基于物联技术的智能电缆井盖板改造

基于物联技术的智能电缆井盖板改造

臧平宇1  芮庆涛2  

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摘要：随着城市基础设施的不断发展，电缆井盖板作为城市电力和通信网络的重要组成部分，其安全管理面临着越来越多的挑战。传统的电缆井盖板缺乏有效的安全防护措施，容易被非法开启，导致电缆被私拉乱放或遭到破坏，严重影响了电力和通信系统的正常运行。为解决这一问题，本文提出了一种基于物联网技术的智能电缆井盖板改造方案。

关键词：物联技术；智能电缆井盖板；改造；

引言

随着城市化进程和智能城市建设的推进，电力和通信网络的安全性日益重要。电缆井盖板作为保护地下电缆设施的关键部件，面临着非法开启、破坏和私拉乱放等问题，严重威胁着电力和通信网络的稳定性和安全性。本研究提出了一种基于物联网技术的智能电缆井盖板改造，旨在保留现有结构的基础上，利用智能技术实现对井盖板的全面监控和管理，确保城市电力和通信网络的安全运行。

1.电缆井盖管理现状

在我国城镇化快速发展的背景下，我国电网企业普遍采用地下敷设的形式，而对其进行的检修主要采用的是电缆井盖。随着供电范围的不断扩展，井盖分布的区域越来越广，数量越来越多，在缺少对其进行有效的实时监测和管理的情况下，这就为一些犯罪分子留下了机会，他们在使用过程中，撬开井盖盗窃电缆、盗窃井盖等违法事件屡屡发生，这不但对用电设施的正常工作造成了很大的直接和间接的经济损失，同时还会对路上的车辆和行人造成很大的伤害，严重地影响到了社会的稳定和治安。实施对电缆井盖进行数字管理，对社会资源进行高效监督，保障人们的生命财产，是目前电力行业急需解决的一个重大问题。

电力电缆肩负着向千家万户输送电能、为城市发展提供源源不断的能源的重任，近些年来，电缆井盖的数量呈几何级数地增加，而当前的电缆井盖管理仍停留在人工专门梳理、专项跟踪的传统方式上，这样的管理方式与不断扩大的井盖数量以及维护管理的人力资源需求之间的矛盾日趋突出，已经很难支持对电缆井盖进行全面有效的管理，其矛盾如下：

（1）因电缆井盖数量巨大，人力资源不足，无法做到24小时全天候监控与监控，导致了巨大的管理空白。

（2）经常有人撬开电缆井盖，导致电缆和设备被盗，给企业带来重大的经济损失。另外，维修人员对供电管道的巡查存在着时间间隔，很难对设备的盗窃行为进行实时检测，最后将会使设备的缺陷进一步扩展，从而引发区域性的断电事故，从而带来间接的经济损失。

（3）外地建筑公司在没有得到允许的情况下，擅自将低压线路和通信线路接入供电管道，对供电设施的安全性造成了很大的威胁。

（4）井盖被盗、井盖未及时重置的现象也时有出现，检修井井口暴露容易出现人员伤亡等意外事件，给电力行业带来了巨大的公共风险，严重损害了电力行业的公共形象，并带来了巨大的损失。

2.新型智能井盖的概述

新型智能井盖是一款高度集成化的一体式钢纤维混凝土检查井盖，其由水泥井盖、控制器、传感器、电子锁、电源、通讯模块、实物ID和高强度锁止机构组成。通过新型智能井盖，可以实现井盖非授权不开盖、井盖状态监控、井盖身份赋码、井盖异常报警，确保权属管道及其内部线缆的安全。新型智能井盖采用物联网、无线传感网络等多项领先技术，搭载4G物联网系统，具有信号渗透性强、速率快、成本低、功耗低、架构优、耐候性强等特点。

图1：井盖板结构改造外观图

图2：井盖板结构说明

具有手机 APP蓝牙开锁+应急钥匙开锁两种方式，报警信息可通过智能管理云平台、APP、手机短信呈现，智能管理云平台与 APP 同时具备钥匙授权操作、开关锁日志信息、报警信息推送、位置信息、设备信息等呈现及管理。内置高性能防爆电池，待机长达 5 年。根据用户需求，还可以搭载各类传感器，对水位、环境温度、线缆表面温度等进行监测，新型智能井盖监控终端满足防水IP68等级设计要求，可以在潮湿的环境下长期稳定工作。

表1 智能井盖参数

3.基于物联技术的智能电缆井盖技术原理

3.1智能锁的低功耗设计

智能井盖锁的核心是低功耗芯片的应用。由于电缆井内没有可用电源，智能井盖板必须依赖电池供电。因此，在设计中必须最大限度地减少功耗，以延长电池的使用寿命。通过采用高效的电源管理策略和优化的硬件设计，智能锁能够在不影响功能的情况下，保持低能耗状态，实现3至5年的电池寿命。

3.2低功耗物联网通信设计

智能井盖板需要与远程监控平台保持连接，以实现实时监控和管理。为此，系统采用了NB-IoT通信技术，这是一种专为物联网应用设计的低功耗广域网络（LPWAN）技术。NB-IoT具有无线覆盖能力强、连接密度高、功耗低和成本低等特点，特别适用于电池供电的物联网设备。通过这种方式，智能井盖板可以在极低的功耗下，维持与远程服务器的稳定通信，确保监控系统的可靠性和实时性。

图3：物联网通信设计

3.3近场通信设计

为了满足近距离开锁的需求，系统设计了蓝牙近场通信模块。蓝牙技术以其低功耗、响应速度快和广泛的设备兼容性著称，特别适合智能手机用户。用户可以通过智能手机的蓝牙功能，在近距离内快速、安全地打开智能井盖锁。这种设计不仅提升了用户体验，还保证了开锁操作的即时性和可靠性。

3.4应急开锁方式设计

在极端情况下，如智能井盖板的电池耗尽或通信异常，系统设计了专用应急电子钥匙作为备份开锁方案。应急电子钥匙通过授权方式操作，只有经过授权的钥匙才能进行开锁操作。这种应急开锁方式利用加密的无线通信技术，在使用时由电子钥匙对智能锁供电并完成授权开锁。此设计保证了即使在电力或通信系统出现故障时，仍能安全可靠地进行开锁操作，极大地提升了系统的安全性和应急响应能力。

4.实施与安装

4.1硬件安装与调试

在实际改造过程中，需要在不破坏现有电缆井盖板结构的前提下，完成智能锁和传感器的安装。施工人员需严格按照标准操作流程进行硬件安装，并在安装完成后进行全面的功能测试和调试，确保所有模块的正常运行。

4.2远程监控平台搭建

远程监控平台是智能井盖板系统的重要组成部分，通过NB-IoT通信技术实现与智能井盖的实时数据交互。监控平台需具备强大的数据处理能力和友好的用户界面，支持井盖状态的实时监控、报警信息的处理、远程授权开锁及历史数据的存储与分析。

4.3维护与升级

系统设计考虑了远程维护和升级的需求。通过云平台，可以对智能井盖板系统进行远程诊断、软件升级和故障排查，减少现场维护的频率和成本。此外，系统还支持硬件模块的升级，以适应未来技术的发展和新的应用需求。

5.自供电技术

在智能电缆井盖板系统的设计中，自供电技术和手机NFC充电解锁提供了创新的解决方案，有效提升了系统的持续性和用户便捷性。由于井盖板系统通常安装在电缆井内，难以接入传统电源，因此需依赖电池供电。然而，为了延长系统的运行时间并减少维护频率，引入自供电技术显得尤为重要。同时，为进一步增强系统的应急能力和操作便利性，设计了利用手机NFC功能进行充电和解锁的方案。

在系统电池电量耗尽或面临紧急情况时，手机NFC充电解锁功能可以作为应急开锁的手段。授权用户可使用支持NFC功能的智能手机，通过贴近井盖板的NFC感应区进行短距离无线充电，在短时间内为智能锁提供足够的电力以完成解锁操作。NFC充电具备低功耗、短距离快速充电的特点，尤其适用于应急场景。此外，NFC还可用于解锁授权，用户通过手机APP进行授权后，将手机靠近井盖板的NFC感应区，即可实现无线授权开锁。整个过程安全快速，并采用加密的通信协议以确保操作的安全性和可靠性。

图4：NFC解锁方式设计

通过将自供电技术与手机NFC充电解锁结合，智能井盖板系统在应对电池供电局限性方面表现出极大的灵活性和创新性。这种设计不仅延长了系统的运行时间，减少了维护需求，还提升了用户的操作便捷性，特别是在应急情况下效果显著。结合自供电和NFC充电解锁的智能井盖板系统，在城市基础设施的智能化改造中发挥着更大的作用，保障电缆设施的安全与高效管理，为智慧城市建设提供了坚实的支持。

6.智能电缆井盖管理系统功能应用

（1）电缆的状况监控。对线缆井盖和线缆沟进行24小时的状况信息进行24小时的监控，并在前方装置上实时显示有关的状况，当目前终端探测到的状况超出预定的临界值时，就会发出警报，并向监视中心报告。另外，本监控设备还具备设备信息自动上报的能力，可以将设备的状况信息每隔24个小时向后台汇报，其中包含了电池电量和设备信号强度等信息，从而确定设备的工作状况。

（2）异常告警功能。在井盖开启或发生位移时，电缆沟内的水温超出设定的临界值时，烟气浓度超标设置阈值；当设备发生信息缺失或电压过低时，针对数据的异常状况，会自动生成报警信息，并以 PC窗口、手机 APP推送、短信等形式向相关操作人员推送信息。

（3）二次确认告警功能。根据终端报警，该智能终端可以将其它设备如人为打开等筛选出来，该终端具有报警确定的功能，二次检查的重点在于确定井口有没有在井中；从而确定维修人员到工地进行维修，减少检修工人的人工费用。

（4）巡检地图管理功能。该系统将线缆井盖的布局信息以 GIS地图的方式展现出来，并且将一些数据中的异常点用各种颜色进行了标注，并且还可以根据设备类型、设备状态、设备基本信息等进行筛选，并且还具有了定点和导航的能力，能够在一定的范围内实现近距离的准确位置，从而减少巡逻队员的搜寻困难。该系统能够实现巡检员工的任务分配、巡检记录以及巡检轨迹的管理，能够及时了解巡检员工的工作情况以及所管辖区域的井盖巡检情况。

（5）数据统计分析功能。利用该系统收集到的资料，在背景中进行了大数据的分析和处理，可以针对线缆井盖的管理要求，有针对性地发展出一套数据分析系统。通过对线缆管道的多维数据进行分析，不断提高其运营和维护的能力。比如，基于线缆井温湿度报警的时间分布，产生一张图表。

7.智能电缆井盖板应用前景

（1）基于物联技术的智能井盖可应用于供水、排水、电力、热力等各类地下智慧管网管理系统。实现远程实时监测井盖状态并远传至监控中心，井盖丢失/开盖/破损时自动报警。辅助监管人员及时发现管网和井盖异常，以便快速采取措施，避免事故或灾害的发生。

（2）安装场景丰富，适合安装于城市主干路、住宅小区、人行道、非机动车道、停车场等区域。适用于各种场合，如污水管道、雨水管道、弱电管道、强电管道，体积小，方便快捷。

8.结束语

基于物联网技术的智能电缆井盖板改造方案，集成了低功耗智能锁、传感器和NB-IoT通信技术，显著提升了井盖板的安全性和管理效率。改造后的智能井盖板不仅有效防止了非法人员进入电缆通道，保护了电缆设施，还为城市电力和通信网络的安全运行提供了坚实保障。未来，随着物联网技术的进一步发展，该系统有望在更多城市基础设施领域得到广泛应用和推广。

参考文献

[1]吴琪，邱嘉振，陈桐.新型防盗电缆井盖的研发[J].上海电力，2020（5）.

[2]欧力权，许烨.电缆防盗电子井盖的研究[J].云南电力技术，2021（12）.

[3]董义昊，鞠若彬，辛若栋，李梵，董思德.电缆通道智能“五防”安全井盖的研发与应用[J].电力安全技术，2019（8）.

项目名称：基于物联技术的智能电缆井盖板改造研发技术服务 （030120KZ24020003）