0 引言

電力輸電線路網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展直接影響國家的經(jīng)濟命脈和可持續(xù)發(fā)展,確保輸電線路網(wǎng)絡(luò)的安全、可靠運行具有重要的社會和經(jīng)濟意義^[1]。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、現(xiàn)代化傳感技術(shù)、通信技術(shù)、智能計算控制技術(shù)在電力工業(yè)中的深度應用,智能電網(wǎng)已經(jīng)成為當前電力輸電線路網(wǎng)絡(luò)的必然趨勢。當下,建設(shè)可靠性高、安全、高效益、穩(wěn)定、低耗的智能輸電線路網(wǎng)絡(luò),已經(jīng)成為國家電力和能源行業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路^[2]。在電力行業(yè)中,為了便于對電力系統(tǒng)的管理,往往需要精確的獲得每一個電桿、輸電線路、變電站等的實時的大量的各種信息數(shù)據(jù)。目前IPv4協(xié)議隨著應用范圍的擴大,地址匱乏的問題越來越明顯,在電力行業(yè)很難精確地獲得每一個站點的實時信息,IPv6是為了解決IPv4的問題和不足而提出的新一代協(xié)議,其在電力地理信息行業(yè)主要能夠解決以下3個方面問題。

1）對于電力地理信息行業(yè),IPv6有效解決了IPv4的IP地址不足問題以及IPv4在互聯(lián)網(wǎng)應用上的各種限制等。這樣就可以通過地理信息系統(tǒng)精確的獲取每一個電力監(jiān)測點實時的大量的信息,便于對整個電力系統(tǒng)的檢測與管理。

2）解決數(shù)據(jù)傳輸上的安全性。IPv6相比IPv4,IPv6采用了AH認證支持MD5_96、SHA1_96認證加密算法,并采用封裝安全載荷（Encapsulate Security Payload,ESP）支持DES_CBC、RC5、CAST_128等加密算法,密鑰交換協(xié)議以及更嚴格的Internet控制報文協(xié)議（Internet Control Message Protocol,ICMP）地址解析,采用IPSec安全體系架構(gòu),此架構(gòu)可以“無縫”地為IPv6網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)傳輸提供各種安全服務,如提供訪問控制、數(shù)據(jù)源的身份驗證、數(shù)據(jù)完整性檢查、機密性保證以及抗重播攻擊等,解決了網(wǎng)絡(luò)層到端數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩珕栴}^[3]。

3）解決海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性。IPv6取消了IPv4中數(shù)據(jù)包首部的校驗和字段,提高了數(shù)據(jù)包的傳輸速率。基本首部還增加了流標識和傳輸類別字段,以加強對實時數(shù)據(jù)傳送的支持。

國外對于IPv6在電力行業(yè)上的應用起步較早,各種框架規(guī)范較為完善,并已發(fā)展較為成熟^[4]。國內(nèi)相關(guān)研究處于實驗階段,涉及電力視頻監(jiān)控、輸變電狀態(tài)監(jiān)測、95598智能互動網(wǎng)站等。本項目基于國內(nèi)外的已有研究成果,選擇電力行業(yè)IPv6過渡中的數(shù)據(jù)監(jiān)測環(huán)節(jié),結(jié)合移動應用系統(tǒng)進行研究運用,與其他類似同類研究比較具有差異性和優(yōu)
越性。

 1 IPv6電力數(shù)據(jù)監(jiān)測移動應用系統(tǒng)研發(fā)思路

基于移動應用程序人工定期巡線的監(jiān)測方式是指：安排人員定期的對輸電線路進行巡查,并對輸電線路的相關(guān)設(shè)施（桿塔、導線、絕緣子等）進行專業(yè)測量,將測量的數(shù)據(jù)通過移動設(shè)備上運行的應用程序傳輸?shù)胶笈_系統(tǒng),以供后臺系統(tǒng)分析使用的移動電力數(shù)據(jù)監(jiān)測方式^[5]。

通過對輸電線路監(jiān)測相關(guān)研究的了解,基于IPv6技術(shù)的實際特性,結(jié)合對實際系統(tǒng)使用情景的分析,總結(jié)出該系統(tǒng)研發(fā)的主要思路。

1.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)多樣

首先數(shù)據(jù)監(jiān)測移動應用系統(tǒng)的主要功能為數(shù)據(jù)采集,而采集的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型多樣。包含氣象環(huán)境、桿塔狀態(tài)、導線狀態(tài)、采集地理位置等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),以及桿塔照片、視頻和采集地點照片、視頻等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)^[6]。需要考慮到系統(tǒng)能在今后使用中動態(tài)添加需要采集數(shù)據(jù)的字段,有較強的擴展性能,同時要考慮到數(shù)據(jù)需要進行相關(guān)的分析,便于大規(guī)模計算^[7]。最后需要考慮到系統(tǒng)必須的人員管理、分組管理、權(quán)限管理等業(yè)務功能,是一系列較強的關(guān)系型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。因此,系統(tǒng)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫與非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫結(jié)合的方式進行開發(fā)。

1.2 網(wǎng)絡(luò)情況復雜

數(shù)據(jù)監(jiān)測移動應用系統(tǒng)主要使用環(huán)境為野外,而野外環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)情況相對較復雜。西南區(qū)域大部分輸電線路沿線的電力數(shù)據(jù)通信專網(wǎng)還未建成,因此需要采用傳統(tǒng)GPRS方式進行數(shù)據(jù)傳輸。一些偏僻地區(qū)沒有GPRS信號,需要采用離線存儲,待有其他方式網(wǎng)絡(luò)信號時再進行數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)同步。而對于已經(jīng)接通電力數(shù)據(jù)通信專網(wǎng)的情況,需要考慮到現(xiàn)階段電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)處于IPv6過渡階段^[8],需要使用有IPv6網(wǎng)絡(luò)的情況下使用IPv6網(wǎng)絡(luò),沒有IPv6網(wǎng)絡(luò)的情況下使用IPv4網(wǎng)絡(luò)的混合式數(shù)據(jù)傳輸方式。

1.3 保證數(shù)據(jù)安全

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全需要從數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲2個方面進行考慮。

在數(shù)據(jù)傳輸方面,雖然IPv6所有的命令和執(zhí)行都有安全方面的考慮,IPv6 協(xié)議巨大的地址空間、固化的安全機制等新特性對提升網(wǎng)絡(luò)安全性有一定的作用^[9],提供了加密和認證機制,這些機制都是在網(wǎng)絡(luò)層上實現(xiàn)的,對于網(wǎng)絡(luò)層以上的應用是不可見
的^[10-11]。但是系統(tǒng)需要考慮在IPv4網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下運行的安全性問題,傳輸數(shù)據(jù)要進行加密,所有傳輸接口也要進行權(quán)限驗證等防護。

數(shù)據(jù)存儲方面,對于移動端存儲的數(shù)據(jù)和后端數(shù)據(jù)庫存儲的數(shù)據(jù)都要進行加密處理,同時后端數(shù)據(jù)庫都要進行備份防災。

 2 IPv6電力數(shù)據(jù)監(jiān)測移動應用系統(tǒng)具體設(shè)計

在滿足系統(tǒng)主要功能需求的條件下,依據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)多樣、網(wǎng)絡(luò)情況復雜、保證數(shù)據(jù)安全的研發(fā)思路對系統(tǒng)進行設(shè)計。

2.1 總體設(shè)計

IPv6電力數(shù)據(jù)監(jiān)測移動應用系統(tǒng)軟件部分采用面向服務的方式進行開發(fā),便于后期系統(tǒng)擴展（如接入地理信息系統(tǒng)）。系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)接口服務程序、后端管理程序和移動端應用程序3部分,使用數(shù)據(jù)庫軟件存儲監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù),所有對數(shù)據(jù)的操作都需要經(jīng)過數(shù)據(jù)服務接口系統(tǒng)進行,再結(jié)合硬件（服務器、路由器、交換機等）搭建運行環(huán)境。

2.2 數(shù)據(jù)接口服務程序

數(shù)據(jù)服務接口系統(tǒng)為面向服務開發(fā)方式的核心,使用Node.js（一個基于Chrome JavaScript運行時建立的平臺）技術(shù)進行開發(fā),Express(基于Node.js平臺的Web應用開發(fā)框架)提供HTTP服務。主要是為所有系統(tǒng)應用服務,為應用進行數(shù)據(jù)操作提供支撐,并且控制對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進行的操作,只有通過權(quán)限認證的用戶才能進行相關(guān)數(shù)據(jù)操作,達到有控制的開發(fā)數(shù)據(jù)庫給外部使用的目的。其運行方式如
圖1所示。

數(shù)據(jù)服務接口系統(tǒng)使用RESTful API（一種軟件架構(gòu)風格）的接口為前后端應用提供JSON（JavaScript Object Notation）格式的數(shù)據(jù)服務。

圖1 數(shù)據(jù)接口服務運行方式Fig.1 The operation mode of the data interface service

2.3 后端管理程序

后端管理程序采用AngularJS（web應用中的一種端對端的解決方案）框架進行開發(fā),使用AJAX（Asynchronous JavaScript And XML）方式與數(shù)據(jù)接口服務進行HTTP協(xié)議的數(shù)據(jù)交換。該程序分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)采集管理、用戶管理和日志查看4個主要功能模塊,功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 后端管理程序功能結(jié)構(gòu)Fig.2 Back-end management program functional structure

1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊對電力設(shè)施的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行管理。如添加、修改桿塔的基本數(shù)據(jù),為采集該桿塔的數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)支撐,同時可以對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的類別進行編輯。

2）數(shù)據(jù)采集管理模塊是管理移動應用采集數(shù)據(jù)的模塊。可以對移動應用采集數(shù)據(jù)的類別、字段、內(nèi)容進行控制,同時可以查看管理移動應用采集的數(shù)據(jù)。

3）用戶管理模塊是對使用該系統(tǒng)的用戶賬戶進行管理,同時可以分組對用戶的權(quán)限進行管理^[12]。

4）日志查看模塊主要是記錄該系統(tǒng)所有用戶進行的操作,一定程度上保證系統(tǒng)的安全,并為出現(xiàn)的安全問題提供追查方式。

2.4 移動端應用程序

移動端應用程序是基于JAVA開發(fā)的Android應用程序,主要分為3個模塊（見圖3）。

數(shù)據(jù)采集模塊為核心模塊,實質(zhì)功能為數(shù)據(jù)采集,分為新增數(shù)據(jù)采集和已采集數(shù)據(jù)更新。

數(shù)據(jù)查看模塊可以對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行瀏覽,同時可以對已經(jīng)上報的數(shù)據(jù)進行瀏覽。

圖3 移動端應用程序功能結(jié)構(gòu)Fig.3 Mobile application functional structure

系統(tǒng)設(shè)置模塊則可以退出登錄保證數(shù)據(jù)安全,對個人信息進行查看修改。

2.5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

為滿足數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的多樣條件,系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采取MySQL存儲關(guān)系型數(shù)據(jù)（人員信息、分組信息、權(quán)限信息等）和MongoDB存儲非關(guān)系型數(shù)據(jù)（采集數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等）2種數(shù)據(jù)庫混合使用的方式。

2.6 運行網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)計

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境如圖4所示。基于網(wǎng)絡(luò)情況的復雜條件,分為3種情況：使用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)時,移動終端經(jīng)過GPRS基站將數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)诫娏＞W(wǎng)^[13],這時需要通過專網(wǎng)的邊界服務器,才能到達系統(tǒng)應用服務器;通過電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò),根據(jù)IPv4或IPv6相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸,因此應用服務器要同時支持采用2001:2501:2100:2000::/64前綴的IPv6以及210.40.2.66和210.40.2.67這個地址段的IPv4網(wǎng)絡(luò)。

圖4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境Fig.4 System network environment

 3 系統(tǒng)核心開發(fā)

因為系統(tǒng)開發(fā)并非本研究主要內(nèi)容,所以在此僅對核心IPv6相關(guān)功能開發(fā)進行說明。

3.1 接口服務的IPv4與IPv6的混合實現(xiàn)

數(shù)據(jù)接口服務程序使用Node.js下的Express進行開發(fā)。Express基于HTTP服務,因此對于IPv6是兼容的。在實際使用中只需在創(chuàng)建服務監(jiān)聽時將傳入IP地址的參數(shù)賦值IPv6地址即可：

var serverv6 = http.createServer(app);

serverv6.listen(port, “IPv6地址");

而對于需要同時監(jiān)聽IPv4和IPv6的情況,只需多建立一個對IPv4的監(jiān)聽即可：

var