陆宝金 王昭君
国网上海市电力公司长兴供电公司
摘要：基于视觉感知与空间定位融合技术的变电站作业现场安全管控系统的研究，主要是在目前智能化变电站辅助系统综合监控平台的基础上，通过对视觉感知与空间定位融合技术的应用，实现对进入变电站到处变电站整个过程的全方位实时监控，有效的保证人员安全。
关键词：智能变电站；UWB技术；视觉感知技术；空间定位技术
随着互联网、物联网等现代信息技术发展，视觉感知技术和空间定位技术日渐成熟，且正逐步应用于各行各业。基于视觉感知与空间定位融合技术的变电站作业现场安全管控系统的研究，主要是在目前智能化变电站辅助系统综合监控平台的基础上，通过对视觉感知与空间定位融合技术的应用，实现对进入变电站到处变电站整个过程的全方位实时监控，有效的保证人员安全。
1变电站内作业安全管控存在问题
2010年，国家电网公司颁布了智能化变电站建设技术导则，明确了智能化变电站辅助系统综合监控平台的建设要求和技术标准。但是，在实际应用过程中，针对变电站内作业安全管控方面，仍不能完全满足电力运维的实际需求，主要体现在：
1.1对变电站内作业人员靠近高压带电设备或进入非作业带电区，缺乏有效的监督手段
人员安全事故时有发生，究其原因绝大部分是作业人员由于各种原因，无意间靠近了高压带电设备或者是进入了非作业带电区，导致发生了人员安全事故。另外人员安全事故的发生，也会给设备正常运行带来很多不确定的风险。
1.2站内作业人员的典型违章行为，缺乏智能化预警防范措施
电站内作业人员的违章行为，还是靠人在现场监督或者通过远程视频人眼去发现违章行为。通过现场监督或远程视频监督，都会由于监督人员的限制导致漏看，不能及时有效的发现违章行为。另外此方式效率低，且成本极高。
1.3对进入变电站到出变电站整个过程，缺乏智能化有效管控
目前国内外变电站对于进入变电站及在变电站内的运行轨迹，再到出变电站整个过程都没有进行有效的监管。不利于对可能出现的违章行为进行预警，也不能为后续发生事故后的调查取证。
2基于深度学习的视觉感知技术
对视频图像的智能分析技术，特别是对人行为分析技术已经广泛应用，譬如：人脸识别、人数统计、越界、进入等。本项目采用基于深度学习的图像识别技术，实现对人员未戴安全帽、未穿红马甲等违章行为的识别分析；采用运动跟踪及识别技术，实现对人员的运动行为进行分析，进而实现对人员登高作业等违章行为的识别分析。
3 UWB人员定位技术
UWB技术是一种新的无线通信技术，它与传统的通信技术有很大的不同。UWB定位系统包括UWB接收器、UWB参考标签与活动UWB标签。在定位过程中，UWB接收器接收由标签发送的UWB信号。通过过滤电磁波传输过程中的各种噪声干扰，得到有效信息的信号，然后由中央处理器进行测距定位计算和分析。采用UWB人员定位技术，实现作业人员靠近带电高压设备，进入非作业区等行为进行预警提示，另外还实现对作业人员的运动轨迹进行全范围实时跟踪监控。
采用TODA（信号到达时间差）与AOA（信号到达时间角度）混合定位算法，通过信号到达时差、角度，采用双曲线交叉进行定位。AOA法：AOA算法可以测量未知点与参考点的角度，计算出目标的位置。超宽带定位系统通过多个基站量从定位目标最先到达接收机的信号的到达角度，以估计目标的位置。当区域内障碍物较少时，AOA算法可获得较高的定位精度，如果当定位区域内障碍物较多时，应考虑多径效应的影响。
TDOA法：当采用AOA方法计算超宽带定位时，由于多径效应以及接收天线的限制，需要更多的传感器同时工作，这将增加系统的应用成本。TOA/TDOA联合定位算法可以减少同时工作的传感器数量，获得待定位目标的三维坐标。
基于UWB人员定位技术系统包括以下几个部分组成：变电站作业人员携带的标签卡、变电站内设置的基站以及进行数据处理的上位机。
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图1 UWB人员定位技术系统
标签与多个基站分别测距，基站得到数据后统一汇总到一个总基站，总基站通过串口将同一时刻多基站与标签的距离值输出到上位机。由上位机端处理数据，进而结合多点定位算法，实现标签简单定位。
4视觉感知和空间定位技术的融合技术
本项目将重点研究视觉感知和空间定位的融合技术，让两个互补，发挥出最大优势，实现更加精确的定位，更准确的行为判断。本文所述的变电站作业现场安全管控系统，利用影像数据采集分析仪、智能相机和全方位智能云台影像数据采集分析仪设备，对变电站内的未戴安全帽、未穿红马甲、违章登高等典型的作业违章现象进行自动识别，通过视频识别进行人数统计，对车牌进行识别，实现变电站作业现场的安全管控。
该系统实现对站内人员状态图像、人员出入信息、车辆进出信息等的采集，并将相关信息上传到电网统一采集平台。
系统将建立一套建模与分析算法，有效利用现有数据信息，构建大数据架构进行态势建模分析。通过历史数据、感知和感应，利用态势建模算法对未来态势进行预测和可视化管理。比如当运维人员违章登高时，可自动告警，确保安全可靠运行。
5频图像车牌识别、人脸识别、人员抓拍等技术在变电站的智能化应用
研究视频图像车牌识别、人脸识别、人员抓拍等技术及远程控制变电站大门技术，系统对进出变电站的车辆进行车牌识别，将识别出来的车牌号显示出来；然后对车主进行人脸识别，框出车主照片的人脸部分作为车主信息的标记，记录在系统库中。车辆在库期间，系统使用者可以随意查看车辆与车主信息的获取过程及获取结果。而当车辆离开时，系统库将清除该车辆与车主的所有信息。
本文基于MATLAB软件进行设计，系统主要包括图像采集、图像预处理、车牌定位、字符分割、字符识别五大核心部分。系统的图像预处理模块是将图像经过图像灰度化、图像增强、边缘提取、二值化等操作，转换成便于车牌定位的二值化图像；利用车牌的边缘、形状等特征，再结合Roberts算子边缘检测、数字图像、形态学等技术对车牌进行定位；字符的分割采用的方法是将二值化后的车牌部分进行寻找连续有文字的块，若长度大于设定的阈值则切割，从而完成字符的分割；字符识别运用模板匹配算法完成。以上每个功能模块用MATLAB软件实现，最后识别出车牌，在研究设计的同时对其中出现的问题进行具体分析、处理，并寻求更优的方法。
相同人脸仅上传一张图片。优先在实时抓拍人脸跟踪帧数的时间范围内上传一张人脸质量值最佳的抓拍图片，如果人脸在该时间段内已离开，则上传该人脸从第一次进入到第一次离开时的最优图片，否则上传该时间段内的最优图片，如果在该时间段内该人脸无满足抓拍阀值的抓图文件，则继续跟踪该人脸，上传第一张满足抓拍阀值的抓拍图片。
该系统首先进行人脸采集：打开摄像头，采集照片，保存训练模型。然后，进行人脸识别：打开摄像头，采集照片，预识别；输入图像的路径，图像识别。最后输出结果：找到匹配的对象，输出名字；未找到匹配的对象，提示：人脸采集并保存训练模型。该系统可以在10人范围内进行人脸识别，1s内识别出来。
6系统结构和功能设计
6.1系统组织结构
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图2系统组织结构图
每个变电站主要包括三大系统：一次设备、二次及保护系统、辅助系统。辅助系统包括：视频、安防、消防、工业环境、门禁等各类子系统。辅助综合监控系统可以对变电站安装的各类子系统进行综合管理和配置，可以设置各子系统之间的报警联动关系，同时将各个子系统的遥信（报警信号、状态信号等）、遥测、遥视、遥控等实时信息上传监控中心。是变电站各类辅助综合监控系统。站端综合监测单元SMU可以接收测量IED、控制IED、消防IED、安防IED、智能分析IED设备的信号，获取前端设备的实时状态，及下发控制指令。辅助综合监控主机接收DVR\NVR的设备视频及音频信息，同时可以下发指令进行视频画面的智能分析。变电站所有辅助系统都接入变电站多维智能远程巡检信息平台的控制主机，实现对辅助系统的统一管理。
6.2系统功能
结合移动侦测技术手段，综合作业人员、作业区域、作业流程安全规范，采用可移动式作业管控策略，通过视觉感知与空间定位融合技术实现作业人员接近高压设备时的直观警示，实现对作业人员的违章行为分析和判断，实现管理人员远程实时管控和告警。系统对变电站周界采用预先划定区域的方式进行，一旦有人越界就会智能报警。对变电站围栏区域越界识别包含周界的识别以及人员闯入的识别，系统提供人员闯入位置及其在划定区域内的位置图，清晰直观展示出越界位置。
6.2.1作业行为合规
⑴穿戴识别：通过基于深度学习的视觉感知技术，自动识别是否穿戴安全帽、红马甲。⑵越界识别：通过视觉感知和空间定位融合技术，自动识别班组人员是否越界工作（跨越围栏、误入其它间隔、误入其它房间等）；⑶登高识别：自动识别作业区域是否存在登高行为；⑷安全距离识别：自动识别作业人员与高压带电设备之间是否保持安全距离；⑸关键工序管理：执行作业票中关键工序的操作时，自动提醒管理人员，实现远程监控。
6.2.2作业程序合规
⑴智能登记及车牌识别
实现了通过刷身份证或工作证进行进出变电站的智能登记，同时对进出变电站车牌自动识别，并自动关联进出站记录，从而实现无人值守变电站的人员、车辆进出变电站数据化管理。
⑵工作票远程视频许可
将《安规》要求的电话许可可视化，在子站配置远程视频许可一体机，通过远程视频许可，对现场工作负责人及工作人员身份、数量进行验证，实现对无人值守变电站现场工作的有效安全管控。
⑶变电站“一匙通”远程授权
实现了变电站钥匙的精细化管理。将一匙通钥匙远程授权功能集成到辅助综合监控系统中，依据工作票的工作地点、工作时间进行远方授权，并支持用户信息和动态码两种授权方式防止作业人员误入间隔、误碰设备。
6.2.3作业场所安全
风速、雨量测量：通过现场的探测器自动测量风速、雨量，判断是否符合安全条件。⑴气象预警：导入气象台发布的天气预警，及时判断是否符合作业条件；⑵SF6探测：自动探测GIS设备区SF6浓度，自动给判断是否符合作业条件；⑶温度测量：自动探测作业区域的温度是否在工作值内，超出则发出告警；⑷湿度测量：自动探测作业区域的湿度是否在工作值内，超出则发出告警；⑸安防系统：自动判断作业场所是否出现安防告警、缺陷；⑹消防系统：自动判断作业场所消防设施是否存在告警、缺陷。
6.2.4作业器具安全
⑴器具匹配：通过作业票工作内容，系统自动匹配推荐所适用的安器具。⑵器具领用：系统自判断实际领用安器具是否符合要求，否则发出告警并记录。⑶器具归还：系统自判断实际归还安器具与领用时是否匹配，否则发出告警并记录。⑷器具定期检测：通过对比作业票信息，系统自动判断应领用的安器具规格与实际领用的是否一致；自动判断已领用的安器具是否在有效期内（定期监测）。保证作业器具安全。
①实现安全安器具全生命周期各流程的自动化管理：实现各流程的自动化管理功能，最小化人工投入；实现即送即领的安器具管理模式，保证站所施工的器具数量；强化试验跟踪及监控功能，实现到期警醒工作人员，及时采取措施。
②实现智能化作业流程管理：与PMS的连接接口，并自动获取作业票；智能分析作业票，自动学习并提供推荐的配置安器具清单配置；规范化安器具申请流程，实现对作业现场安器具应用的智能跟踪；统计分析作业情况，为决策人员区域检修决策提供依据。
③完善智能报警措施：对未符合规范的安器具使用流程及时进行提醒；对库房环境出现的不规范行为进行视频记录；实现对安器具状态的实时查询，并进行试验超期报警；对安器具定期巡视、报废、试验等流程实时跟踪，并进行超期报警；对库房环境条件进行实时监控并报警。
④实现安器具实时在线监控：规范库房安器具管理，实现安器具领用、归还、送检、巡视自动化，提高效率；规范安器具库房管理，实现对重点安器具的摆放监控，使安器具摆放规范，库房整洁；监控库房内部异常情况，实现库房内异常情况（如火灾）报警，提供视频录像，方便事件追述；加强对试验中心安器具试验流程管控，提高试验效率，保证试验结果可靠。
6.2.5安全管控应用
⑴告警联动：当不满足安全生产条件时，或者出现任意违章事实时，①现场自动语音提醒；②远程（客户端、APP)自动告警并联动现场图像；③自动记录违章时间、班组、违章内容、现场录像等。⑵重点监管：对重点作业现场、重点工序，系统自动提示监管人员进行实时监视、远程指导。⑶智能查询：以作业票、作业班组、班组成员、作业时间、作业类别等，自动统计、汇总所有作业现场情况。⑷违章报表：系统自动生成所有作业现场的所有违章记录，包括截图、时间、班组、作业内容、违章内容，处置措施等APP移动客户端：实现随时随地进行安全监管！
7结论
项目技术成果的推广可用于运检、安监人员对变电站作业现场的安全管控，可对变电站内现场作业人员全方位实时监控，可对未戴安全帽、未穿红马甲等典型的违章行为进行实时告警，对作业人员靠近高压带电设备、进入非作业带电区进行实时预警，避免作业人员安全事故的发生，提高巡检、安监工作效率和质量，将极大的提高变电站安全生产水平。
参考文献：
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[2] 变电站施工现场安全管理的关键因素[J].禹波.通讯世界.2019-05-21
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