基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)理念的電力工作現(xiàn)場安全遠(yuǎn)程稽查系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用

姚錦松1，周偉績1，印 欣，劉博文

(1.石河子大學(xué)機(jī)電學(xué)院，新疆 石河子 832003；2.國網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830011)

0 引 言

目前，電力施工現(xiàn)場安全督查[1]主要采取“人盯人”及固定視頻等方式，依靠人工監(jiān)察來發(fā)現(xiàn)違章及稽查。雖然部分變電站內(nèi)設(shè)置有工作記錄儀[2]監(jiān)察方式，但使用時(shí)需通過工作站進(jìn)行手動(dòng)導(dǎo)入上傳，錄像文件與工作任務(wù)需手動(dòng)關(guān)聯(lián)，使用過程中數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性差，操作繁瑣，系統(tǒng)功能不穩(wěn)定。隨著電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展，生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場持續(xù)增加，特別是小型分散作業(yè)現(xiàn)場越來越多，生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境越來越復(fù)雜，使得作業(yè)現(xiàn)場安全生產(chǎn)管控任務(wù)越來越艱巨，給安全監(jiān)督人員帶來了很多問題，傳統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)察模式已不能適用和滿足現(xiàn)在的稽查要求。

針對現(xiàn)有的現(xiàn)場作業(yè)監(jiān)察困難和安全督查繁瑣等問題，國內(nèi)外研究學(xué)者開展了一系列研究，提出了一些方法。文獻(xiàn)[3-4]基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的現(xiàn)場作業(yè)安全管控技術(shù)，對現(xiàn)場工作關(guān)鍵環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)督；文獻(xiàn)[5-7]探討了不同場景所采集到的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)物體信息并實(shí)時(shí)跟蹤檢測和分析，并將視頻信息實(shí)時(shí)上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控上；文獻(xiàn)[8-9]提出了基于云計(jì)算在視頻監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用。然而，基于電力物聯(lián)網(wǎng)，采用物聯(lián)式監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)管控新模式，應(yīng)用數(shù)云融合技術(shù)對生產(chǎn)作業(yè)可視化系統(tǒng)建設(shè)的研究較少。

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，其在電力行業(yè)的應(yīng)用也不斷深入，對電力系統(tǒng)發(fā)展的影響也越來越大。2019年，國家電網(wǎng)有限公司首次提出了要大力推進(jìn)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，并以此推動(dòng)電力系統(tǒng)向更高層次和技術(shù)水平發(fā)展。下面結(jié)合電力施工現(xiàn)場安全監(jiān)督，采用4G便攜式移動(dòng)終端，搭建安全遠(yuǎn)程稽查[10]平臺(tái)，建立新型監(jiān)控稽查分析系統(tǒng)，將“云-管-邊-場-端”的模式在電力施工現(xiàn)場安全監(jiān)察上進(jìn)行了深度應(yīng)用和實(shí)踐。設(shè)計(jì)并搭建一種生產(chǎn)作業(yè)可視化監(jiān)控系統(tǒng)，即基于電力物聯(lián)網(wǎng)的電力工作現(xiàn)場安全遠(yuǎn)程稽查系統(tǒng)，能夠提升生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場安全風(fēng)險(xiǎn)管控能力，對安全策略決策起到導(dǎo)向輔助作用，提高現(xiàn)場安全管控效率及質(zhì)量。

1 電力工作現(xiàn)場安全遠(yuǎn)程稽查系統(tǒng)建設(shè)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)架

電力工作現(xiàn)場安全遠(yuǎn)程稽查系統(tǒng)是應(yīng)用電力泛在物聯(lián)網(wǎng)的理念，以現(xiàn)場作業(yè)人員安全為目標(biāo)，依托現(xiàn)代通信技術(shù)，通過遠(yuǎn)程稽查手段，實(shí)現(xiàn)人員的違章警告和管控。構(gòu)建了以工作記錄儀(警務(wù)通和布控球)移動(dòng)終端設(shè)備的感知層，以無線專網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建了傳輸網(wǎng)絡(luò)層，以大量現(xiàn)場作業(yè)視頻數(shù)據(jù)構(gòu)建的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫和分析系統(tǒng)為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場作業(yè)違章行為的分析與實(shí)時(shí)警示和告知，系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程稽查系統(tǒng)構(gòu)架

通過移動(dòng)終端的物聯(lián)卡的信息大數(shù)據(jù)分析，挖掘移動(dòng)終端設(shè)備的位置信息、運(yùn)行狀態(tài)信息、視頻流量信息，從而智能分析使用狀況和使用效率。通過數(shù)據(jù)附加信息的關(guān)聯(lián)分析，實(shí)現(xiàn)對一次、二次設(shè)備現(xiàn)場數(shù)據(jù)的挖掘、檢修輔助決策、現(xiàn)場安全輔助關(guān)聯(lián)等應(yīng)用。

建立違章行為的人工智能分析檢測樣本庫，通過大量的專家研判智能分析，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的人工智能行為決策。分析框圖如圖2所示。

圖2 遠(yuǎn)程稽查系統(tǒng)人工智能分析框架

基于信息安全內(nèi)外網(wǎng)隔離管控管理要求，建設(shè)了內(nèi)外網(wǎng)與專網(wǎng)的信息交互，通過安全接入平臺(tái)[11]實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)場終端采用了基于4G物聯(lián)網(wǎng)卡的現(xiàn)場工作記錄儀(警務(wù)通、布控球)，通過無線和有線網(wǎng)絡(luò)，采用類VPN技術(shù)[12]和數(shù)據(jù)隔離技術(shù)[13]的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)信息的安全接入。在專網(wǎng)視頻監(jiān)察系統(tǒng)查看實(shí)時(shí)現(xiàn)場工作視頻，同時(shí)將歷史錄像數(shù)據(jù)在前置服務(wù)器加密后通過安全接入平臺(tái)傳輸至信息內(nèi)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)錄像數(shù)據(jù)與PMS任務(wù)數(shù)據(jù)的相互關(guān)聯(lián)，遠(yuǎn)程稽查系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.2 工作現(xiàn)場安全遠(yuǎn)程稽查系統(tǒng)與現(xiàn)有生產(chǎn)作業(yè)管理系統(tǒng)的互聯(lián)互通模式

為了便于安全稽查人員的決策判斷，將施工作業(yè)現(xiàn)場視頻信息與現(xiàn)場工作任務(wù)一一對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)記管控。將生產(chǎn)作業(yè)管理系統(tǒng)(PMS2.0)中的工作作業(yè)任務(wù)鏡像到工作現(xiàn)場安全遠(yuǎn)程稽查系統(tǒng)中，定時(shí)同步的任務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)起，由工作現(xiàn)場安全遠(yuǎn)程稽查系統(tǒng)通過安全接入平臺(tái)，將任務(wù)逐一對應(yīng)下發(fā)到移動(dòng)終端工作記錄儀(警務(wù)通和布控球)上，實(shí)現(xiàn)任務(wù)的派發(fā)對應(yīng)。

圖3 遠(yuǎn)程稽查系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

現(xiàn)場移動(dòng)終端工作記錄儀在工作時(shí)，自動(dòng)啟用任務(wù)單，實(shí)現(xiàn)視頻信息與工作任務(wù)單的逐一對應(yīng)，在現(xiàn)場工作記錄儀(警務(wù)通和布控球)上進(jìn)行視頻的實(shí)時(shí)查詢和查看。工作任務(wù)完成后，工作記錄儀會(huì)通過虛擬無線專網(wǎng)，自動(dòng)將視頻信息反饋給安全遠(yuǎn)程稽查系統(tǒng)，再次一一對應(yīng)。通過訪問安全遠(yuǎn)程稽查系統(tǒng)平臺(tái)，進(jìn)行視頻信息稽查，發(fā)現(xiàn)并解決存在的問題。此互聯(lián)互通模式能夠徹底擺脫使用過程中視頻與工作任務(wù)手動(dòng)關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)傳輸對應(yīng)性差、無法標(biāo)記對應(yīng)審查等問題，節(jié)約大量人力和物力。任務(wù)數(shù)據(jù)交互如圖4所示。

圖4 任務(wù)數(shù)據(jù)交互

1.3 不同移動(dòng)終端、不同網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商、不同處理系統(tǒng)的工作現(xiàn)場安全遠(yuǎn)程稽查系統(tǒng)互聯(lián)互通模式

由于現(xiàn)場移動(dòng)終端工作記錄儀(警務(wù)通和布控球)存在大量生產(chǎn)廠家，其管控平臺(tái)和通訊協(xié)議不同。此外，目前移動(dòng)、電信、聯(lián)通三大運(yùn)營商的物聯(lián)網(wǎng)信息管控模式有所區(qū)別。為適應(yīng)不同移動(dòng)終端廠家和三大運(yùn)營商信息傳輸模式，安全遠(yuǎn)程稽查系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)采用兩級分布式部署模式，通過虛擬無線專網(wǎng)接入工作記錄儀和安全接入平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，形成“云-管-邊-場-端” 架構(gòu)。同時(shí)，基于云網(wǎng)融合技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化接口，實(shí)現(xiàn)終端的多樣性接入和平臺(tái)的能力共享，以達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。遠(yuǎn)程稽查系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互如圖5所示。

2 電力工作現(xiàn)場安全遠(yuǎn)程稽查系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)智能分析

采用計(jì)算機(jī)視覺和人工智能[14]相關(guān)技術(shù)，對劃定的作業(yè)安全區(qū)域，實(shí)現(xiàn)區(qū)間定位和工作人員的越限告警；通過特征提取和目標(biāo)檢測[15]等方式，對運(yùn)維人員的安全防護(hù)措施進(jìn)行檢測和監(jiān)督，并對設(shè)備進(jìn)行安全檢測。

通過智能化安全管控，輔助安全監(jiān)督人員開展變電站作業(yè)監(jiān)督，有效解決稽查人力不足和無法覆蓋全部作業(yè)面的問題。人工智能化分析框圖如圖2所示。

針對視頻數(shù)據(jù)，研究用計(jì)算機(jī)視覺和深度學(xué)習(xí)模型，來進(jìn)行變電站違章預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)管控；基于人臉識(shí)別和深度特征提取方法，完成對工作人員的安全管控，并分析作業(yè)人員的行為是否符合規(guī)范。再經(jīng)過后臺(tái)軟件整合各類數(shù)據(jù)分析后，將違規(guī)操作的相關(guān)信息進(jìn)行發(fā)布。為安全督查人員實(shí)時(shí)監(jiān)督點(diǎn)多面廣的作業(yè)現(xiàn)場提供支撐，擴(kuò)大了現(xiàn)場安全管控范圍，提升了現(xiàn)場安全管控效率及質(zhì)量。安全帽的特征向量提取圖以及其他稽查違規(guī)操作示意圖如圖6、圖7所示。

2.2 數(shù)云融合的物聯(lián)數(shù)據(jù)輔助分析

物聯(lián)網(wǎng)卡具有大量可利用數(shù)據(jù)[16]，包括設(shè)備上線時(shí)間、時(shí)長、工作地點(diǎn)、工作任務(wù)和工作內(nèi)容以及關(guān)聯(lián)工作人員。當(dāng)移動(dòng)設(shè)備終端開機(jī)后，物聯(lián)網(wǎng)卡會(huì)將設(shè)備上線時(shí)間、地理位置和使用人等信息上傳至后臺(tái)。后臺(tái)服務(wù)器利用特征提取、數(shù)據(jù)挖掘等大數(shù)據(jù)技術(shù)，對物聯(lián)網(wǎng)卡產(chǎn)生的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，判斷作業(yè)人員是否按時(shí)到位、是否在指定的工作范圍內(nèi)工作等內(nèi)容，同時(shí)還可以對數(shù)據(jù)再次分析，發(fā)掘安全生產(chǎn)工作的潛在影響和風(fēng)險(xiǎn)。數(shù)云融合的物聯(lián)數(shù)據(jù)輔助分析，有效提升生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場感知能力及源頭治理能力，擺脫了安全生產(chǎn)管控僅依靠人力的傳統(tǒng)方式，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)工作智能化統(tǒng)計(jì)及輔助決策。

圖5 遠(yuǎn)程稽查系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互

圖6 對安全帽的特征向量提取

圖7 人工智能稽查違章操作

2.3 輔助功能拓展應(yīng)用

現(xiàn)場安全培訓(xùn)是給有經(jīng)驗(yàn)或無經(jīng)驗(yàn)的受訓(xùn)者傳授其完成某種行為所需的思維認(rèn)知、基本知識(shí)和技能的過程。通過培養(yǎng)加訓(xùn)練使受訓(xùn)者掌握某種技能的方式，達(dá)到統(tǒng)一的科學(xué)技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)；并通過目標(biāo)規(guī)劃設(shè)定、知識(shí)和信息傳遞、技能熟練演練、作業(yè)達(dá)成評測、結(jié)果交流公告等現(xiàn)代信息化的流程，讓受訓(xùn)者通過一定的教育訓(xùn)練技術(shù)手段，提升個(gè)人能力和工作效率。

該系統(tǒng)通過大量的視頻信息的人工智能輔助決策分析，對身邊人、身邊事的違章行為進(jìn)行講解分析，從而達(dá)到對人員的培訓(xùn)和教育，另外也達(dá)到現(xiàn)場作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化教育培訓(xùn)的目的。

3 結(jié) 語

基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)理念的電力工作現(xiàn)場安全遠(yuǎn)程稽查系統(tǒng)建設(shè)，采用“云-管-邊-場-端”的模式，應(yīng)用4G專網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)卡的便攜式移動(dòng)終端搭建安全稽查遠(yuǎn)程平臺(tái)，建立了新型監(jiān)控分析系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)的互聯(lián)互通，擺脫了使用過程中視頻與工作任務(wù)需手動(dòng)關(guān)聯(lián)、數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性差、操作繁瑣等問題。同時(shí)，通過大數(shù)據(jù)智能分析和數(shù)云融合的物聯(lián)網(wǎng)輔助分析，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)違章稽查監(jiān)管和自動(dòng)違章判別及到崗到位履職監(jiān)察，有效提升了生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場感知能力、監(jiān)控能力及源頭安全管控治理能力，實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)工作智能化統(tǒng)計(jì)及輔助決策。

所建系統(tǒng)面向安全監(jiān)督及生產(chǎn)現(xiàn)場人員，操作簡便、適用性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了對于生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場透明化的在線實(shí)時(shí)安全監(jiān)控，極大提升了生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場安全風(fēng)險(xiǎn)管控能力，對現(xiàn)場安全風(fēng)險(xiǎn)降低作用明顯，能夠有力助推安全生產(chǎn)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。