羅杰

關鍵詞：RK3568 開發(fā)板；卷積神經(jīng)網(wǎng)絡算法；電力系統(tǒng)智能化

中圖分類號：TN409 文獻標識碼：A

1研究背景

基礎設施建設對于一個國家的國民經(jīng)濟發(fā)展起著關鍵作用，而電力系統(tǒng)是基礎設施建設領域的重要一環(huán)。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行對于農業(yè)、工業(yè)、商業(yè)服務業(yè)等一二三產業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展至關重要。其中，農業(yè)勞動力短缺是農業(yè)生產現(xiàn)狀，農業(yè)生產越來越依賴于各種農業(yè)機械，而農業(yè)領域的大規(guī)模機械化生產離不開電力系統(tǒng)的支持，如農業(yè)排灌、農作物脫粒，以及農產品的生產、加工和包裝等。

農業(yè)生產用的電價明顯低于工商業(yè)用電的價格，一般工商業(yè)的售電均價在0.6 元/（kW·h）以上，而農業(yè)方面1 ～ 10 kV 的售電均價只有0.59 元/（kW·h），10 kV 以上的售電電價更是低于這個標準。

在農業(yè)生產領域，農業(yè)排灌和農作物脫粒用電在1 ～ 10 kV 層面的售電均價更是低至0.439 0元/（kW·h），其中的尖峰電價不超過0.602 0 元/（kW·h），高峰電價也才0.541 8 元/（kW·h），低谷電價更是低到0.301 0 元/（kW·h）。電力系統(tǒng)為農業(yè)生產提供質優(yōu)價廉的電力支持，這對農業(yè)生產效率的提升無疑是巨大的。

2 電力系統(tǒng)智能化的意義

2.1 幫助解決電網(wǎng)布局復雜的問題

電力系統(tǒng)的電網(wǎng)布局非常復雜。智能化的電力系統(tǒng)運用數(shù)據(jù)模型可以應對復雜的電網(wǎng)布局問題，構建精密的模型可以保障電網(wǎng)系統(tǒng)的長久穩(wěn)定運行。

2.2 應對電網(wǎng)覆蓋面廣的問題

電力系統(tǒng)的電網(wǎng)覆蓋面非常廣泛，考慮到我國國土面積遼闊以及地形地貌復雜多樣的實際情況，電力系統(tǒng)全覆蓋會面臨現(xiàn)實困難。智能化的電力系統(tǒng)可以在廣袤的國土上實現(xiàn)智能運行、智慧監(jiān)控，有效應對電網(wǎng)布局廣的問題。

2.3 增強電網(wǎng)系統(tǒng)應對自然災害的能力

電網(wǎng)系統(tǒng)易遭受臺風、雨雪冰凍天氣等自然災害的侵襲，且易造成嚴重的破壞性后果。智能化的電力系統(tǒng)通過傳感器和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以提前感知災害的發(fā)生并且精準捕捉問題的發(fā)生點，高效處理問題，提高了電網(wǎng)系統(tǒng)的抗風險能力。

2.4 降低人力成本

在低出生率的老齡化時代大背景下，如果單純依靠增加勞動力的方式來建設電力系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)并解決問題，無疑會產生巨額成本并在一定程度上降低效率。電力系統(tǒng)智能化可以有效解決人力成本過高和工作效率低的問題。

2.5 提高管理效率

智能化電力系統(tǒng)利用變電智能巡視圖像算法可以實現(xiàn)一鍵順控、圖像判別、破損變形場景識別、表計狀態(tài)識別等多個功能。這對于全面把控電力系統(tǒng)和高效解決實際問題意義重大。

2.6 提供安全便捷服務

智能化電力系統(tǒng)可以提供智能化的服務，即使用戶是文化素質不高的農業(yè)生產者，智能化電力系統(tǒng)也可以提供安全、穩(wěn)定、便捷的電力服務。

2.7 助力農業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展

農業(yè)現(xiàn)代化離不開水肥一體化、植保無人機、全自動收割脫粒烘干機以及農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代農業(yè)系統(tǒng)的支持，也離不開智能化電力系統(tǒng)的支持?，F(xiàn)代化的農業(yè)系統(tǒng)和智能化電力系統(tǒng)相互配合，可以有效提升農業(yè)生產效率，緩解農業(yè)用工成本過高和勞動力短缺的問題。

3 RK3568開發(fā)板介紹

RK3568 開發(fā)板作為電力系統(tǒng)智能化的核心組件（圖1），功能強大。RK3568 開發(fā)板和變電智能巡視圖像算法相結合可以實現(xiàn)線路跟蹤、視頻監(jiān)控、線路破損判別、電網(wǎng)管理輔助等多個功能。RK3568 開發(fā)板可以連接多個不同模塊，如射頻識別（radio frequency identification， RFID）模塊、高速串行計算機擴展總線標準（peripheral componentinterconnect express， PCIE）千兆網(wǎng)卡、串口模塊、全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）模塊、SG90 舵機、步進電機模塊、繼電器模塊、超聲波傳感器測距模塊、測溫傳感器模塊、DHT11溫濕度傳感器、姿態(tài)傳感器、有機發(fā)光二極管（organic light-emitting diode，OLED） 模塊、全彩LED 模塊、矩陣鍵盤模塊等，這對于實現(xiàn)電力系統(tǒng)通信傳輸、智能定位、電力供應、距離測算、信息感知、圖像識別、問題判別、信號展示、操控等功能的智能化非常重要。

4 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡算法介紹

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡算法是變電智能巡視圖像算法中的核心算法。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡算法的優(yōu)點在于大大壓縮了原始輸入圖像的信息體量，對于電網(wǎng)系統(tǒng)，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡算法可以有效處理海量圖像并且實現(xiàn)快速提取、精準識別和高效輸出。

4.1 選取輸入層

圖2 是輸入層的位置板。本文應選取經(jīng)過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡算法處理的圖像，一般是包含RGB[ 一種顏色模型，代表了紅色（red）、綠色（green）和藍色（blue）3 個顏色通道] 的二維彩色圖像。

4.2 挑選卷積核

圖3 為卷積核示例。根據(jù)梯度下降和逆向傳播的原則，一般會挑選體積較小的卷積核，盡量接近3×3×n，其中，n 是層數(shù)，這樣可以盡可能地提高計算精度。

4.3 特征提取

如圖4 所示，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡算法選擇圖像中最重要的信息點作為特征，如電力系統(tǒng)中線纜是否破損、變形，同時剔除無用的信息，如背景、其他設備等信息。

4.4 最大池化操作

需要指定池化區(qū)域大小和步幅大小，按照規(guī)定的步幅在輸入特征圖上滑動，如圖5 所示，將輸入特征圖池化區(qū)域內的數(shù)值和卷積核的數(shù)值相乘并加總，將最終結果輸出到新區(qū)域內。式（1）～（3）是最大池化的公式。

4.5 扁平化處理

圖6 為扁平化處理流程，主要是將最大池化操作處理后新區(qū)域內的數(shù)值按照順序從上到下排列成一維的數(shù)據(jù)條。

4.6 全連接層神經(jīng)網(wǎng)絡操作

全連接層對應的是1×1 大小的濾波器卷積層，這樣可以和輸出層一一對應，形成全連接。在該過程中將扁平化處理后得到的數(shù)據(jù)條作為輸入向量，乘以各自的權重，得到全連接層的輸出結果（y），其計算公式如下：

4.8 損失函數(shù)

利用交叉熵損失函數(shù)（L）進一步減輕異常像素點的散列分步對于結果判定的干擾，有助于提高最終結果的精確性。交叉熵損失函數(shù)的計算如式（6）所示，側面輸出的損失函數(shù)的計算如式（7）所示。

5 RK3568開發(fā)板的優(yōu)勢

在電力系統(tǒng)智能化的時代背景之下，RK3568開發(fā)板是保障電力系統(tǒng)全網(wǎng)線路高效運轉的關鍵一環(huán)，對電力系統(tǒng)各模塊之間的密切配合具有重要作用。在智能化電力系統(tǒng)中，RK3568 開發(fā)板可以應用在各類電表的數(shù)據(jù)采集分析、繼電器保護、網(wǎng)關鏈路、回路巡檢、邊緣計算和AI 部署等功能設計中，幫助電器設備升級。

5.1 數(shù)據(jù)采集分析及控制管理

RK3568 開發(fā)板可以用于數(shù)據(jù)采集分析及控制管理，對于電力系統(tǒng)智能化意義重大。通過RS485、控制器局域網(wǎng)（controller area network，CAN）以及以太網(wǎng)等接口接入各類傳感器，借助強大的中央處理器（central processing unit，CPU），對配電變壓器和終端用電數(shù)據(jù)進行解析計算。利用RK3568 開發(fā)板可以實現(xiàn)用電監(jiān)控、階梯定價、負荷管理、線損分析，還可以完成自動抄表、錯峰用電、用電檢查、負荷預測和節(jié)約用電成本等目標[1]。

5.2 性能穩(wěn)定可靠

RK3568 開發(fā)板可以承受-40 ～ 85℃ 的溫度環(huán)境，可以用于配電管理系統(tǒng)終端，且面向的器件包括集中器、采集器、能源控制器、融合終端等智能終端，具備高性能、低功耗、溫度提升幅度低的特點。RK3568 開發(fā)板采用28 nm 四核A35 芯片，計算能力可達10 000 DMIPS（每秒測整數(shù)的計算能力）。與40 nm 四核A7 芯片相比，RK3568 開發(fā)板在同等條件下可將系統(tǒng)綜合性能提升40%，功耗降低10%，整體優(yōu)勢明顯，且長時間工作時的升溫幅度較小，性能穩(wěn)定可靠[2]。

5.3 安全防護和回路巡檢

RK3568 開發(fā)板在智能化電力系統(tǒng)中的安全防護和回路巡檢方面具有重要作用。因為電力系統(tǒng)對于生產、消費以及運營管理有著極為嚴格的要求，RK3568 開發(fā)板可以有效提升供電設備和用電設備的安全系數(shù)。通過傳感器、攝像頭、直流穩(wěn)壓電源等智能硬件設備，其可以采集環(huán)境數(shù)據(jù)，進而實現(xiàn)溫濕度調控、人臉識別、煙霧報警、火災應急響應等功能[3]。

在安全防護和回路巡檢方面，RK3568 開發(fā)板采用先進制程，具備高性能、低功耗的特點，可以滿足不同場景下電力系統(tǒng)設備器件的安全等級需求。其可以進行高安全系數(shù)的圖像信號處理（image signal processing，ISP）工作，支持圖像像素多級降噪，可進行黑光全彩拍攝，內置獨立的嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡處理器（neural-network processingunit，NPU），支持山林防火、電網(wǎng)線路異常檢測等現(xiàn)場應用智能算法，并且可以應用在配電房、供電服務站、電網(wǎng)監(jiān)測運行管理站房等現(xiàn)場[4]。

5.4 助力邊緣計算與AI 部署

RK3568 開發(fā)板可以助力邊緣計算與AI 部署。電網(wǎng)系統(tǒng)布局了規(guī)模龐大的設備器件，如電表設備、保護裝置、采集裝置、控制設備等。對于分布式發(fā)電、智慧儲能、用戶端產生的問題，邊緣計算與AI 部署可以滿足“端側本地化”高效運行的需求，大大提高了運行效率[5]。

RK3568 開發(fā)板內置獨立的NPU，具有極高的算力并支持接口擴展，便于快速進行各類應用場景的AI 部署，快速處理終端數(shù)據(jù)，有效支持數(shù)據(jù)采集分析、數(shù)據(jù)系統(tǒng)管理等功能，可以緩解本地服務端面臨的壓力[6]。

RK3568 開發(fā)板采用8 nm 64 位高性能的CPU，可快速實現(xiàn)AI 部署[7]。

5.5 保障終端系統(tǒng)安全

RK3568 開發(fā)板可以提高電力系統(tǒng)終端的安全性能。電力系統(tǒng)實現(xiàn)智能化對于提供安全、穩(wěn)定、可靠的電力系統(tǒng)至關重要，必須保障讀取控制、隱私保護、用戶認證等領域的數(shù)據(jù)安全。除了數(shù)據(jù)安全以外，軟件層的及時響應能力和穩(wěn)定可靠性也非常重要。RK3568 開發(fā)板對電力系統(tǒng)的應用層軟件也進行了有效保障，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1） 系統(tǒng)包容性。RK3568 開發(fā)板支持多種系統(tǒng)的組合形式，可以支持AMP（Alternate MACand PHY layer extension，是指交替使用的MAC 層和PHY 層擴展）形式的嵌入式系統(tǒng)、全裸機系統(tǒng)、裸機系統(tǒng)+ 實時操作系統(tǒng)（real time operatingsystem，RTOS）、裸機系統(tǒng)+Linux 以及裸機系統(tǒng)+RTOS+Linux 等情況。

（2）實時響應能力。RK3568 開發(fā)板可以實現(xiàn)微秒級別的定時、通用輸入/ 輸出（general purposeinput/output，GPIO）接口中斷、任務調度響應等功能。

（3）協(xié)同適配性。RK3568 開發(fā)板支持多種操作系統(tǒng)，如Android、Linux 以及統(tǒng)信、麒麟、翼輝、科東等國產操作系統(tǒng)。

（4）數(shù)據(jù)安全性。數(shù)據(jù)安全性已達國密級別，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：①采用通用漏洞披露（common vulnerabilities & exposures，CVE） 的運行機制，在出現(xiàn)安全漏洞時及時打補丁，支持磁盤加密，保證數(shù)據(jù)不被竊?。虎趯嵭泄碳用芤约胺阑貪L、全鏈路的安全機制；③可以啟動SecureBoot（安全啟動），防止固件參數(shù)被篡改；④使用基于Trustzone（信任區(qū)）的硬件隔離機制；⑤對開放便攜式的可信任執(zhí)行環(huán)境（open portable trustedexecution environment，OPTEE） 實施可信授權；⑥對于數(shù)據(jù)的訪問、硬件加密模塊，支持哈希、高級加密標準（advanced encryption standard，AES）、RSA（一種非對稱加密算法）、SM4 等加密算法；⑦對于存儲密鑰等關鍵敏感信息，支持安全的一次性密碼（one time password，OTP）[8] 。

6 結語與展望

現(xiàn)代化強國建設需要電力系統(tǒng)的支撐。智能化運作有助于實現(xiàn)電力系統(tǒng)全面布局、快速建設和高效管理的目標。RK3568 開發(fā)板作為電力系統(tǒng)智能化的硬件，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡算法作為電力系統(tǒng)智能化的軟件算法，二者協(xié)同配合，可以提升電力系統(tǒng)智能化的水平。隨著電力系統(tǒng)智能化的應用場景多元化、客戶需求高級化，RK3568 開發(fā)板和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡算法對于電力系統(tǒng)領域人力成本的節(jié)約以及管理效率的提升更有意義。

當前，國內的電力系統(tǒng)面臨電網(wǎng)布局復雜度高、行業(yè)標準和用戶需求嚴格，以及數(shù)字化升級的挑戰(zhàn)。RK3568 開發(fā)板可以將數(shù)字技術應用于電力系統(tǒng)智能化領域，有助于電力系統(tǒng)提升自身的感知能力、管理水平和運行效率，促進電力強國智能化建設。而且隨著智能化電力系統(tǒng)的完善，農業(yè)生產也會從中受益良多，不僅可使人們享受較為低廉的電力價格，而且還會推動越來越多的新型農業(yè)生產設備投入使用，促進農業(yè)產量的提高、品質的優(yōu)化、農業(yè)生產資源的整合、農業(yè)產業(yè)的優(yōu)化布局。