本發(fā)明涉及邊緣計算領域，具體為一種面向智慧城市的電氣故障監(jiān)測系統(tǒng)。

背景技術：

1、隨著智慧城市的迅速發(fā)展，社會運行的效率大幅提高，然而電氣安全依然是一個重要挑戰(zhàn)，它不僅關乎公共設施的正常運作，還直接影響居民的生活品質和城市的可持續(xù)發(fā)展。隨著技術的進步，電氣安全領域積極融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等現(xiàn)代技術，確保供電系統(tǒng)在各種環(huán)境條件下的正常運作，減少因電氣故障引發(fā)的事故和災害。

2、線路接口在潮濕環(huán)境中易發(fā)生電化學腐蝕，這一過程主要體現(xiàn)在電阻的變化和溫度的升高。當電化學腐蝕發(fā)生時，電阻r逐漸增大，導致電流通過接口時產(chǎn)生的熱量??隨之增加。隨著時間推移，腐蝕加劇，電流引起的熱量不僅超過了接口的散熱能力，進而使接口溫度持續(xù)升高，增加了火災發(fā)生的風險。接口溫度的持續(xù)升高不僅影響電氣設備的性能，也會加速材料的老化與破壞，形成惡性循環(huán)。例如：線路電化學腐蝕還會導致接觸不良，引發(fā)局部過熱和電弧放電現(xiàn)象，導致線路的額外損耗和不穩(wěn)定，進一步損害設備的正常運行。因此，及時監(jiān)測和評估線路接口的電化學腐蝕狀況，顯得尤為重要。

3、目前，市場上已有一些面向智慧城市的電氣故障監(jiān)測技術。例如，中國專利cn202410391517.1公開了一種智慧城市火災探測方法、裝置及可讀存儲介質，通過預先訓練的火災檢測模型對微小火焰及煙霧進行識別處理，達到火災早期預警的技術效果，提升消防安全監(jiān)管的實時檢測及應急需求。然而基于圖像判別的方法具有明顯的弊端，具體為：1.準確度低：攝像頭的精度有限，很難采集線路在潮濕空氣中的退化過程，不能準確的衡量線纜直徑的變化趨勢；2.該方案不適用于狹小空間：為了獲取高清晰度圖像，圖像采集過程需要搭配光源模塊、供電模塊和圖像傳輸模塊，然而線路發(fā)生火災的位置一般位于電源控制箱，其空間不能有效地容納拍照系統(tǒng)；3.時效性差：該方案只能對火災發(fā)生后進行補救，通過物聯(lián)網(wǎng)等技術及時將火災信息告知管理人員，核心的目的并不是避免損失，而是如何減小損失，整體的實用性有限。

4、為了降低電氣故障和火災風險，我們研發(fā)了一種面向智慧城市的電氣故障監(jiān)測系統(tǒng)，結合先進的傳感技術與智能算法，實時監(jiān)測接口的腐蝕狀態(tài)和溫度變化。通過分析電阻與溫度的動態(tài)變化，該系統(tǒng)能夠及時預警潛在的危險，大幅提升線路的安全性，顯著減少因電化學腐蝕引發(fā)的火災風險。

技術實現(xiàn)思路

1、針對上述問題，本發(fā)明提供了一種面向智慧城市的電氣故障監(jiān)測系統(tǒng)，利用電流傳感器捕捉線路的負載特性，建立數(shù)學模型實時預測線路的溫度變化，對線路退化引起的火災進行預測，后續(xù)通過數(shù)字孿生技術進行可視化，其特征在于，包含：電氣采集盒、邊緣網(wǎng)關、物聯(lián)網(wǎng)平臺和本地大模型：

2、所述電氣采集盒包含傳感采集模塊、電源管理模塊、微控制器、通訊模塊、信號調(diào)理電路和adc模塊；所述傳感采集模塊包含環(huán)境采集模塊和電流采集模塊；所述環(huán)境采集模塊包含溫度和濕度傳感器；所述電氣采集盒能夠支持鋰電池和type-c兩種供電模式，電源管理模塊具備升壓電路，能夠將鋰電池3.7v電源轉換為5v；所述微控制器采用stm32l低功耗芯片；所述通訊模塊采用485接口，將傳感采集模塊獲取的數(shù)據(jù)上傳到邊緣網(wǎng)關；所述信號調(diào)理電路包含二階濾波電路，有效消除高頻噪聲；所述adc采用24位芯片；

3、所述邊緣網(wǎng)關包含微型計算機和通訊模組；所述微型計算機具備485接口，能夠接收電氣采集盒上傳的數(shù)據(jù)，獲取環(huán)境溫度、濕度和電流幅值；建立數(shù)學模型來量化線路的退化過程和溫度變化趨勢，預測線路的壽命周期；所述線路的退化過程表述線纜接口在潮濕空氣中發(fā)生電化學腐蝕，其直徑變細、電阻和發(fā)熱量增大；隨著時間的推移，電化學腐蝕進程不斷演化，導致線纜接口產(chǎn)生的發(fā)熱量大于散熱功率，使得整體結構的溫度升高，最終引發(fā)火災，具體過程為：

4、

5、其中為線纜接口的實時溫度；為比熱容；為散熱功率，為線纜接口的發(fā)熱量，具體為：

6、

7、其中為工作電流；為工作時間；為線纜接口的電阻，具體為：

8、

9、其中為線纜材料的電阻率，為線纜接口的長度，為線纜接口的截面積，具體為：

10、

11、為線纜接口直徑，為線纜材料的密度，表述線纜發(fā)生電化學腐蝕后的質量，具體為：

12、

13、為初始質量，為電化學腐蝕引起質量損失的變化量，具體為：

14、

15、其中為電化學腐蝕的模型系數(shù)，表征線纜接口質量損失速率的物理量，表示溫度，表示環(huán)境濕度，為線纜接口直徑；為工作時間；散熱功率可以表述為：

16、

17、其中是散熱系數(shù)；為線纜接口的截面積；是環(huán)境溫度；

18、所述物聯(lián)網(wǎng)平臺通過?mqtt?協(xié)議與邊緣網(wǎng)關進行雙向交互；物聯(lián)網(wǎng)平臺能夠對接收的數(shù)據(jù)進行分析、聚合和永久化存儲；所述物聯(lián)網(wǎng)平臺集成有數(shù)據(jù)可視化模塊，能夠通過三維的方式展示線纜接口的電化學腐蝕過程，通過數(shù)據(jù)大屏與用戶進行動態(tài)交互；所述數(shù)據(jù)大屏包含線路的負載電流、環(huán)境的溫度、濕度、線纜接口截面積、電阻值和預測的實時溫度；本地物聯(lián)網(wǎng)平臺可以下發(fā)指令，主動查詢線纜接口的狀態(tài)數(shù)據(jù)；

19、所述本地大模型可以與物聯(lián)網(wǎng)平臺進行雙向數(shù)據(jù)交互；物聯(lián)網(wǎng)平臺將電氣采集盒獲取的環(huán)境溫度、濕度、時間戳和線纜物理尺寸參數(shù)、歷史負載數(shù)據(jù)傳遞給本地大模型，獲取電化學腐蝕的模型系數(shù)，最終通過物聯(lián)網(wǎng)平臺ota模塊下發(fā)到邊緣網(wǎng)關，實現(xiàn)線路退化過程的智能監(jiān)測；所述本地大模型采用開源大模型，通過參數(shù)微調(diào)-量化-部署得到面向智慧城市電氣故障監(jiān)測的本地大模型；所述的參數(shù)微調(diào)基于線纜電化學腐蝕數(shù)據(jù)集。

20、進一步，所述線纜電化學腐蝕數(shù)據(jù)集的制作步驟為：

21、s1：通過標準實驗獲取不同溫度和濕度時，線纜的性能退化過程，獲取對應的模型系數(shù)；

22、s2：建立數(shù)值仿真模型，通過s1獲取的實驗結果擬合有限元模型的材料參數(shù)；

23、s3：編寫腳本信息，通過批任務的方式獲取不同溫度、濕度下線纜的性能退化過程；

24、s4：針對線纜性能退化過程制作一個標準數(shù)據(jù)庫，包含環(huán)境溫度、環(huán)境濕度和電化學腐蝕速率，通過人工標注的方式，建立數(shù)據(jù)標簽，具體的格式為：[?{?"timestamp":1694505600,?"temperature":?35,?"humidity":?65,?"load_current":?5.5,?"interface_diameter":?2.5,?"resistance":?0.125,?"interface_temperature":?45?}，......，?{?"timestamp":?1694516400,?"temperature":?38,?"humidity":?60,?"load_current":4.5,?"interface_diameter":?2.5,?"resistance":?0.126,?"interface_temperature":48?}]。

25、本發(fā)明的優(yōu)點在于：

26、1.?適應性強：本發(fā)明利用電流傳感器捕捉線路的負載特性，建立數(shù)學模型實時預測線路的溫度變化，整體方案不需要進行現(xiàn)有的電氣線路進行改造，具有極強的適用性和優(yōu)異的性價比；

27、2.?火災隱患低：本方案能夠對火災風險進行提前預測，通過線纜接口的實時電阻和線路的負載情況預測溫度變化趨勢，有效的降低了火災風險；

28、3.?成本低：本方案相較于攝像頭監(jiān)測線路的退化過程，具有精度高、系統(tǒng)簡潔和性價比高等優(yōu)點，能夠適用于狹小空間和微弱光源下的火災監(jiān)測；

29、4.?便捷性：本發(fā)明提供了一種線纜電阻在線測量技術，能夠在通電情況下獲取線纜接口電阻的變化趨勢，避免了停電對居民生活質量的影響。