电力物联网背景下电缆生产管理系统建模及其可视化实现

本文是一篇生产管理论文，笔者利用UML建模技术实现对系统功能以及车间数据的建模。通过用例图对系统管理、计划管理、数据管理以及生产管理进行功能建模分析，为系统的后续开发提供了详细的设计思路。
1  绪论
1.1  研究背景及意义
在当今世界，我国电力系统在装机容量、电网规模以及电力调度控制等方面的发展已经名列前茅，但是对电力物联网的应用仍然属于新兴阶段，这将阻碍中国电网技术的可持续发展[1]。此外，历经十几年的发展，中国的电工装备不再依赖外国进口，但从总体上看，电工装备制造的科学化、精益化、智能化等水平有待进一步提高。由于电工装备作为电力企业的核心物资资源，具有种类复杂、数量众多等特点，但电工装备的质量又是电网安全稳定运行的物质基础，所以即使电力企业在电力物资管理方面存在难点，也应该建立精细化的电力物资管理系统，以使得日益市场化的电力企业能真正做到提质增效。在此背景下，为了响应国家策略，国家电网等企业于2020年提出推动建设统一的电工装备智慧物联平台（EIP），致力于在输变电、客户侧、供应链等领域都能够得到实用化的效果，以实现跨专业的共建共享共用[2]。电工装备智慧物联平台是指利用先进的电力物联网等新兴技术[3]，通过建设电缆生产物联管理、二次设备生产物联管理、主变生产物联管理等子系统实现电工装备的在线监造、制造环节订单监控、产能调配、质量评价等功能，进而将电力系统的优化运行水平进一步提高，也可将电力系统的角色从单一电能供应商转向为智慧综合服务提供商[4-5]。作为平台的核心，电工装备智慧物联是落实“创新、协调、绿色、开放、共享”发展理念的重要措施，推动着供给侧结构性改革并提高核心竞争力。
随着平台的建设，平台在智能采购、智慧物流、全景质控等方面基本具备智慧应用功能，但对于电力物资供应商生产制造领域及深度交互依旧缺乏有力平台支撑，这也使得电力企业迫切地将电工装备智慧物联平台对外延伸到电力物资供应商生产环节的质量、进度管控作业[6-8]。电缆作为最主要的电力物资之一，其生产属于离散型的方式，且电缆车间生产的电缆线种类繁多，生产订单变更频繁，不利于制定生产计划、控制设备、生产的全过程监控，从而导致电缆的生产管理成本高，生产的电缆质量不稳定等缺陷。
1.2  国内外研究现状
1.2.1  电力物联网研究现状
电力物联网是指在时间、地点都任意的情况下实现电力企业、供应商、设备、用户等物或人之间的信息交互。电力物联网的本质是将物联网技术应用在电力系统中，使电力系统中所涉及的物理实体的信息可以自我标识、智能处理和动态感知。
物联网的概念最早于1991年被美国麻省理工学院的Kevin Ash-ton教授提出，希望在任何时间都可以实现物品和人的连接或它们各自之间的连接；在2003年，美国能源部发布“Grid 2030”[20-21]远景规划，提出利用集成传感器与控制装置实现电工装备等基础设施的现代化，并对“源——网——荷”建立网络通信连接，进而提高电力系统的安全运行以及电力企业的供电服务、资源管理水平；欧盟委员在2008年制定了“欧洲电网倡议”（European Electricity Grid Initiative，EEGI）[22]，提出把电网作为服务网连接用户和供应商，利用先进的通信技术结合电力终端将可再生能源装置进行整合；日本、韩国等国家则强调要深度融合电力——信息网络，例如日本“Digital Grid”[23]以及韩国“绿色电力IT”[24]项目，都提议在发电、输电、变电、配电及用电方面全面集成传感器，进而提高电网的信息化及电工装备的实时监测水平。
同国外相比，我国对电力物联网的研究也在蓬勃发展。2010年，汪洋[25]等人结合物联网的概念提出电力行业对物联网的理解：“电力行业的物联网作为一个网络系统，可识别、感知、互联和控制电网中所有物、人员和环境”；同样在2010年，武汉大学的李勋[26]等人基于智能电网和数字电网，结合射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）等，首次提出了电力物联网的概念：“电力系统设备与设备、人员与设备之间通过RFID装置、全球定位系统等各种传感设备，并与现有的数据库技术、中间件技术及网络技术相结合形成的一个巨大的智能网络”；我国国家电网有限公司在2019年提出泛在电力物联网[27]建设，希望利用现代化的信息技术、通信技术实现电力系统各个环节的移动互联。
2  电缆生产管理系统总体方案设计
2.1  系统需求分析
本文的需求分析是通过调查实际电缆生产车间的生产管理现状，结合电缆企业和电工装备等用户的功能需求，分析出电缆制造业要解决的问题，最后在此基础上确定系统的详细功能。
2.1.1  电缆生产业务流程分析
电缆的生产过程大致由以下三个阶段组成：拉丝工段、时效工段、绞线工段，其具体生产工艺流程如图2.1所示。首先通过对铜、铝杆材单丝拉制，使其截面减小、长度增加、强度提高；然后以再结晶的方式实现单丝退火，增加单丝的韧性、降低单丝的强度；之后为了将电缆的柔软度提高，导电线芯采取多根单丝绞合而成；接着是对电缆进行绝缘处理，以确保人身安全以及电气设备与线路的安全运行；绝缘处理后要按照一定的规则把绝缘线芯进行绞合，即成缆处理；成缆后的工艺是对电缆进行装铠操作，即对绝缘层进行适当的保护同时方便后续电缆的敷设安装；最后是对电缆加装保护套以防止环境因素的侵蚀，并进行成品检测确保电缆质量合格[38]。 2.2  电缆生产管理系统总体设计
2.2.1  系统的体系结构设计
电缆生产管理系统的设计应该以保证可扩展性、安全性和通用性为原则[41]。结合2.1.3节对系统功能需求的分析，本文提出了一套电力物联网背景下的电缆车间生产管理系统设计方案，如图2.5所示： 在上图中的电缆生产管理体系结构中，电缆车间的数据采集是用电力物联网技术来实现实时数据感知，并将实时采集的车间人员、设备、物料、生产进度等关键数据，通过TCP/IP局域网上传至生产管理系统进行处理和可视化显示；生产管理系统与采集到的车间数据是通过关系型数据库相互连接，这样不仅可以摆脱人工管理车间数据导致数据传输滞后的缺陷，而且可以保证数据的真实有效性，成为后期对数据分析和处理的有力保障；此外电缆生产管理系统的用户通过可视化界面可对电缆的生产进行监控、查询、排查等操作。
3  系统功能及车间数据建模 .................................... 19
3.1  UML建模技术 ............................................. 19
3.2  电缆生产管理系统功能建模 ........................ 20
4  电力物联网下的数据感知与交换 ..................... 40
4.1  电缆车间感知特性分析 ................................... 40
4.1.1  电力物联网感知技术 ............................................ 40
4.1.2  电缆制造车间的感知属性及感知量分析 ................................. 41
5  系统的可视化表达方法 .............................. 58
5.1  可视化技术 ......................................... 58
5.2  可视化对象模型的构建 ............................... 58
6  电缆生产管理系统实现
6.1  系统运行环境
6.1.1  系统运行硬件环境
（1）网络环境：支持TCP/IP协议企业内部局域网。
（2） 网络服务器：可运行MySQL数据库的工控机或服务器，CPU 2.7GHz 4核，内存32G，硬盘1T，出口网络带宽不低100Mbit/s。
（3）客户端电脑：CPU 2.1GHz 4核，内存8G，硬盘空间500G，连接到桌面网络带宽不低于100M/s。
（4）PDA：CPU 1.2 GHz4核，内存RAM为1G，ROM为8G。
（5）激光打印机、条码扫描器。
6.1.2  系统运行软件环境
（1）操作系统和版本 服务器端为Windows Severe2012操作系统，安装MySQL数据库；客户端电脑配置为Windows 10操作系统，IE7.0以上浏览器；PDA配置为Android5.1x系统。
（2）系统开发环境
本系统的开发环境为 win10 操作系统，开发语言采用Python语言，PyQt5 用于开发图形界面，开发工具是PyCharm。 Python作为面向对象的解释性编程语言，具备的优点有：不受操作系统约束，良好的可扩展性，可跨平台运行；功能强大，数据处理速度快；具有丰富的标准库，支持面向过程和面向对象编程。本文软件设计的开发工具采用的PyCharm是由JetBrains公司打造的一款Python IDE，PyCharm除了具备一般IDE有的基础功能，还具有分析代码、编码协助、对项目代码导航、Python重构等多种便捷的编程功能。
7  总结与展望
7.1  全文总结
电工装备的质量是电网安全稳定运行的基础，为了真正意义上实现电工装备即电力物资管理，电力企业迫切的建设电工装备智慧物联平台，希望建设电缆生产物联管理、二次设备生产物联管理、主变生产物联管理等子系统从而将平台的业务范围对外延伸到电力物资供应商生产环节的质量、进度管控作业。本文选取电工装备中的电缆作为管理对象，基于生产管理系统和电力物联网在电缆行业中存在的问题和不足，结合UML建模技术以及电力物联网技术，设计了一款电缆生产管理可视化系统，保证了电缆供应商和电工装备用户能够全面实时的监控和管理电缆的生产。本文所完成的主要工作分为以下几个部分：
（1）通过研究电力物联网技术下的电缆生产管理系统，给出了现有研究在电缆行业的应用总结进而得到目前电缆生产管理系统的不足。详细分析了电缆生产的业务流程，对电缆生产管理系统进行了需求分析和总体设计，包括系统对电力物联网技术、功能以及数据感知对象的需求分析，并在需求分析的基础上给出了系统的总体设计方案。
（2）利用UML建模技术实现对系统功能以及车间数据的建模。通过用例图对系统管理、计划管理、数据管理以及生产管理进行功能建模分析，为系统的后续开发提供了详细的设计思路。通过类图对生产环境类、工装类、物料类、人员类、设备类、质量类以及生产类这七类数据进行数据建模分析，为后续车间数据的感知与交换建立了良好的基础。
参考文献（略）