CN104810749A - 输电线路带电作业安全实时控制系统及作业监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电线路带电作业安全实时控制系统及作业监测方法，本发明是基于多超声波传感器融合的带电作业安全距离实时检测系统。根据具体线路情况，依据作业人员的各种肢体动作和带电作业最小安全距离，实时计算出作业人员与危险点之间距离信息，并做出即时的分析，提醒作业人员注意身体各部位与相应危险点之间的距离，实时画面监控把作业人员实时位置传输到监控中心，如果作业人员一旦将到达危险位置点，本发明可实时发出警报信号。通过本发明为带电作业的安全提供有效的监控，对预防或减少带电作业人身触电事故的发生具有十分重要的工程实践价值。

Description

输电线路带电作业安全实时控制系统及作业监测方法

技术领域

本发明涉及一种输电线路带电作业安全实时控制系统及作业监测方法。

背景技术

随着我国电网的快速发展，带电检修已成为保证电网的安全运行和稳定供电的重要手段，同时给带电作业工作提出了严峻的挑战。带电作业人员在作业过程中，由于工作程序繁琐，工作环境恶劣等原因，往往使作业人员容易忽视身边危险，无意中过于接近带电设备，造成人员伤亡。因此，如何有效保障带电作业过程中作业人员安全、增强带电作业工作的安全管理，预防及减少安全事故的发生，已成为我国带电作业领域重要的研究项目。

带电作业的安全距离是指作业人员在确保安全的前提下，与带电体或接地体之间所应保持的各种最小空气间隙距离的总称，是保证带电作业人身和设备安全的关键，输电线路带电作业安全距离的准确计算是带电作业中一项至关重要的工作。

目前，我国带电作业安全距离的确定和作业过程的管控，主要是依靠具有丰富带电作业实践经验的专责监护人员的监督及作业人员的自觉来实现。专责监护人完全凭借自身的工作经验、个人状态通过目测来确定安全距离，这种做法存在一定的主观因素，同时还会受到视觉角度和外界环境等客观因素的影响，容易造成距离的判断结果与实际安全距离存在较大差距，无法保证带电作业人员的安全；另一方面，带电作业人员在作业过程中，由于现场作业点多面广，工作繁重，作业人员易疲劳，精力不够集中，容易发生违章行为，从而导致安全事故的发生。因此，仅仅依靠专责监护人员的观察能力和作业人员的自觉性，一般很难保证现场带电作业时安全距离的准确判断和作业过程的有效控制。

项目针对目前我国电力行业带电作业中安全预警系统产品缺乏、功能单一等现状，提出基于多传感器的带电作业安全距离实时检测和视频监控系统，对作业人员作业过程中的安全距离进行准确计算及预警，并实现作业现场的全过程实时监控，项目的研究对防止作业人员的习惯性违章和人身伤亡等安全事故的发生提供了有效的技术方法和技术手段，可望在带电作业安全信息获取、安全距离预警和作业现场监控等方面取得技术、方法和应用上突破，对促进我国带电作业工作的发展具有十分重要的工程实践价值。

发明内容

本发明针对目前我国带电作业中安全距离预警系统缺乏的问题，提供一种保证作业人员安全并提高带电作业效率的输电线路带电作业安全实时控制系统及作业过程监测方法。

本发明提供的这种输电线路带电作业安全实时控制系统，包括若干随动摄像头、移动监控终端和控制指挥中心；随动摄像头中集成超声波测距模块；随动摄像头通过无线通信方式与移动监控终端进行数据交互；移动监控终端通过无线通信方式与控制指挥中心进行数据交互。

所述随动摄像头包括超声波测距模块、摄像头装置、单片机控制系统和无线通信模块；超声波测距模块内嵌在摄像头装置的前端；超声波测距模块与单片机控制系统连接；摄像头装置与单片机控制系统连接，单片机控制系统控制摄像头装置实时跟随目标运动；单片机控制系统的串口与无线通信模块连接，单片机控制系统将视频数据和测距数据通过无线通信模块发至控制中心。

所述超声波测距模块包括超声波发射电路和超声波接收电路；超声波发射电路发射超声波信号，该信号遇到被检测物返回由超声波接收电路接收，超声波接收电路将接收的信号传至单片机控制系统。

所述超声波发射电路包括超声波传感器的发射器、振荡器和功率放大电路；振荡器的输出端与功率放大电路的输入端连接，功率放大电路的输出端与超声波传感器的发射器连接。

所述超声波接收电路采用单稳式超声波接收器电路；其包括超声波传感器的接收器、高通放大器电路。

所述摄像头装置包括带云台的摄像头。

所述单片机控制系统包括FPGA；FPGA包括UART发送模块、数据采集模块、计时模块、温度补偿模块、视频图像处理模块、视频随动模块、三维坐标模块和片内RAM。

所述移动监控终端包括视频采集编码模块、视频压缩编码模块、主控制模块、4G接入模块、LCD显示模块、存储模块和电源模块；视频采集编码模块与视频压缩编码模块连接，视频采集编码模块还与主控制模块连接；视频压缩编码模块与主控制模块连接；主控制模块与4G接入模块连接，主控制模块还分别与LCD显示模块、存储模块连接；电源模块给上述各模块供电。

一种输电线路带电作业安全实时控制系统的作业监测方法，该方法包括如下步骤：

步骤一，随动摄像头采集作业人员作业图像，并将采集到的图像信息传输至单片机控制系统，单片机控制系统利用视频追踪算法对图像信息进行处理；

步骤二，根据处理结果，判断图像信息中作业人员所带色标是否在摄像头视野的中心位置；

步骤三，若作业人员所带色标在该中心位置，则控制超声波测距模块获取作业人员与危险点之间的距离，并传输至单片机控制系统，由单片机控制系统通过移动监控终端传至控制指挥中心；转至步骤四；

否则，单片机控制系统根据所述色标与摄像头视野中心的差异量，控制摄像头的云台转动，并继续采集图像信息判断作业人员所带色标是否在图像采集的中心位置，直至作业人员所带色标在摄像头视野的中心位置；转至步骤一；

步骤四，控制指挥中心将距离数据与电力安全工作规程中对应的安全距离进行比对，低于该规程规定的安全距离时，对该作业人员实时报警。

所述作业人员所带色标位于作业人员的头、腕部和脚踝部。

所述随动摄像头至少包括5个，用于分别实时追踪操作人员头、两手腕部和两脚踝部的色环。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明是基于多超声波传感器融合的带电作业安全距离实时检测系统。本发明利用集成超声波传感器的随动摄像头实时计算出作业人员与危险点之间距离信息并做出即时的分析，提醒作业人员注意身体各部位与相应危险点之间的距离，实时画面监控把作业人员实时位置传输到监控中心，如果作业人员一旦将到达危险位置点，本发明可实时发出警报信号。通过本发明为带电作业的安全提供有效的监控，对预防或减少带电作业人身伤害等事故的发生具有十分重要的工程实践价值。

附图说明

图1是本发明的原理示意图。

图2是本发明的随动摄像头前端结构示意图。

图3是本发明的超声波测距模块功能框图。

图4是本发明的振荡-放大型发射原理框图。

图5是本发明的超声波发射电路图。

图6是本发明的超声波接收电路图。

图7是本发明的移动监控终端主要硬件模块框图。

图8是本发明的移动监控的软件结构图。

图9是本发明的安全距离实测流程图。

图10是本发明的一种实施方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明包括若干随动摄像头、移动监控终端和控制指挥中心。随动摄像头中集成超声波测距模块；随动摄像头通过无线通信方式与移动监控终端进行数据交互；移动监控终端通过无线通信方式与控制指挥中心进行数据交互。

随动摄像头包括超声波测距模块、摄像头装置、单片机控制系统和无线通信模块。超声波测距模块内嵌在摄像头装置的前端；超声波测距模块与单片机控制系统连接；摄像头装置与单片机控制系统连接，单片机控制系统控制摄像头装置实时跟随目标运动；单片机控制系统的串口与无线通信模块连接，单片机控制系统将视频数据和测距数据通过无线通信模块发至控制中心。

摄像头装置包括带云台的摄像头。

如图2所示，其中1为超声波传感器，可以发射超声波和接收色环反射回来的超声波；2为摄像头视频采集器，可以对监控的画面信息进行采集；3是集成超声波传感器的随动摄像头的外壳，通过外壳将传感器和摄像头固定在一起。

如图3所示，超声波测距模块包括超声波发射电路、超声波接收电路、A/D转换电路、温度补偿电路、串口发送电路和电源电路。温度补偿电路包括温度传感器和信号处理电路；温度补偿电路的输出端与单片机控制系统连接。

单片机控制系统包括FPGA。FPGA包括UART发送模块、数据采集模块、计时模块、温度补偿模块、视频图像处理模块、视频随动模块、三维坐标模块和片内RAM。UART发送模块将接收到的超声波传感器测得的数据进行转换后发出；数据采集模块采集超声波传感器测得的数据并进行信号调理等处理后传至UART发送模块；UART发送模块将接收到的数据发出；计时模块用于超声波信号发出至返回信号接收整个过程的计时；温度补偿模块与温度补偿电路连接，用于获取温度补偿信号并将温度补偿信号告知单片机控制系统；三位坐标模块构建当前作业人员与其工作的杆塔的三维坐标系，由此给后续安全警示提供必要的基准。

视频图像处理模块采集摄像头的视频数据，由图像处理算法分析某一摄像头所监视的对象（实际就是其对应的色环）的成像是否在屏幕的中心位置，若在屏幕的中心位置，则认为该摄像头是正对色环的，就可以启动超声波测距模块进行测距，若成像不是在屏幕正中位置，则输出控制信号，驱动摄像头的云台转动（向上、向下、向左或向右），从而调节摄像头的方位，保证摄像头正对监视的目标，从而实现摄像头与运动目标的随动，以便进一步实现成功测距。这其中的原因是：如果摄像头没有正对监视的目标，超声波传感器发射的超声波信号可能不被反射回来，因而无法实现测距。

视频随动模块实际是依据视频图像处理模块的输出信号，去控制摄像头云台的转动。

本发明采用往返时间法获取距离信息。往返时间检测法的原理为用超声波脉冲激励超声波探头，使之向外界发射超声波，检测从超声波发射器发出的超声波(假设传播介质为气体)，记录经气体介质传播到接收器的时间，即往返时间。往返时间与气体介质中的声速相乘，就是声波传输的距离，而所测距离是声波传输距离的一半。

超声波发射电路发射超声波信号，该信号遇到被检测物返回由超声波接收电路接收，超声波接收电路将接收的信号对接收信号进行放大和滤波；将调理后的信号进行A/D转换；将温度传感器所测的数值传输到信号处理电路；利用FPGA对数字信号进行采集并完成距离的计算，并准备下一次的测距准备。

本发明通过视频随动模块执行对摄像头的运动控制，该模块具有视频数据分析、视频图像处理和云台控制等功能。

工作时，视频图像处理模块处理摄像头监测的色环是否对准中心的信息，若未对准中心，则输出控制信号给视频随动模块，由视频随动模块将偏差量发给摄像头云台进行调整并实施控制，从而使摄像头对准色环。当摄像头正对检测目标，即相应色环在对应摄像头成像的屏幕中心位置时，触发相应的超声波传感器发射超声波信号，并进而完成测距功能。测距后，随动摄像头中的单片机系统完成对安全距离的计算和确认。该单片机系统不仅能完成视频随动功能，也能实现测距功能。

如图4所示，超声波发射电路包括超声波传感器的发射器、振荡器和功率放大电路；振荡器的输出端与功率放大电路的输入端连接，功率放大电路的输出端与超声波传感器的发射器连接。

超声波传感器的发射器采用型号为T40-16的换能器。

如图5所示，由F1~F3三门振荡器在反相器F3的输出为40kHZ方波；工作频率主要由电容C1、电阻R1和可调电阻RP决定，用可调电阻RP来调节频率。反相器 F3的输出激励换能器T40-16的一端和反相器F4，反相器F4输出激励换能器T40-16的另一端，因此，加入反相器F4使激励电压提高了一倍。电容C3、电容C2平衡反相器F3和反相器F4的输出，使波形稳定。电路中反相器F1~F4可采用型号为CC4069的六反相器中的四个反相器，剩余两个不用（输入端应接地）。电源用9V叠层电池。测量反相器F3输出频率应为40kHZ±2kHZ，否则应调节RP。本发明超声波发射电路的发射超声波信号大于8m。

为获得较高的距离分辨力，本发明的发射电路应保证发射的超声波波形有良好的重复性。此外，所发射的超声波应尽量单纯，即发射波的各个振动应近似为同一频率的正弦振动，以便接收时可采用带通滤波器消除干扰和每次都接收到同一个振动波峰。

如图6所示，超声波接收电路包括超声波传感器的接收器、高通放大器电路。超声波接收电路采用单稳式超声波接收器电路。

超声波传感器的接收器采用型号为R40-16的换能器。

超声波接收器R40-16谐振频率为40kHZ，经该接收器R40-16选频后，将40kHZ以外的干扰信号衰减，只有谐振于40kHZ的有用信号（发射机信号）送入由三极管VT1~VT3组成的高通放大器放大，经电容C5、二极管VD1检出直流分量，控制三极管VT4、三极管VT5组成的电子开关带动继电器K工作。

由于该电路仅作单路信号放大，当发射机每发射一次超声波信号时，接收机的继电器吸合一次（吸合时间同发射机发射信号时间相同），无记忆保持功能。电路中三极管VT1的β≥200，三极管VT2的β≥150。电路不需调试即可工作。

如灵敏度和抗干扰不够，可检查三极管的β值与电容C4的容量是否偏差太大。经实测，配合相应的发射器，遥控距离可达8m以上。电路工作电压3V，静态电流小于10mA。

如图7所示，移动监控终端包括视频采集编码模块、视频压缩编码模块、主控制模块、4G接入模块、LCD显示模块、存储模块和电源模块；视频采集编码模块与视频压缩编码模块连接，视频采集编码模块还与主控制模块连接；视频压缩编码模块与主控制模块连接；主控制模块与4G接入模块连接，主控制模块还分别与LCD显示模块、存储模块连接；电源模块给上述各模块供电。视频压缩编码模块由DSP执行，主控制模块由ARM执行。视频采集编码模块通过I2C接口与主控制模块连接。

如图8所示，移动监控终端的主控制器模块包括摄像头驱动程序、视频压缩驱动程序、主控程序和4G无线接入模块驱动程序。摄像头驱动程序、视频压缩驱动程序和4G无线接入模块驱动程序位于主控制器模块的内核空间。主控程序位于主控制器模块的用户空间。

主控程序通过摄像头驱动程序经由视频采集编码模块对摄像头拍摄视频进行驱动控制；主控程序通过视频压缩驱动程序控制视频压缩编码模块对视频采集编码模块采集的视频数据进行压缩，然后该压缩后的数据通过由4G无线接入模块驱动程序驱动的4G接入模块发送出去。

如图9所示，本发明的输电带电作业安全实时控制系统的作业监测方法包括如下步骤：

步骤一，随动摄像头采集作业人员作业图像，并将采集到的图像信息传输至单片机控制系统，单片机控制系统利用视频追踪算法对图像信息进行处理；

步骤二，根据处理结果，判断图像信息中作业人员所带色标是否在摄像头视野的中心位置；

步骤三，若作业人员所带色标在该中心位置，则控制超声波传感器电路发射和接收超声波信号，根据超声波测距原理计算作业人员与危险点之间的距离；并传输至单片机控制系统，由单片机控制系统通过移动监控终端传至控制指挥中心；转至步骤四；

否则，单片机控制系统根据色标与摄像头视野中心的差异量，控制摄像头的云台转动，并继续采集图像信息判断作业人员所带色标是否在图像采集的中心位置，直至作业人员所带色标在摄像头视野的中心位置；转至步骤一，继续采集图像信息判断作业人员所带色标是否在图像采集的中心位置；

步骤四，控制指挥中心将距离数据与电力安全工作规程中对应的安全距离进行比对，低于该规程规定的安全距离时，对该作业人员实时报警。

本发明至少需要5台同类型的随动摄像头，一般而言，导线正上方横担处安装的1个随动摄像头主要监视头部、塔身处安装的2个摄像头分别监视人的左手、右手的腕部色标，导线正下方横担处安装的2个摄像头分别监视人的左脚、右脚的脚踝部色标。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

首先根据当前需要进行带电作业的具体线路情况，采用有限元分析软件ANSYS和电磁场分析软件CDEGS对带电作业人员作业时的电场和磁场进行分析，得出带电作业时的最小安全距离；然后需要根据作业人员的各种肢体动作和软件仿真得出的最小安全距离，实时计算出作业人员与危险点之间的距离信息，并做出即时的分析，提醒作业人员注意身体各部位与相应危险点之间的距离。实时画面监控把作业人员实时位置传输到监控中心，如果作业人员一旦将到达危险位置点，监控中心人员可远程发出警报信号。

图10中1、2、3均可为随动摄像头安装位置，4为导线。1为导线正上方横担处，2为导线等高处塔身位置，3为导线正下方横担位置。这3个位置为常见危险点，可以根据需要在其他位置增装更多随动摄像头。

作业人员在进入作业区域前，在杆塔、横担等放电危险点位置，安装多个随动摄像头。在作业人员的头部、腕部和脚踝部佩戴专用的色标。不同颜色的色标分别对应相应的超声波传感器，色环与超声波传感器进行配合，从而控制对应色环的摄像头跟踪作业人员所带色环移动。

预先设置各超声波传感器的工作频率和安全距离的阈值，以便于测量作业人员与不同危险点之间的距离；并将不同安装点的摄像头分别对准作业人员所佩戴不同色标的几个部位。

作业过程中，本发明的各随动摄像头，实时跟踪作业人员的相关部位，并利用超声波传感器实时、不间断的测量作业人员相应部位与各种危险点的距离，依据各种作业模式下，人体与危险点（包括带电体和接地体）之间的安全距离的阈值，设定报警的门槛值。

本发明通过随动摄像头的实时画面监控，将作业人员各易引起触电危险点的实时作业位置传输到监控中心，如果作业人员一旦将到达危险位置点，本发明可实时发出警报信号。

对于如何进行实时画面监控，本发明运用基于4G(CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA)网络传输而设计的4G无线视频传输模块，采用国际上先进的H.264视频压缩算法、超低码流视频处理技术，可把前端摄像机采集到的视频图像，经压缩编码，通过4G信号把实时动态图像传输到网络。用户可方便地通过客户端/Internet访问网络前端，通过计算机、PDA和监控中心观看实时无线图像，进行对现场的管理和督导。同时，通过客户端实现对前端视频数据的编解码、加解密、交互、发送/接收和远程控制等功能。一般来说，摄像机设备接口与4G系列无线视频服务器的视频接口连接，接通电源之后就可以把采集压缩后的数字视频信号通过4G网络进行传输，传输的视频图像清晰度高、流畅性好，达到准DVD视频图像效果。本发明的客户端可为任一电脑或手机等智能设备。

根据电力安全工作规程规定：带电作业时，作业人员与带电体之间的距离应不小于表1中数据。

表1：不同电压等级带电作业安全距离

        

以220kV线路为例进行说明，在带电作业时，作业人员与带电体距离应不小于1.8m，当本发明检测到作业人员与带电体距离接近1.8m时，本发明会进行报警，提醒作业人员注意安全；若检测距离接近1.8m，则本发明不会发出警告信号，但可以对作业进行提示，告知该作业人员距危险点的距离。

作业人员进入作业点后，由于作业点与各危险点的空间位置一定（或作业路径与各危险点的空间轨迹一定），因此可以计算出作业人员的作业范围，实现作业人员作业过程中各种动作下的距离测量和安全预警。由于超声波传感器发射超声波时，有一定的波束宽度，因此作业人员在作业过程中，人体各部位小幅度的变化，不会影响传感器对距离的测量。

本发明只针对等电位作业模式，安全距离的阈值是参考电力安全工作规程的规定，并通过电磁场仿真软件计算得出，设定的条件为人体表面电场感知水平不大于240kV/m。

Claims (11)

1.一种输电线路带电作业安全实时控制系统，其特征在于，包括若干随动摄像头、移动监控终端和控制指挥中心；随动摄像头中集成超声波测距模块；随动摄像头通过无线通信方式与移动监控终端进行数据交互；移动监控终端通过无线通信方式与控制指挥中心进行数据交互。

2.根据权利要求1所述的输电线路带电作业安全实时控制系统，其特征在于，所述随动摄像头包括超声波测距模块、摄像头装置、单片机控制系统和无线通信模块；超声波测距模块内嵌在摄像头装置的前端；超声波测距模块与单片机控制系统连接；摄像头装置与单片机控制系统连接，单片机控制系统控制摄像头装置实时跟随目标运动；单片机控制系统的串口与无线通信模块连接，单片机控制系统将视频数据和测距数据通过无线通信模块发至控制中心。

3.根据权利要求1所述的输电线路带电作业安全实时控制系统，其特征在于，所述超声波测距模块包括超声波发射电路和超声波接收电路；超声波发射电路发射超声波信号，该信号遇到被检测物返回由超声波接收电路接收，超声波接收电路将接收的信号传至单片机控制系统。

4.根据权利要求3所述的输电线路带电作业安全实时控制系统，其特征在于，所述超声波发射电路包括超声波传感器的发射器、振荡器和功率放大电路；振荡器的输出端与功率放大电路的输入端连接，功率放大电路的输出端与超声波传感器的发射器连接。

5.根据权利要求3所述的输电线路带电作业安全实时控制系统，其特征在于，所述超声波接收电路采用单稳式超声波接收器电路；其包括超声波传感器的接收器、高通放大器电路。

6.根据权利要求2所述的输电线路带电作业安全实时控制系统，其特征在于，所述摄像头装置包括带云台的摄像头。

7.根据权利要求2所述的输电线路带电作业安全实时控制系统，其特征在于，所述单片机控制系统包括FPGA；FPGA包括UART发送模块、数据采集模块、计时模块、温度补偿模块、视频图像处理模块、视频随动模块、三维坐标模块和片内RAM。

8.根据权利要求1所述的输电线路带电作业安全实时控制系统，其特征在于，所述移动监控终端包括视频采集编码模块、视频压缩编码模块、主控制模块、4G接入模块、LCD显示模块、存储模块和电源模块；视频采集编码模块与视频压缩编码模块连接，视频采集编码模块还与主控制模块连接；视频压缩编码模块与主控制模块连接；主控制模块与4G接入模块连接，主控制模块还分别与LCD显示模块、存储模块连接；电源模块给上述各模块供电。

9.一种适用于权利要求6所述的输电线路带电作业安全实时控制系统的作业监测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一，随动摄像头采集作业人员作业图像，并将采集到的图像信息传输至单片机控制系统，单片机控制系统利用视频追踪算法对图像信息进行处理；

步骤二，根据处理结果，判断图像信息中作业人员所带色标是否在摄像头视野的中心位置；

步骤三，若作业人员所带色标在该中心位置，则控制超声波测距模块获取作业人员与危险点之间的距离，并传输至单片机控制系统，由单片机控制系统通过移动监控终端传至控制指挥中心；转至步骤四；

否则，单片机控制系统根据所述色标与摄像头视野中心的差异量，控制摄像头的云台转动，并继续采集图像信息判断作业人员所带色标是否在图像采集的中心位置，直至作业人员所带色标在摄像头视野的中心位置；转至步骤一；

步骤四，控制指挥中心将距离数据与电力安全工作规程中对应的安全距离进行比对，低于该规程规定的安全距离时，对该作业人员实时报警。

10.根据权利要求9所述的输电线路带电作业安全实时控制系统的作业监测方法，其特征在于，所述作业人员所带色标位于作业人员的头、腕部和脚踝部。

11.根据权利要求9所述的输电线路带电作业安全实时控制系统的作业监测方法，其特征在于，所述随动摄像头至少包括5个，用于分别实时追踪操作人员头、两手腕部和两脚踝部的色环。