變電站智能型激光驅(qū)鳥裝置的研究

沈瓊妹，吳碧海，王建勇，趙曉燕

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局，廣東珠海，519000）

0 引言

農(nóng)場、果園、風(fēng)力發(fā)電廠、軍民用機場等一切防止有害鳥類侵入而危害到自己勞動成果或設(shè)備安全的手段都叫驅(qū)鳥。隨著國內(nèi)外生態(tài)環(huán)境的改善，人們保護(hù)鳥類意識的提高，鳥類越來越多，這給世界航空、電力、農(nóng)業(yè)帶來了一定的難題。鳥類在電力設(shè)備上筑窩等活動會帶來很多潛在的安全隱患，如果鳥類的糞便，或筑窩所用樹枝、枯藤甚至是鐵絲等材料掉落在線路、運行設(shè)備上，極易引起短路或其他故障。[1]近年來，鳥類在變電站范圍內(nèi)活動對變電運行設(shè)備的危害日益突出，各地電網(wǎng)已發(fā)生多起因鳥害導(dǎo)致的設(shè)備跳閘或臨停事件。為了保護(hù)航空安全、農(nóng)場主的財產(chǎn)、電力安全等，人們采取了各種各樣的驅(qū)鳥措施，如驅(qū)鳥稻草人、充氣人、炮竹彈、爆音驅(qū)鳥、煤氣炮、驅(qū)鳥劑、驅(qū)鳥槍、驅(qū)鳥獵鷹、驅(qū)鳥車、探鳥雷達(dá)等。這些手段在應(yīng)用初期效果明顯，但隨著時間延長，鳥類逐漸適應(yīng)了這種環(huán)境，驅(qū)鳥效果漸漸降低，直到無驅(qū)鳥效果。[2]

本文主要提出一種智能激光型驅(qū)鳥裝置，結(jié)合鳥類生活習(xí)性和生理構(gòu)造，運用激光和仿生綜合驅(qū)鳥，達(dá)到長期、便捷驅(qū)鳥的目的，保護(hù)變電站運行設(shè)備，減少鳥害。

1 傳統(tǒng)驅(qū)鳥裝置特點

1.1 驅(qū)鳥劑

驅(qū)鳥劑通常是散發(fā)清香氣體的藥劑，它會釋放一種影響禽鳥中樞神經(jīng)系統(tǒng)的氣味，鳥類聞后會立即飛走，不再停留。[3]一般來說，驅(qū)鳥劑并不會對鳥類產(chǎn)生傷害。這類藥劑在使用時，先按比例用水稀釋，再噴涂于防鳥區(qū)域的物體表面上，以此產(chǎn)生作用。但遇上下雨天時，附著在防鳥區(qū)域物體表面上的驅(qū)鳥劑會隨著沖淡甚至洗刷掉，驅(qū)鳥效果基本沒有。在霧氣大的天氣，驅(qū)鳥劑的效果也會大大折扣。驅(qū)鳥劑一般藥效7天左右，需要人工定期噴灑驅(qū)鳥劑，費時費力。且驅(qū)鳥劑對地區(qū)的天氣條件要求較高，只適合空氣干燥地區(qū)?？偟膩碚f，驅(qū)鳥劑適用范圍較窄，受限性大。

1.2 智能語音驅(qū)鳥器

智能語音驅(qū)鳥器的作用原理就是：采用高端電子技術(shù)，結(jié)合仿生及聲音學(xué)原理，插語音芯片播放鳥類害怕的聲音達(dá)到驅(qū)趕鳥類目的。智能語音驅(qū)鳥器雖然應(yīng)用起來比驅(qū)鳥劑受限的范圍少，不依賴天氣，但鳥類聽覺敏銳，長期播放同一個語音并不能達(dá)到驅(qū)趕鳥類的效果。同時對音響喇叭要求較高，音源的選擇上也需要經(jīng)過很多研究、試驗來加以佐證。音源選擇錯誤，更是可能弄巧成拙，驅(qū)鳥反而變招鳥。而且，因為聲音種類有限，智能語音驅(qū)鳥器一般只用在短期驅(qū)趕鳥類上。

1.3 超聲波驅(qū)鳥器

超聲波驅(qū)鳥器，顧名思義，就是根據(jù)鳥類聽覺范圍大于人類聽覺范圍，利用一種強大的高功率超聲波脈沖對鳥類聽覺系統(tǒng)進(jìn)行有效的干擾和刺激，使其無法忍受，從而達(dá)到將鳥類驅(qū)除出超聲波作用范圍的目的。但超聲波不能穿透障礙物、方向性強、傳播距離短、衰減快等的特點，所以作用面積一般很小。想作用于諸如變電站這種范圍較大的地方，需要多個超聲波驅(qū)鳥器，費用較高。

1.4 風(fēng)力驅(qū)鳥器

利用微風(fēng)驅(qū)動，讓幾個深色盤片移動旋轉(zhuǎn)，達(dá)到恐嚇鳥兒的目的，有的在移動點增加反光片。[4]風(fēng)力驅(qū)鳥器對于環(huán)境的要求較高，依賴環(huán)境的風(fēng)速，風(fēng)速的大小都會影響風(fēng)力驅(qū)鳥器的作用效果，風(fēng)速大盤片轉(zhuǎn)得太快會降低效果，風(fēng)速小時轉(zhuǎn)動慢驅(qū)鳥效果又不佳。所以風(fēng)力驅(qū)鳥器一般用于空曠且風(fēng)速均勻的地方，才可以起到最大的效果。

風(fēng)力驅(qū)鳥器自帶旋轉(zhuǎn)功能，一般需要停電、高處安裝，其器械在室外自然環(huán)境的風(fēng)吹、日曬、雨淋等惡劣天氣作用下，老化明顯，長期運行時可靠性較低，維護(hù)、更換不便捷。而且，鳥類對于風(fēng)力驅(qū)鳥器反光片的光線有一定的適應(yīng)性，導(dǎo)致長期驅(qū)鳥效果不佳。[5]

1.5 驅(qū)鳥鷹

驅(qū)鳥鷹的作用原理是：結(jié)合仿生設(shè)計學(xué)和動物心理學(xué)而制作的“敵意鷹眼”可以讓害鳥產(chǎn)生強烈的恐懼感，避而遠(yuǎn)之，達(dá)到驅(qū)鳥目的，使用時不能被遮擋，可用于空曠的農(nóng)業(yè)果園、林地、農(nóng)田，由于驅(qū)鳥鷹容易產(chǎn)生適應(yīng)性，所以需要經(jīng)常更換位置和“敵意鷹眼”樣式，對驅(qū)鳥工作產(chǎn)生一定的難度。而且，現(xiàn)有技術(shù)下，驅(qū)鳥鷹的驅(qū)鳥作用面積小，對環(huán)境要求高，不適用于長期驅(qū)鳥。

2 智能型激光驅(qū)鳥裝置

2.1 原理介紹

該智能型激光驅(qū)鳥裝置是一種可調(diào)節(jié)速度的智能驅(qū)鳥器，其運動包括水平運動速度和垂直運動速度，其中水平運動通過云臺提供，垂直運動通過擺動機構(gòu)和云臺周期運動提供。通過多種模式自動調(diào)節(jié)云臺速度和擺動機構(gòu)速度，提高激光照在鳥上的時間，以提高更好的驅(qū)鳥效果，如圖1所示。

系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

為了實現(xiàn)上述目的，智能激光驅(qū)鳥器外形（圖3），主要包括：云臺、激光發(fā)射單元、云臺安裝板。云臺安裝在云臺安裝板上；激光發(fā)射單元安裝在云臺內(nèi)部，激光發(fā)射單元發(fā)出激光光束，并通過云臺動作進(jìn)行掃描。

云臺實現(xiàn)水平方向運動和垂直方向運動，內(nèi)部通過步進(jìn)電機驅(qū)動實現(xiàn)。當(dāng)外圍傳感器檢測到鳥時,控制器MCU降低云臺水平電機速度，加快擺動機構(gòu)運動速度，實現(xiàn)最大范圍內(nèi)驅(qū)鳥面積，以達(dá)到驅(qū)鳥效果（圖1所示）。當(dāng)鳥被驅(qū)趕后，傳感器未檢測到鳥，MCU控制器回復(fù)正常速度模式。

傳感器檢測系統(tǒng)主要包括：微波紅外檢測傳感器，溫度傳感器。微波紅外傳感器是利用多普勒效應(yīng)原理設(shè)計的移動物體探測器，它以非接觸方式探測物體的位置是否發(fā)生移動，繼而用于判斷周圍是否存在移動的鳥類，當(dāng)鳥類進(jìn)入傳感器區(qū)域時自動觸發(fā)云臺和擺動機構(gòu)工作。溫度傳感器用于監(jiān)控激光發(fā)射單元的工作溫度，當(dāng)工作溫度大于設(shè)定的工作溫度時自動開啟風(fēng)扇，為激光發(fā)射單元通風(fēng)降溫。

激光驅(qū)鳥器包括：激光發(fā)射單元、云臺和云臺安裝板。其中激光發(fā)射單元設(shè)置在云臺內(nèi)；激光發(fā)射單元包括：激光源、步進(jìn)電機、擺動機構(gòu)和護(hù)罩底板，激光源發(fā)出激光光束，激光掃描光束從激光發(fā)射單元射出進(jìn)行掃描。

激光發(fā)射單元包括（如圖4）：激光源、步進(jìn)電機、擺動機構(gòu)和護(hù)罩底板。圖4示出了圖3的智能激光驅(qū)鳥器的激光發(fā)射單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。根據(jù)本發(fā)明的激光驅(qū)鳥器的機械系統(tǒng)主要包括一臺步進(jìn)電機和相關(guān)的擺動機構(gòu)，步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動帶動擺動機構(gòu)，進(jìn)一步使得激光源上下5°擺動，提供光源的垂直方向運動。

圖3 智能激光驅(qū)鳥器外形

圖4 激光發(fā)射單元

激光源為532nm的半導(dǎo)體激發(fā)固態(tài)綠色激光發(fā)射器，激光源通過擺動機構(gòu)和云臺的運動，使得激光路徑呈波浪狀，這樣的激光掃描光束看起來就像一根綠色棒子。鳥類不能分辨這根綠色的虛實，因此當(dāng)激光掃描光束掃射鳥類時，鳥類誤以為是綠色棒子，以達(dá)到驅(qū)趕鳥的目的。

據(jù)研究，在電力設(shè)備場所，鳥兒筑巢一般選擇設(shè)備間隙有洞的地方，如道閘槽鋼的間隙處，濾波器、電抗下方或間隔中間主變周邊的絕緣罩管。鳥糞、散落樹枝附著在瓷瓶上容易造成短路。激光驅(qū)鳥器發(fā)射的激光掃描光束通過云臺轉(zhuǎn)動和步進(jìn)電機帶動擺動這種掃描模式，能大大減少鳥類對電力設(shè)備造成的潛在危害性。

該裝置的研制統(tǒng)籌考慮不停電安裝維護(hù)的便捷性、激光驅(qū)鳥的穩(wěn)定性、激光覆蓋區(qū)域的可控性以及裝置使用的安全性。據(jù)此，該智能驅(qū)鳥裝置具備以下功能。

表1 智能驅(qū)鳥裝置功能

2.2 智能型激光驅(qū)鳥裝置特點

①覆蓋范圍廣：全自動全空域覆蓋，也可根據(jù)實際情況設(shè)定。該激光驅(qū)鳥裝置配備高智能自動運轉(zhuǎn)云臺，具備水平巡航，垂直巡航和水平加垂直巡航模式，同時兼具巡航掃描和尋跡掃描兩種模式，巡航模式：可按設(shè)定的水平起始位、終止位進(jìn)行掃描，達(dá)到終止位時，追至角度下降5°，往復(fù)工作；尋跡模式：可設(shè)置起始位、終止時候的行徑軌跡，模擬設(shè)置時候的行走路線，進(jìn)行循跡掃描。覆蓋范圍廣，路線變化多，鳥類無法產(chǎn)生適應(yīng)性，久而久之，使得鳥類最終遠(yuǎn)離電力設(shè)備，從根本上預(yù)防并杜絕鳥危害的事故發(fā)生。

②效果持久：驅(qū)鳥效果遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)在的其他類型的驅(qū)鳥設(shè)備，且不傷害鳥類。鳥類對激光束不能產(chǎn)生適應(yīng)性，作業(yè)人員可隨時遠(yuǎn)程更改激光束的掃描速度、角度及激光功率，讓鳥類防不勝防，不留任何產(chǎn)生適應(yīng)性的機會，驅(qū)鳥效果持久。且自動激光驅(qū)鳥器不受時間限制，可以24小時不間斷的運轉(zhuǎn)，也可以根據(jù)鳥類生活習(xí)性進(jìn)行定時運轉(zhuǎn)。該設(shè)備的防護(hù)等級為戶外級，在雷雨、大霧、下雪、臺風(fēng)等極端惡劣的天氣條件下，皆可全天候7*24小時不間斷地運轉(zhuǎn)。從而滿足全天候驅(qū)鳥的要求，效果持久。

③安全性佳：對人或鳥無任何傷害、輻射和副作用，激光驅(qū)鳥器能確保在任何時候都能安全運行。大型自動激光驅(qū)鳥器發(fā)出的激光束的等級是二級激光，對人類眼睛100%無害。激光束可直射人的皮膚，不對皮膚造成傷害。驅(qū)鳥人員應(yīng)避免眼睛直視激光束，但直視激光束不對眼睛造成損傷。

④驅(qū)鳥效果更佳：眾多驅(qū)鳥方式中，刺激鳥類視覺的辦法是最有效的驅(qū)鳥方式。本裝置采用采用鳥類最敏感的綠色激光，激光波長520-532nm，更加有效地達(dá)到驅(qū)鳥的目的。步進(jìn)電機驅(qū)動擺動機構(gòu)，使得激光器具有5°的上下擺動效果，云臺結(jié)合擺動機構(gòu)，激光掃描光束，高智能自動運轉(zhuǎn)，防護(hù)軌跡模式豐富，驅(qū)鳥效果好。

3 結(jié)束語

為加強變電站設(shè)備防鳥害管理，減少因鳥害導(dǎo)致設(shè)備非計劃停運，杜絕因鳥害導(dǎo)致設(shè)備跳閘，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，現(xiàn)研發(fā)一款智能驅(qū)鳥裝置，該裝置采用激光、仿生結(jié)合的方式進(jìn)行區(qū)域性驅(qū)鳥，通過現(xiàn)場勘察合理布局，能對區(qū)域全空域覆蓋性保護(hù)，以預(yù)防和降低鳥害發(fā)生的概率，全面保障電網(wǎng)設(shè)備安全。

該針對變電站防范鳥害的新型智能驅(qū)鳥裝置，采用激光、仿生相結(jié)合方式進(jìn)行驅(qū)鳥。根據(jù)鳥類眼部的結(jié)構(gòu)特征，可知鳥類眼部對綠色520-532nm的光束最為敏感，故采用綠色激光作為主光源，同時配合設(shè)備擺動機構(gòu)進(jìn)行模擬人在使用激光對鳥進(jìn)行驅(qū)趕的一個運動，結(jié)合仿生和激光進(jìn)行綜合驅(qū)鳥。該裝置可根據(jù)電腦程序控制激光束的掃描速度、角度及激光功率，對鳥類不會造成任何傷害，而且長期使用也不會造成鳥類的適應(yīng)性。

變電站驅(qū)鳥工作是一項長期的工作，需要對鳥類的生活習(xí)性和生理構(gòu)造進(jìn)行深入了解，不斷地豐富、完善驅(qū)鳥器的功能，提高驅(qū)鳥工作的便捷性和長期運行的可靠性。[6]