輸電線路虛擬智能隔離屏障的研究與應(yīng)用

朱曉華

摘 要：文章著重探尋了輸電線路智能隔離技術(shù)。通過(guò)綜合運(yùn)用信息、通信、控制、管理等領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，確保輸電網(wǎng)網(wǎng)架堅(jiān)強(qiáng)。大力推進(jìn)輸電自動(dòng)化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)輸電網(wǎng)能量流、信息流、業(yè)務(wù)流的雙向運(yùn)作與高度整合，構(gòu)建具備集成、互動(dòng)、自愈、兼容、優(yōu)化等特征的智能輸電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)輸電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)智能。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；智能圖像；視頻分析

中圖分類號(hào)：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）27-0059-02

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)健康發(fā)展和人民生活水平不斷提高，對(duì)加強(qiáng)電網(wǎng)建設(shè)、電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、電能質(zhì)量和優(yōu)質(zhì)服務(wù)水平提出了更高要求。由于輸電線路分布范圍廣，常常穿越城市和鄉(xiāng)村，且隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鄉(xiāng)基礎(chǔ)建設(shè)越來(lái)越頻繁，其運(yùn)行常受到人們生產(chǎn)和建筑單位施工的干擾。這些外力破壞具有經(jīng)常性、隱蔽性和突發(fā)性的特點(diǎn)，使供電部門的日常巡視難以達(dá)到理想的管理效果。

目前，電力系統(tǒng)中防外破的防范上主要是以人為主，但是由于人的不可控，所以不能很好的危險(xiǎn)源點(diǎn)管控。為此，基于圖像分析技術(shù)平臺(tái)，利用圖像處理、模式識(shí)別、無(wú)線通訊傳輸?shù)认冗M(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在輸電線路四周形成虛擬智能隔離屏障，將被動(dòng)監(jiān)控轉(zhuǎn)化為主動(dòng)防范，將危險(xiǎn)扼殺在萌芽狀態(tài)，提高輸電管理水平，成為今后的發(fā)展方向。

1 現(xiàn)狀分析

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)加強(qiáng)智能電網(wǎng)總體發(fā)展目標(biāo)，力爭(zhēng)要將輸電網(wǎng)打造成清潔、高效的智能輸電網(wǎng)系統(tǒng)。通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新與管理創(chuàng)新，綜合運(yùn)用信息、通信、控制、管理等領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)成果，持續(xù)實(shí)施加強(qiáng)輸電網(wǎng)架的建設(shè)，確保輸電網(wǎng)網(wǎng)架堅(jiān)強(qiáng)；大力推進(jìn)輸電自動(dòng)化全面建設(shè)，實(shí)現(xiàn)輸電網(wǎng)能量流、信息流、業(yè)務(wù)流的雙向運(yùn)作與高度整合，構(gòu)建具備集成、互動(dòng)、自愈、兼容、優(yōu)化等特征的智能輸電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)輸電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)智能。經(jīng)過(guò)查閱大量的資料，咨詢公司相關(guān)專家，對(duì)現(xiàn)有保護(hù)輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的措施做了詳細(xì)統(tǒng)計(jì)，將現(xiàn)有的方式分為四大類，并列舉其相關(guān)問(wèn)題。

1.1 GPRS定位技術(shù)及其問(wèn)題

利用GPRS定位技術(shù)供電公司巡查人員每月巡查，以此監(jiān)督每個(gè)巡查人員必須將每個(gè)危險(xiǎn)源點(diǎn)線路都檢查過(guò)去。

存在的問(wèn)題：出現(xiàn)監(jiān)督真空，可能存在巡查人員檢查的時(shí)候高壓線下是正常的，沒(méi)有危險(xiǎn)物，巡查過(guò)后出現(xiàn)對(duì)高壓線有威脅的大型器械，而且在國(guó)網(wǎng)公司“五大體系”建設(shè)中，人員結(jié)構(gòu)性緊缺，這樣巡查額外給運(yùn)維人員增加工作量。

1.2 人海戰(zhàn)術(shù)及其存在的問(wèn)題

發(fā)動(dòng)人民群眾，利用人海戰(zhàn)術(shù)。每當(dāng)有群眾發(fā)現(xiàn)高壓線下有危險(xiǎn)物體存在，拍攝照片，并立刻電話通知供電公司相關(guān)人員。

存在的問(wèn)題：在夜間高壓線下出現(xiàn)危險(xiǎn)問(wèn)題的時(shí)候，很難有人去通知供電公司相關(guān)人員，還有人煙稀少的地方，也同樣會(huì)出現(xiàn)此類問(wèn)題。

1.3 人為防護(hù)和干預(yù)及其問(wèn)題

在輸電線路危險(xiǎn)源點(diǎn)駐扎相關(guān)人員，進(jìn)行人為防護(hù)和干預(yù)。

存在的問(wèn)題：由于人的不可控因素較多，會(huì)出現(xiàn)看護(hù)真空，更不能準(zhǔn)確地把握安全距離，當(dāng)塔吊、水泥泵車等大型器械對(duì)輸電線路有安全威脅行為發(fā)生前不能準(zhǔn)確及時(shí)預(yù)警。

1.4 視頻監(jiān)控及其問(wèn)題

在輸電線路危險(xiǎn)源點(diǎn)相關(guān)高壓塔上安裝普通視頻監(jiān)控，施現(xiàn)場(chǎng)查看現(xiàn)場(chǎng)視頻。

存在的問(wèn)題：主要是由運(yùn)維人員為主導(dǎo)，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，經(jīng)過(guò)大量數(shù)據(jù)研究，運(yùn)維人員緊盯屏幕在8 min左右就會(huì)覺(jué)得異常疲勞；并且不管現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)源點(diǎn)作業(yè)是否存在隱患或是否工作時(shí)，都要求將攝像機(jī)采集的視頻信號(hào)流傳輸?shù)奖O(jiān)視中心；這種傳輸方式不僅要消耗大量的通信帶寬，而且會(huì)造成巨額的通信費(fèi)用，更重要的是并不能起到實(shí)際有效的監(jiān)視效果。

為了解決以上四個(gè)問(wèn)題，輸電線路虛擬智能隔離屏障的研究與應(yīng)用提上了議事日程，本研究不僅可以完全覆蓋原有功能，更對(duì)輸電線路有安全隱患的物體進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別并主動(dòng)報(bào)警，在降低人力物力成本的同時(shí)將危險(xiǎn)源轉(zhuǎn)變?yōu)榘踩矗瑢⒁磺形ｋU(xiǎn)源消滅在萌芽狀態(tài)，將防范的被動(dòng)性轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)性。

2 實(shí)踐依據(jù)

智能圖像分析技術(shù)就是使用計(jì)算機(jī)圖像視覺(jué)分析技術(shù)，通過(guò)將場(chǎng)景中背景和目標(biāo)分離進(jìn)而分析并追蹤在攝像機(jī)場(chǎng)景內(nèi)出現(xiàn)的目標(biāo)。

用戶可以根據(jù)視頻內(nèi)容分析功能，通過(guò)在不同攝像機(jī)的場(chǎng)景中預(yù)設(shè)不同的報(bào)警規(guī)則，一旦目標(biāo)在場(chǎng)景中出現(xiàn)了違反預(yù)定義規(guī)則的行為，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警，監(jiān)控工作站自動(dòng)彈出報(bào)警信息并發(fā)出警示音，用戶可以通過(guò)點(diǎn)擊報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)報(bào)警的場(chǎng)景重組并采取相關(guān)措施。

本技術(shù)主要功能是在監(jiān)控畫面中找出物件，并檢測(cè)物件的運(yùn)動(dòng)特征屬性，例如：物件相對(duì)的像素點(diǎn)位置，物件的移動(dòng)方向及相對(duì)像素點(diǎn)移動(dòng)速度，物件本身在畫面中的形狀及其改變。采用上述原理，根據(jù)實(shí)際危險(xiǎn)源點(diǎn)管控需求，按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為幾個(gè)子模塊：算法分析模塊、智能圖像分析系統(tǒng)平臺(tái)模塊（包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及查詢、檢索和報(bào)警視頻點(diǎn)播、智能分析規(guī)則設(shè)置和任務(wù)調(diào)度、報(bào)警聯(lián)動(dòng)模塊等子模塊）。

經(jīng)過(guò)對(duì)輸電線路危險(xiǎn)源點(diǎn)的實(shí)地考察，對(duì)要實(shí)現(xiàn)的功能，達(dá)到的最終目的研究，本研究采用圖像分析類中的周界入侵檢測(cè)、物件移動(dòng)方向檢測(cè)和物件運(yùn)動(dòng)、停止?fàn)顟B(tài)改變檢測(cè)功能模塊，將危險(xiǎn)源點(diǎn)危險(xiǎn)物提前識(shí)別，并主動(dòng)報(bào)警。

同時(shí)該系統(tǒng)平臺(tái)將采用“即插即用（plug in）”的設(shè)計(jì)原則，模塊接口采用xml方式，服務(wù)器、客戶端之間的交互將采用xml-rpc架構(gòu)，這些都保證了平臺(tái)各個(gè)子模塊間的松耦合，模塊間的接口界面強(qiáng)擴(kuò)展性。而文件傳輸和流媒體點(diǎn)播都采用了標(biāo)準(zhǔn)的ftp協(xié)議和rtp/ rtmp協(xié)議，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 項(xiàng)目研究關(guān)鍵點(diǎn)和實(shí)施內(nèi)容

3.1 項(xiàng)目研究的關(guān)鍵點(diǎn)

①智能圖像識(shí)別。需要通過(guò)圖像處理、模式識(shí)別和計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，對(duì)監(jiān)控場(chǎng)景中的異常行為進(jìn)行預(yù)警和報(bào)警。該系統(tǒng)能對(duì)監(jiān)控畫面的背景進(jìn)行自動(dòng)學(xué)習(xí)，有效避免天氣和環(huán)境帶來(lái)的影響?？梢愿鶕?jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)的智能分析，通過(guò)在不同的場(chǎng)景中預(yù)設(shè)不同的報(bào)警規(guī)則，一旦目標(biāo)在場(chǎng)景中出現(xiàn)并違反預(yù)定的規(guī)則，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)可疑情況，精確定位事發(fā)機(jī)位和地點(diǎn)，聯(lián)動(dòng)報(bào)警設(shè)備進(jìn)行主動(dòng)報(bào)警。

②全天候圖像識(shí)別。需要達(dá)到白天能識(shí)別出移動(dòng)物體，對(duì)移動(dòng)物體進(jìn)行分類，將即將接近輸電線路安全距離的大型危險(xiǎn)物體主動(dòng)報(bào)警。夜間通過(guò)特制攝像頭和夜間補(bǔ)光儀器，采用亮點(diǎn)檢測(cè)算法，自動(dòng)識(shí)別出即將接近輸電線安全距離的大型危險(xiǎn)物體，并對(duì)其進(jìn)行主動(dòng)報(bào)警。白天和夜間的兩種算法適應(yīng)不同地區(qū)、不同季節(jié)、不同氣候自動(dòng)切換白天和夜間的算法，做到無(wú)需人為參與，7x24 h全系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)。

3.2 實(shí)施內(nèi)容

①及時(shí)有效查看危險(xiǎn)源點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)情況。通過(guò)對(duì)危險(xiǎn)源點(diǎn)實(shí)地考察，選定附近高壓塔，在其上安裝攝像頭，通過(guò)云臺(tái)控制，可以全方位查看危險(xiǎn)源點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)情況。當(dāng)運(yùn)維人員需要查看現(xiàn)場(chǎng)情況時(shí)，通過(guò)指定服務(wù)器（該服務(wù)器和內(nèi)網(wǎng)沒(méi)有任何連接，僅僅作為接收危險(xiǎn)源點(diǎn)遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)圖像），利用3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，可以遠(yuǎn)程查看到危險(xiǎn)源點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)情況。

②自動(dòng)識(shí)別輸電路線路存在的安全隱患。白天天氣晴好的條件下，通過(guò)前端攝像機(jī)采集的危險(xiǎn)源點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)圖像，將輸電線路安全距離設(shè)置好，利用智能圖像識(shí)別算法中的入侵檢測(cè)算法，自動(dòng)識(shí)別輸電線路存在的安全隱患。

在夜間，危險(xiǎn)源點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)亮度不夠，而且攝像機(jī)是架設(shè)在高壓塔上，采集過(guò)來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)圖像畫面基本是空曠的天空（由于比較黑暗，輸電線在攝像機(jī)圖像中基本看不清），由于天空沒(méi)有反射面，所以無(wú)法在攝像機(jī)鏡頭前成像，從而攝像機(jī)采集的現(xiàn)場(chǎng)圖像基本是漆黑的一片。該項(xiàng)目通過(guò)在前端攝像機(jī)鏡頭前安裝紅外濾鏡，將所有可見(jiàn)光都過(guò)濾掉，并在其攝像頭旁邊架設(shè)特制夜間激光補(bǔ)光儀，安裝過(guò)紅外濾鏡的攝像機(jī)可以識(shí)別特制夜間補(bǔ)光儀波段的光，當(dāng)有大型危險(xiǎn)物體進(jìn)入安全距離時(shí)，會(huì)在該攝像機(jī)畫面中產(chǎn)生特定的亮點(diǎn)，同時(shí)采用亮點(diǎn)檢測(cè)算法自動(dòng)識(shí)別出進(jìn)入輸電線安全距離的危險(xiǎn)物體。

③實(shí)現(xiàn)識(shí)別安全隱患后的現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線通信聲光報(bào)警?？紤]到輸電線路危險(xiǎn)源點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)存在的電磁干擾、浪涌等情況，并且需要實(shí)時(shí)性、可控性，不能滯后，所以該項(xiàng)目采用zigbee模式（2.4 GHz），通過(guò)主機(jī)發(fā)送指定信號(hào)給從機(jī)（該從機(jī)為現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警裝置），實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線通信，從而達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警。

④手持設(shè)備調(diào)看現(xiàn)場(chǎng)安全隱患的視頻剪輯和圖像。由于3G通信費(fèi)用比較高，直接將現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警視頻剪輯和圖像通過(guò)3G傳輸給運(yùn)維人員手持設(shè)備將會(huì)產(chǎn)生大量的流量費(fèi)，該項(xiàng)目首先將現(xiàn)場(chǎng)安全隱患的視頻剪輯和圖像壓縮處理，系統(tǒng)不會(huì)主動(dòng)傳輸，只有當(dāng)運(yùn)維人員需要調(diào)看時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)將處理過(guò)的視頻剪輯和圖像發(fā)送到運(yùn)維人員手持設(shè)備上，從而節(jié)約流量。

4 實(shí)際應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

南通供電公司于2014年將智能隔離裝置安裝于220 kV通2666線、220 kV秀沿2H15線，用以監(jiān)控城建施工現(xiàn)場(chǎng)的危險(xiǎn)源。通過(guò)這兩套智能隔離裝置，實(shí)現(xiàn)了施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警預(yù)報(bào)，為做好現(xiàn)場(chǎng)管控、保障電網(wǎng)安全提供了有效手段。

4.2 監(jiān)控中心客戶端配置界面

基于攝像機(jī)實(shí)時(shí)視頻畫面，利用鼠標(biāo)拖線等簡(jiǎn)單操作進(jìn)行智能分析參數(shù)配置，方便快捷且保障設(shè)定參數(shù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步提高分析的精確度。監(jiān)控中心客戶端展示界面，如圖1所示；監(jiān)控中心客戶端配置界面，如圖2所示。

圖1 監(jiān)控中心客戶端展示界面 圖2 監(jiān)控中心客戶端配置界面

4.3 遠(yuǎn)程及時(shí)報(bào)警展示

基于智能侵入識(shí)別系統(tǒng)，一旦監(jiān)控發(fā)現(xiàn)威脅，后臺(tái)進(jìn)行入侵報(bào)警，現(xiàn)場(chǎng)聲光電同時(shí)感應(yīng)動(dòng)作。侵入識(shí)別系統(tǒng)報(bào)警記錄，如圖3所示；侵入識(shí)別系統(tǒng)報(bào)警，如圖4所示。

圖3 侵入識(shí)別系統(tǒng)報(bào)警記錄 圖4 侵入識(shí)別系統(tǒng)報(bào)警

5 結(jié) 語(yǔ)

①任意設(shè)置輸電線路安全距離，如220 kV（下轉(zhuǎn)62頁(yè)）（上接60頁(yè)）線路的實(shí)際安全距離是6 m，該項(xiàng)目可以將該報(bào)警區(qū)域擴(kuò)大到7 m，在大型器械，比如塔吊、水泥泵車、大型汽車吊車等危險(xiǎn)物進(jìn)入該報(bào)警區(qū)域，但是還沒(méi)有完全達(dá)到6 m實(shí)際安全距離前，自動(dòng)識(shí)別，并主動(dòng)報(bào)警。

②將被動(dòng)處理輸電線路危險(xiǎn)源點(diǎn)的現(xiàn)狀轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)防范。本論文倡導(dǎo)的是防范為主，在危險(xiǎn)源點(diǎn)線路將要達(dá)到安全距離前，并且有異常物體入侵的時(shí)候，現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)給出聲光報(bào)警，同時(shí)并將該時(shí)刻圖片發(fā)送到運(yùn)維人員手持設(shè)備上。

③解決惡劣天氣和夜間輸電線路的安全防護(hù)。傳統(tǒng)防范輸電線路安全的手段，很難在惡劣環(huán)境和夜間起到實(shí)際的防護(hù)作用，該項(xiàng)目通過(guò)亮點(diǎn)檢測(cè)等算法實(shí)現(xiàn)惡劣天氣和夜間的主動(dòng)防護(hù)。

④算法模型的自學(xué)習(xí)技術(shù)。能在7X24環(huán)境下，不受天氣、陽(yáng)光等外界自然界變化而影響。

⑤實(shí)現(xiàn)“由外向內(nèi)、由遠(yuǎn)到近”自動(dòng)形成輸電線路多層保護(hù)層（隔離層、警告層、報(bào)警層）。當(dāng)危險(xiǎn)物體進(jìn)入隔離層時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)給予“您已入侵保電區(qū)域，請(qǐng)離開”聲光報(bào)警信號(hào)，同時(shí)向線路運(yùn)維人員發(fā)送信息。當(dāng)危險(xiǎn)物體進(jìn)入警告層時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)給予“您已入侵保電區(qū)域，有觸電危險(xiǎn)，請(qǐng)立即離開”聲光報(bào)警信號(hào)，同時(shí)向線路運(yùn)維人員、業(yè)主方發(fā)送信息。當(dāng)危險(xiǎn)物體進(jìn)入報(bào)警層時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)給予“您已入侵保電區(qū)域最后警戒線，有觸電危險(xiǎn)，請(qǐng)立即離開聲光報(bào)警信號(hào)”，現(xiàn)場(chǎng)并拉響現(xiàn)場(chǎng)警報(bào)，同時(shí)向線路運(yùn)維人員、業(yè)主方、施工駕駛員發(fā)送警報(bào)信息。

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