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(jì)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(yùn)行具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義^[1]。隨著移動(dòng)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(jì)算控制技術(shù)在電力工業(yè)中的深度應(yīng)用,智能電網(wǎng)已經(jīng)成為當(dāng)前電力輸電線路網(wǎng)絡(luò)的必然趨勢(shì)。當(dāng)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(duì)電力系統(tǒng)的管理,往往需要精確的獲得每一個(gè)電桿、輸電線路、變電站等的實(shí)時(shí)的大量的各種信息數(shù)據(jù)。目前IPv4協(xié)議隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)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(gè)站點(diǎn)的實(shí)時(shí)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(gè)方面問題。

1）對(duì)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(yīng)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(gè)電力監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)的大量的信息,便于對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的檢測(cè)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(rèn)證支持MD5_96、SHA1_96認(rèn)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(yán)格的Internet控制報(bào)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(wù),如提供訪問控制、數(shù)據(jù)源的身份驗(yàn)證、數(shù)據(jù)完整性檢查、機(jī)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(shí)效性。IPv6取消了IPv4中數(shù)據(jù)包首部的校驗(yàn)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(biāo)識(shí)和傳輸類別字段,以加強(qiáng)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送的支持。

國外對(duì)于IPv6在電力行業(yè)上的應(yīng)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(shí)驗(yàn)階段,涉及電力視頻監(jiān)控、輸變電狀態(tài)監(jiān)測(cè)、95598智能互動(dòng)網(wǎng)站等。本項(xiàng)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(cè)環(huán)節(jié),結(jié)合移動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行研究運(yùn)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(cè)移動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)研發(fā)思路

基于移動(dòng)應(yīng)用程序人工定期巡線的監(jiān)測(cè)方式是指：安排人員定期的對(duì)輸電線路進(jìn)行巡查,并對(duì)輸電線路的相關(guān)設(shè)施（桿塔、導(dǎo)線、絕緣子等）進(jìn)行專業(yè)測(cè)量,將測(cè)量的數(shù)據(jù)通過移動(dòng)設(shè)備上運(yùn)行的應(yīng)用程序傳輸?shù)胶笈_(tái)系統(tǒng),以供后臺(tái)系統(tǒng)分析使用的移動(dòng)電力數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方式^[5]。

通過對(duì)輸電線路監(jiān)測(cè)相關(guān)研究的了解,基于IPv6技術(shù)的實(shí)際特性,結(jié)合對(duì)實(shí)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(cè)移動(dòng)應(yīng)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(dǎo)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(diǎn)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(dòng)態(tài)添加需要采集數(shù)據(jù)的字段,有較強(qiáng)的擴(kuò)展性能,同時(shí)要考慮到數(shù)據(jù)需要進(jìn)行相關(guān)的分析,便于大規(guī)模計(jì)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(wù)功能,是一系列較強(qiáng)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(jìn)行開發(fā)。

1.2 網(wǎng)絡(luò)情況復(fù)雜

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)移動(dòng)應(yīng)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(duì)較復(fù)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。一些偏僻地區(qū)沒有GPRS信號(hào),需要采用離線存儲(chǔ),待有其他方式網(wǎng)絡(luò)信號(hào)時(shí)再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)同步。而對(duì)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(chǔ)2個(gè)方面進(jìn)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(jī)制等新特性對(duì)提升網(wǎng)絡(luò)安全性有一定的作用^[9],提供了加密和認(rèn)證機(jī)制,這些機(jī)制都是在網(wǎng)絡(luò)層上實(shí)現(xiàn)的,對(duì)于網(wǎng)絡(luò)層以上的應(yīng)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(yùn)行的安全性問題,傳輸數(shù)據(jù)要進(jìn)行加密,所有傳輸接口也要進(jìn)行權(quán)限驗(yàn)證等防護(hù)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面,對(duì)于移動(dòng)端存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)和后端數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)都要進(jìn)行加密處理,同時(shí)后端數(shù)據(jù)庫都要進(jìn)行備份防災(zāi)。

 2 IPv6電力數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)移動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)

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(fù)雜、保證數(shù)據(jù)安全的研發(fā)思路對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 總體設(shè)計(jì)

IPv6電力數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)移動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)軟件部分采用面向服務(wù)的方式進(jìn)行開發(fā),便于后期系統(tǒng)擴(kuò)展（如接入地理信息系統(tǒng)）。系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)接口服務(wù)程序、后端管理程序和移動(dòng)端應(yīng)用程序3部分,使用數(shù)據(jù)庫軟件存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù),所有對(duì)數(shù)據(jù)的操作都需要經(jīng)過數(shù)據(jù)服務(wù)接口系統(tǒng)進(jìn)行,再結(jié)合硬件（服務(wù)器、路由器、交換機(jī)等）搭建運(yùn)行環(huán)境。

2.2 數(shù)據(jù)接口服務(wù)程序

數(shù)據(jù)服務(wù)接口系統(tǒng)為面向服務(wù)開發(fā)方式的核心,使用Node.js（一個(gè)基于Chrome JavaScript運(yùn)行時(shí)建立的平臺(tái)）技術(shù)進(jìn)行開發(fā),Express(基于Node.js平臺(tái)的Web應(yīng)用開發(fā)框架)提供HTTP服務(wù)。主要是為所有系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù),為應(yīng)用進(jìn)行數(shù)據(jù)操作提供支撐,并且控制對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行的操作,只有通過權(quán)限認(rèn)證的用戶才能進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)操作,達(dá)到有控制的開發(fā)數(shù)據(jù)庫給外部使用的目的。其運(yùn)行方式如
圖1所示。

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

圖1 數(shù)據(jù)接口服務(wù)運(yùn)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(yīng)用中的一種端對(duì)端的解決方案）框架進(jìn)行開發(fā),使用AJAX（Asynchronous JavaScript And XML）方式與數(shù)據(jù)接口服務(wù)進(jìn)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(gè)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(duì)電力設(shè)施的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)可以對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的類別進(jìn)行編輯。

2）數(shù)據(jù)采集管理模塊是管理移動(dòng)應(yīng)用采集數(shù)據(jù)的模塊。可以對(duì)移動(dòng)應(yīng)用采集數(shù)據(jù)的類別、字段、內(nèi)容進(jìn)行控制,同時(shí)可以查看管理移動(dòng)應(yīng)用采集的數(shù)據(jù)。

3）用戶管理模塊是對(duì)使用該系統(tǒng)的用戶賬戶進(jìn)行管理,同時(shí)可以分組對(duì)用戶的權(quán)限進(jìn)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(jìn)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(dòng)端應(yīng)用程序

移動(dòng)端應(yīng)用程序是基于JAVA開發(fā)的Android應(yīng)用程序,主要分為3個(gè)模塊（見圖3）。

數(shù)據(jù)采集模塊為核心模塊,實(shí)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(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽,同時(shí)可以對(duì)已經(jīng)上報(bào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽。

圖3 移動(dòng)端應(yīng)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(duì)個(gè)人信息進(jìn)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(chǔ)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(chǔ)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(yùn)行網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)計(jì)

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(fù)雜條件,分為3種情況：使用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)時(shí),移動(dòng)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(shí)需要通過專網(wǎng)的邊界服務(wù)器,才能到達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,因此應(yīng)用服務(wù)器要同時(shí)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(gè)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?yàn)橄到y(tǒng)開發(fā)并非本研究主要內(nèi)容,所以在此僅對(duì)核心IPv6相關(guān)功能開發(fā)進(jìn)行說明。

3.1 接口服務(wù)的IPv4與IPv6的混合實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)接口服務(wù)程序使用Node.js下的Express進(jìn)行開發(fā)。Express基于HTTP服務(wù),因此對(duì)于IPv6是兼容的。在實(shí)際使用中只需在創(chuàng)建服務(wù)監(jiān)聽時(shí)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(duì)于需要同時(shí)監(jiān)聽I(yíng)Pv4和IPv6的情況,只需多建立一個(gè)對(duì)IPv4的監(jiān)聽即可：

var