變電站自動(dòng)巡檢管控系統(tǒng)研究與應(yīng)用

嚴(yán)太山，鄭曉瓊，呂雪峰，柴宏博，占曉友，王守明

（國(guó)網(wǎng)安徽檢修分公司，安徽 合肥230061）

隨著電網(wǎng)設(shè)備規(guī)模化、智能化的發(fā)展，電力運(yùn)維、檢修作業(yè)正逐步呈現(xiàn)出作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、作業(yè)技術(shù)難度高、工作面廣的形態(tài)[1-2]，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的巡檢管控難度也進(jìn)一步升級(jí)。在復(fù)雜的多點(diǎn)作業(yè)中，作業(yè)人員容易出現(xiàn)誤入帶電間隔、誤闖非工作區(qū)域等安全違章行為，造成工作班成員在作業(yè)過程中失去安全監(jiān)護(hù)，可能導(dǎo)致人身傷亡、電網(wǎng)設(shè)備跳閘等，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來重大威脅[3-5]。安全生產(chǎn)是電力行業(yè)的重中之重，當(dāng)前電力安全生產(chǎn)正面臨著更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，在這種新的安全生產(chǎn)形勢(shì)下，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)人員的位置和行為進(jìn)行跟蹤監(jiān)視，對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程全方位安全監(jiān)護(hù)，這對(duì)提高電網(wǎng)巡檢管控的智能化水平、保障電網(wǎng)安全可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

現(xiàn)階段，各變電站為滿足安全生產(chǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)控信息化工作需要，已建成較為完善的變電站網(wǎng)絡(luò)高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)[6]。但現(xiàn)有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)管理應(yīng)用方面尚有局限性，沒有充分發(fā)揮現(xiàn)有的視頻技術(shù)的作用。其具體表現(xiàn)為：第一，視頻監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行仍需人工實(shí)時(shí)查看，缺少視頻智能化應(yīng)用。第二，視頻監(jiān)控系統(tǒng)與電網(wǎng)業(yè)務(wù)相對(duì)孤立，無法融合。目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)控，且僅具備實(shí)時(shí)觀看功能，無法與電網(wǎng)業(yè)務(wù)相互融合。第三，視頻監(jiān)控系統(tǒng)存儲(chǔ)錄像數(shù)據(jù)巨大，人工回放錄像取證效率低下。對(duì)于特定目標(biāo)的追溯往往需要通過大量的人工對(duì)所有錄像瀏覽來實(shí)現(xiàn)，往往存在漏檢情況?？梢?，目前變電站視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)僅停留于設(shè)備和環(huán)境監(jiān)測(cè)，既制約了監(jiān)控設(shè)備的智能化水平，限制了設(shè)備資產(chǎn)利用率，也沒有考慮監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與電網(wǎng)管控業(yè)務(wù)的融合。

電網(wǎng)作業(yè)智能巡檢管控平臺(tái)通過利用變電站現(xiàn)有的站內(nèi)高清視頻監(jiān)控設(shè)備，結(jié)合智能視頻跟蹤算法，實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)跟蹤、禁區(qū)闖入自動(dòng)判別，用計(jì)算機(jī)視覺解決作業(yè)過程的巡檢管控問題。通過智能視頻跟蹤算法在電網(wǎng)作業(yè)巡檢管控中的實(shí)際應(yīng)用，有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)作業(yè)人員全過程監(jiān)護(hù)、作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)全方位管控、作業(yè)設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)采集、作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提升作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)巡檢管控力度，保障作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)巡檢管控質(zhì)量，全面推進(jìn)電網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)“全面、全過程、全方位”的巡檢管控。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

變電站自動(dòng)巡檢管控系統(tǒng)框架如圖1 所示。前端采集層是安裝分布在變電站設(shè)備區(qū)域和各保護(hù)小室內(nèi)的帶人工智能識(shí)別功能的高清攝像頭，傳輸層為帶POE 接口的網(wǎng)盤錄像機(jī)（NVR, network video recorder），站控層部署有云端控制中心和信息儲(chǔ)備數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖1 變電站自動(dòng)巡檢管控系統(tǒng)框架圖

1.1 高清自動(dòng)跟蹤攝像頭

采集層設(shè)備采用具有人工智能識(shí)別的高清攝像頭，通過充分考慮變電站現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，研究攝像機(jī)參數(shù)、攝像機(jī)性能、抗干擾功能，選取安格華500 萬高清抓拍、具備AI 人形自動(dòng)追蹤功能的高清攝像頭，該攝像頭采用H.265 編碼，具有占用帶寬小、占用存儲(chǔ)空間少的優(yōu)勢(shì)。

1.2 網(wǎng)盤錄像機(jī)NVR

通過比較各類型的NVR在經(jīng)濟(jì)性、安全性、兼容性等多個(gè)指標(biāo)，最終選取型號(hào)為DS-7808NBK18P 海康威視POE 網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)。該NVR 支持48 V標(biāo)準(zhǔn)的POE供電模式，將供電和聯(lián)網(wǎng)功能合二為一，通過內(nèi)置POE控制芯片，自動(dòng)監(jiān)測(cè)識(shí)別POE設(shè)備，且具備多種存儲(chǔ)方式，安全性能較佳，傳輸距離可達(dá)數(shù)百米。

1.3 云端控制中心

云端控制中心通過以太網(wǎng)部署在服務(wù)器上。攝像機(jī)通過云端控制中心的算法完成機(jī)器訓(xùn)練，采集施工現(xiàn)場(chǎng)的含有作業(yè)人員的視頻信息，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)時(shí)輸出至云端控制中心并保存數(shù)據(jù)到信息儲(chǔ)備數(shù)據(jù)庫(kù)，云端控制中心通過傳送的視頻信息，跟蹤作業(yè)人員的運(yùn)動(dòng)軌跡，計(jì)算其是否在給定施工區(qū)域內(nèi)，判斷其是否規(guī)范作業(yè)。

1.4 信息儲(chǔ)備數(shù)據(jù)庫(kù)

在對(duì)前端高清攝像頭運(yùn)用算法進(jìn)行機(jī)器訓(xùn)練后，機(jī)器訓(xùn)練的施工現(xiàn)場(chǎng)樣圖就被存儲(chǔ)至信息儲(chǔ)備數(shù)據(jù)庫(kù)。

由于攝像機(jī)前端存儲(chǔ)空間有限，攝像機(jī)監(jiān)控的歷史錄像也通過傳輸網(wǎng)絡(luò)傳至信息存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過云端控制中心訪問信息存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行歷史錄像查詢和瀏覽。

2 算法實(shí)現(xiàn)

視頻目標(biāo)跟蹤算法[7-10]作為被動(dòng)跟蹤方式，目前已廣泛應(yīng)用于機(jī)器人巡檢、視頻稽查、人機(jī)交互、安全管控及聯(lián)動(dòng)報(bào)警等領(lǐng)域[11-13]。視頻目標(biāo)跟蹤致力于以計(jì)算機(jī)視覺解決目標(biāo)位置軌跡問題，其原理是通過給定視頻圖像中初始幀的目標(biāo)位置框，在后續(xù)視頻序列中自動(dòng)鎖定和分析出目標(biāo)的實(shí)時(shí)位置框。視頻目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)，一般可劃分為初始化、外觀模型、運(yùn)動(dòng)模型、位置確定4 個(gè)部分，其中外觀模型和運(yùn)動(dòng)模型是視頻目標(biāo)跟蹤算法的核心，模型的適用度直接決定了鎖定目標(biāo)視頻前后幀的關(guān)聯(lián)性分析是否能快速準(zhǔn)確的建立，同時(shí)也影響著追蹤輔助信息的質(zhì)量。

傳統(tǒng)目標(biāo)跟蹤算法基本流程如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)跟蹤算法的一般流程

在變電站實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中，由于現(xiàn)場(chǎng)電力設(shè)備眾多且各電壓等級(jí)區(qū)域均存在構(gòu)架或設(shè)備支柱，導(dǎo)致被鎖定目標(biāo)所處環(huán)境復(fù)雜，且由于目標(biāo)的移動(dòng)往往會(huì)產(chǎn)生遮擋、位置急劇變化等情形，導(dǎo)致影響追蹤的參數(shù)過多[14-15]，傳統(tǒng)的追蹤算法已不再適用。

本文采用基于深度學(xué)習(xí)理論的智能視頻跟蹤算法，通過對(duì)目標(biāo)施加強(qiáng)大的特征抽象提取和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行擬合，使智能視頻跟蹤算法能夠具有很好的魯棒性，可處理在復(fù)雜多變的變電站環(huán)境各種參數(shù)干擾帶來的問題。智能視頻跟蹤算法，通過提前對(duì)采集的室外現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員施工圖片進(jìn)行采樣機(jī)器學(xué)習(xí)，進(jìn)而對(duì)室外作業(yè)場(chǎng)景中的給定區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，具體流程如圖3所示。

圖3 智能視頻跟蹤算法流程

上述智能視頻跟蹤算法中，對(duì)于目標(biāo)是否在給定區(qū)域內(nèi)的判定方法主要根據(jù)目標(biāo)局部區(qū)域符合條件多邊形個(gè)數(shù)奇偶性而定。設(shè)定檢測(cè)得到的作業(yè)人員矩形框底邊中點(diǎn)為P0(x0,y0)，多邊形施工區(qū)域由點(diǎn)Mi(xi,yi)(i=1…N)確定，其邊分別為MiMi+1，統(tǒng)計(jì)N個(gè)邊當(dāng)中同時(shí)滿足如下規(guī)則的邊的個(gè)數(shù)：

若符合上式的多邊形邊的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，則表示點(diǎn)P0在多邊形內(nèi)，即表示作業(yè)人員在給定區(qū)域內(nèi)施工。

3 應(yīng)用效果

變電站自動(dòng)巡檢管控系統(tǒng)搭建完成后，分別在正常狀態(tài)下和存在環(huán)境干擾2 種情況下，分別對(duì)500 kV變電站內(nèi)500 kV、220 kV、35 kV 3個(gè)典型的不同電壓等級(jí)的設(shè)備區(qū)域隨機(jī)等量取點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，分析系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員工作區(qū)域非法越界判斷的情況。通過試驗(yàn)分析，正常狀態(tài)下和存在環(huán)境干擾下非法越界判斷的準(zhǔn)確率分別如圖4和圖5所示。

圖4 正常狀態(tài)下非法越界判斷準(zhǔn)確率

圖5 環(huán)境干擾下非法越界判斷準(zhǔn)確率

從圖4和圖5對(duì)比可以分析出，在環(huán)境干擾下非法越界判斷準(zhǔn)確率約為88.04%，比正常狀態(tài)下低約9.6個(gè)百分點(diǎn)。這是由于現(xiàn)場(chǎng)檢修作業(yè)環(huán)境中存在有大型吊車作業(yè)、設(shè)置硬圍欄、或者在變電站機(jī)器人聯(lián)合巡檢場(chǎng)景等環(huán)境因素干擾下，導(dǎo)致圖像智能識(shí)別的準(zhǔn)確率下降。

變電站實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，通過對(duì)人體特征元素的進(jìn)一步提取和優(yōu)化，并在前期圖片識(shí)別素材庫(kù)里增加多場(chǎng)景下的環(huán)境元素，提升前端高清攝像頭對(duì)不同場(chǎng)景下的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境智能識(shí)別性能。完成改善措施后，同樣選取500 kV 變電站內(nèi)500 kV、220 kV、35 kV 3個(gè)典型的不同電壓等級(jí)的場(chǎng)景下，再次在變電站現(xiàn)場(chǎng)存在環(huán)境干擾因素下，系統(tǒng)對(duì)變電站作業(yè)區(qū)域內(nèi)作業(yè)人員非法越界判斷發(fā)熱準(zhǔn)確率分析，如圖6所示。

采取改善措施后，在存在環(huán)境因素干擾下，非法越界判斷準(zhǔn)確率約為95.96%，相比改善前增加了7.9個(gè)百分點(diǎn)，改善后環(huán)境因素對(duì)系統(tǒng)非法越界判斷準(zhǔn)確性的影響程度減小。

圖6 改善后環(huán)境干擾對(duì)非法越界判斷準(zhǔn)確率影響

4 結(jié)論

本文通過將智能視頻跟蹤算法應(yīng)用于變電站作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)巡檢管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)目標(biāo)人員所在區(qū)域的實(shí)時(shí)檢測(cè)并追蹤目標(biāo)軌跡。實(shí)際應(yīng)用表明，在變電站作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、遮掩物多的背景下，變電站自動(dòng)巡檢管控系統(tǒng)對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)目標(biāo)人員非法越界的判斷準(zhǔn)確率均在95%以上，該系統(tǒng)應(yīng)用的可行性和判定的準(zhǔn)確性得到了驗(yàn)證。

通過使用變電站作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)巡檢管控系統(tǒng)，為電網(wǎng)作業(yè)實(shí)時(shí)不間斷的巡檢管控提供了技術(shù)平臺(tái)，在巡檢管控的勞動(dòng)強(qiáng)度降低的同時(shí)，管控質(zhì)量也得到了保障。變電站作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)巡檢管控系統(tǒng)可視為智能采集層面的局部物聯(lián)網(wǎng)，其應(yīng)用不僅提升了電網(wǎng)巡檢管控作業(yè)的智能化水平，也提高了巡檢工作效率，為今后推進(jìn)變電站無人值守模式奠定重要基礎(chǔ)。