CN108053608A - 一种近电报警方法、装置及近电报警智能头盔 - Google Patents
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Abstract
本发明提供本发明提供一种近电报警方法、装置及近电智能头盔，包括：基于GPS系统和电场传感器信号，预先绘制电力巡检区域的位置信息图，并预先计算电力巡检区域中各位置点对应的现场设备的安全距离；在进行电力巡检时，基于各位置点的电压信号以及电场传感器信号实时采集的电压信号变化情况，确定工作人员的当前位置；若工作人员的当前位置到电力巡检区域中任一设备位置的距离小于预先计算的安全距离，则报警。本发明不占用工作空间，且具备的GPS定位系统和设置不同设备的安全距离的功能，能够在技术上解决电力系统中出现的触电伤亡问题。
Description
技术领域
本发明涉及智能设备领域，具体涉及一种近电报警方法、装置及近电智能头盔。
背景技术
在高压带电作业中，电力工作人员常常面临触电危险，每年因触电事故造成的人员伤亡事件对电力事业影响恶劣。根据全球事故数据统计分析，大约每用电量在1.5亿kwh就会发生1人触电死亡。通过对触电伤亡事件原因的分析，对带电设备进行误碰是造成触电伤亡事件的主要原因，占触电伤亡事件总人数的36％左右，触电伤亡事件不仅对社会和谐造成巨大的不良影响，而且给电力事业带来巨大的经济损失及负面影响。对于长期在发电厂、输配电线路及变电站等场所工作的一线员工而言，他们发生触电事件的概率更高，尤其是在不小心误碰高压带电设备时，通常会造成作业人员死亡或重伤事件。
早前，人们应对感应触电的防护措施主要采用穿戴绝缘手套和绝缘胶鞋，当电压等级升高时，普通绝缘手套和绝缘胶鞋的耐压程度已经不起作用，而对于高耐压水平的绝缘手套和绝缘胶鞋又因为穿着笨重，影响正常工作而不被采用，导致目前对触电防护没有一种很好的处理办法，这就造成一线工作人员时常会发生被感应电伤害等类似事件，尤其是在变电站巡检工作中，对于预防一线工作人员误入带电间隔造成的触电事故，通常只是通过加强管理的方式来避免此类事件的发生，并没有技术上的任何防护措施，所以一旦发生触电事件，必然会造成一线工作人员的伤亡。
目前，经过技术的不断发展，一线工作人员在进行电力作业时会携带近电报警装置，虽然近电报警装置在一定程度上能够给一线工作人员一些防止触电警告，但是当工作人员进行工作时，其携带的近电报警装置不仅会占用工作人员的双手或者工作空间，还会给工作人员带来许多操作不便。
此外，近电报警装置也存在许多问题，比如：1.缺少定位系统，不能精确定位一线工作人员的位置，导致发生事故时不能迅速救援；2.对于电力巡检区域的不同电压等级没有设定相应的阀值，或者抗干扰能力差，极易产生报警错误等。
因此，需要提供一种技术方案来克服现有技术的不足。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种近电报警方法、装置及近电智能头盔。
一种近电报警方法，包括如下步骤：
基于GPS系统和电场传感器信号，预先绘制电力巡检区域的位置信息图，并预先计算电力巡检区域中各位置点对应的现场设备的安全距离；在进行电力巡检时，基于各位置点的电压信号以及电场传感器信号实时采集的电压信号变化情况，确定工作人员的当前位置；若工作人员的当前位置到电力巡检区域中任一设备位置的距离小于预先计算的安全距离，则报警。
基于GPS系统和电场传感器信号，绘制电力巡检区域的位置信息图，包括：基于GPS系统采集电力巡检区域的位置点，同时记录位置点的传感器信号；基于位置点与位置点的传感器信号绘制电力巡检区域的位置信息图；位置信息图包括位置信息点坐标和位置点的传感器信号；传感器信号包括电压信号和电流信号。
基于位置点与位置点的传感器信号绘制电力巡检区域位置信息图，包括：将电力巡检区域划分为a*b个小区域；式中，[]表示取整，a和b分别为域划分后的行数和列数，L为电力巡检区域的长，D为电力巡检区域的宽；
位置点x和y分别为工作人员所在电力巡检区域的坐标距离。
预先计算电力巡检区域中各位置点对应的现场设备的安全距离，包括：基于电力巡检区域位置信息图，采集所有感应电流大于设定阈值的位置信息；基于位置信息、电力巡检区域中各设备的位置信息和各设备的电压等级，计算电力巡检区域位置信息图中各位置到各设备的匹配距离；将匹配距离的最大值作为设备的安全距离。
基于位置信息、电力巡检区域中各设备的位置信息和各设备的电压等级，计算电力巡检区域位置信息图中各位置到各设备的匹配距离，包括：利用投影算法计算历史数据中目标位置到第i个设备间的匹配距离fi(di,ui)，计算公式如下所示：
fi(di,ui)＝ωddi+ωuui；
式中，di是目标位置到第i个设备的距离,ui是第i个设备的电压等级，ωd和ωu分别表示目标位置到第i个设备距离的权重和第i个设备电压等级的权重，且满足ωd+ωu＝1。
将最大匹配距离作为安全距离，包括：若存在多个最大匹配值，则以最大匹配值到其设备的路径的交叉点为圆心，预设半径dmax做圆形区域，如果目标位置在圆形区域外面，则直接运用最大匹配值作为目标位置的安全距离；如果目标位置在圆形区域内部或圆上，则利用如下公式计算安全距离f(di,ui)：
式中，和分别为目标位置到多个设备距离的平均值和多个电压等级的平均值。
基于各位置点的电压信号以及电场传感器信号实时采集的电压信号变化情况，确定工作人员的当前位置，包括：电场传感器根据实时接收到的感应信号，输出感应电流；将感应电流输入信号调理电路,输出与电场强度成正比的电压信号；基于电力巡检区域分别与工作人员的当前区域以及前一时刻所在区域的环境拓扑连接关系以及位置信息图，对工作人员的位置类型进行匹配；按照位置类型的优先级顺序，获得与各位置点的电压信号相等的电力巡检区域中的信息点，信息点为工作人员的当前位置。
位置类型包括：第一类位置类型、第二位置类型和第三位置类型；第一位置类型：电力巡检区域分别与工作人员的当前区域以及前一时刻所在区域的环境拓扑都相连，且电压信号没有变化；第二位置类型：电力巡检区域与工作人员当前区域的环境拓扑不相连，与前一时刻所在区域的环境拓扑相连，且电压信号有变化，但在工作人员的当前位处，各设备电压产生的磁场相互抵消；第三位置类型：电力巡检区域与工作人员的当前区域以及前一时刻所在区域的环境拓扑都不相连，且电压信号有变化且不能相互抵消。
按照位置类型的优先级顺序，获得与电压信号相等的电力巡检区域中的信息点，信息点为工作人员的位置信息点，包括：优先从第一位置类型进行位置匹配寻找，若获得与电压信号相等的工作人员的位置信息点，则停止对第二位置类型和第三位置类型进行位置匹配寻找，若未获得工作人员的位置信息点，则继续依次对第二位置类型和所述第三位置类型进行位置匹配寻找。
若工作人员的当前位置与电力巡检区域中各设备的距离小于预先计算的安全距离，则报警，包括：
计算工作人员当前位置的投影距离式中，距离参数p＝(li+lj+lij)/2，li和lj分别是工作人员的当前位置到第i个电力设备和第j个电力设备之间的等效距离，lij是第i个电力设备和第j个电力设备之间的等效距离；若投影距离dti小于预先计算的安全距离，则报警。
一种近电报警装置，包括：预先计算模块，用于基于GPS系统和电场传感器信号，预先绘制电力巡检区域的位置信息图，并预先计算电力巡检区域中各位置点对应的现场设备的安全距离；当前位置确定模块，用于在进行电力巡检时，基于各位置点的电压信号以及电场传感器信号实时采集的电压信号变化情况，确定工作人员的当前位置；报警模块，用于若工作人员的当前位置到电力巡检区域中任一设备位置的距离小于预先计算的安全距离，则报警。
预先计算模块包括：采集记录模块和位置信息图绘制模块；采集记录模块，用于基于GPS系统采集电力巡检区域的位置点，同时记录位置点的传感器信号；位置信息图绘制模块，用于基于位置点与位置点的传感器信号绘制电力巡检区域的位置信息图；位置信息图包括位置信息点坐标和位置点的传感器信号；传感器信号包括电压信号和电流信号。
位置信息图绘制模块包括：区域划分模块和位置点获得模块；区域划分模块，用于将电力巡检区域划分为a*b个小区域；式中，[]表示取整，a和b分别为域划分后的行数和列数，L为电力巡检区域的长，D为电力巡检区域的宽；位置点获得模块，用于获得位置点x和y分别为工作人员所在电力巡检区域的坐标距离。
预先计算模块，包括：位置信息采集模块和匹配距离计算模块、安全距离确定模块；位置信息采集模块，用于基于电力巡检区域位置信息图，采集所有感应电流大于设定阈值的位置信息；匹配距离计算模块，用于基于位置信息、电力巡检区域中各设备的位置信息和各设备的电压等级，计算电力巡检区域位置信息图中各位置到各设备的匹配距离；安全距离确定模块，用于将匹配距离的最大值作为设备的安全距离。
匹配距离计算模块中匹配距离的计算公式如下所示：利用投影算法计算历史数据中目标位置到第i个设备间的匹配距离fi(di,ui)：
fi(di,ui)＝ωddi+ωuui；
式中，di是目标位置到第i个设备的距离,ui是第i个设备的电压等级，ωd和ωu分别表示目标位置到第i个设备距离的权重和第i个设备电压等级的权重，且满足ωd+ωu＝1。
安全距离确定模块，包括：第一确定单元，用于存在一个最大匹配值时，确定最大匹配值为目标位置的安全距离；第二确定单元，用于存在多个所述最大匹配值时，以最大匹配值到其设备的路径的交叉点为圆心，预设半径dmax做圆形区域，如果目标位置在圆形区域外面，则直接运用最大匹配值作为目标位置的安全距离；如果目标位置在圆形区域内部或圆上，则利用如下公式计算安全距离f(di,ui)：
式中，和分别为目标位置到多个设备距离的平均值和多个电压等级的平均值。
当前位置确定模块，包括：感应电流模块、电压信号模块、位置类型匹配模块及优先级顺序模块；感应电流模块，用电场传感器根据实时接收到的感应信号，输出感应电流；电压信号模块，用于将感应电流输入信号调理电路,输出与电场强度成正比的电压信号；位置类型匹配模块，用于基于电力巡检区域分别与工作人员的当前区域以及前一时刻所在区域的环境拓扑连接关系以及位置信息图，对工作人员的位置类型进行匹配；优先级顺序模块，用于按照位置类型的优先级顺序，获得与各位置点的电压信号相等的电力巡检区域中的信息点，信息点为工作人员的当前位置。
位置类型包括：第一类位置类型、第二位置类型和第三位置类型；第一位置类型：电力巡检区域分别与工作人员的当前区域以及前一时刻所在区域的环境拓扑都相连，且电压信号没有变化；第二位置类型：电力巡检区域与工作人员当前区域的环境拓扑不相连，与前一时刻所在区域的环境拓扑相连，且电压信号有变化，但在工作人员的当前位处，各设备电压产生的磁场相互抵消；第三位置类型：电力巡检区域与工作人员的当前区域以及前一时刻所在区域的环境拓扑都不相连，且电压信号有变化且不能相互抵消。
优先级顺序模块按照如下优先级顺序匹配寻找：优先从第一位置类型进行位置匹配寻找，若获得与电压信号相等的工作人员的位置信息点，则停止对第二位置类型和第三位置类型进行位置匹配寻找，若未获得工作人员的位置信息点，则继续依次对第二位置类型和第三位置类型进行位置匹配寻找。
报警模块，包括：投影距离计算模块和比较模块；
投影距离计算模块，用于计算所述工作人员当前位置的投影距离
式中，距离参数p＝(li+lj+lij)/2，li和lj分别是工作人员的当前位置到第i个电力设备和第j个电力设备之间的等效距离，lij是第i个电力设备和第j个电力设备之间的等效距离；比较模块，用于若投影距离dti小于预先计算的安全距离，则报警。
一种近电报警智能头盔，包括：智能头盔本体、设于智能头盔本体的近电检测部分、GPS定位模块和主板平台；近电检测部将接收到的电场传感器信号转换为电压信号；主板平台根据电压信号确定工作人员的位置信息点；GPS定位模块利用GPS信号采集电力巡检区域的位置点，同时记录位置点的传感器信号；主板平台还包括：比较工作人员到电力巡检区域中各设备间的距离和预先计算的安全距离的大小，若工作人员和电力巡检区域中各设备的距离小于安全距离，则发出报警信号。
近电检测部分包括：检测天线、电场传感器、信号调理模块、模数转换模块和内核芯片；检测天线将接收的电场信号发送到电场传感器，电场传感器输出感应电流到信号调理模块，模数转换模块将信号调理模块输出的电压模拟量信号转换为电压数字量信号，内核芯片接收电压数字量信号，输出位置匹配类型。
主板平台包括：调理电路和主板；调理电路将当前位置的信号放大和去噪，主板计算工作人员到电力巡检区域中各设备的距离、安全距离以及比较工作人员到电力巡检区域中各设备的距离和安全距离的大小。
主板包括：PCB板和微处理器；PCB板采用贴片技术，微处理器采用CMOS电路。
近电报警智能头盔还包括电池组；电池组中的电池采用背贴式安装技术。
近电报警智能头盔，还包括：档位选择模块和扬声器报警模块；档位选择模块，用于选择电力巡检区域中各设备的电压等级，根据各设备的电压等级，预先计算电力巡检区域中各位置点对应的现场设备的安全距离；扬声器报警模块，用于接收主板平台的报警信号，并进行报警。
检测天线采用双圈式设计。近电报警智能头盔本体的材料采用高密度低压聚乙烯、高强度PE工程塑料或ABS工程塑料。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
1.本发明利用GPS系统和电场传感器信号，绘制电力巡检区域的位置信息图，并根据不同的电压等级来预先设置工作人员与带电装置间的安全距离，当工作人员进行电力巡检时，利用实时采集的电压信号得到的工作人员的当前位置一旦小于设定的安全距离，近电报警智能头盔就会自动报警，提醒工作人员注意警戒并迅速撤离危险区域，防止工作人员在工作过程中发生触电事故，有效保障工作人员的人身安全；
2.本发明不占用工作空间，且具备的GPS定位系统和设置不同设备的安全距离的功能，能够在技术上解决电力系统中出现的触电伤亡问题；
3.本发明的检测天线采用双圈式设计，电场传感器嵌入双圈式模型中，并整体放置在智能头盔顶部，即节省空间又安全可靠；
4.本发明将电场传感器获取的信号转换为与电场强度成正比的电压信号，然后通过A/D转换转为数字信号传送到主板模块的信号调理电路中进行处理，结合位置匹配方法进行近电报警的距离计算，通过扬声器报警器进行近电报警，保证工作人员的人身安全。
附图说明
图1是本发明设计方法的流程图；
图2是本发明智能头盔的正视图；
图3是本发明智能头盔的侧视图；
图4是本发明的系统硬件原理框图；
图5是本发明主板平台中的调理电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明智能头盔的设计流程如下：
1)基于GPS系统和电场传感器信号,预先绘制电力巡检区域的位置信息图，并预先计算电力巡检区域中各位置点对应的现场设备的安全距离；
2)在进行电力巡检时，基于各位置点的电压信号以及电场传感器信号实时采集的电压信号变化情况，确定工作人员的当前位置；
3)若工作人员的当前位置到电力巡检区域中各设备位置的距离小于预先计算的安全距离，则报警。
当工作人员进入高压带电区域进行工作时，电场传感器在高压交变电磁场中会产生相应的感应电流，感应电流通过A/D转换模块后输入主板平台，与之前在主板平台内利用GPS系统预先计算好的安全距离进行比较，比较结果由主板平台输出，本发明会根据比较进行报警处理。
当工作人员进入工作区域时，利用档位选择模块的档位开关选择相应设备的电压等级，然后利用主板平台将感应电流和历史数据进行比较,当感应电流小于历史数据中的设定值时,说明工作人员在安全距离范围内，这时GPS模块会进行辅助判断，确认工作人员的位置并确保工作人员在安全距离范围内，可进行正常的工作，此时不需要进行报警；感应电流一旦大于历史数据中的设定值，会立刻发命令给扬声器报警模块，立刻进行报警，提醒工作人员进入危险工作区域，工作人员需要立即停止工作并离开，确保人身安全。
如图2和3所示的本发明智能头盔的正视图和侧视图可观察到，其可以包括：智能头盔本体，电场传感器模块、GPS模块、扬声器报警模块、主板平台、A/D转换模块、信号调理模块、电源转换电路及电池组。
智能头盔的硬件设计：
如图4所示智能头盔的硬件原理框图，可以包括：主板平台部分和近电检测部分：
近电检测部分安装在智能头盔的顶部，可以包括：电场传感器、信号调理模块、内核芯片、无线通信模块、电池组及电源转换电路，其主要功能是检测电场阈值并计算安全距离，向主板发送信号。
利用投影算法对目标位置到第i个设备间的匹配距离fi(di,ui)，计算公式如下所示：
fi(di,ui)＝ωddi+ωuui；
式中，di是目标位置到第i个设备的距离,ui是第i个设备的电压等级，ωd和ωu分别表示定位点到第i个设备的投影距离和第i个设备电压等级的权重，且满足ωd+ωu＝1；将匹配距离最大值作为安全距离。
若存在多条匹配距离最大值，以路径的交叉点为圆心，预设半径dmax做圆形区域，如果定位点在圆形区域外面，则直接运用最大匹配值作为匹配结果；如果定位点在圆形区域内部或圆上，则利用如下公式进行匹配计算：
式中，和分别为定位点到多个设备距离的平均值和多个电压等级的平均值。
用电场传感器来测量空间电场强度，该传感器采用静电感应原理，信号调理模块将获取的信号转为与电场强度成正比的电压信号，然后通过A/D转换转为数字信号传送到内核芯片,在内核芯片中进行位置类型匹配。
由于工作人员在进行工作时，一定是在去往某个设备的运动状态中，所以其在工作环境中的运动轨迹投影存在拓扑相关性，工作人员与工作环境之间的拓扑相关性，采用如下的位置匹配类型和方法：
位置匹配类型，包括：第一类，电力巡检区域与工作人员当前所在区域的环境拓扑相连，并且与前一时刻所匹配的环境拓扑相连；第二类，电力巡检区域与工作人员当前所在环境不存在拓扑上的连通性，仅与前一时刻所处环境拓扑相连；第三类，电力巡检区域与工作人员当前所在环境和前一时刻所处环境都不存在拓扑上的连通性。
主板平台部分安装在智能头盔的后部，可以包括：GPS定位模块、扬声器报警模块、档位开关和主板平台。
主板平台中的调理电路，内核芯片将匹配结果经数模转换后输入主板平台，主板接收数据后，通过调理电路将信号放大和去噪，主要目的是为了使比较结果更加准确。并通过GPS定位模块进行辅助确认，主板将确认结果与对应电压等级下的安全距离进行比较，根据比较结果来决定扬声器报警模块是否需要进行报警。
将电力巡检区域划分为a*b个小区域，其中：
式中：[]表示取整，
a和b分别为域划分后的行数和列数，L为电力巡检区域的长，D为电力巡检区域的宽。
工作人员在进行电力巡检时，巡检的设备类型和路线基本都是固定的。当工作人员进行巡检时，若按照划分好的区域坐标行进，会出现岔路口，假设巡检人员走到一个“十字”口，若此时设备的电压等级没有变化，则距离是主要影响因素，所以无论工作人员如何运动，其位置匹配都是与当前区域环境和前一时刻的区域环境是拓扑相连的，属于第一类位置匹配类型；若此时电压等级有变化，但是因为距离原因或是磁场相互抵消等其他因素造成电压等级影响因素不明显，其位置匹配与当前区域环境不存在拓扑相连，与前一时刻所处环境拓扑相连，属于第二类位置匹配类型；若电压变化，且电压等级的影响因素骤然增加，则位置匹配与当前所处区域环境是新建立的，即位置匹配与当前区域环境和前一时刻的区域环境都不存在拓扑连通性，属与第三类位置匹配类型。
在主板进行位置匹配时，先从第一类开始匹配，若匹配失败，再进行第二类和第三类的匹配，获得与电压信号相等的电力巡检区域中的信息点，该信息点为工作人员的位置S：
x和y分别为工作人员所在电力巡检区域的坐标距离。
结合GPS的定位辅助，筛选删除错误或者无效的信息点后，获得工作人员当前位置，利用当前位置计算工作人员的投影距离
式中，距离参数p＝(li+lj+lij)/2，li和lj分别是工作人员的当前位置到第i个电力设备和第j个电力设备之间的等效距离，lij是第i个电力设备和第j个电力设备之间的等效距离；若投影距离dti小于预先计算的安全距离，则报警。
主板选用增强型8051内核的相关芯片，该芯片可应用2.4GHz IEEE 802.15.4、ZigBee以及RF4CE协议的片上系统，此外还可移植Z-Stack协议栈，方便实现设备间互联和通信。
各项功能的设计：
1.低功耗的设计
本发明主板平台采用基于微处理器技术的双通道电压监视的工业级芯片，微处理器主要采用CMOS电路，保证输入的偏置电流和输出的漏电流都在很小的数值，这样可以大大减小功耗及负载效应。对于电池使用寿命的要求，以每天报警10次，每次报警10s计算，电池使用寿命要在一年以上，自检功能通过电气回路设计实现，确保工作回路的监视功能正常。
2.灵敏度的设计
根据《国家电网公司电力安全工作规程》对带电作业安全距离做出的规定，各电压等级下工作人员带电作业的安全距离规定如表1所示：
表1
| 电压等级kv | 63(66) | 110 | 220 | 330 | 500 |
| 安全距离m | 0.7 | 1.0 | 1.8(1.6)① | 2.6 | 3.4(3.2)② |
其中，①为220kV带电作业安全距离因受设备限制达不到1.8m时，经专家批准，并采取必要的措施后，可采用括号内的1.6m。②为海拔500m以下，500kV取3.2m值，但不适用于500kV紧凑型线路。海拔在500～1000m时，500kV取3.4m值。
因为工作人员在巡检中是运动的，按照一步距离60cm，头部大约向前移动20cm左右，当工作人员一旦迈出一步，达到标准规定的距离，此装置就提示报警了，因此，本发明中预先计算的安全距离，要比标准规定距离大一点。
以110KV电压等级为例，按照国家电网公司发布的《国家电网公司电力安全工作规程》，对110KV带电设备作业安全距离的规定是1.0m。
本发明将110KV电压等级的报警距离计算结果为1.2m，由于近电报警智能头盔是佩戴在工作人员头部，当工作人员接近带电设备时可能处于运动状态，预留一定的距离来使工作人员停止并及时撤离，充分保证工作人员的人身安全。
3.小型化的设计
由于近电报警智能头盔是佩戴在头部进行作业的，所以对智能头盔的整体重量有严格的限制，这就要求近电报警智能头盔的相关模块要尽量做到小型化。近电报警智能头盔的主板模块和PCB板采用贴片技术，各种元器件采用最小尺寸进行封装，使主板模块尽可能的轻，电池采用背贴式安装，将主板的一条边设计成弧形，然后将整个主板模块嵌入智能头盔的后部，这样可以节省空间。
4.坚固性的设计
近电报警智能头盔的主体由头盔外壳、头盔内部部件和智能设备组件三部分组成，智能头盔外壳的材料选择着重考虑材料的强度和韧度，为增强其坚固性，拟采用高密度低压聚乙烯、高强度PE工程塑料或材质为ABS工程塑料，并采用注塑工艺一次完成。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种近电报警装置，下面进行说明。
装置可以包括：
预先计算模块，用于基于GPS系统和电场传感器信号，预先绘制电力巡检区域的位置信息图，并预先计算电力巡检区域中各位置点对应的现场设备的安全距离；
当前位置确定模块，用于在进行电力巡检时，基于各位置点的电压信号以及电场传感器信号实时采集的电压信号变化情况，确定工作人员的当前位置；
报警模块，用于若工作人员的当前位置到电力巡检区域中任一设备位置的距离小于预先计算的安全距离，则报警。
预先计算模块，可以包括：采集记录模块和位置信息图绘制模块；
采集记录模块，用于基于GPS系统采集电力巡检区域的位置点，同时记录位置点的传感器信号；
位置信息图绘制模块，用于基于位置点与位置点的传感器信号绘制电力巡检区域的位置信息图；位置信息图包括位置信息点坐标和位置点的传感器信号；传感器信号包括电压信号和电流信号。
位置信息图绘制模块，可以包括：区域划分模块和位置点获得模块；
区域划分模块，用于将电力巡检区域划分为a*b个小区域；式中，[]表示取整，a和b分别为域划分后的行数和列数，L为电力巡检区域的长，D为电力巡检区域的宽；
位置点获得模块，用于获得位置点x和y分别为工作人员所在电力巡检区域的坐标距离。
预先计算模块，可以包括：位置信息采集模块和匹配距离计算模块、安全距离确定模块；
位置信息采集模块，用于基于电力巡检区域位置信息图，采集所有感应电流大于设定阈值的位置信息；
匹配距离计算模块，用于基于位置信息、电力巡检区域中各设备的位置信息和各设备的电压等级，计算电力巡检区域位置信息图中各位置到各设备的匹配距离；
安全距离确定模块，用于将匹配距离的最大值作为设备的安全距离。
匹配距离计算模块中匹配距离的计算公式如下所示：利用投影算法计算历史数据中目标位置到第i个设备间的匹配距离fi(di,ui)：
fi(di,ui)＝ωddi+ωuui；
式中，di是目标位置到第i个设备的距离,ui是第i个设备的电压等级，ωd和ωu分别表示目标位置到第i个设备距离的权重和第i个设备电压等级的权重，且满足ωd+ωu＝1。
安全距离确定模块，可以包括：
第一确定单元，用于存在一个最大匹配值时，确定最大匹配值为目标位置的安全距离；
第二确定单元，用于存在多个所述最大匹配值时，以最大匹配值到其设备的路径的交叉点为圆心，预设半径dmax做圆形区域，如果目标位置在圆形区域外面，则直接运用最大匹配值作为目标位置的安全距离；如果目标位置在圆形区域内部或圆上，则利用如下公式计算安全距离f(di,ui)：
式中，和分别为目标位置到多个设备距离的平均值和多个电压等级的平均值。
当前位置确定模块，可以包括：感应电流模块、电压信号模块、位置类型匹配模块及优先级顺序模块；
感应电流模块，用电场传感器根据实时接收到的感应信号，输出感应电流；
电压信号模块，用于将感应电流输入信号调理电路,输出与电场强度成正比的电压信号；
位置类型匹配模块，用于基于电力巡检区域分别与工作人员的当前区域以及前一时刻所在区域的环境拓扑连接关系以及位置信息图，对工作人员的位置类型进行匹配；
优先级顺序模块，用于按照位置类型的优先级顺序，获得与各位置点的电压信号相等的电力巡检区域中的信息点，信息点为工作人员的当前位置。
位置类型可以包括：第一类位置类型、第二位置类型和第三位置类型；
第一位置类型：电力巡检区域分别与工作人员的当前区域以及前一时刻所在区域的环境拓扑都相连，且电压信号没有变化；
第二位置类型：电力巡检区域与工作人员当前区域的环境拓扑不相连，与前一时刻所在区域的环境拓扑相连，且电压信号有变化，但在工作人员的当前位处，各设备电压产生的磁场相互抵消；
第三位置类型：电力巡检区域与工作人员的当前区域以及前一时刻所在区域的环境拓扑都不相连，且电压信号有变化且不能相互抵消。
优先级顺序模块按照如下优先级顺序匹配寻找：优先从第一位置类型进行位置匹配寻找，若获得与电压信号相等的工作人员的位置信息点，则停止对第二位置类型和第三位置类型进行位置匹配寻找，若未获得工作人员的位置信息点，则继续依次对第二位置类型和第三位置类型进行位置匹配寻找。
报警模块，包括：投影距离计算模块和比较模块；
投影距离计算模块，用于计算所述工作人员当前位置的投影距离
式中，距离参数p＝(li+lj+lij)/2，li和lj分别是工作人员的当前位置到第i个电力设备和第j个电力设备之间的等效距离，lij是第i个电力设备和第j个电力设备之间的等效距离；
比较模块，用于若投影距离dti小于预先计算的安全距离，则报警。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (28)
1.一种近电报警方法，其特征在于，包括如下步骤：
基于GPS系统和电场传感器信号，预先绘制电力巡检区域的位置信息图，并预先计算电力巡检区域中各位置点对应的现场设备的安全距离；
在进行电力巡检时，基于各位置点的电压信号以及电场传感器信号实时采集的电压信号变化情况，确定工作人员的当前位置；
若所述工作人员的当前位置到电力巡检区域中任一设备位置的距离小于预先计算的安全距离，则报警。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于GPS系统和电场传感器信号，绘制电力巡检区域的位置信息图，包括：
基于GPS系统采集电力巡检区域的位置点，同时记录所述位置点的传感器信号；
基于所述位置点与所述位置点的传感器信号绘制电力巡检区域的位置信息图；
所述位置信息图包括位置信息点坐标和所述位置点的传感器信号；
所述传感器信号包括电压信号和电流信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于所述位置点与所述位置点的传感器信号绘制电力巡检区域位置信息图，包括：
将电力巡检区域划分为a*b个小区域；式中，[]表示取整，a和b分别为域划分后的行数和列数，L为电力巡检区域的长，D为电力巡检区域的宽；
位置点x和y分别为工作人员所在电力巡检区域的坐标距离。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预先计算电力巡检区域中各位置点对应的现场设备的安全距离，包括：
基于电力巡检区域位置信息图，采集所有感应电流大于设定阈值的位置信息；
基于所述位置信息、电力巡检区域中各设备的位置信息和所述各设备的电压等级，计算所述电力巡检区域位置信息图中各位置到所述各设备的匹配距离；
将所述匹配距离的最大值作为所述设备的安全距离。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基于所述位置信息、电力巡检区域中各设备的位置信息和所述各设备的电压等级，计算所述电力巡检区域位置信息图中各位置到所述各设备的匹配距离，包括：
利用投影算法计算历史数据中目标位置到第i个设备间的匹配距离fi(di,ui)，所述计算公式如下所示：
fi(di,ui)＝ωddi+ωuui；
式中，di是所述目标位置到第i个设备的距离,ui是第i个设备的电压等级，ωd和ωu分别表示所述目标位置到第i个设备距离的权重和第i个设备电压等级的权重，且满足ωd+ωu＝1。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述将最大匹配距离作为所述安全距离，包括：
若存在多个所述最大匹配值，则以所述最大匹配值到其设备的路径的交叉点为圆心，预设半径dmax做圆形区域，如果所述目标位置在所述圆形区域外面，则直接运用所述最大匹配值作为所述目标位置的安全距离；
如果所述目标位置在所述圆形区域内部或圆上，则利用如下公式计算所述安全距离f(di,ui)：
<mrow>
<mi>f</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>d</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>,</mo>
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<mi>u</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
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<mi>&omega;</mi>
<mi>d</mi>
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<mi>d</mi>
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<mo>&OverBar;</mo>
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<mo>+</mo>
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<mi>&omega;</mi>
<mi>u</mi>
</msub>
<mover>
<msub>
<mi>u</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>&OverBar;</mo>
</mover>
</mrow>
式中，和分别为所述目标位置到多个设备距离的平均值和多个电压等级的平均值。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述各位置点的电压信号以及电场传感器信号实时采集的电压信号变化情况，确定所述工作人员的当前位置，包括：
所述电场传感器根据实时接收到的感应信号，输出感应电流；
将所述感应电流输入信号调理电路,输出与电场强度成正比的电压信号；
基于所述电力巡检区域分别与工作人员的当前区域以及前一时刻所在区域的环境拓扑连接关系以及所述位置信息图，对工作人员的位置类型进行匹配；
按照所述位置类型的优先级顺序，获得与所述各位置点的电压信号相等的所述电力巡检区域中的信息点，所述信息点为所述工作人员的当前位置。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述位置类型包括：第一类位置类型、第二位置类型和第三位置类型；
所述第一位置类型：所述电力巡检区域分别与所述工作人员的当前区域以及前一时刻所在区域的环境拓扑都相连，且所述电压信号没有变化；
所述第二位置类型：所述电力巡检区域与工作人员当前区域的环境拓扑不相连，与前一时刻所在区域的环境拓扑相连，且所述电压信号有变化，但在所述工作人员的当前位处，各设备电压产生的磁场相互抵消；
所述第三位置类型：所述电力巡检区域与所述工作人员的当前区域以及前一时刻所在区域的环境拓扑都不相连，且所述电压信号有变化且不能相互抵消。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述按照所述位置类型的优先级顺序，获得与所述电压信号相等的所述电力巡检区域中的信息点，所述信息点为所述工作人员的位置信息点，包括：
优先从所述第一位置类型进行位置匹配寻找，若获得与所述电压信号相等的所述工作人员的位置信息点，则停止对所述第二位置类型和所述第三位置类型进行位置匹配寻找，若未获得所述工作人员的位置信息点，则继续依次对所述第二位置类型和所述第三位置类型进行位置匹配寻找。
10.根据权利要求1或9所述的方法，其特征在于，所述若所述工作人员当前位置与电力巡检区域中各设备的距离小于预先计算的安全距离，则报警，包括：
计算所述工作人员当前位置的投影距离
式中，距离参数p＝(li+lj+lij)/2，li和lj分别是所述工作人员的当前位置到第i个电力设备和第j个电力设备之间的等效距离，lij是第i个电力设备和第j个电力设备之间的等效距离；
若所述投影距离dti小于所述预先计算的安全距离，则报警。
11.一种近电报警装置，其特征在于，包括：
预先计算模块，用于基于GPS系统和电场传感器信号，预先绘制电力巡检区域的位置信息图，并预先计算电力巡检区域中各位置点对应的现场设备的安全距离；
当前位置确定模块，用于在进行电力巡检时，基于各位置点的电压信号以及电场传感器信号实时采集的电压信号变化情况，确定工作人员的当前位置；
报警模块，用于若所述工作人员的当前位置到电力巡检区域中任一设备位置的距离小于预先计算的安全距离，则报警。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述预先计算模块包括：采集记录模块和位置信息图绘制模块；
所述采集记录模块，用于基于GPS系统采集电力巡检区域的位置点，同时记录所述位置点的传感器信号；
所述位置信息图绘制模块，用于基于所述位置点与所述位置点的传感器信号绘制电力巡检区域的位置信息图；
所述位置信息图包括位置信息点坐标和所述位置点的传感器信号；
所述传感器信号包括电压信号和电流信号。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述位置信息图绘制模块包括：区域划分模块和位置点获得模块；
所述区域划分模块，用于将电力巡检区域划分为a*b个小区域；
式中，[]表示取整，a和b分别为域划分后的行数和列数，L为电力巡检区域的长，D为电力巡检区域的宽；
所述位置点获得模块，用于获得所述位置点x和y分别为工作人员所在电力巡检区域的坐标距离。
14.根据权利要求11或13所述的装置，其特征在于，所述预先计算模块，包括：位置信息采集模块和匹配距离计算模块、安全距离确定模块；
所述位置信息采集模块，用于基于电力巡检区域位置信息图，采集所有感应电流大于设定阈值的位置信息；
所述匹配距离计算模块，用于基于所述位置信息、电力巡检区域中各设备的位置信息和所述各设备的电压等级，计算所述电力巡检区域位置信息图中各位置到所述各设备的匹配距离；
所述安全距离确定模块，用于将所述匹配距离的最大值作为所述设备的安全距离。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述匹配距离计算模块中匹配距离的计算公式如下所示：
利用投影算法计算历史数据中目标位置到第i个设备间的匹配距离fi(di,ui)：
fi(di,ui)＝ωddi+ωuui；
式中，di是所述目标位置到第i个设备的距离,ui是第i个设备的电压等级，ωd和ωu分别表示所述目标位置到第i个设备距离的权重和第i个设备电压等级的权重，且满足ωd+ωu＝1。
16.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述安全距离确定模块，包括：
第一确定单元，用于存在一个最大匹配值时，确定所述最大匹配值为所述目标位置的安全距离；
第二确定单元，用于存在多个所述最大匹配值时，以所述最大匹配值到其设备的路径的交叉点为圆心，预设半径dmax做圆形区域，如果所述目标位置在所述圆形区域外面，则直接运用所述最大匹配值作为所述目标位置的安全距离；
如果所述目标位置在所述圆形区域内部或圆上，则利用如下公式计算所述安全距离f(di,ui)：
<mrow>
<mi>f</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>d</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>,</mo>
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<mo>+</mo>
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<mi>&omega;</mi>
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</msub>
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<mi>u</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>&OverBar;</mo>
</mover>
</mrow>
式中，和分别为所述目标位置到多个设备距离的平均值和多个电压等级的平均值。
17.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述当前位置确定模块，包括：感应电流模块、电压信号模块、位置类型匹配模块及优先级顺序模块；
所述感应电流模块，用于所述电场传感器根据实时接收到的感应信号，输出感应电流；
所述电压信号模块，用于将所述感应电流输入信号调理电路,输出与电场强度成正比的电压信号；
所述位置类型匹配模块，用于基于所述电力巡检区域分别与工作人员的当前区域以及前一时刻所在区域的环境拓扑连接关系以及所述位置信息图，对工作人员的位置类型进行匹配；
所述优先级顺序模块，用于按照所述位置类型的优先级顺序，获得与所述各位置点的电压信号相等的所述电力巡检区域中的信息点，所述信息点为所述工作人员的当前位置。
18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述位置类型包括：第一类位置类型、第二位置类型和第三位置类型；
所述第一位置类型：所述电力巡检区域分别与所述工作人员的当前区域以及前一时刻所在区域的环境拓扑都相连，且所述电压信号没有变化；
所述第二位置类型：所述电力巡检区域与工作人员当前区域的环境拓扑不相连，与前一时刻所在区域的环境拓扑相连，且所述电压信号有变化，但在所述工作人员的当前位处，各设备电压产生的磁场相互抵消；
所述第三位置类型：所述电力巡检区域与所述工作人员的当前区域以及前一时刻所在区域的环境拓扑都不相连，且所述电压信号有变化且不能相互抵消。
19.根据权利要求17或18所述的装置，其特征在于，所述优先级顺序模块按照如下优先级顺序匹配寻找：
优先从所述第一位置类型进行位置匹配寻找，若获得与所述电压信号相等的所述工作人员的位置信息点，则停止对所述第二位置类型和所述第三位置类型进行位置匹配寻找，若未获得所述工作人员的位置信息点，则继续依次对所述第二位置类型和所述第三位置类型进行位置匹配寻找。
20.根据权利要求11或19所述的装置，其特征在于，所述报警模块，包括：投影距离计算模块和比较模块；
所述投影距离计算模块，用于计算所述工作人员当前位置的投影距离
式中，距离参数p＝(li+lj+lij)/2，li和lj分别是所述工作人员的当前位置到第i个电力设备和第j个电力设备之间的等效距离，lij是第i个电力设备和第j个电力设备之间的等效距离；
所述比较模块，用于若所述投影距离dti小于所述预先计算的安全距离，则报警。
21.一种近电报警智能头盔，其特征在于，包括：智能头盔本体、设于所述智能头盔本体的近电检测部分、GPS定位模块和主板平台；
所述近电检测部将接收到的电场传感器信号转换为电压信号；
所述主板平台根据所述电压信号确定所述工作人员的位置信息点；
所述GPS定位模块利用GPS信号采集电力巡检区域的位置点，同时记录所述位置点的传感器信号；
所述主板平台还包括：比较所述工作人员到电力巡检区域中各设备间的距离和预先计算的安全距离的大小，若所述工作人员和电力巡检区域中各设备的距离小于所述安全距离，则发出报警信号。
22.根据权利要求21所述的近电报警智能头盔，其特征在于，
所述近电检测部分包括：检测天线、电场传感器、信号调理模块、模数转换模块和内核芯片；
所述检测天线将接收的电场信号发送到所述电场传感器，所述电场传感器输出感应电流到信号调理模块，所述模数转换模块将所述信号调理模块输出的电压模拟量信号转换为电压数字量信号，所述内核芯片接收所述电压数字量信号，输出位置匹配类型。
23.根据权利要求21所述的近电报警智能头盔，其特征在于，
所述主板平台包括：调理电路和主板；
所述调理电路将所述当前位置的信号放大和去噪，所述主板计算所述工作人员到电力巡检区域中各设备的距离、所述安全距离以及比较所述工作人员到电力巡检区域中各设备的距离和所述安全距离的大小。
24.根据权利要求23所述的近电报警智能头盔，其特征在于，所述主板包括：PCB板和微处理器；
所述PCB板采用贴片技术，所述微处理器采用CMOS电路。
25.根据权利要求22所述的近电报警智能头盔，其特征在于，所述近电报警智能头盔还包括电池组；
所述电池组中的电池采用背贴式安装技术。
26.根据权利要求21所述的近电报警智能头盔，其特征在于，还包括：档位选择模块和扬声器报警模块；
所述档位选择模块，用于选择所述电力巡检区域中各设备的电压等级，根据所述各设备的电压等级，预先计算电力巡检区域中各位置点对应的现场设备的安全距离；
所述扬声器报警模块，用于接收所述主板平台的报警信号，并进行报警。
27.根据权利要求22所述的近电报警智能头盔，其特征在于，所述检测天线采用双圈式设计。
28.根据权利要求21所述的近电报警智能头盔，其特征在于，所述智能头盔本体的材料采用高密度低压聚乙烯、高强度PE工程塑料或ABS工程塑料。
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| CN201711091515.7A CN108053608A (zh) | 2017-11-08 | 2017-11-08 | 一种近电报警方法、装置及近电报警智能头盔 |
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