基于狀態(tài)感知的變電站施工現(xiàn)場安全風(fēng)險管控系統(tǒng)研究

冉一丁 龍錦壯 高 峰 王 健 吳金升 周金橋

（1.山東送變電工程有限公司 2.國網(wǎng)山東省電力公司煙臺供電公司 3.國網(wǎng)山東省電力公司建設(shè)部4.武漢映瑞電力科技有限公司）

0 引言

在變電站施工建設(shè)過程中，由于項(xiàng)目工期緊、地點(diǎn)偏僻、環(huán)境復(fù)雜、交叉作業(yè)多、施工單位多、人員復(fù)雜等特點(diǎn)，給現(xiàn)場施工人員帶來較多安全隱患，管理難度也相當(dāng)大。在當(dāng)前階段有不少研究人員通過技術(shù)手段與措施來實(shí)現(xiàn)變電站作業(yè)風(fēng)險的預(yù)警，例如通過視頻監(jiān)控加識別算法、無線測距算法等方式實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場施工人員的安全預(yù)警或違章行為識別。這些研究成果在降低施工人員作業(yè)風(fēng)險方面取得了一定的成效，但是也有一定的局限性，例如出勤數(shù)據(jù)是現(xiàn)場人力管理的重要基礎(chǔ)，如果無法準(zhǔn)確獲知項(xiàng)目中參加作業(yè)的人數(shù)，現(xiàn)場安全隱患就無處不在，但一些系統(tǒng)無法通過技術(shù)手段了解施工作業(yè)現(xiàn)場的出勤人數(shù)，因而不能達(dá)到及時預(yù)防、發(fā)現(xiàn)、阻止安全事故的目的，無法滿足施工組織設(shè)計中各項(xiàng)與安全相關(guān)的要求。

通過對目前一些基于UWB的變電站人員定位系統(tǒng)進(jìn)行了解，發(fā)現(xiàn)其原理主要是以固定的硬件設(shè)備標(biāo)識作業(yè)風(fēng)險區(qū)域（相當(dāng)于本研究中的基站），以移動的硬件設(shè)備標(biāo)識作業(yè)人員（相當(dāng)于本研究中的預(yù)警器），通過不間斷的UWB通信來測試作業(yè)人員與風(fēng)險區(qū)域的距離，并通過判斷作業(yè)人員與風(fēng)險區(qū)域的關(guān)系來進(jìn)行風(fēng)險預(yù)警［1］。

本研究通過在現(xiàn)有無線測距算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合NB-IOT及UWB協(xié)議，實(shí)現(xiàn)變電站施工作業(yè)現(xiàn)場的人員管控，提供了支持安全管理人員對歷史及實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行查看和統(tǒng)計分析的功能，以便實(shí)時了解施工現(xiàn)場的人員狀態(tài)，并在此基礎(chǔ)上對施工作業(yè)人員進(jìn)行安全監(jiān)督管理。

1 變電站施工作業(yè)風(fēng)險預(yù)警方案的不足

1.1 晶振的頻率偏差對UWB測距的影響

超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術(shù)是一種無線載波通信技術(shù)，它不采用正弦載波，而是利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。因此，在使用UWB進(jìn)行測距的方案中，時間是一個很重要的因素。而在目前的基于UWB的測距方案中，其時鐘源都是使用晶振，晶振的頻率偏差會直接影響到設(shè)備的穩(wěn)定性和精度。但在本研究中發(fā)現(xiàn)，基于晶振作為時鐘源的方案每秒會有毫秒級的誤差，這對于使用納秒級時間差來進(jìn)行定位的UWB測距方案來說，將會產(chǎn)生較大的距離偏差，難以達(dá)到基于距離的安全作業(yè)管控的目的。

1.2 缺乏誤入未許可區(qū)域的實(shí)時監(jiān)測功能

由于現(xiàn)場施工人員眾多，部分施工人員安全意識不高，有時候圖便利，會發(fā)生跨越網(wǎng)的違章等等，存在極大的安全隱患。有時候還存在因?yàn)槲ｋU區(qū)域標(biāo)識設(shè)置不及時或者不明顯，導(dǎo)致非相關(guān)工作人員誤入的情況發(fā)生。

1.3 多人同時在線時系統(tǒng)效率不高

現(xiàn)有一些基于UWB的實(shí)時測距研究，它們從理論上證明了使用UWB方案進(jìn)行測距的可行性。但在實(shí)際變電站施工現(xiàn)場，由于一個預(yù)警器與多個基站測距時，需要對每個基站進(jìn)行TWR測距，總花費(fèi)時間成倍增加，這將導(dǎo)致進(jìn)行一次TWR測距需要更長的時間。而變電站施工現(xiàn)場存在著危險作業(yè)區(qū)多、作業(yè)人員多的特點(diǎn)，如果不能很好地提升多人同時在線時的系統(tǒng)效率問題，將大大影響系統(tǒng)的應(yīng)用效果和使用體驗(yàn)。

1.4 缺乏基于全站的工作人員風(fēng)險狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)

目前變電站建設(shè)階段施工作業(yè)過程中，一些作業(yè)人員需要在風(fēng)險區(qū)域進(jìn)行作業(yè)，對于這類作業(yè)人員需要在其進(jìn)入或離開作業(yè)區(qū)域進(jìn)行主動提示；對于一些作業(yè)人員來說，可能還會誤入其他作業(yè)風(fēng)險區(qū)域，對于這種情況除了進(jìn)行必要的主動式預(yù)警以外，還應(yīng)實(shí)現(xiàn)變電站層面的即時監(jiān)控，對于誤入非授權(quán)風(fēng)險區(qū)域的工作人員進(jìn)行系統(tǒng)級告警，以提醒現(xiàn)場安全管控人員及時進(jìn)行處理，達(dá)到多級監(jiān)管的目的［2］。

2 系統(tǒng)工作原理

2.1 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)硬件組成包括預(yù)警器、基站、服務(wù)器、工作站等，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件組成

預(yù)警器：預(yù)警器通常放置于安全帽上或隨身佩戴。預(yù)警器通過向基站發(fā)送測距請求，并基于基站的響應(yīng)數(shù)據(jù)包進(jìn)行測距。如果當(dāng)前與危險源距離過近（即處于危險工作區(qū)內(nèi)），預(yù)警器會進(jìn)行風(fēng)險預(yù)警。

基站：基站通常放置于有作業(yè)風(fēng)險的區(qū)域中心?；镜耐ㄐ艑ο蟀A(yù)警器、其他基站及服務(wù)器。當(dāng)基站接收到來自預(yù)警器的測距請求時，會對其進(jìn)行響應(yīng)。除此之外，基站之間也會進(jìn)行時鐘同步通信。在施工作業(yè)現(xiàn)場選擇一個基站作為授時基站，其他基站與它進(jìn)行通信以保證與授時基站的時間一致。在與預(yù)警器進(jìn)行通信的同時，基站也會將預(yù)警器的距離通過NB-IOT協(xié)議上傳到服務(wù)器。

服務(wù)器：服務(wù)器上運(yùn)行風(fēng)險管控系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)有各預(yù)警器、基站、危險工作區(qū)的定義，通過預(yù)警器硬件ID與工作人員進(jìn)行綁定及基站硬件ID與危險工作區(qū)的綁定，在管控系統(tǒng)中就可以通過這種關(guān)聯(lián)關(guān)系清楚每個工作人員在施工現(xiàn)場中的具體工作區(qū)，是否存在與危險源距離過近的危險。

工作站：通過工作站上的瀏覽器可以實(shí)現(xiàn)更新系統(tǒng)配置，實(shí)時查看作業(yè)現(xiàn)場人員風(fēng)險情況。

2.2 系統(tǒng)所使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

在本系統(tǒng)中存在中著多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：UWB、NBIOT和LAN等。

UWB：超寬帶技術(shù)UWB是一種無線載波通信技術(shù)，它不采用正弦載波，而是利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。由于UWB可以利用低功耗、低復(fù)雜度發(fā)射／接收機(jī)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，因此在本系統(tǒng)中用于預(yù)警器-基站、基站-基站之間的數(shù)據(jù)通信，達(dá)到測距、時間同步的目的。

NB-IOT：NB-IOT是指窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band-Internet of Things）技術(shù)。NB-IOT聚焦于低功耗廣覆蓋（LPWA）物聯(lián)網(wǎng)（IOT）市場，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)。在本系統(tǒng)中的基站采用了移動NB-IOT卡，以支持通過NB-IOT協(xié)議與遠(yuǎn)方服務(wù)器進(jìn)行通信。

LAN：工作站與服務(wù)器之間采用LAN相關(guān)協(xié)議，以滿足交互頻率高、數(shù)據(jù)傳輸量大的實(shí)時監(jiān)控需求。

2.3 個性化風(fēng)險管控設(shè)計

首先，將每個危險預(yù)警器和危險點(diǎn)基站硬件按類別分別進(jìn)行編號，分配一個在系統(tǒng)中唯一的硬件ID；其次，將每個需要進(jìn)入變電站存在作業(yè)風(fēng)險區(qū)域的工作人員與危險預(yù)警器進(jìn)行一一關(guān)聯(lián)；最后，將變電站多個存在作業(yè)風(fēng)險的區(qū)域設(shè)為工作區(qū)，每個工作區(qū)均可以設(shè)置工作區(qū)半徑及工作區(qū)內(nèi)允許進(jìn)入的工作人員，并且每個工作區(qū)均與危險點(diǎn)基站的硬件ID進(jìn)行關(guān)聯(lián)［3-4］。

這樣一來，在每個工作人員進(jìn)入工作區(qū)后，與其關(guān)聯(lián)的危險預(yù)警器將與該工作區(qū)內(nèi)的危險點(diǎn)基站進(jìn)行通信。危險預(yù)警器發(fā)送的數(shù)據(jù)包中包含有危險預(yù)警器的硬件ID和危險預(yù)警器中的系統(tǒng)時間，危險點(diǎn)基站收到危險預(yù)警器發(fā)送的數(shù)據(jù)包后將會進(jìn)行響應(yīng)。危險點(diǎn)基站發(fā)送的數(shù)據(jù)包中包含有危險點(diǎn)基站的硬件ID、危險點(diǎn)基站收到數(shù)據(jù)包的時間和危險點(diǎn)基站發(fā)送數(shù)據(jù)包的開始時間，危險預(yù)警器收到危險點(diǎn)基站發(fā)送的數(shù)據(jù)包，根據(jù)測距算法即可知道自己是否進(jìn)入了工作區(qū)。如果存在剛進(jìn)入工作區(qū)的情況則會自動播放危險預(yù)警語音，如果危險預(yù)警器通過自身硬件ID與危險點(diǎn)基站ID判斷自己進(jìn)入了未授權(quán)工作區(qū)，還會將此信息上傳到服務(wù)器端管理系統(tǒng)，現(xiàn)場管理人員就可以在服務(wù)器端管理界面看到該危險預(yù)警器關(guān)聯(lián)的工作人員進(jìn)入了未授權(quán)的工作區(qū)域的告警信息，如圖2所示。

圖2 告警信息界面

3 針對現(xiàn)狀的改進(jìn)

在應(yīng)用UWB進(jìn)行測距時，針對大型施工現(xiàn)場的安全管控，有一些可以改進(jìn)和提升的地方，比如響應(yīng)速度、多機(jī)之間干擾等，本文中提出了一些改進(jìn)方法。

3.1 測距響應(yīng)速度的提升改進(jìn)

因風(fēng)險提示作用的特殊性，預(yù)警器測距刷新率越快預(yù)警將越及時，由于UWB技術(shù)自身的特點(diǎn)，使用常規(guī)的TWR測距技術(shù)完成一次一對一的測距工作（包括靜空間隙）需花費(fèi)1.5～2ms。當(dāng)一個預(yù)警器需要與多個基站測距時，將依次對每個基站進(jìn)行TWR測距，總花費(fèi)時間成倍數(shù)增加，本文方法使用一種一對多的測距方法，一次請求可以完成對多個基站的測距功能，單基站平均測距時間降低到0.8ms，大大增加了測距刷新率。

常規(guī)狀態(tài)下，一個預(yù)警器與多個基站測距的方法如圖3所示。

圖3 常規(guī)測距方法

在本系統(tǒng)中采用的改進(jìn)的測距方法如圖4所示。

圖4 改進(jìn)的測距方法

3.2 針對多機(jī)之間干擾的改進(jìn)

在使用6.8Mbps通信速度時一次TWR測距（包括間隙）需要花費(fèi)1.5～2ms，且由于UWB不具備載波沖突檢測功能，若不采取一定措施，多個設(shè)備可能同時發(fā)起測距而導(dǎo)致測距失敗。在本系統(tǒng)中使用時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）技術(shù)解決沖突問題［5］，將時間按每秒劃分為多個時間片，每個測距設(shè)備根據(jù)自己的編號依次使用時間片，時間片的時間長度（若1s劃分為500個時間片，每個時間片為2ms）大于測距所需的時間長度，以此保證多設(shè)備的測距問題。

在UWB測距系統(tǒng)中使用TDMA技術(shù)的同時需要保證基站與各標(biāo)簽時間片的同步，使用無線同步技術(shù)（Wireless Clock Synchronization，WCS）實(shí)現(xiàn)各設(shè)備間的時鐘同步，基站每秒發(fā)出一條WCS報文，預(yù)警器在上電后一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，當(dāng)收到WCS報文后切換到時鐘同步狀態(tài)，在接下來的1s內(nèi)就有了時間基準(zhǔn)，當(dāng)各預(yù)警器都處于時鐘同步狀態(tài)時，就遵循了同一時間基準(zhǔn)，各預(yù)警器根據(jù)自己的編號依次在對應(yīng)的時間偏移進(jìn)行測距即可。

本方法的原理如圖5所示。

圖5 原理圖

值得注意的是，使用本方法不但可以降低多機(jī)之間通信的干擾，也因?yàn)槊棵?次的時間同步頻率大大降低了晶振的頻率偏差對UWB測試的影響，使測距更精準(zhǔn)。

3.3 安全管控方式的改進(jìn)

大多數(shù)基于UWB技術(shù)進(jìn)行測控的研究中，預(yù)警器檢測到與基站的距離超過警戒半徑閾值就發(fā)出警告，在系統(tǒng)中并沒有相關(guān)的記錄。在本系統(tǒng)中基站檢測到進(jìn)入危險區(qū)以及進(jìn)入非授權(quán)區(qū)域，則會將相關(guān)信息上傳到服務(wù)器，在服務(wù)器端可以實(shí)時查看作業(yè)現(xiàn)場各工作區(qū)域內(nèi)的正常作業(yè)人員和違規(guī)作業(yè)人員，并且還可以查看作每個作業(yè)人員與危險區(qū)域中心的距離。

系統(tǒng)還提供當(dāng)前作業(yè)人員統(tǒng)計、人員狀態(tài)統(tǒng)計歷史圖等功能，便于安全管理人員全面掌握作業(yè)現(xiàn)場的人員情況，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)界面圖

4 結(jié)束語

本文在UWB相關(guān)研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行更深入研究，針對施工現(xiàn)場由于作業(yè)人員眾多導(dǎo)致設(shè)備眾多引起的測距性能低、多機(jī)之間干擾等問題，通過應(yīng)用時分多址（TDMA）和無線同步技術(shù)（WCS）實(shí)現(xiàn)干擾降低和性能提高，在實(shí)際應(yīng)用中取得了比較好的效果。針對當(dāng)前的一些風(fēng)險管控系統(tǒng)缺乏全面了解作業(yè)現(xiàn)場的現(xiàn)狀，系統(tǒng)引入NB-IOT技術(shù)將現(xiàn)場作業(yè)人員狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳，實(shí)現(xiàn)變電站施工現(xiàn)場作業(yè)人員的風(fēng)險狀態(tài)感知，便于現(xiàn)場風(fēng)險管控人員的全面監(jiān)督。