電廠人員作業(yè)安全管控系統(tǒng)的研究和應(yīng)用

徐紅武，張棟，景文林，居亮，樊玉平，趙海月

（1.國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 南京 210031；2.福建金湖電力有限公司，福建 三明 353300）

隨著我國(guó)電力體制改革的不斷推進(jìn)，電廠大量的檢修工作逐步由社會(huì)化的工程隊(duì)承接，電廠作業(yè)人員不再是對(duì)本電廠設(shè)備環(huán)境非常熟悉的本廠技術(shù)人員，即便是對(duì)電廠十分了解的本廠運(yùn)行人員，由于人為因素導(dǎo)致的電廠安全事故也時(shí)有發(fā)生。究其原因，主要還是由于電力系統(tǒng)設(shè)備本身比較復(fù)雜、設(shè)備操作流程各不相同、電廠作業(yè)人員自身疏忽大意等原因造成的。因此，如何利用技術(shù)手段，提升電廠安全管控水平，對(duì)“五防”、“兩票”等系統(tǒng)形成有益的補(bǔ)充，成了電力行業(yè)安全領(lǐng)域技術(shù)研究人員的研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[1]介紹了運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過(guò)模擬電力行業(yè)的真實(shí)運(yùn)行檢修環(huán)境以及高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)過(guò)程，給學(xué)員開(kāi)展智能仿真培訓(xùn)和高風(fēng)險(xiǎn)檢修作業(yè)的指導(dǎo)，增強(qiáng)對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)操作規(guī)程的體驗(yàn)效果和提高學(xué)員安全技能水平，最終提升高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)的安全保障水平。文獻(xiàn)[2]介紹了發(fā)電廠作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)智能管控系統(tǒng)，但未就系統(tǒng)具體的開(kāi)發(fā)技術(shù)做出明確的介紹。文獻(xiàn)[3]介紹了瑟利模型理論在火電廠人因失誤事故安全風(fēng)險(xiǎn)防控系統(tǒng)中的應(yīng)用，仍未就系統(tǒng)具體的開(kāi)發(fā)技術(shù)做出明確的介紹。文獻(xiàn)[4]提出了基于ERP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電廠“兩票”管理水平的提升，雖然可以部分解決某些安全隱患，但仍然不能完全杜絕無(wú)票作業(yè)、無(wú)監(jiān)護(hù)人員作業(yè)和擅自擴(kuò)大工作范圍的違規(guī)現(xiàn)象。本文采用UWB人員定位技術(shù)、HTML5瀏覽器技術(shù)、webGL 3D渲染技術(shù)、人工智能視頻流目標(biāo)檢測(cè)及分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電廠人員作業(yè)安全管控系統(tǒng)，用于及時(shí)發(fā)現(xiàn)電廠作業(yè)人員的違規(guī)行為并立即進(jìn)行廣播警示，實(shí)現(xiàn)對(duì)電廠作業(yè)人員進(jìn)行全過(guò)程實(shí)時(shí)安全管控。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)基于spring框架實(shí)現(xiàn)了web后端，基于angular框架實(shí)現(xiàn)了web前端，基于ionic、angular、cordova框架實(shí)現(xiàn)了手機(jī)app，基于webRTC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了跨瀏覽器、低延遲的網(wǎng)頁(yè)視頻流實(shí)時(shí)播放，基于組件化編程的理念，html5、webGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字電廠二維三維融合展示，基于yolo、DeepSort框架實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)視頻流中的人員目標(biāo)檢測(cè)、定位及追蹤，基于UWB技術(shù)實(shí)現(xiàn)了作業(yè)人員的高精度定位及視頻追蹤，并且根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體需求情況，實(shí)現(xiàn)了兩種定位技術(shù)的有效組合。

電廠人員安全管控系統(tǒng)由包含定位功能的安全帽、通信服務(wù)模塊、分層分布式實(shí)時(shí)內(nèi)存庫(kù)、流媒體服務(wù)模塊、高級(jí)應(yīng)用模塊、web服務(wù)模塊、系統(tǒng)參數(shù)配置器、實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊及手機(jī)app等部分組成。通信服務(wù)模塊實(shí)時(shí)獲取電廠作業(yè)人員安全帽的位置坐標(biāo)信息，并把作業(yè)人員的實(shí)時(shí)位置信息寫(xiě)入到分層分布式實(shí)時(shí)內(nèi)存庫(kù)；流媒體服務(wù)模塊專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)處理視頻流方面的信息，包括攝像機(jī)的接入、視頻流轉(zhuǎn)發(fā)及視頻流web發(fā)布等功能；高級(jí)應(yīng)用模塊主要是基于對(duì)分層分布式內(nèi)存庫(kù)中電廠作業(yè)人員的實(shí)時(shí)位置信息實(shí)現(xiàn)人員超許可范圍告警、人員疲勞作業(yè)告警、人員靜止不對(duì)告警、無(wú)監(jiān)護(hù)人員作業(yè)告警以及對(duì)實(shí)時(shí)視頻流的分析實(shí)現(xiàn)人員未戴安全帽告警等功能；web服務(wù)模塊實(shí)現(xiàn)人員作業(yè)安全管控系統(tǒng)的web發(fā)布功能；系統(tǒng)參數(shù)配置器實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)參數(shù)配置、人員信息配置、廣播告警配置及電力設(shè)備安全等級(jí)、安全區(qū)域的動(dòng)態(tài)配置管理等；實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊實(shí)時(shí)顯示二維地圖或三維場(chǎng)景中作業(yè)人員的實(shí)際位置、實(shí)時(shí)告警信息、歷史告警信息查詢(xún)、人員歷史軌跡查詢(xún)等。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2 主要技術(shù)

2．1 基于卡爾曼濾波的位置糾正技術(shù)

電廠人員定位采用超寬帶(Ultra-wide band,UWB)定位技術(shù)，雖然比其它定位技術(shù)的精度高，但由于多徑傳播效應(yīng)，從安全帽獲得的人員位置數(shù)據(jù)的精度仍然不夠理想，采用有效的濾波技術(shù)對(duì)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理顯得十分必要。卡爾曼濾波是一種基于概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法，是高斯過(guò)程最優(yōu)濾波的一種有效算法，具有離散型和連續(xù)型兩種算法，當(dāng)對(duì)象模型足夠準(zhǔn)確且系統(tǒng)狀態(tài)和參數(shù)不發(fā)生突變時(shí)，性能較好，卡爾曼濾波被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星軌道預(yù)測(cè)、機(jī)器人導(dǎo)航、雷達(dá)系統(tǒng)、導(dǎo)彈追蹤、人臉識(shí)別等領(lǐng)域。本系統(tǒng)采用卡爾曼濾波算法實(shí)現(xiàn)人員位置信息的糾正?？柭鼮V波算法原理如下：

一步預(yù)測(cè)：

量測(cè)更新：

式（6）中Wk為狀態(tài)噪聲，一般假設(shè)Wk為零期望白噪聲。根據(jù)式（6），可知，可以代入式（1）進(jìn)行一步預(yù)測(cè)，然后根據(jù)系統(tǒng)收到的量測(cè)值，根據(jù)式（4）進(jìn)行量測(cè)的更新，這樣就完成了k+1時(shí)刻位置的糾偏。系統(tǒng)根據(jù)采用間隔T0,不斷地重復(fù)進(jìn)行一步預(yù)測(cè)、量測(cè)更新的過(guò)程來(lái)完成人員位置信息的糾偏。

2．2 分層分布式人員信息內(nèi)存庫(kù)

水電廠主要有發(fā)電機(jī)層、水輪機(jī)層、蝸殼層、開(kāi)關(guān)站、勵(lì)磁室、廠變室等重要安全管控層級(jí)，每個(gè)層級(jí)可以能有多個(gè)安全管控區(qū)域。比如發(fā)電機(jī)層有1#發(fā)電機(jī)、2#發(fā)電機(jī)、3#發(fā)電機(jī)共三個(gè)安全管控區(qū)域。為了使系統(tǒng)能對(duì)進(jìn)入每個(gè)安全管控層級(jí)以及每個(gè)安全管控層級(jí)里的每個(gè)安全管控區(qū)域進(jìn)行快速實(shí)時(shí)地進(jìn)行監(jiān)控，構(gòu)建一個(gè)基于內(nèi)存的分層分布式的實(shí)時(shí)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)十分必要。本系統(tǒng)基于人員、角色、權(quán)限的關(guān)系，基于風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的層次、風(fēng)險(xiǎn)區(qū)中的攝像機(jī)配置、電廠物理層中的廣播配置情況、風(fēng)險(xiǎn)區(qū)多變形定義情況等信息，形成分層多風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)管理的內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

風(fēng)險(xiǎn)區(qū)定義默認(rèn)為四級(jí)：分別為低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、一般風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、較大風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、重大風(fēng)險(xiǎn)區(qū)四個(gè)安全等級(jí)。每個(gè)安全等級(jí)均可通過(guò)層號(hào)與電廠發(fā)電機(jī)層、水輪機(jī)層、蝸殼層、開(kāi)關(guān)站、勵(lì)磁室、廠變室等物理層級(jí)建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。風(fēng)險(xiǎn)區(qū)管控主線程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)定位標(biāo)簽的實(shí)時(shí)位置，一旦發(fā)現(xiàn)某個(gè)定位標(biāo)簽進(jìn)入風(fēng)險(xiǎn)區(qū)且該標(biāo)簽不具備進(jìn)入該風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的權(quán)限，則立刻判斷出“人員超許可范圍”報(bào)警，并啟動(dòng)抓拍任務(wù)，驅(qū)動(dòng)離違規(guī)人員最近的攝相機(jī)進(jìn)行抓拍取證，并驅(qū)動(dòng)該風(fēng)險(xiǎn)區(qū)所在的物理層的廣播對(duì)違規(guī)人員進(jìn)行警示，提醒進(jìn)入該區(qū)域的人員已非法進(jìn)入風(fēng)險(xiǎn)管控區(qū)域。

除常規(guī)支持四級(jí)風(fēng)險(xiǎn)安全等級(jí)管控外，系統(tǒng)還兼顧了支持任意層級(jí)每個(gè)層級(jí)任意區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)管控機(jī)制。系統(tǒng)支持風(fēng)險(xiǎn)區(qū)橫向及縱向動(dòng)態(tài)擴(kuò)展功能，風(fēng)險(xiǎn)區(qū)管控主線程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的橫向及縱向配置情況，一旦發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)配置發(fā)生變化，系統(tǒng)自動(dòng)載入最新的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)配置，形成新的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)配置情況實(shí)時(shí)內(nèi)存關(guān)系。分層分布式人員信息內(nèi)存關(guān)系如圖2所示。

圖2 分層分布式人員信息內(nèi)存關(guān)系圖

2．3 二維三維融合數(shù)據(jù)展示

傳統(tǒng)的二維電子地圖具有可分層、無(wú)遮擋的優(yōu)點(diǎn)，用戶(hù)使用起來(lái)比較方便，但對(duì)于不熟悉電廠廠區(qū)結(jié)構(gòu)的人來(lái)說(shuō)不夠直觀。基于三維模型的電廠仿真場(chǎng)景具有優(yōu)秀的視覺(jué)效果，但往往在進(jìn)入建筑物后的沉浸模式中，用戶(hù)對(duì)于自身所處的位置較難把握。本系統(tǒng)綜合二維及三維展示的優(yōu)點(diǎn)，通HTML Canvas、WebGL、Wasm實(shí)現(xiàn)二維三維圖層融合，通過(guò)Angular實(shí)現(xiàn)組件化，在HTML5技術(shù)框架內(nèi)，在瀏覽器端實(shí)現(xiàn)二維三維融合展示。系統(tǒng)中的二維地圖采用地圖服務(wù)預(yù)緩存技術(shù)，實(shí)現(xiàn)瀏覽器快速展現(xiàn)二維地圖；系統(tǒng)中的三維模型使用Unity3D或3dmax軟件建模為三維模型obj文件并編譯為WebGL和Wasm資源，達(dá)到在瀏覽器中高效展現(xiàn)三維模型的效果。二維三維融合展示如圖3所示。

圖3 二維三維融合展示

3 系統(tǒng)主要功能

電廠人員作業(yè)安全管控系統(tǒng)在構(gòu)建分層分布式人員、設(shè)備、區(qū)域信息實(shí)時(shí)內(nèi)存庫(kù)的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)從分層分布式實(shí)時(shí)內(nèi)存庫(kù)中獲取人員坐標(biāo)位置信息進(jìn)行邏輯判斷，實(shí)現(xiàn)了人員實(shí)時(shí)位置的定位及展示、人員歷史軌跡的回放，人員超范圍告警、人員靜止不動(dòng)告警、無(wú)監(jiān)護(hù)人員作業(yè)告警、人員疲勞作業(yè)告警等功能。基于對(duì)實(shí)時(shí)視頻流的智能分析，實(shí)現(xiàn)了人員未戴安全帽告警等安全管控功能。任何連通的不規(guī)則區(qū)域，理論上都可等效為一個(gè)任意條邊的多邊形；對(duì)于不連通的區(qū)域，可以等效為多個(gè)任意條邊的多邊形；任何多邊形都由其所對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)來(lái)確定。電廠人員作業(yè)安全管控系統(tǒng)根據(jù)以上三個(gè)原則，來(lái)定義設(shè)備的安全管控區(qū)域，并把這些參數(shù)配置信息存入計(jì)算機(jī)內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)分層級(jí)分區(qū)域安全管控。人員未佩戴安全帽告警抓拍如圖4所示。

圖4 人員未戴安全帽告警抓拍

4 結(jié)語(yǔ)

電廠人員作業(yè)安全管控系統(tǒng)的二維三維融合數(shù)據(jù)展示，同時(shí)吸取二維三維展現(xiàn)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，把二維地圖、三維真實(shí)場(chǎng)景完美地結(jié)合起來(lái)，為數(shù)字孿生電廠建設(shè)提供了方案參考；電廠人員作業(yè)安全管控系統(tǒng)把基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的視頻流實(shí)時(shí)分析、人員目標(biāo)檢測(cè)、定位追蹤與基于UWB高精度定位的人員目標(biāo)定位追蹤進(jìn)行有效組合，即可保證人員定位的精度（誤差≤30cm），也可以防止電廠作業(yè)人員故意不佩戴含定位功能的安全帽或故意把定位標(biāo)簽從安全帽上取下來(lái)以躲避定位追蹤等極端情況。電廠人員作業(yè)安全管控系統(tǒng)，已經(jīng)在福建三明某水電站、廣東廣州某火電廠成功投入運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行至今穩(wěn)定可靠，達(dá)到了系統(tǒng)預(yù)期設(shè)計(jì)的目標(biāo)，該系統(tǒng)的投運(yùn)提高了電廠的安全管控水平，推動(dòng)了電廠數(shù)字化、智能化建設(shè)。