基于紅外對射的井坑孔洞智能防墜落裝置的設(shè)計(jì)

李志遠(yuǎn)，王玉財(cái)，李洋，邵李斌，邵衛(wèi)星

（1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司寧東供電公司，寧夏 靈武 750411；2.寧夏中創(chuàng)智能科技有限公司，寧夏 銀川 750011）

0 引言

紅外對射技術(shù)全稱為“主動紅外入侵探測器”，其基本的構(gòu)造包括發(fā)射端、接收端、光束強(qiáng)度指示燈、光學(xué)透鏡等。紅外對射技術(shù)常用于物體偵測，其原理是紅外發(fā)光二極管發(fā)射的紅外射線經(jīng)透鏡聚焦后發(fā)射至接收端的光敏晶體管，以此形成射線通道。紅外線是一種不可見光，所以不易被人或動物發(fā)現(xiàn)，一旦人或動物誤入其射線通道，接收端紅外線將被遮擋，接收到的紅外線強(qiáng)度迅速衰減，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能。

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，紅外對射技術(shù)被廣泛應(yīng)用于城市軌道交通[1]、安防報(bào)警[2-3]、教育培訓(xùn)[4]、燃?xì)獗O(jiān)測[5]、鐵路防護(hù)[6]等領(lǐng)域。電力行業(yè)中，紅外對射技術(shù)通常用于變電站的區(qū)域安防，文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種光纖光柵周界入侵報(bào)警系統(tǒng)，同時與視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行有效的融合和聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)了具有視頻聯(lián)動功能的光纖圍欄入侵監(jiān)測系統(tǒng)在變電站的應(yīng)用。文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種基于紅外對射和視頻監(jiān)控的電子圍欄，結(jié)合現(xiàn)場視頻采集、聲音報(bào)警和現(xiàn)場檢修人員的手環(huán)振動提醒，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場人員違章行為的信息存儲、及時警告和制止，有效提高變電站現(xiàn)場作業(yè)區(qū)域的安全性。文獻(xiàn)[9]介紹了一種變電站紅外對射智能安全圍欄，采用可推動式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，方便裝設(shè)，并結(jié)合主動式紅外對射裝置和報(bào)警裝置，同步實(shí)現(xiàn)了聲光報(bào)警、PC報(bào)警和APP報(bào)警，提高了變電站安防報(bào)警的實(shí)時性。但是，上述研究成果僅可用于規(guī)則區(qū)域的安全布防，對于不規(guī)則區(qū)域，尤其對井坑孔洞、電纜溝道等形狀大小不一的不規(guī)則區(qū)域，上述研究成果均無法進(jìn)行有效布防。為解決上述問題，設(shè)計(jì)了一種基于紅外對射的井坑孔洞智能防墜落裝置。

1 電力檢修現(xiàn)場安全布防

目前電力檢修現(xiàn)場常用的安全布防裝置主要包含安全遮欄（圍欄）、標(biāo)示牌和自設(shè)安全標(biāo)志。安全遮欄（圍欄）用于隔離檢修設(shè)備與運(yùn)行設(shè)備，標(biāo)示牌用于提醒作業(yè)人員作業(yè)現(xiàn)場存在或潛在的危險(xiǎn)，自設(shè)安全標(biāo)志為運(yùn)維、檢修（施工）人員根據(jù)工作需要裝設(shè)的安全設(shè)施。

常用于井坑孔洞的安全遮欄（圍欄）有伸縮式安全圍欄、拉網(wǎng)式安全圍欄和拉帶式安全圍欄，如圖1所示，使用過程中“止步，高壓危險(xiǎn)”標(biāo)志面向作業(yè)區(qū)域。

圖1 常用的幾種安全遮欄（圍欄）

在部分設(shè)備停電檢修時，通常采取“口袋式”布防原則，每一處“口袋式”布防的安全遮欄（圍欄）只預(yù)留一個出入口，用于檢修人員進(jìn)入布防區(qū)域進(jìn)行檢修作業(yè)，而其余區(qū)域封閉任何人員不得跨越。同一個電氣連接部分設(shè)備布局分散時（如避雷器、線路電壓互感器等與主體設(shè)備不在同一區(qū)域），可按照空間分布分別設(shè)置安全遮欄（圍欄），每個設(shè)備獨(dú)立進(jìn)行“口袋式”布防。

現(xiàn)場常見需布防的作業(yè)類型主要有單間隔檢修、主變壓器及其各側(cè)檢修、擴(kuò)建工程施工等，常見作業(yè)類型的布防區(qū)域如圖2至4所示。

圖2 3/2接線線路及斷路器檢修時布防區(qū)域

圖3 主變及其三側(cè)斷路器檢修時布防區(qū)域

圖4 變電站擴(kuò)建間隔時布防區(qū)域

從以上幾種常見的布防區(qū)域可以看出，不同的檢修現(xiàn)場需布防的區(qū)域大小、形狀均不相同，而現(xiàn)場針對井坑孔洞的布防更為困難，主要存在以下問題：（1）因檢修場地復(fù)雜性，現(xiàn)場布設(shè)圍欄，安置警示標(biāo)志等較困難，后期拆除也費(fèi)時費(fèi)力；（2）無法對不同的井坑孔洞找到合適的遮蔽措施，防墜落措施不完善；（3）不同尺寸和數(shù)量的井坑孔洞需要的材料難統(tǒng)一，易出現(xiàn)布防不到位現(xiàn)象；（4）夜間作業(yè)尤其是光線不好時，安全遮欄警示效果不明顯，檢修人員墜落風(fēng)險(xiǎn)大。

2 不同工作區(qū)域布防原理設(shè)計(jì)

為適應(yīng)不同工作區(qū)域布防，設(shè)計(jì)一種新型布防終端，終端集成發(fā)射器與接收器。發(fā)射器與接收器分別由不同電機(jī)控制，可改變發(fā)射器與接收器之間的夾角，實(shí)現(xiàn)不同終端間的紅外對射，形成對射通道，從而實(shí)現(xiàn)對布防區(qū)域的有效監(jiān)視，其原理如圖5所示。

圖5 控制器發(fā)送與接收

2.1 規(guī)則布防區(qū)域的實(shí)現(xiàn)方案

對于規(guī)則形狀的布防區(qū)域，采用布防終端一一對射的方式完成封閉區(qū)域的布防，此時終端的發(fā)射器與接收器夾角為90°，其原理如圖6所示。

圖6 規(guī)則布防區(qū)域的實(shí)現(xiàn)方案

終端1—2、2—3、3—4通過紅外進(jìn)行對射，形成電子布防區(qū)域，而終端4的發(fā)射器關(guān)閉，終端1—4為檢修通道出入口，檢修人員可通過此通道進(jìn)出布防區(qū)域進(jìn)行檢修作業(yè)。

上述布防邊界區(qū)域（1—2、2—3、3—4）激光定位紅光開啟，提醒該區(qū)域?yàn)榻勾┰絽^(qū)域，一旦人員穿越上述邊界區(qū)域，相應(yīng)的紅外通道被遮擋，觸發(fā)接收端的控制器報(bào)警，進(jìn)行聲光報(bào)警提示：“前方危險(xiǎn)，請勿靠近！”。隨后利用無線模塊將信息發(fā)給采集器，可實(shí)現(xiàn)告警遠(yuǎn)程監(jiān)視。終端1—4之間的出入口，激光定位綠光開啟，提醒該區(qū)域?yàn)榭赏ㄐ袇^(qū)域，并語音提示“檢修人員由此進(jìn)出”。

2.2 不規(guī)則布防區(qū)域的實(shí)現(xiàn)方案

對于不規(guī)則形狀的布防區(qū)域，可通過終端自動調(diào)整發(fā)射器與接收器之間的夾角（此時夾角值不固定），實(shí)現(xiàn)布防終端的一一對射，形成封閉區(qū)域布防，其原理如圖7所示。

圖7 不規(guī)則布防區(qū)域的實(shí)現(xiàn)方案

終端1—2、2—3、3—4、5—1通過紅外進(jìn)行對射，形成電子布防區(qū)域，而終端4的發(fā)射器關(guān)閉，終端4—5為檢修通道出入口，檢修人員由此通道進(jìn)出布防區(qū)。

上述布防邊界區(qū)域（1—2、2—3、3—4、5—1）激光定位紅光開啟，終端4—5出入口激光定位綠光開啟，終端4—5的邊界區(qū)域激光定位紅光開啟，出入口處為綠光開啟，語音提示與規(guī)則布防區(qū)域類似，實(shí)現(xiàn)對作業(yè)區(qū)域的實(shí)時監(jiān)視。

2.3 電纜溝道布防區(qū)域的實(shí)現(xiàn)方案

由于控制器的紅外發(fā)射功率有限，傳輸距離受限，對長距離的電纜溝道布防區(qū)域，普通的紅外發(fā)射器件無法滿足距離要求，可通過在長距離中間增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中繼的方式來實(shí)現(xiàn)，其原理如圖8所示。

圖8 電纜溝道布防區(qū)域的實(shí)現(xiàn)方案

終端2—3為檢修通道出入口，檢修人員由此通道進(jìn)出布防區(qū)。其中終端4、7、8是針對長距離區(qū)域紅外發(fā)射功率不足時，增加的中繼終端，各終端通過控制電機(jī)進(jìn)行自動對射，形成封閉布防區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對電纜溝道等長距離區(qū)域的布防。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

3.1 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)安全遮欄（圍欄）采用的是“圍”和“攔”的方式，智能型防墜落裝置采取主動實(shí)時監(jiān)測方式，變“被動”為“主動”。系統(tǒng)控制由9個模塊組成：微型控制單元（控制MCU）、無線模塊、電機(jī)驅(qū)動電路、紅外收發(fā)模塊、聲光報(bào)警模塊、激光定位模塊、太陽能板、充電模塊、顯示模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制MCU用于裝置的程序控制，屬于裝置控制核心，控制各模塊完成各項(xiàng)功能；無線模塊用于各終端間的組網(wǎng)通信，并及時上傳各終端數(shù)據(jù)及報(bào)警信息；電機(jī)驅(qū)動電路用于實(shí)現(xiàn)紅外對焦電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和啟停；紅外收發(fā)模塊用于紅外線的發(fā)射和接收，一旦接收紅外信號中斷，及時上送信息至控制MCU；聲光報(bào)警模塊包含紅綠燈、喇叭等報(bào)警電路，用于異常時聲光報(bào)警；激光定位模塊用于電子圍欄的標(biāo)記，起警示作用；充電模塊用外接電源為裝置充電；太陽能板用于白天為蓄電池充電，以延長裝置續(xù)航；顯示模塊用于紅外對射狀態(tài)、遮擋狀態(tài)、剩余電量等信息顯示。

3.2 紅外發(fā)射機(jī)制

為了抗干擾和低功耗，紅外光的發(fā)射器采用紅外二極管，默認(rèn)串聯(lián)兩個紅外發(fā)光二極管以保證發(fā)光強(qiáng)度足夠強(qiáng)且功耗最低。由于紅外光經(jīng)發(fā)光二極管后，散射角度大，通過加裝透鏡保證了紅外光的強(qiáng)度和傳輸距離，接收端也通過增加透鏡來保證其接收靈敏度。

現(xiàn)場安裝時，盡量保證本終端的發(fā)射器對準(zhǔn)另外一終端的接收器，以提高自動紅外對焦速度，經(jīng)人工粗略對焦后的終端利用自動組網(wǎng)通信技術(shù)，通過控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)和自動調(diào)節(jié)發(fā)射器與接收器角度實(shí)現(xiàn)兩終端間的自動對焦。

為了避免多個控制器之間的干擾，同一終端的發(fā)送器與接收器頻率相同，而不同終端間的頻率不同，以區(qū)分不同終端間的發(fā)射信號。不同的紅外發(fā)射頻率采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM波控制）實(shí)現(xiàn)，控制MCU通過控制紅外二極管的通斷，生成不同頻率的PWM波。現(xiàn)場可根據(jù)實(shí)際布防情況，調(diào)節(jié)控制器上的兩組撥碼來調(diào)整紅外光的發(fā)送和接收頻率，同時可設(shè)置控制器編碼開關(guān)來選擇紅外光發(fā)送功率，而接收終端根據(jù)自身撥碼開關(guān)設(shè)置的頻率與接收頻率進(jìn)行對比，濾除無用紅外干擾。紅外接收傳感器可接收的頻率范圍為30～60 kHz。

3.3 紅外對射自動對焦

裝置在完成區(qū)域布防前，需完成終端間的組網(wǎng)，保證信息的可靠傳輸，因此設(shè)計(jì)了終端的紅外自動對射模式。通過電機(jī)分別帶動發(fā)射與接收端進(jìn)行紅外對射的自動調(diào)節(jié)，具體工作過程為利用電機(jī)轉(zhuǎn)動改變發(fā)射器與接收器夾角，并不斷檢測接收器接收的紅外線光強(qiáng)值，反復(fù)調(diào)節(jié)發(fā)射器與接收器角度，直至接收器接收紅外光強(qiáng)最大時判斷紅外對焦完成，建立有效電子邊界。當(dāng)所有電子邊界建立完成（除了檢修通道口），電子布防區(qū)域部署完成。

一旦人員誤入該布防區(qū)域邊界，接收端接收紅外光強(qiáng)迅速降低，接收側(cè)終端開始聲光報(bào)警，并將該異常信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至發(fā)送端，發(fā)送端同樣也開啟聲光報(bào)警功能，實(shí)現(xiàn)邊界防護(hù)，防止人員誤入井坑孔洞，從而實(shí)現(xiàn)防墜落功能。

4 終端自動組網(wǎng)設(shè)計(jì)

裝置在完成區(qū)域布防前，需完成終端間的組網(wǎng)，保證信息的可靠傳輸，因此，設(shè)計(jì)裝置自組網(wǎng)模式，采取去中心化設(shè)計(jì)，任何一臺布防終端開機(jī)的情況下均可作為主機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)。布防終端組網(wǎng)分為第1臺終端建立網(wǎng)絡(luò)或第N臺終端加入網(wǎng)絡(luò)兩類情況。

4.1 第1臺終端建立網(wǎng)絡(luò)

裝置初始化完成后，檢查空間內(nèi)是否已存在建立好的網(wǎng)絡(luò)，若無網(wǎng)絡(luò)存在，則自己作為01號主機(jī)，開始建立網(wǎng)絡(luò)，其控制流程如圖10所示。

圖10 第1臺終端建立網(wǎng)絡(luò)軟件流程

程序定時開啟無線接收，檢查附近是否有其他終端加入，如果有終端加入，則檢查該終端的編號是否大于02號，并進(jìn)行相應(yīng)的編號處理。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間需要數(shù)據(jù)互傳，所以在接收到信號后需檢查是否為自身所發(fā)送數(shù)據(jù)，若不是則進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；若為自身所發(fā)送數(shù)據(jù)，則需檢查是否已完成紅外對射調(diào)試，若紅外對射未完成，則啟動電機(jī)開展自動紅外對焦。

4.2 第N臺終端加入網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)空間內(nèi)已存在建立好的網(wǎng)絡(luò)時，新開機(jī)的終端作為第N臺終端加入網(wǎng)絡(luò)，其控制流程如圖11所示。

圖11 第N臺裝置加入網(wǎng)絡(luò)軟件流程

首先，發(fā)送入網(wǎng)指令至01號主機(jī)，請求聯(lián)網(wǎng)；然后，接收01號主機(jī)分配的編號N，并為自己匹配N對應(yīng)的紅外頻率和密碼編碼，保證紅外發(fā)射機(jī)信號的唯一性；最后，啟動電機(jī)自動紅外對焦，紅外對射成功匹配后，停止電機(jī)，并發(fā)送成功指令至01號主機(jī)，完成組網(wǎng)。

5 應(yīng)用及效果

將研發(fā)的基于紅外對射的井坑孔洞智能防墜落裝置應(yīng)用于某110 kV變電站各類型檢修過程中，以檢驗(yàn)其實(shí)際應(yīng)用情況。針對不同裝置檢修現(xiàn)場，分別采用傳統(tǒng)安全遮欄（圍欄）和本裝置進(jìn)行安全布防，結(jié)果如表1所示。

表1 不同布防區(qū)域的對比試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)表明，同一布防區(qū)域，智能防墜落裝置布防時所需的設(shè)備數(shù)量比傳統(tǒng)安全遮欄（圍欄）布防時數(shù)量少，且布防時間短，規(guī)則區(qū)域布防可縮短58.3%的時間，對不規(guī)則區(qū)域和電纜溝道區(qū)域的安全布防優(yōu)勢更加明顯，可分別縮短64.5%和71.8%的布防用時，大大提高了現(xiàn)場布防效率。

其次，從人員誤入和惡劣天氣2種情況對該智能防墜落裝置的可靠性進(jìn)行了測試，試驗(yàn)100次，現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同布防區(qū)域的對比試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)表明：智能防墜落裝置人員誤入時現(xiàn)場報(bào)警準(zhǔn)確率可達(dá)100%。受雨雪等惡劣天氣影響時，存在誤報(bào)警情況，但是正確率仍達(dá)到99%，可靠性較高，滿足現(xiàn)場應(yīng)用需求。

此外，該智能防墜落裝置進(jìn)行了防水密閉處理，防水等級為IPX6，滿足惡劣天氣應(yīng)用要求。自帶太陽能電池板，續(xù)航能力強(qiáng)。裝置底座采用三角結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固設(shè)計(jì)，且鋰電池置于下方，重心較低，現(xiàn)場應(yīng)用中具有良好的防風(fēng)穩(wěn)固性能。

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于紅外對射的井坑孔洞智能防墜落裝置，該裝置利用自組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息互通，通過電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)紅外線的自動對焦，形成任意形狀的布防區(qū)域，實(shí)時監(jiān)視，一旦人員靠近井、坑、孔、洞時，及時提醒人員遠(yuǎn)離危險(xiǎn)點(diǎn)?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，該裝置布防便捷，節(jié)約了布防時間，具有較高的可靠性，滿足現(xiàn)場作業(yè)需求，有效降低了人員墜落井、坑、孔、洞風(fēng)險(xiǎn)。