息查询。

为了进一步实现本发明的目的，所述的中央处理器采用STC15系列单片机，GPS模块和GPRS模块采用SIM808集成芯片，SIM808芯片兼具GPS和GPRS两种功能模块，该芯片GPS定位精度小于2.5米；电源模块采用车载点烟器经10000mAh UPS不间断电源供电，声光报警模块采用旋转式报警灯。

基于GPS+GPRS的输电线路防外破管理方法，其特征在于其包括如下步骤：

1)在监控终端设置工地参数、施工车辆参数；

2)设置车载终端参数，车载终端参数包括终端编号、应用服务器地址、应用服务器端口号、通信协议和数据上传时间间隔；

3)将车载终端安装于输电线路保护区附近的施工车辆上，其点烟器接入施工车辆车载电源，车载终端的GPS模块天线安放在施工车辆臂杆支点处，车载终端通电后即开始工作；

4)车载终端的GPS模块实时获取施工车辆位置信息和速度数据；

5)车载终端的中央处理器将GPS模块在步骤4）中获取的数据和12位终端编号进行打包编码，编码要求遵照透明传输协议；

6)车载终端的GPRS模块通过GPRS网络与应用服务器建立连接，发送步骤5）打包后的数据至应用服务器；

7)应用服务器的数据处理模块遵照透传协议对来自车载终端的打包数据进行解码处理，获得终端编号、经度、纬度和速度数据；

应用服务器的数据运算模块根据车载终端位置、工地参数、施工车辆参数计算施工车辆对导线水平和直线距离；

8)应用服务器的数据运算模块将施工车辆对线路水平距离D和直线距离D3与系统设定警戒值比较；

9)当施工车辆对线路导线距离计算结果小于系统设定警戒值时，应用服务器将发送预警信息至车载终端和监控终端，同时启动短信报警模块，发送告警短信至运维人员及车辆司机手机；

10)车载终端通过GPRS模块收到应用服务器发送的预警信息后，由车载终端的中央处理器控制声光报警模块进行施工现场语音报警；

11)监控客户端通过TCP/IP协议监听到应用服务器3发送的预警信息后，启动外破预警功能，调用PC机音响进行监控室语音报警。

为了进一步实现本发明的目的，所述的步骤7）中的施工车辆对导线水平和直线距离算法的步骤如下：

其中L1为车辆距对线路导线直线距离警戒值，L2为施工车辆臂杆最大长度，D1为边相导线对线路中心水平距离，D2为边相导线对施工车辆水平距离，D为施工车辆距线路中心水平距离，D3为施工车辆距边相导线直线距离，H1为车载终端GPS天线安装高度，H2为边相导线对地最短距离；

（1）从数据库中读取工地参数和施工车辆参数，工地参数包括起止杆塔中心经纬度坐标（LonQ,LatQ）和(LonZ,LatZ)、边相导线对线路中心水平距离D1、相导线对地最短距离H2，施工车辆参数包括是施工车辆类型、施工车辆臂杆最大长度L2、车载终端GPS天线安装高度H1；

（2）由起止杆塔中心经纬度坐标（LonQ,LatQ）、(LonZ,LatZ)确定起止杆塔中心连线方程f₁（x）；

（3）根据施工车辆经度、纬度(LonA,LatA)和杆塔中心连线方程f₁（x），确定通过施工车辆且与f₁（x）垂直直线方程f₂（x）；

（4）根据f₁（x）和f₂（x）确定两直线交点J的经度、纬度(LonB,LatB)；

（5）计算施工车辆与点J间距离D，即为车辆对线路中心水平距离；计算公式如下所示：

公式中C为中间变量， R为地球半径6378.137千米；

（6）根据施工车辆对线路中心水平距离D和边相导线对杆塔中心水平距离D1，计算施工车辆对边相导线水平距离D2；

（7）根据勾股定理，由施工车辆对边相导线水平距离D2、车载终端GPS天线安装高度H1、边相导线对地最短距离H2、施工车辆臂杆最大长度L2计算施工车辆对边相导线直线距离D3。

本发明同已有技术相比可产生如下积极效果：本发明通过装于线路保护区附近施工车辆上的车载终端实时获取施工车辆位置信息（包括经度和纬度，下文中位置信息均指经度和纬度）和速度数据，通过后台运算得到施工车辆对架空输电线路导线距离，当此距离小于系统设定警戒值时，系统会通过施工现场声光报警、远程监控报警和告警短信3种手段进行外破跳闸危险预警，以便线路运维人员及时掌握输电线路保护区附近施工车辆作业情况，降低输电线路外破跳闸风险。其具有：

1.车载终端兼具定位与报警双重功能。车载终端安装于输电线路保护区附近的施工车辆上，车载终端通过其GPS模块实时获取车辆的位置信息（定位精度为2.5米）和速度数据，通过GPRS模块接入互联网，将车辆实时位置信息和速度数据传入远程应用服务器。当施工车辆对线路导线距离小于系统设定警戒值时，车载终端接收应用服务器发送的预警信息，进行施工现场声光报警。车载终端具有车辆位置实时跟踪和声光报警及时、有效的优点。

2.应用服务器实现车辆位置数据的处理、运算和告警短信的发送。应用服务器实时监听各车载终端的数据连接请求，接收来自各车载终端的车辆位置信息和速度数据，在对位置信息和速度数据解码处理后，根据车辆位置信息、施工车辆参数和线路参数计算施工车辆对导线水平和直线距离。当此计算值小于系统设定警戒值时，应用服务器将发送预警信息至车载终端和监控终端，同时启动自身短信报警模块，发送告警短信至线路运维人员及车辆司机手机，进行危险预警。具有施工车辆对导线水平和直线距离计算准确和各种信息处理高效的优点。

3.数据库服务器实现数据的存储和查询。数据库服务器的数据库软件存储车辆位置数据、车辆对导线水平和直线距离、工地参数、车辆参数和用户信息，实现对用户信息、工地参数、车辆参数、车辆历史位置信息的查询、修改、删除，便于各类数据的方便、快捷管理。

4.监控终端提供友好的用户界面。系统监控人员通过监控终端可实时查看所有工地施工车辆对线路导线水平和直线距离，也可查看任意历史时间段内任意一台施工车辆对线路导线水平和直线距离。监控终端还提供工地参数维护、车辆参数维护和用户信息维护功能。当施工车辆对导线水平和直线距离计算值小于系统设定警戒值时，监控终端接收来自应用服务器的预警信息，启动监控室语音报警。监控终端功能丰富，运维人员通过监控终端实现本系统的各种具体管理功能。

附图说明：

图1为本发明基于GPS+GPRS的输电线路防外破管理系统的结构框图；

图2为本发明车载终端的结构示意图；

图3为本发明的应用服务器的结构框图；

图4为本发明的监控终端的功能框图；

图5为本发明的施工车辆对线路导线水平和直线距离算法流程图。

图6为本发明的施工车辆作业时与线路导线相对位置示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明：

实施例：基于GPS+GPRS的输电线路防外破管理系统（参见图1），其包括车载终端1(车载终端装于线路保护区附近施工车辆上，每台车装设一台终端)、GPRS无线网络2、应用服务器3、数据库服务器4、监控终端5、运维人员和车辆司机手机6。车载终端1实时获取线路保护区附近施工车辆（以下部分统称施工车辆）位置信息和速度数据，经GPRS移动网络2上传至应用服务器3。应用服务器3通过透明传输协议经GPRS移动网络2与车载终端1建立通信连接，实时接收车载终端1上传的施工车辆位置信息和速度数据，并根据施工车辆位置信息、工地参数、施工车辆参数计算施工车辆对线路导线水平和直线距离，计算完成后，将施工车辆经度、纬度、速度及其对导线水平和直线距离一并存入数据库服务器4。当计算结果（施工车辆对线路导线水平和直线距离）小于系统设定警戒值（系统设定警戒值为《国家电网公司电力安全工作规程线路部分》表19中“与架空输电线及其他带电体的最小安全距离”加上2米）时，应用服务器3通过透明传输协议将线路外破预警信息发送至车载终端1，通过TCP/IP协议将线路外破预警信息发送至监控终端5，同时发送告警短信至运维人员及车辆司机手机6。监控终端5实时读取数据库服务器4中的施工车辆经度、纬度、速度和对线路导线直线距离和水平距离，并在监控终端5的监控屏中显示，监控终端5运行后，通过TCP/IP协议实时监听来自应用服务器3的线路外破预警信息，收到线路外破预警信息后，监控终端5通过监控软件进行监控室语音报警。

车载终端1（参见图2）包括GPS模块1-1、GPRS模块1-2、中央处理器（CPU）1-3、声光报警模块1-4和电源模块1-5，中央处理器（CPU）1-3分别连接 GPS模块1-1、GPRS模块1-2、声光报警模块1-4和电源模块1-5。车载终端1设有唯一的12位终端编号，此编号是车载终端在本系统中的唯一标识，车载终端编号存于中央处理器（CPU）1-3内存中。中央处理器（CPU）1-3采用STC15系列单片机，GPS模块1-1和GPRS模块1-2采用SIM808集成芯片，SIM808芯片兼具GPS和GPRS两种功能模块，该芯片GPS定位精度小于2.5米，电源模块1-5采用车载点烟器经10000mAh UPS不间断电源供电，声光报警模块1-4采用旋转式报警灯。GPS模块1-1实现施工车辆经纬度和速度的实时获取，GPRS模块1-2通过GPRS网络2与应用服务器3连接，中央处理器1-3实现对GPS模块1-1、GPRS模块1-2和声光报警模块1-4的协调控制，声光报警模块1-4实现施工车辆的现场报警，电源模块1-5完成车载终端的不间断供电。

应用服务器3的应用软件（参见图3）包括通信模块3-1、数据处理模块3-2、数据运算模块3-3和短信报警模块3-4四部分。通信模块3-1通过透明传输协议与车载终端1通信，接收车载终端1上传的数据；数据处理模块3-2对接收的数据进行解码；数据运算模块3-3根据施工车辆位置信息、工地参数、施工车辆参数计算施工车辆对导线水平和直线距离，并将计算结果与系统设定警戒值比较；短信报警模块3-4实现系统告警短信发送功能。

数据库服务器4操作系统为windows server 2008，数据库软件采用sql server2008，数据库主要完成用户信息（包括用户名、密码）、施工车辆参数（包括施工车辆所在工地位置、施工车辆类型、施工车辆臂杆最大长度、车载终端GPS天线安装高度和施工车辆司机联系方式）、工地参数（包括工地具体位置、工地线路名称、工地线路起止杆塔号、工地线路起止杆塔经纬度、边相导线对线路中心水平距离和边相导线对地最短距离）、施工车辆位置信息和速度数据、车辆对导线水平和直线距离的存储，同时为应用服务器3和监控终端5提供数据查询服务。

监控终端5通过防外破监控终端软件实现，监控终端5（参见图4）包括用户管理模块5-1、工地管理模块5-2、车辆管理模块5-3、外破预警模块5-4、车辆位置实时显示模块5-5和车辆历史轨迹查询模块5-6，具有用户管理、工地管理、车辆管理、外破预警、车辆位置实时显示和车辆历史轨迹查询6项功能。用户管理模块5-1实现用户信息的添加、删除、修改和权限维护。工地管理模块5-2实现工地参数的添加、修改和删除。车辆管理模块5-3实现施工车辆参数的添加、修改和删除。外破预警模块5-4通过TCP/IP协议监听应用服务器3发送的线路外破预警信息，当收到线路外破预警信息时，调用PC机音响进行监控室语音报警。车辆位置实时显示模块5-5通过列表和曲线两种形式，实时显示车载终端经纬度、速度及其对线路导线距离。车辆历史轨迹查询模块5-6实现对指定施工车辆指定时间段的历史位置信息和对线路导线距离信息查询。

基于GPS+GPRS的输电线路防外破管理方法，其具体步骤如下：

1.在监控终端设置工地参数（包括工地具体位置、工地线路名称、工地线路起止杆塔号、工地线路起止杆塔经纬度、边相导线对线路中心水平距离和边相导线对地最短距离））、施工车辆参数（包括施工车辆所在工地位置、施工车辆类型、施工车辆臂杆最大长度、车载终端GPS天线安装高度和施工车辆司机联系方式）。

2.设置车载终端参数（包括终端编号、应用服务器地址、应用服务器端口号、通信协议和数据上传时间间隔）。

3.将车载终端1安装于输电线路保护区附近的施工车辆上，其点烟器接入施工车辆车载电源，GPS模块1-1天线安放在图6施工车辆臂杆支点处，车载终端1通电后即开始工作。

4.车载终端GPS模块1-1实时获取施工车辆位置信息和速度数据。

5.车载终端中央处理器1-3将GPS模块1-1在步骤4中获取的数据和12位终端编号进行打包编码，编码要求遵照透明传输协议。

6.车载终端GPRS模块1-2通过GPRS网络与应用服务器3建立连接，发送步骤5打包后的数据至应用服务器3。

7.应用服务器数据处理模块3-2遵照透传协议对来自车载终端的打包数据进行解码处理，获得终端编号、经度、纬度和速度数据。

8.应用服务器数据运算模块3-3根据车载终端位置（经度、纬度）、工地参数、施工车辆参数计算施工车辆对导线水平和直线距离。算法流程图如图5所示，施工车辆作业时与线路导线相对位置示意图如图6所示。

图6中L1为车辆距对线路导线直线距离警戒值，L2为施工车辆臂杆最大长度，D1为边相导线对线路中心水平距离，D2为边相导线对施工车辆水平距离，D为施工车辆距线路中心水平距离，D3为施工车辆距边相导线直线距离，H1为车载终端GPS天线安装高度，H2为边相导线对地最短距离。

由于施工车辆臂杆运行状态（长度、角度）无法实时监测，为简化计算，本发明计算施工车辆对线路导线水平和直线距离极限，极限情况为施工车辆臂杆伸至最长、臂杆位于边相导线中心与施工车辆臂杆支点连线处，如图6所示。

计算车辆对线路导线水平和直线距离具体步骤如下：

（1）从数据库中读取工地参数（包括起止杆塔中心经纬度坐标（LonQ,LatQ）和(LonZ,LatZ)、边相导线对线路中心水平距离D1、相导线对地最短距离H2）和施工车辆参数（包括是施工车辆类型、施工车辆臂杆最大长度L2、车载终端GPS天线安装高度H1）。

（2）由起止杆塔中心经纬度坐标（LonQ,LatQ）、(LonZ,LatZ)确定起止杆塔中心连线方程f₁（x）。（采用求过两点的直线方程的方法）

（3）根据施工车辆经度、纬度(LonA,LatA)和杆塔中心连线方程f₁（x），确定通过施工车辆且与f₁（x）垂直直线方程f₂（x）（采用求过一点且与确定直线垂直的直线方程的方法）。

（4）根据f₁（x）和f₂（x）确定两直线交点J的经度、纬度(LonB,LatB)。

（5）采用目前常见的知两点经纬度计算两点距离的方法，计算施工车辆与点J间距离D，即为车辆对线路中心水平距离。计算公式如下所示：

公式中C为中间变量， R为地球半径6378.137千米；

（6）根据施工车辆对线路中心水平距离D和边相导线对杆塔中心水平距离D1，计算施工车辆对边相导线水平距离D2。

（7）根据勾股定理，由施工车辆对边相导线水平距离D2、车载终端GPS天线安装高度H1、边相导线对地最短距离H2、施工车辆臂杆最大长度L2计算施工车辆对边相导线直线距离D3。

9.应用服务器数据运算模块3-3将计算结果（施工车辆对线路水平距离D和直线距离D3）与系统设定警戒值（系统设定警戒值为《国家电网公司电力安全工作规程线路部分》表19中“与架空输电线及其他带电体的最小安全距离”加上2米）比较。

10.当施工车辆对线路导线距离计算结果小于系统设定警戒值时，应用服务器3将发送预警信息至车载终端1和监控终端5，同时启动短信报警模块3-4，发送告警短信至运维人员及车辆司机手机，短信内容为“外破跳闸告警：XXXXXXXXXXXX号终端，位于XX工地，XX塔-XX塔，施工车辆距导线水平距离XX米，直线距离XX米，车辆司机电话:XXXXXXXXXXX”。

11.车载终端1通过GPRS模块1-2收到应用服务器发送的预警信息后，由车载终端1的中央处理器（CPU）1-3控制声光报警模块1-4进行施工现场语音报警。

12.监控客户端5通过TCP/IP协议监听到应用服务器3发送的预警信息后，启动外破预警功能5-4，调用PC机音响进行监控室语音报警。

上述仅为本发明的部分技术方案实例，并非用来限定本发明的范围，即凡依据本发明的权利要求所作的等同变化与修饰，均为本发明技术方案内的范围。