CN103617699A - 一种电力作业现场安全智能监护系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电力作业现场安全智能监护系统,包括定位子系统、视频智能分析子系统和安全智能监护子系统;定位子系统包括定位服务器、定位标签和基站单元;基站单元通过对定位标签发来的UWB信号和MAC数据获取定位标签的位置信息,并将其发送到定位服务器;视频智能分析子系统通过分析电力作业现场视频流从而监控工作人员的操作行为,并依据分析结果进行报警;安全智能监护子系统包括定位监控平台和视频监控平台。和现有技术相比,本发明提供的一种电力作业现场安全智能监护系统能够有效防止人员违章,预防或减少电力系统人身伤亡,可广泛适用于电力安全作业及电力施工作业现场。

Description

一种电力作业现场安全智能监护系统
技术领域
本发明涉及一种智能监护系统,具体涉及一种电力作业现场安全智能监护系统。
背景技术
随着电网规模的扩大,电网建设、电力设备生产运营、设备技术改造等各项工作也随之大力发展,现场工作人员的安全管理问题越来越突出;由于人(工作人员)为原因造成的安全事故除了人身事故外,还可能导致电网大面积停电,崩溃,进一步造成交通中断、其他相关行业作业人员生命受到威胁(如矿井下工作人员)等社会灾难,而根据国际共同经验表明:60%~70%的安全事故都是由于现场作业的人员的行为失效导致。电力系统事故的主要原因为管理人员对现场工作人员缺少有效的监控手段,且工作人员违反安全规程制度时,缺少有效的安全防护和告警技术。
因此,提供一种能够实现作业现场工作人员行为安全的智能监护,防止人员违章,预防或减少电力系统人身伤亡等恶性事故的电力作业现场安全智能监护系统显得尤为重要。
发明内容
为了满足现有技术的需要,本发明提供了一种电力作业现场安全智能监护系统,所述系统包括通过以太网依次相连的定位子系统、视频智能分析子系统和安全智能监护子系统;
所述定位子系统包括定位服务器、定位标签和基站单元;所述基站单元通过对所述定位标签发来的UWB信号和MAC数据进行实时检测从而确定所述定位标签的位置信息,并将所述位置信息发送到所述定位服务器;
所述视频智能分析子系统包括视频智能分析服务器和摄像头;所述视频智能分析子系统通过分析电力作业现场视频流从而监控工作人员的操作行为,并依据分析结果进行报警;
所述安全智能监护子系统包括定位监控平台和视频监控平台;所述安全智能监护子系统包括模拟电力作业监控方式和视频流跟踪监控方式。
优选的,所述基站单元的数目为N,N至少为1;所述基站单元由M个定位基站组成,M至少为4;所述定位基站通过检测所述UWB信号的方向角、仰角和到达时间差确定所述定位标签的位置信息;所述定位标签由所述工作人员随身携带;
所述定位服务器通过所述位置信息获取所述工作人员的实际工作位置,并依据工作票类型和电力设备的工作状态判断所述工作人员是否安全;所述定位标签接收所述定位服务器发来的报警指令后进行声光报警;
优选的,所述定位基站包括天线阵列、带通滤波器、低噪声放大器、自动增益控制器、平方积分器和数字锁相环;所述定位标签的信号发射器包括基于SRD的脉冲发生器;
优选的,所述定位子系统采用基于TDOA/AOA的定位混合算法;
优选的,所述摄像头的控制方式包括人工预置方式和操作票控制方式;所述人工预置方式为监控人员依据电力作业要求将所述摄像头的调整信息输入到所述视频智能分析服务器从而控制所述摄像头的转动;所述操作票控制方式为所述摄像头依据操作票信息实时跟踪电力设备;
优选的,所述视频智能分析子系统对所述电力作业现场视频流的分析包括:通过背景差分法和帧间差分法对所述电力作业现场视频流进行检测;所述检测包括获取运动区域图像、背景模型更新和工作人员预警分析;获取所述运动区域图像的具体步骤为:
步骤1:对视频图像序列进行3×3中值滤波处理,并获取背景帧图像BK(x,y)以及连续的两帧图像PK(x,y)、PK-1(x,y);其中为PK(x,y)当前帧图像,PK-1(x,y)为前一帧图像;
步骤2:获取当前帧图像分别与背景帧图像和前一帧图像的帧差FD(x,y)和FG(x,y);
步骤3:对所述帧差FD(x,y)和FG(x,y)进行去噪声处理;具体为:
FD ( x , y ) = 1 | P K ( x , y ) - B K ( x , y ) > T 0 | P K ( x , y ) - B K ( x , y ) ≤ T ;
FG ( x , y ) = 1 | P K ( x , y ) - P K - 1 ( x , y ) > T 0 | P K ( x , y ) - P K - 1 ( x , y ) ≤ T ; 其中,阈值T取值范围为5~15;
步骤4:获取所述帧差FD(x,y)和所述帧差FG(x,y)的交集并将其作为所述运动区域图像输出;
所述背景模型更新采用基于卡尔曼滤波的背景更新方法对背景图像进行更新;更新后的背景图像中像素i值为Bk+1(i)=Bk(i)+(α1×Mk(i)+α2×(1-Mk(i)))(Ck(i)-Bk(i));其中,Bk(i)为当前背景图像中像素i值,Ck(i)为当前图像中像素i值,α1为背景图像更新系数、α2为前景图像更新系数,且α1>α2 M k ( i ) = 1 if ( | C k ( i ) - B k ( i ) | < T b ) 0 if ( | C k ( i ) - B k ( i ) | &GreaterEqual; T b ) , 若|Ck(i)-Bk(i)|<Tb,则当前图像为背景图像;若|Ck(i)-Bk(i)|≥Tb,则当前图像为前景图像。
优选的,所述工作人员预警分析包括:通过基于RGB颜色空间和对比区域质心的方法计算并获取所述电力作业现场视频流的色彩集中程度,从而判断工作人员是否穿戴安全马夹和安全帽;
优选的,所述安全智能监护子系统通过工作票操作票系统自动导入和监控人员手动录入两种方式对电力作业任务进行设置和动态管理;所述安全智能监护子系统的报警方式包括监控画面突出显示报警、监控室语音报警、发送报警信息至所述定位标签以及向工作人员发送手机短信报警;
所述视频流跟踪监控方式为所述视频监控平台通过视频监控画面实时显示电力现场作业区域的实际工况;所述模拟电力作业监控方式为所述定位监控平台通过三维虚拟仿真作业场景中同步显示所述电力现场作业区域中工作人员的位置、姓名和编号信息并进行存储;
优选的,所述电力现场作业区域的划定方式包括:通过典型作业区域或历史票中的作业区域自动生成;通过所述视频监控画面和所述三维虚拟仿真作业场景手动设置;通过所述定位标签的位置信息确定所述电力现场作业区域的各角坐标点,从而生成所述电力现场作业区域。
与最接近的现有技术相比,本发明的优异效果是:
1、本发明技术方案中,定位子系统不受变电站强电磁环境的干扰能够对电力现场工作人间进行精确定位;
2、本发明技术方案中,安全智能监护子系统包括模拟电力作业监控方式和视频流跟踪监控方式;不仅能够通过视频监控画面实时显示电力现场作业区域的实际工况还能通过三维虚拟仿真作业场景中同步显示电力现场作业区域中工作人员的操作信息,弥补了定位子系统的不可见缺陷,确保监控人员对电力现场作业区域的全面精确的监控;
3、本发明技术方案中,采用自动增益控制器(Automatic Gain Control,AGC)使各定位基站在接收强度不同的信号时,能够稳定的输出电压,减小接收信号幅度的抖动,能更有效地在多径环境中工作,有利于定位基站通对UWB信号的检测,从而获取准确的位置信息;
4、本发明技术方案中,多台监控摄像头采用“最近优先”的视频调度算法,解决了监控对象的跟踪和检测固定、图像模糊等问题;
5、本发明技术方案中,采用背景差分法和帧间差分法相结合的方法对电力作业现场视频流进行检测,能够有效提高运动物体的检测准确性;
6、本发明技术方案中,采用基于卡尔曼滤波的背景更新方法对背景图像进行更新;其中设定α1为背景图像更新系数大于α2为前景图像更新系数,可以在确保背景图像不受运动目标影响的同时迅速响应背景的变化;
7、本发明技术方案中,包括监控画面突出显示报警、监控室语音报警、发送报警信息至定位标签以及向工作人员发送手机短信报警四种报警方式,为电力现场工作人员提供了可靠的监护报警保护;
8、本发明提供的一种电力作业现场安全智能监护系统,基于无线定位技术和视频分析技术的电力作业现场安全智能监护方法,实现了与工作票操作票系统以及各子系统之间的联动工作,能够有效防止人员违章,预防或减少电力系统人身伤亡,广泛适用于电力安全作业及电力施工作业现场。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是:本发明实施例中的一种电力作业现场安全智能监护系统结构图;
图2是:本发明实施例中的基于TDOA/AOA的定位混合算法流程示意图:
图3是:本发明实施例中的定位子系统物理结构图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
图1示出了本实施例中的电力作业现场安全智能监护系统结构图;所述系统包括分别与安全智能监护子系统相连的定位子系统和视频智能分析子系统;定位子系统包括定位服务器、定位标签和基站单元,基站单元的数目为N,N至少为1;基站单元由M个定位基站组成,M至少为4;视频智能分析子系统包括视频智能分析服务器和摄像头;安全智能监护子系统包括定位监控平台和视频监控平台;定位服务器分别与视频智能分析服务器和定位监控平台相连;视频智能分析服务器与视频监控平台相连;基站单元和摄像头用于实时监测电力现场作业区域的实际工况;
定位子系统:
本实施例中定位子系统的基站单元包括4个定位基站,主基站BS1、副基站BS2、副基站BS3和副基站BS4组成;基站单元中不同定位基站的监控区域包括重叠区域,以确保对电力作业现场实现全面监控,不遗漏任何监控区域;
定位基站与定位标签之间进行无线通信,定位基站通过检测定位标签发来的MAC(MediaAccess Control)数据,UWB(Ultra Wideband)信号的方向角、仰角和到达时间差确定定位标签TAG的位置信息,并将位置信息发送到定位服务器;定位标签由工作人员随身携带;定位标签的信号发射器包括基于SRD的脉冲发生器;定位基站包括天线阵列、带通滤波器、低噪声放大器、自动增益控制器、平方积分器和数字锁相环;
定位服务器通过位置信息获取工作人员的实际工作位置,并依据工作票类型和电力设备的工作状态,如是否带电,判断工作人员是否安全;工作人员处于危险位置时定位服务器向定位标签发送报警指令,定位标签进行声光报警告知工作人员;定位子系统的定位-报警检测时间不超过50ms;
定位子系统采用基于TDOA/AOA的定位混合算法,如图2和图3分别示出了TDOA/AOA的定位混合算法流程示意图和定位子系统物理结构图。其中定位基站BS4为冗余的定位标签;定位基站、时差计数器和定位服务器依次通过电缆相连;待定位的定位标签TAG不断向定位基站发送超宽带脉冲信号,定位基站提取超宽带脉冲信号的到达时间信息并送入时差计数器;首先,时差计数器设定一个最新到达的定位基站信号,本实施例中设定主基站BS1最先到达;其次,时差计数器对副基站BS2、BS3发送来的超宽带脉冲信号到达时间与主基站BS1的定位基站信号进行时差计算;最后,定位服务器利用TDOA定位算法获取位置信息,通过副基站BS4获取的位置信息作为冗余备用,当坐标位置无解时,采用副基站BS4进行纠正;
定位基站的技术指标为:①、定位面积:≥10000m2;②、定位精度:在3D模式下≤0.3m;③:坐标刷新时间:≤200ms;④、系统响应时间:≤1s;⑤、监测目标数量:≥50;⑥、工作频率:超宽带6GHz~8GHz;⑦、传输通道:2.4G;
定位标签的信号发射器包括基于SRD的脉冲发生器,用于产生超宽带脉冲信号;定位标签的技术指标为:①、便携设计:体积<50cm3;重量<50g;可佩戴于手腕、挂于颈部、螺丝固定等;②、低功耗:采用3V纽扣电池,正常情况下使用寿命≤3年;③、刷新率:0.01~20HZ;④、声光报警:红绿两个指示灯;一个集成蜂鸣器;⑤、工作频率:超宽带6GHz~8GHz;⑥、传输通道:2.4G;
视频智能分析子系统:
频智能分析子系统通过分析电力作业现场视频流从而监控工作人员的操作行为,并依据分析结果进行报警;当工作人员移动时,视频智能分析服务器依据定位服务器发送的位置信息自动调整摄像头并实时跟踪工作人员;且作业人员较多时,视频智能分析服务器依据“最近优先”的视频调度算法自动分配摄像头;通过视频调度算法,得出距离监控摄像头最近的工作人员,优先分配该摄像头,使其跟踪此作业人员,确保每个工作人员都能够被监测到;视频智能分析服务器对电力现场的作业情况进行日志记录,日志信息包括操作时间、操作内容和操作结果,便于监控人员在电力现场出现异常或故障时查询日志发现故障原因和问题;
摄像头的控制方式包括人工预置方式和操作票控制方式;人工预置方式为监控人员依据电力作业要求将摄像头的调整信息输入到视频智能分析服务器从而控制摄像头的转动;操作票控制方式为摄像头依据操作票信息实时跟踪电力设备,且不受人为控制转动;
本实施例中视频智能分析服务器控制摄像头的转动具体为,人工设置摄像头包括36个转动角度。当定位数据发送至视频智能分析子系统后,该系统会将定位数据经过分析计算,然后会生成摄像头转动角度表,最后由智能视频分析服务器执行具体的调度操作,控制跟踪摄像头转动到对应的角度,把摄像机的镜头调整到预期的位置上;
视频智能分析子系统通过分析电力作业现场视频流判断工作区域是否有工作人员、工作人员是否穿着安全马夹、是否佩戴安全帽、是否越出设定的安全区域、是否越过设定的警戒线,并对分析结果进行报警,为监控人员采取措施提供依据;视频智能分析子系统对电力作业现场视频流的分析包括:通过背景差分法和帧间差分法对电力作业现场视频流进行检测,检测包括获取运动区域图像、背景模型更新和工作人员预警分析;获取运动区域图像的具体步骤为:
(1)对视频图像序列进行3×3中值滤波处理,并获取背景帧图像BK(x,y)以及连续的两帧图像PK(x,y)、PK-1(x,y);其中为PK(x,y)当前帧图像,PK-1(x,y)为前一帧图像;
(2)获取当前帧图像分别与背景帧图像和前一帧图像的帧差FD(x,y)和FG(x,y);
(3):对帧差FD(x,y)和FG(x,y)进行去噪声处理;具体为:
FD ( x , y ) = 1 | P K ( x , y ) - B K ( x , y ) > T 0 | P K ( x , y ) - B K ( x , y ) &le; T ;
FG ( x , y ) = 1 | P K ( x , y ) - P K - 1 ( x , y ) > T 0 | P K ( x , y ) - P K - 1 ( x , y ) &le; T ; 其中,阈值T取值范围为5~15;
(4):获取帧差FD(x,y)和FG(x,y)的交集并将其作为运动区域图像输出;
背景模型更新采用基于卡尔曼滤波的背景更新方法对背景图像进行更新;更新后的背景图像中像素i值为Bk+1(i)=Bk(i)+(α1×Mk(i)+α2×(1-Mk(i)))(Ck(i)-Bk(i));其中,Bk(i)为当前背景图像中像素i值,Ck(i)为当前图像中像素i值,α1为背景图像更新系数、α2为前景图像更新系数,且α1>α2 M k ( i ) = 1 if ( | C k ( i ) - B k ( i ) | < T b ) 0 if ( | C k ( i ) - B k ( i ) | &GreaterEqual; T b ) , 若|Ck(i)-Bk(i)|<Tb,则当前图像为背景图像;若|Ck(i)-Bk(i)|≥Tb,则当前图像为前景图像;
当前图像为背景图像时更新α1,当前图像为前景图像更新α2,α1、α2在不同的图像区域取不同的参数得到α1(t1,x1,y1)、α2(t2,x2,y2),其中t1、t2为时间坐标,x1、x2、y1、y2是像素在图像中的坐标;本实施例中背景图像更新系数α1=0.1,前景图像更新系数α1=0.01;对获取的运动区域图像进行背景模型更新后得到二值化的前景图像,利用腐蚀和膨胀算子分别去除该前景图像上孤立的噪声前景点、填补目标区域的小孔;
工作人员预警分析为通过基于RGB颜色空间和对比区域质心的方法计算并获取电力作业现场视频流的色彩集中程度,从而判断工作人员是否穿戴安全马夹和安全帽;
安全智能监护子系统:
安全智能监护子系统包括模拟电力作业监控方式和视频流跟踪监控方式;视频流跟踪监控方式为视频监控平台通过视频监控画面实时显示电力现场作业区域的实际工况;模拟电力作业监控方式为定位监控平台通过三维虚拟仿真作业场景中同步显示电力现场作业区域中工作人员的位置、姓名和编号信息并进行存储;
安全智能监护子系统通过工作票操作票系统自动导入和监控人员手动录入两种方式对电力作业任务进行设置和动态管理;安全智能监护子系统的报警方式包括监控画面突出显示报警、监控室语音报警、发送报警信息至所述定位标签以及向工作人员发送手机短信报警;向工作人员发送手机短信报警具体为,当发生违章行为时,系统会自动触发短信平台发送报警信息;由于在该工作任务生成的时候,系统中会登记工作负责人以及其他作业人员的手机号码,系统会自动识别发生违章的作业人员,并将报警短信发送至违章人员及工作负责人的手机上;
电力现场作业区域的划定方式包括:通过典型作业区域或历史票中的作业区域自动生成;通过视频监控画面和三维虚拟仿真作业场景手动设置;通过定位标签的位置信息确定电力现场作业区域的各角坐标点,从而生成电力现场作业区域;
安全智能监护子系统能够快速绑定与解除工作人员与定位标签的绑定;进行历史工作任务查询;对基础数据、用户信息、权限分配、系统参数进行管理;管理人员可通过点击三维虚拟仿真场景中的虚拟人物进行编辑、调换;还可以进行距离测量、面积计算、画面截取,以及可以利用键盘和鼠标控制画面,实现监控画面的放大缩小和视角切换。
最后应当说明的是:所描述的实施例仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。

Claims (9)

1.一种电力作业现场安全智能监护系统,其特征在于,所述系统包括通过以太网依次相连的定位子系统、视频智能分析子系统和安全智能监护子系统;
所述定位子系统包括定位服务器、定位标签和基站单元;所述基站单元通过对所述定位标签发来的UWB信号和MAC数据进行实时检测从而确定所述定位标签的位置信息,并将所述位置信息发送到所述定位服务器;
所述视频智能分析子系统包括视频智能分析服务器和摄像头;所述视频智能分析子系统通过分析电力作业现场视频流从而监控工作人员的操作行为,并依据分析结果进行报警;
所述安全智能监护子系统包括定位监控平台和视频监控平台;所述安全智能监护子系统包括模拟电力作业监控方式和视频流跟踪监控方式。
2.如权利要求1所述的一种电力作业现场安全智能监护系统,其特征在于,所述基站单元的数目为N,N至少为1;所述基站单元由M个定位基站组成,M至少为4;所述定位基站通过检测所述UWB信号的方向角、仰角和到达时间差确定所述定位标签的位置信息;所述定位标签由所述工作人员随身携带;
所述定位服务器通过所述位置信息获取所述工作人员的实际工作位置,并依据工作票类型和电力设备的工作状态判断所述工作人员是否安全;所述定位标签接收所述定位服务器发来的报警指令后进行声光报警。
3.如权利要求2所述的一种电力作业现场安全智能监护系统,其特征在于,所述定位基站包括天线阵列、带通滤波器、低噪声放大器、自动增益控制器、平方积分器和数字锁相环;所述定位标签的信号发射器包括基于SRD的脉冲发生器。
4.如权利要求1所述的一种电力作业现场安全智能监护系统,其特征在于,所述定位子系统采用基于TDOA/AOA的定位混合算法。
5.如权利要求1所述的一种电力作业现场安全智能监护系统,其特征在于,所述摄像头的控制方式包括人工预置方式和操作票控制方式;所述人工预置方式为监控人员依据电力作业要求将所述摄像头的调整信息输入到所述视频智能分析服务器从而控制所述摄像头的转动;所述操作票控制方式为所述摄像头依据操作票信息实时跟踪电力设备。
6.如权利要求1所述的一种电力作业现场安全智能监护系统,其特征在于,所述视频智能分析子系统对所述电力作业现场视频流的分析包括:通过背景差分法和帧间差分法对所述电力作业现场视频流进行检测;所述检测包括获取运动区域图像、背景模型更新和工作人员预警分析;获取所述运动区域图像的具体步骤为:
步骤1:对视频图像序列进行3×3中值滤波处理,并获取背景帧图像BK(x,y)以及连续的两帧图像PK(x,y)、PK-1(x,y);其中为PK(x,y)当前帧图像,PK-1(x,y)为前一帧图像;
步骤2:获取当前帧图像分别与背景帧图像和前一帧图像的帧差FD(x,y)和FG(x,y);
步骤3:对所述帧差FD(x,y)和FG(x,y)进行去噪声处理;具体为:
FD ( x , y ) = 1 | P K ( x , y ) - B K ( x , y ) > T 0 | P K ( x , y ) - B K ( x , y ) &le; T ;
FG ( x , y ) = 1 | P K ( x , y ) - P K - 1 ( x , y ) > T 0 | P K ( x , y ) - P K - 1 ( x , y ) &le; T ; 其中,阈值T取值范围为5~15;
步骤4:获取所述帧差FD(x,y)和所述帧差FG(x,y)的交集并将其作为所述运动区域图像输出;
所述背景模型更新采用基于卡尔曼滤波的背景更新方法对背景图像进行更新;更新后的背景图像中像素i值为Bk+1(i)=Bk(i)+(α1×Mk(i)+α2×(1-Mk(i)))(Ck(i)-Bk(i));其中,Bk(i)为当前背景图像中像素i值,Ck(i)为当前图像中像素i值,α1为背景图像更新系数、α2为前景图像更新系数,且α1>α2 M k ( i ) = 1 if ( | C k ( i ) - B k ( i ) | < T b ) 0 if ( | C k ( i ) - B k ( i ) | &GreaterEqual; T b ) , 若|Ck(i)-Bk(i)|<Tb,则当前图像为背景图像;若|Ck(i)-Bk(i)|≥Tb,则当前图像为前景图像。
7.如权利要求6所述的一种电力作业现场安全智能监护系统,其特征在于,所述工作人员预警分析包括:通过基于RGB颜色空间和对比区域质心的方法计算并获取所述电力作业现场视频流的色彩集中程度,从而判断工作人员是否穿戴安全马夹和安全帽。
8.如权利要求1所述的一种电力作业现场安全智能监护系统,其特征在于,所述安全智能监护子系统通过工作票操作票系统自动导入和监控人员手动录入两种方式对电力作业任务进行设置和动态管理;所述安全智能监护子系统的报警方式包括监控画面突出显示报警、监控室语音报警、发送报警信息至所述定位标签以及向工作人员发送手机短信报警;
所述视频流跟踪监控方式为所述视频监控平台通过视频监控画面实时显示电力现场作业区域的实际工况;所述模拟电力作业监控方式为所述定位监控平台通过三维虚拟仿真作业场景中同步显示所述电力现场作业区域中工作人员的位置、姓名和编号信息并进行存储。
9.如权利要求8所述的一种电力作业现场安全智能监护系统,其特征在于,所述电力现场作业区域的划定方式包括:通过典型作业区域或历史票中的作业区域自动生成;通过所述视频监控画面和所述三维虚拟仿真作业场景手动设置;通过所述定位标签的位置信息确定所述电力现场作业区域的各角坐标点,从而生成所述电力现场作业区域。
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