架空輸電線路防大型機(jī)械施工破壞裝置設(shè)計(jì)

許海源 裴慧坤 陳城 陳永德 曾臻

摘? 要：針對(duì)架空輸電線路下大型機(jī)械設(shè)備線下施工外力破壞引發(fā)線路斷裂、短路事故頻發(fā)的問題進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出一套有效的防大型機(jī)械施工破壞的輸電線路監(jiān)控裝置，以期能夠有效減少或消除大型機(jī)械施工破壞事故，提高輸電線路安全運(yùn)行和智能化管理水平。將視頻識(shí)別技術(shù)、北斗導(dǎo)航以及近線電磁感應(yīng)等技術(shù)組成的多通道視頻采集分析終端和近線識(shí)別設(shè)備，通過視頻分析和近線監(jiān)測(cè)對(duì)大型施工機(jī)械進(jìn)行協(xié)同監(jiān)控。由視頻分析和近線監(jiān)測(cè)構(gòu)成的協(xié)同監(jiān)控裝置從多角度獲取機(jī)械設(shè)備的位置及狀態(tài)信息，能夠很好地適應(yīng)架空輸電線路下大型機(jī)械施工場(chǎng)景的復(fù)雜性，對(duì)架空輸電線路下大型機(jī)械進(jìn)行有效的監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：架空輸電線路? 大型機(jī)械? 視頻分析? 電磁感應(yīng)? 協(xié)同監(jiān)控

架空輸電線路由于架設(shè)位置和運(yùn)行條件的特殊性，其遭受大型機(jī)械入侵破壞的行為發(fā)生周期短、重復(fù)性高、突發(fā)性強(qiáng)，架空輸電線下施工監(jiān)管存在許多不確定性。對(duì)于諸多已經(jīng)報(bào)備的施工黑點(diǎn)，往往出現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)備數(shù)量超出報(bào)備的數(shù)量，脫離管理，輸電線路線廊下方存在眾多的大型機(jī)械施工設(shè)備，隨時(shí)都可能闖入高壓導(dǎo)線安全距離。例如吊臂車、打樁機(jī)、翻斗車，運(yùn)行過程中其位置和速度隨時(shí)會(huì)改變，威脅高壓導(dǎo)線。目前國內(nèi)外研究用于架空線路的裝置大多是架空線路的巡視與檢修，基于鐵塔或?qū)Ь€攀爬行走，無針對(duì)防大型機(jī)械施工的防外力破壞裝置研究。架空輸電線下施工中，通常采用傳統(tǒng)人工巡檢、視頻監(jiān)控等形式掌握的信息較為滯后，且全是被動(dòng)接收，無法起到及時(shí)、主動(dòng)的防護(hù)作用。主流的防外力破壞主要采取在線監(jiān)測(cè)的方式，例如，2016年廣東電網(wǎng)佛山供電局對(duì)輸電線路防外力破壞預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行研究，開發(fā)了基于圖像識(shí)別技術(shù)、微信平臺(tái)二次開發(fā)技術(shù)所集成的智能輸電線路在線監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全天不間斷智能監(jiān)控施工黑點(diǎn)，保證線路安全，但是該裝置僅用于隱患的跟蹤。

因此，該文設(shè)計(jì)一種基于視頻識(shí)別技術(shù)與智能分析、北斗導(dǎo)航以及近線電磁感應(yīng)等技術(shù)組成的多通道視頻采集分析終端和近線識(shí)別設(shè)備。通過視頻分析和近線監(jiān)測(cè)對(duì)大型施工機(jī)械進(jìn)行協(xié)同監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型機(jī)械外力隱患的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)大型機(jī)械位置的判斷，對(duì)于進(jìn)入高壓線下保護(hù)區(qū)的大型機(jī)械及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，提醒現(xiàn)場(chǎng)施工人員注意施工安全，及時(shí)調(diào)整機(jī)械設(shè)備的操作范圍，避免事故的出現(xiàn);同時(shí)發(fā)送遠(yuǎn)程報(bào)警信息，及時(shí)通知線路運(yùn)行維護(hù)人員。

1? 總體方案設(shè)計(jì)

架空輸電線路防大型機(jī)械破壞裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo)是針對(duì)線下施工場(chǎng)景，對(duì)吊車、水泥泵車等施工機(jī)械以及其他違章行為而引發(fā)的外力破壞事故進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保護(hù)輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)應(yīng)具備實(shí)時(shí)感測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)警告、遠(yuǎn)程預(yù)警、后臺(tái)管理、易使用維護(hù)等功能。

針對(duì)架空線路線下施工現(xiàn)場(chǎng)具有復(fù)雜性和不確定性的特點(diǎn)，工地機(jī)械設(shè)備的細(xì)節(jié)監(jiān)測(cè)，采用布置在施工機(jī)械最高位置的北斗定位和近線感應(yīng)識(shí)別器，該文設(shè)計(jì)的架空輸電線路防大型機(jī)械破壞裝置采用模塊化的組合式設(shè)計(jì)，主要由視頻監(jiān)控終端、近線感應(yīng)設(shè)備和遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)3個(gè)部分組成，如圖1所示。

該裝置能通過視頻圖像采集和智能分析，準(zhǔn)確計(jì)算和定位施工工區(qū)的施工設(shè)備數(shù)量及其種類，并核對(duì)報(bào)備的數(shù)量，排查超量、超種類進(jìn)入的可能性。

通過近線感應(yīng)設(shè)備精確識(shí)別各臺(tái)施工設(shè)備與高壓導(dǎo)線之間的距離，并實(shí)時(shí)的回報(bào)給現(xiàn)場(chǎng)操作人員及管理人員，及時(shí)制止事故發(fā)生。

通過遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，判斷施工工地的運(yùn)行情況。并對(duì)違規(guī)的工地可以準(zhǔn)確識(shí)別，為下一步管理做準(zhǔn)備。

2? 裝置設(shè)計(jì)方案

2.1 視頻監(jiān)控終端

視頻監(jiān)控終端是多通道視頻采集分析設(shè)備，它主要對(duì)輸電線路通道下方的施工工地進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)無盲區(qū)監(jiān)控，它主要包含視頻采集模塊、供電部分模塊和智能分析模塊3個(gè)部分，視頻采集模塊包含固定攝像頭和動(dòng)態(tài)光學(xué)變焦鏡頭，如圖2、圖3所示，通過固定攝像頭對(duì)工地全局進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過高倍率光學(xué)鏡頭實(shí)現(xiàn)對(duì)工地現(xiàn)場(chǎng)的施工機(jī)械細(xì)節(jié)監(jiān)測(cè);供電部分模塊根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景可以支持AC220V供電或太陽能供電;智能分析模塊支持基于深度學(xué)習(xí)的視覺分析和基于北斗位置及近線感應(yīng)傳感器的機(jī)械設(shè)備與導(dǎo)線位置分析。

設(shè)備提供兩個(gè)獨(dú)立的成像通道，如圖4所示，一個(gè)為固定焦距4.5mm的鏡頭，其鏡頭的水平視角為：78.6°，垂直視角為：58°（見表1），配合1600萬像素的傳感器可以以采集到視角非常廣同時(shí)畫面清晰度非常高的視頻圖像，用于采集輸電線路通道的固定場(chǎng)景。另一個(gè)選擇6～240mm的變焦鏡頭，提供視場(chǎng)角有6～140mm的變化范圍（見表2），配合水平、垂直電機(jī)的動(dòng)作，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控場(chǎng)景的放大。滿足一個(gè)三維立體空間的監(jiān)控。

如圖4所示的監(jiān)控通道分布中，一個(gè)定焦攝像頭始終觀測(cè)輸電線路通道獲取到的是一個(gè)全局不變的監(jiān)控畫面;另一個(gè)可變焦鏡頭根據(jù)AI識(shí)別結(jié)果自動(dòng)放大縮小觀測(cè)全局和局部視頻?？梢栽陔娏亢土髁肯牟蛔兊那闆r下達(dá)到更高的監(jiān)控效率。

利用設(shè)備能監(jiān)控全局的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)在定焦鏡頭的全局畫面中實(shí)現(xiàn)對(duì)可變焦鏡頭的控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位跟蹤放大功能。其自動(dòng)控制的處理流程如下。

識(shí)別全局畫面中的目標(biāo)區(qū)域→{視頻處理CPU（計(jì)算機(jī)三維空間位置）}→{（水平電機(jī)動(dòng)作）（垂直電機(jī)動(dòng)作）（鏡頭變倍動(dòng)作）}架空輸電線路防外破圖像監(jiān)控裝置內(nèi)部處理器，同時(shí)處理3個(gè)視頻、圖像采集傳感器，設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。

視頻處理CPU單元內(nèi)置兩個(gè)ISP視頻圖像處理單元，同時(shí)支持兩個(gè)視頻圖像sensor接入，可以同時(shí)生成連個(gè)獨(dú)立的視頻圖像內(nèi)容。用于監(jiān)控架空輸電線路下方的工地全局。視頻處理CPU單元內(nèi)置AI人工處理模塊，通過深度學(xué)習(xí)算法識(shí)別工地內(nèi)的大型施工機(jī)械，統(tǒng)計(jì)數(shù)量。

可變焦部分鏡頭包含成像模塊、光學(xué)變焦模塊、視頻編碼壓縮模塊，提供架空輸電線路下方工地內(nèi)的機(jī)械設(shè)備的識(shí)別后的細(xì)節(jié)跟蹤。

2.2 近線感應(yīng)設(shè)備

近線感應(yīng)設(shè)備主要由供電模塊、北斗定位模塊、交流導(dǎo)線近線識(shí)別模塊和現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警模塊組成，如圖6所示。通過北斗定位施工機(jī)械的經(jīng)緯度，識(shí)別與導(dǎo)線之間的水平位置關(guān)系;通過北斗定位的高程位置，識(shí)別與導(dǎo)線之間的距離;通過交流導(dǎo)線近線識(shí)別傳感器偵測(cè)近線位置;通過現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警提醒施工人員主要操作安全，避免引起不可挽回的事故發(fā)生。

LoRa是semtech公司創(chuàng)建的低功耗局域網(wǎng)無線標(biāo)準(zhǔn)，低功耗一般很難覆蓋遠(yuǎn)距離，LoRa的名字就是遠(yuǎn)距離無線電（Long Range Radio），它最大特點(diǎn)就是在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一，它在同樣的功耗下比傳統(tǒng)的無線射頻通信距離擴(kuò)大3～5倍。

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)

遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)是基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的管控后臺(tái)，后臺(tái)基于互聯(lián)網(wǎng)，能根據(jù)不同設(shè)備、不能同的隱患點(diǎn)設(shè)備子不同的預(yù)警策略，同時(shí)將預(yù)警圖片推送給對(duì)應(yīng)的設(shè)備管理人，其具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)配置、用戶管理、歷史查詢、應(yīng)急預(yù)案、電話調(diào)度的功能。根據(jù)功能需求，預(yù)警平臺(tái)軟件包括4個(gè)部分：數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)輸出和數(shù)據(jù)顯示。數(shù)據(jù)獲取接收來自現(xiàn)場(chǎng)告警終端通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸過來的數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)分析用于保存和分析獲取的報(bào)警數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)顯示用于將數(shù)據(jù)分析出的數(shù)據(jù)在平臺(tái)軟件界面上顯示出來;預(yù)警輸出用于監(jiān)控中心以交互形式向管理人員以短信形式下發(fā)預(yù)警信息。

3? 結(jié)語

通過上文描述的架空輸電線路電線路防外破圖像監(jiān)控裝置能有效地監(jiān)控輸電線路通道、桿塔本體及周邊的桿塔。通過一機(jī)多視頻通道及“鷹眼”視頻控制方式、預(yù)存臨近桿塔位置的方式可以有效地提高輸電線路的監(jiān)控，從而保證輸電線路的安全，是值得大力推廣的。如果能配合視頻圖像的智能視覺識(shí)別，其監(jiān)控效率還會(huì)更高。不過深度學(xué)習(xí)的智能分析算法還在起步階段，隨著算法的日趨成熟、無盲區(qū)的無人值守監(jiān)控需求越來越大，未來的應(yīng)用一定會(huì)普及、更高效、更精準(zhǔn)。

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