煤礦變電站無人值守系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

陳明明

(晉能控股山西科學(xué)技術(shù)研究院（晉城）技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006)

煤礦變電站無人值守即在符合用電安全標(biāo)準(zhǔn)、穩(wěn)定運行的前提下，采用傳感器技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)對變電站監(jiān)控運行環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，逐步實現(xiàn)變電站少人、無人、智能化值守[1]。視頻、圖像監(jiān)控技術(shù)國外發(fā)展較早，美國早在1996年就對民用以及戰(zhàn)場環(huán)境的自動視頻監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行研究，人臉識別技術(shù)的應(yīng)用更加提高了視頻監(jiān)控效果；美國IBM研發(fā)的高端視頻架空軟件還可實現(xiàn)對指定區(qū)域圖像進(jìn)行捕捉并進(jìn)行異常提醒。國內(nèi)的視頻監(jiān)控技術(shù)起步較晚，目前，煤礦井下變電站已能實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙視功能。但國內(nèi)煤礦變電站無人值守系統(tǒng)還存在諸多弊端，諸如：（1）現(xiàn)場端未對事件進(jìn)行處理，實時性差；（2）智能分析效果差，安全性低；（3）核心功能只限于視頻監(jiān)控，控制能力差。因此，煤礦變電站系統(tǒng)更加需要一種能夠?qū)ψ冸娬驹菩脑O(shè)備進(jìn)行全面監(jiān)控，在設(shè)備出現(xiàn)故障時能夠采取措施消除故障，保證變電站設(shè)備安全穩(wěn)定運行的新系統(tǒng)。為此，基于視頻、圖像監(jiān)控技術(shù)，利用監(jiān)測、識別算法，新設(shè)計了一套對變電站運行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測監(jiān)控，實現(xiàn)動態(tài)、智能化監(jiān)測的智能化無人值守系統(tǒng)，達(dá)到變電站無人值守的目的。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

煤礦變電站無人值守系統(tǒng)需完成的功能有：①設(shè)備視頻數(shù)據(jù)實時監(jiān)控，即調(diào)度人員可遠(yuǎn)程實時查看變電站設(shè)備運行情況、故障信息、狀態(tài)參數(shù)等。②可實現(xiàn)對變電站運行環(huán)境參數(shù)、設(shè)備運行狀態(tài)的實時采集和管理。③對變電站發(fā)生的常見故障和預(yù)警信息，能夠智能化識別和反應(yīng)。④對變電站設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程操作和控制，減少安全事故發(fā)生概率。

煤礦變電站無人值守系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，從上到下為表現(xiàn)層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)采集及存儲層、數(shù)據(jù)層四層結(jié)構(gòu)[2-4]。

圖1 煤礦變電站無人值守系統(tǒng)架構(gòu)

1）表現(xiàn)層為C/S客戶端，通過該層能夠?qū)崟r查看變電站設(shè)備參數(shù)信息、運行狀態(tài)、故障信息等，并可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，如遠(yuǎn)程廣播等功能。

2）應(yīng)用層包含現(xiàn)場端、遠(yuǎn)程監(jiān)控端以及對外接口，實現(xiàn)對變電站視頻圖像處理、運動目標(biāo)監(jiān)測、自動報警、人員管理等功能，同時提供對外接口，方便外部系統(tǒng)在必要時訪問本系統(tǒng)，在對外接口中定義了接口參數(shù)。

3）數(shù)據(jù)采集及存儲層包含視頻數(shù)據(jù)存儲、視頻數(shù)據(jù)采集以及目標(biāo)監(jiān)測算法、人臉識別算法、廣播事件驅(qū)動等。數(shù)據(jù)層可將變電站設(shè)備運行的所有數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫，方便歷史數(shù)據(jù)查詢、回溯以及統(tǒng)計分析。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

煤礦變電站現(xiàn)場端即系統(tǒng)客戶端，需完成變電站現(xiàn)場設(shè)備視頻圖像處理、運動目標(biāo)監(jiān)測、人臉識別、廣播提示、視頻備份以及監(jiān)控器設(shè)置等功能。

1）采用海康威視的DS-2CC172P-IR3圖像處理終端，采用加權(quán)平均法對采集到的圖像進(jìn)行灰度化處理；采用高斯平滑方法對采集到的圖像進(jìn)行平滑度處理，使得采集到的圖像數(shù)據(jù)可直接用于算法運算[5-6]。

2）運動目標(biāo)監(jiān)測時需完成背景建模及更新策略、背景差分析、連通區(qū)域標(biāo)記等工作。當(dāng)統(tǒng)計圖像中像素值變化間隔大于40且像素大于圖像面積的80%時，判定此刻背景發(fā)生突變，用當(dāng)前幀替換背景；當(dāng)檢測到人臉時，不可替換背景；當(dāng)檢測到之前的運動目標(biāo)時，累計30幀內(nèi)該區(qū)域沒有變化，則用當(dāng)前幀更新背景[7]。當(dāng)首次掃描到圖像時，設(shè)定該區(qū)域為連通區(qū)的第一個目標(biāo)段；當(dāng)連通區(qū)域大于1時，需合并連通區(qū)域并得到該圖像的最小外切矩形；當(dāng)連通區(qū)域小于1時，不做處理。

3）人臉識別時需完成AdaBoost分類器訓(xùn)練，如正負(fù)樣本準(zhǔn)備、訓(xùn)練人臉分類器等。當(dāng)系統(tǒng)檢測到有運動目標(biāo)進(jìn)入視頻區(qū)域后，需判斷是否需要發(fā)出警報、是否進(jìn)入高危區(qū)域[8]。另外，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)需給遠(yuǎn)程調(diào)度人員發(fā)送短信報警，必要時進(jìn)行聲光語音報警。

視頻圖像處理需完成視頻備份，與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，同時歷史數(shù)據(jù)可以以曲線、柱狀圖等形式進(jìn)行展現(xiàn)，也可進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)回溯。

煤礦變電站遠(yuǎn)程監(jiān)控端需完成變電站視頻數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)備份、遠(yuǎn)程客戶端管理、自動報警、變電站信息管理以及監(jiān)控人員管理等功能[9-10]。

為保證設(shè)計的煤礦變電站無人值守系統(tǒng)的開放性和可升級性，設(shè)計對外接口，可在線進(jìn)行無人值守系統(tǒng)的軟件升級、功能添加以及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)等功能。對外接口以CAN總線通訊模式實現(xiàn)，開放的可設(shè)置參數(shù)包含在CAN總線通訊協(xié)議中，如波特率、幀格式、CRC校驗方法等。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

煤礦變電站無人值守系統(tǒng)實現(xiàn)時分為客戶端、服務(wù)器端兩部分。其中，服務(wù)器中基于C/S架構(gòu)，實現(xiàn)變電站無人值守系統(tǒng)的設(shè)備查看以及展現(xiàn)客戶端主要完成設(shè)備視頻數(shù)據(jù)采集、運算等功能；客戶端以及服務(wù)器端采用C++編程實現(xiàn)，核心模塊包括變電站設(shè)備控制模塊、廣播驅(qū)動模塊、視頻讀取模塊、圖像識別與監(jiān)測模塊以及故障處理模塊等。遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備控制流程如圖2所示，將合成的變電站控制幀通過服務(wù)器端發(fā)送至變電站設(shè)備現(xiàn)場完成遠(yuǎn)程控制。服務(wù)器端用于運行煤礦變電站無人值守系統(tǒng)監(jiān)控平臺，存儲并管理視頻、圖像數(shù)據(jù)；維護(hù)故障、報警信息；維護(hù)監(jiān)控人員信息等。

圖2 遠(yuǎn)程監(jiān)控端設(shè)備控制流程

煤礦變電站無人值守系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控端設(shè)備控制流程需完成數(shù)據(jù)幀合成、數(shù)據(jù)幀判斷以及數(shù)據(jù)幀發(fā)送功能。當(dāng)合成的數(shù)據(jù)幀正確時，調(diào)用服務(wù)器程序發(fā)送命令；當(dāng)合成數(shù)據(jù)幀錯誤時程序需返回設(shè)備管理單元。

煤礦變電站無人值守系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控端設(shè)備控制流程通訊部分的核心執(zhí)行代碼為Socket通訊的建立、保持、終止，對接收到的數(shù)據(jù)幀的保存、解析；對發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的打包等過程。煤礦變電站無人值守系統(tǒng)服務(wù)器端與客戶端以Socket通信完成數(shù)據(jù)交互，通信端口為8001、8002，調(diào)用的方法為public void open ServerAndSocket (int port)、public String readClient(throwsIOException）以及public void createSocket(String ip, int port)、public void send Message(String str)。

煤礦變電站無人值守系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能如圖3所示，可完成視頻數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)備份；完成對遠(yuǎn)程客戶端的管理、各變電站信息管理、監(jiān)控人員身份/權(quán)限管理以及智能報警[11-12]。該監(jiān)控功能可將視頻、圖像的冗余信息剔除，以便數(shù)據(jù)查看、計算等，同時支持歷史視頻、歷史圖像數(shù)據(jù)回溯。通過煤礦變電站無人值守遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺，可實時查看各攝像儀數(shù)據(jù)并支持在線遠(yuǎn)程通話。遠(yuǎn)程客戶端管理是指可實現(xiàn)圖像處理終端、攝像儀的重啟、關(guān)閉，監(jiān)控時間段設(shè)定，攝像頭旋轉(zhuǎn)等功能。智能報警功能是指該平臺可對各變電站數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值判斷，當(dāng)數(shù)據(jù)超出設(shè)定閾值后，觸發(fā)聲光語音報警，同時將報警信息以彈窗形式顯示于監(jiān)控平臺，操作人員點擊該報警彈窗后，給出處理該故障信息的一般處理步驟。監(jiān)控人員管理功能是指通過該平臺可添加監(jiān)控人員名單、修改監(jiān)控人員權(quán)限等。煤礦變電站無人值守系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺對外提供TCP/IP通信接口，可將變電站所有運行數(shù)據(jù)傳送至井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)并最終傳送至地面監(jiān)控室。

圖3 煤礦變電站無人值守系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控

煤礦變電站無人值守系統(tǒng)現(xiàn)場端監(jiān)控功能框圖如圖4所示，分別完成圖像處理、運動目標(biāo)監(jiān)測、人臉識別、廣播提示、視頻備份以及監(jiān)控器設(shè)置等功能。

圖4 煤礦變電站無人值守系統(tǒng)現(xiàn)場端監(jiān)控

4 應(yīng)用分析

為驗證設(shè)計并實現(xiàn)的煤礦變電站無人值守系統(tǒng)的有效性和實用性，在晉能控股集團(tuán)寺河煤礦進(jìn)行工業(yè)試驗，試驗時間為2021年3月至2021年9月。對煤礦變電站無人值守系統(tǒng)表現(xiàn)層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)采集及存儲層、數(shù)據(jù)層軟硬件進(jìn)行調(diào)試并能夠正確運行后，從現(xiàn)場端以及遠(yuǎn)程監(jiān)控端對變電站設(shè)備進(jìn)行圖像、視頻監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)獲取的圖像清晰度較好、視頻信息流暢，能夠精確地完成人臉識別。能夠準(zhǔn)確的監(jiān)控變電站設(shè)備的故障以及運行情況，保證了的變電站安全、穩(wěn)定運行。

5 結(jié)語

針對目前煤礦變電站無人值守實際情況，在分析總結(jié)老系統(tǒng)存在問題的基礎(chǔ)上，根據(jù)變電站無人值守系統(tǒng)新的需求設(shè)計了一種基于視頻、圖像處理的煤礦變電站智能化無人值守新系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過視頻、圖像算法處理實現(xiàn)變電站設(shè)備的智能監(jiān)控和控制，給出服務(wù)器端、客戶端實現(xiàn)方案和核心實現(xiàn)方法并完成系統(tǒng)應(yīng)用。該變電站無人值守方案能夠保證變電站安全、穩(wěn)定運行并實現(xiàn)無人值守。