一種智能型戶外臺(tái)區(qū)防行人觸電警示報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)

國網(wǎng)山東省電力公司日照供電公司 王 媛

在電力系統(tǒng)中，臺(tái)區(qū)是指（一臺(tái)）變壓器的供電范圍或區(qū)域。由于變壓器在運(yùn)行過程中本身有一定的危險(xiǎn)性，如果人或者其他較長的物體觸碰到變壓器，就可能會(huì)發(fā)生觸電危險(xiǎn)，輕則引起跳閘斷電，甚至?xí)l(fā)人員傷亡事故，由此對(duì)臺(tái)區(qū)周圍一定范圍內(nèi)進(jìn)行警戒保護(hù)就顯得尤為重要。傳統(tǒng)的做法是在臺(tái)區(qū)旁邊豎一塊警示牌，對(duì)行人進(jìn)行警示。如果警示牌遭到破壞或者行人沒有注意，依然可能會(huì)觸碰到變壓器[1]。為了能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)隱患，完全杜絕行人觸電事故的發(fā)生，本文設(shè)計(jì)了一款基于智能AI技術(shù)的戶外臺(tái)區(qū)防行人觸電警示報(bào)警裝置，該報(bào)警裝置包括高清AI攝像頭、高音喊話器、太陽能板及上位后臺(tái)軟件系統(tǒng)。

裝置采用最新的智能AI識(shí)別系統(tǒng)，可自動(dòng)識(shí)別進(jìn)入指定區(qū)域的行人，當(dāng)行人所攜帶的物體可能會(huì)觸碰到變壓器，或者行人在臺(tái)區(qū)安全區(qū)域內(nèi)停留時(shí)間超過設(shè)定時(shí)間，高音喊話器會(huì)自動(dòng)喊話，提醒行人及時(shí)離開。如果行人仍未及時(shí)離開，則系統(tǒng)就會(huì)通過廣播形式向軟件后臺(tái)發(fā)送報(bào)警信息，并通過4G網(wǎng)絡(luò)向運(yùn)維人員進(jìn)行短信報(bào)警提醒，并對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行拍照，為后期的分析提供圖像依據(jù)。監(jiān)控人員可通過軟件實(shí)時(shí)查看所監(jiān)控設(shè)備周圍的情況，也可以隨時(shí)通過喊話器進(jìn)行喊話告警。

1 戶外臺(tái)區(qū)防行人觸電警示報(bào)警裝置的工作原理

該戶外臺(tái)區(qū)防行人觸電警示報(bào)警裝置分為圖像采集模塊、傳輸部分、報(bào)警部分和供電部分、后臺(tái)軟件等模塊單元組成。裝置首先通過智能AI攝像頭，對(duì)劃定區(qū)域內(nèi)的物體進(jìn)行監(jiān)測識(shí)別，通過內(nèi)部控制器的計(jì)算，識(shí)別為行人或者可能觸碰到變壓器的物體時(shí)，驅(qū)動(dòng)高音喊話器進(jìn)行報(bào)警喊話，同時(shí)對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行拍照，并將報(bào)警信息通過4G無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至后臺(tái)軟件，同時(shí)通過短信的形式將所監(jiān)控的臺(tái)區(qū)號(hào)、報(bào)警類型、緊急程度等信息發(fā)送至運(yùn)維人員的手機(jī)端，提醒運(yùn)維人員及時(shí)處理。裝置采用鋰電池和太陽能雙重供電，保證裝置長時(shí)間運(yùn)行不受影響。

該裝置分為視頻防行人觸電報(bào)警一體機(jī)和太陽能板供電系統(tǒng)。一體機(jī)呈T型結(jié)構(gòu)，中間為配電箱及控制主板安置區(qū)，不銹鋼防水結(jié)構(gòu)，表面經(jīng)過烤漆特殊處理，經(jīng)久耐用，可長期安裝在戶外復(fù)雜環(huán)境中使用。頂部兩側(cè)分別安裝有一部高音報(bào)警喊話器和一個(gè)高清AI球形攝像頭，喊話器、攝像頭通過防水電纜與主機(jī)相連。

一體機(jī)通過不銹鋼可調(diào)節(jié)抱箍固定在線桿上，球形攝像頭可360°旋轉(zhuǎn)，對(duì)闖入監(jiān)控區(qū)域的行人和車輛進(jìn)行巡航追蹤。配電箱內(nèi)裝有大容量鋰電池、太陽能充電控制器、主板、4G通信模塊等主要部件。配電箱的頂部裝有避雷針，并配有完善的接地措施，可防止遭雷擊破壞。頂部獨(dú)立的搬運(yùn)把手方便設(shè)備的搬運(yùn)安裝。太陽能電池板為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，可獨(dú)立安裝在空曠、不受遮擋的區(qū)域，太陽能板與配電箱通過專用電纜相連。整套裝置結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理，重量輕，安裝方便。

1.1 圖像采集模塊

該智能AI技術(shù)的戶外臺(tái)區(qū)防行人觸電警示報(bào)警裝置采用高清球形AI攝像頭，支持360°旋轉(zhuǎn)，可對(duì)臺(tái)區(qū)周圍任意位置進(jìn)行無死角監(jiān)控。內(nèi)置華為海思AI智能跟蹤芯片，一旦攝像頭在監(jiān)控區(qū)域發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，內(nèi)置的控制芯片會(huì)根據(jù)人形的方位及姿態(tài)和身體溫度馬上鎖定實(shí)現(xiàn)跟蹤，同時(shí)對(duì)跟蹤目標(biāo)用紅框檢測人形，檢測頭肩，確定為真人后用黃框?qū)⑷丝蜻x。裝置會(huì)自動(dòng)跟蹤，自動(dòng)變焦放大識(shí)別。當(dāng)發(fā)現(xiàn)人形黃框鎖定，球機(jī)自動(dòng)跟蹤，自動(dòng)變焦放大看清人臉。攝像頭采用6寸4G無線專業(yè)攝像頭，30倍光學(xué)變焦，可360°自動(dòng)巡航，500萬像素，夜視距離可達(dá)150m，白天可達(dá)1000m。音頻可通過外接高音喊話喇叭對(duì)外輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)外語音報(bào)警。

圖像采集模塊中的AI識(shí)別采用的是腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別技術(shù)，先采集各種人體圖像，各種形體各種姿態(tài)，然后建立人體模型，將模型程序?qū)階I智能跟蹤芯片，當(dāng)攝像頭捕獲到圖像信息后會(huì)將圖像中的信息與芯片內(nèi)的模型進(jìn)行對(duì)比，匹配成功后則判定畫面中的物體為人體，并將其框選標(biāo)定。建模時(shí)的圖像張數(shù)越多，判定信息越準(zhǔn)確。

AI高清攝像頭在拍攝到現(xiàn)場視頻后，先對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行編碼，編碼后的信號(hào)被傳送至DSP控制模塊，控制模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼處理，并將視頻轉(zhuǎn)化為YCbCr格式，同時(shí)對(duì)信號(hào)中的Y成分進(jìn)行提取，作為視頻圖像的灰度圖像，DSP芯片內(nèi)的計(jì)算處理器對(duì)提取到的灰度圖像進(jìn)行高斯平滑濾波，去除掉圖像信號(hào)中的噪聲信號(hào)。主控芯片內(nèi)有一圖像邊緣提取模塊，該模塊可對(duì)灰度圖像的邊緣進(jìn)行提取，提取出人形的邊緣，然后芯片內(nèi)的圖像膨脹模塊對(duì)提取的灰度圖像進(jìn)行膨脹處理，然后芯片將膨脹處理后的區(qū)域作為人形的監(jiān)控區(qū)域。

同時(shí)，芯片內(nèi)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測模塊采用多維高斯分布處理監(jiān)控區(qū)域，檢測其中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，將運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的點(diǎn)進(jìn)行二值化處理，當(dāng)做候選點(diǎn)，多維高斯分布可以將鏡頭周期運(yùn)動(dòng)和背景周期運(yùn)動(dòng)對(duì)處理結(jié)果的影響最大化的濾除。連通域模塊可以將處理后得到的候選點(diǎn)連成候選域，通過Blob對(duì)候選域進(jìn)行處理可提高處理速度，減少時(shí)間。目標(biāo)提取模塊利用大小比對(duì)、對(duì)候選區(qū)域直線特征提取，如果候選區(qū)域內(nèi)有符合條件的物體，就發(fā)送報(bào)警信號(hào)進(jìn)行報(bào)警提醒。

控制器內(nèi)還有一個(gè)圖像比例縮放模塊，可對(duì)采集的圖像區(qū)域內(nèi)監(jiān)控目標(biāo)的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)進(jìn)行比例縮放，按照一定比例縮放同一目標(biāo)的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)可以減少需要處理的數(shù)據(jù)量，提高處理器的處理速度。

1.2 數(shù)據(jù)處理模塊

該數(shù)據(jù)處理模塊為智能AI技術(shù)的戶外臺(tái)區(qū)防行人觸電警示報(bào)警裝置的主要部分，包括一片高精度的DSP芯片、一片STM32單片機(jī)和一片F(xiàn)PGA大規(guī)模邏輯處理芯片。攝像頭采集到的圖像信息為模擬信號(hào)，經(jīng)過攝像頭內(nèi)的放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為芯片可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，同時(shí)攝像頭內(nèi)的AI智能芯片會(huì)將圖像信號(hào)內(nèi)的人形部分單獨(dú)進(jìn)行識(shí)別和分離，只將該部分信號(hào)傳遞到視頻跟蹤和報(bào)警處理單元，這樣可最大限度地減小主控制芯片的工作量，保證數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性，減小監(jiān)控視頻的延時(shí)，保證視頻的流暢性。

控制器檢測到監(jiān)控區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)行人時(shí)會(huì)進(jìn)行計(jì)時(shí)，并對(duì)出現(xiàn)的行人進(jìn)行定位追蹤，如果行人在臺(tái)區(qū)安全范圍內(nèi)停留時(shí)間超過預(yù)設(shè)定的時(shí)間，就會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，如果有物體可能會(huì)觸碰到變壓器，報(bào)警器會(huì)立即報(bào)警，并啟動(dòng)攝像頭拍照，同時(shí)將報(bào)警信息和照片傳送到后臺(tái)軟件，通過電腦或手機(jī)客戶端，巡檢人員可實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場的情況，對(duì)可能出現(xiàn)報(bào)警情形進(jìn)行及時(shí)處理。

1.3 傳輸模塊

攝像頭自帶有4G天線，支持4G無線傳輸模式，同時(shí)也預(yù)留有有線網(wǎng)口，既可以采用有線方式，即在設(shè)備上插入網(wǎng)線，也可以采用4G無線傳輸方式，不受地形及外部環(huán)境的影響。插入網(wǎng)線后會(huì)優(yōu)先采用有線傳輸模式。內(nèi)部插有64G內(nèi)存卡，可錄像14天。默認(rèn)的4G卡為1G流量套餐，如每天手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)看攝像頭1h，1GB流量可用6天。只有在用手機(jī)/電腦遠(yuǎn)程監(jiān)看攝像頭時(shí)會(huì)用到4G卡流量，不遠(yuǎn)處監(jiān)看不占用流量。

1.4 報(bào)警模塊

裝置內(nèi)置一個(gè)聲光報(bào)警器。報(bào)警器采用60W高分貝大功率廣播級(jí)喊話喇叭，當(dāng)裝置判定行人在臺(tái)區(qū)劃定的安全區(qū)域內(nèi)逗留時(shí)間超過規(guī)定時(shí)間，或者判斷有物體可能會(huì)觸碰到變壓器時(shí)，可通過軟件對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行遠(yuǎn)程喊話，同時(shí)喊話報(bào)警器就會(huì)發(fā)出報(bào)警聲，提示現(xiàn)場人員遠(yuǎn)離，防止觸電事故發(fā)生，同時(shí)控制器會(huì)通過4G模塊向巡檢人員指定手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信，提醒巡檢人員及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場進(jìn)行處理。內(nèi)置的DSP處理器可對(duì)行人進(jìn)行精確計(jì)算，辨別各種可能觸碰變壓器的情況發(fā)生的原因，智能化程度高，辨別精確。

1.5 電源供電模塊

裝置采用太陽能供電和外接直流供電的兩種供電模式。智能AI技術(shù)的戶外臺(tái)區(qū)防行人觸電警示報(bào)警裝置的配電箱內(nèi)裝有大容量的鋰電池，為太陽能供電，同時(shí)預(yù)留了外接電源接口，方便由于連續(xù)陰雨天導(dǎo)致電池電量不足時(shí)為鋰電池充電。太陽能電池采用大功率單晶硅光伏板供電系統(tǒng)。裝置采用了80W-40AH光伏發(fā)電系統(tǒng)，太陽能板的尺寸為：長×寬×高=900mm×530mm×25mm，電池充滿電陰雨天實(shí)測可待機(jī)48h以上。預(yù)留的外接電源接口為DC12V供電接口，可直接為裝置供電，也可以為裝置內(nèi)置的鋰電池進(jìn)行充電。兩種供電模式相互補(bǔ)充，共同為該監(jiān)控裝置提供電源。

1.6 防雷及接地模塊

根據(jù)安防設(shè)備的要求，監(jiān)控設(shè)備必須具有防雷及完善的接地結(jié)構(gòu)。在裝置的頂端設(shè)有避雷針，自身的金屬外殼也會(huì)最大化的減弱雷擊對(duì)內(nèi)部電路及結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電磁干擾。同時(shí)，內(nèi)部控制電路均單獨(dú)設(shè)有防雷擊保護(hù)電路，確保遭受意外雷擊時(shí)不會(huì)對(duì)主控電路和模塊造成致命影響。并且，在配電箱體內(nèi)做了等電位處理，配合避雷針、有效接地措施共同減小雷電感應(yīng)產(chǎn)生的雷電波對(duì)設(shè)備的入侵影響，保護(hù)設(shè)備免受雷電傷害。裝置頂部的避雷針通過桿體的底座接通大地，可使雷電的電流迅速流向大地，保護(hù)內(nèi)部的設(shè)備免遭雷電的破壞和影響。

1.7 預(yù)警信息管理

裝置配置的AI智能攝像頭能對(duì)監(jiān)控畫面內(nèi)的行人進(jìn)行智能識(shí)別，及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器觸碰隱患。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度算法，通過上傳的大量不同形態(tài)的人形圖像，建立圖庫模型。在監(jiān)控時(shí)通過對(duì)畫面內(nèi)容的提取并與內(nèi)部模型進(jìn)行對(duì)比，可準(zhǔn)確識(shí)別行人，判斷其行為的危險(xiǎn)系數(shù)，并對(duì)行人的圖像進(jìn)行自動(dòng)放大和追蹤，當(dāng)系統(tǒng)判定行人的行為可能會(huì)觸碰到變壓器或者可能會(huì)引發(fā)觸電事故時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)喊話報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警。系統(tǒng)支持自動(dòng)語音報(bào)警和手動(dòng)喊話提醒，并將報(bào)警信息發(fā)送至巡檢人員的手機(jī)端，同時(shí)支持實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場情況。

后臺(tái)軟件主要用來顯示監(jiān)控畫面、采集報(bào)警信息、統(tǒng)計(jì)歷史報(bào)警數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程喊話、視頻錄制拍照、查詢、存儲(chǔ)等工作。通過電腦或者手機(jī)客戶端，監(jiān)控巡檢人員可隨時(shí)查看臺(tái)區(qū)周圍的情況，也可以隨時(shí)通過喊話器進(jìn)行喊話告警。系統(tǒng)支持手機(jī)/電腦多平臺(tái)多人同時(shí)觀看。巡檢人員也可以通過搜索功能，查看任意監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)控信息和報(bào)警信息，可查看歷史報(bào)警數(shù)據(jù)，報(bào)警信息自動(dòng)匯總，可隨時(shí)導(dǎo)出便于管理人員后期對(duì)臺(tái)區(qū)的管理和維護(hù)。通過軟件遠(yuǎn)程監(jiān)控，減少了巡檢人員的工作量，提高了監(jiān)控效率，杜絕了行人意外觸電事故的發(fā)生。

2 結(jié)語

臺(tái)區(qū)變壓器位于戶外露天區(qū)域，經(jīng)常會(huì)因各種意外原因被觸碰到，而變壓器本身就比較危險(xiǎn)，如果發(fā)生人或者其他較長的物體觸碰到變壓器的情況，可能會(huì)發(fā)生觸電危險(xiǎn)，輕則引起跳閘斷電，甚至?xí)l(fā)人員傷亡事故，為了杜絕因意外發(fā)生行人觸電事故的發(fā)生，將事故隱患消滅在萌芽狀態(tài)，設(shè)計(jì)了一款基于智能AI技術(shù)的戶外臺(tái)區(qū)防行人觸電警示報(bào)警裝置，裝置的主體為不銹鋼防水箱體，可通過不銹鋼抱箍固定到樹木或者線桿上。

該報(bào)警裝置包括高清AI攝像頭、高音喊話器、太陽能板及上位后臺(tái)軟件系統(tǒng)。AI攝像頭能對(duì)采集到的視頻圖像進(jìn)行分析識(shí)別，分離出行人信息，然后對(duì)行人進(jìn)行框選并實(shí)時(shí)的追蹤，當(dāng)行人或者行人所攜帶的物體可能會(huì)觸碰到變壓器，或者行人在臺(tái)區(qū)安全區(qū)域內(nèi)停留時(shí)間超過設(shè)定時(shí)間，裝置會(huì)啟動(dòng)裝置內(nèi)的聲光報(bào)警器對(duì)行人進(jìn)行語音提醒，使行人及時(shí)離開，對(duì)現(xiàn)場情況進(jìn)行拍照，并通過4G網(wǎng)絡(luò)將報(bào)警信息發(fā)送至后臺(tái)軟件，管理人員通過軟件即可遠(yuǎn)程監(jiān)控所有臺(tái)區(qū)周圍的情況。裝置采用太陽能和外接電源兩種供電模式，可保證裝置長期使用而不會(huì)斷電。整套裝置智能化水平高，小巧，安裝方便，操作簡單，可完全替代人工進(jìn)行的現(xiàn)場巡檢，節(jié)省了人力和時(shí)間，提高了巡檢效率，可大規(guī)模進(jìn)行推廣。