CN108303719A

CN108303719A - 一种判断监控端动态位置是否超出虚拟围栏的方法

Info

Publication number: CN108303719A
Application number: CN201810087512.4A
Authority: CN
Inventors: 李佳颖
Original assignee: Shanghai University of Electric Power
Current assignee: Shanghai University of Electric Power; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2018-01-30
Filing date: 2018-01-30
Publication date: 2018-07-20

Abstract

本发明公开了一种判断监控端动态位置是否超出虚拟围栏的方法，利用虚拟围栏预警系统中的虚拟围栏定义模块建立虚拟围栏，利用虚拟围栏预警系统中的监控端获得其动态位置信息，所述方法包括：当虚拟围栏为由平行边围成的闭合图形时，当虚拟围栏为由曲线围成的闭合图形时，当虚拟围栏为非闭合图形时，分别进行相应的越界判断，解决了现有无法判断监控端动态位置是否超出虚拟围栏的不足，实现了能够准确监控端动态位置是否超出虚拟围栏的技术效果。

Description

一种判断监控端动态位置是否超出虚拟围栏的方法

技术领域

本发明涉及输电线路的检修和维护领域，具体地，涉及一种判断监控端动态位置是否超出虚拟围栏的方法。

背景技术

输电线路的检修和维护是确保电网安全运行的有效手段之一，通过对线路的检修和维护，使输电线路的薄弱环节得到了及时的维护和更换，大大减少了由输电线路故障而引发的电力事故。目前运行的输电线路中有相当多是采用双回路甚至多回路架设，当某段线路需要检修和维护时，会经常出现多回线架设的杆塔一部分带电运行，另一部分停电检修的情况。在检修过程中，若检修人员误入带电区域时没有及时得到报警信息，将会导致触电伤亡事故的发生。

针对多回线路检修工作的安全防范问题，电力行业目前采用的主要方法有：感应电压报警装置、登杆作业前对照线路名称、线路之间用色标区分、强调监护人到位等。这些方法虽然在一定程度上减少了误入带电区事故的发生，但由于现场环境的复杂性，上述方法多为单独使用，未能将技防和人防相结合，避免事故发生的效果欠佳。因此，寻求一种新型、有效的线路检修安全防护方法已成为提高线路检修维护安全性的当务之急。

在电力行业中，对配变电站及运维检修人员的安全防护一直是全部工作的重中之重。目前市场上已有很多以不同技术为核心的安防系统，包括：视频监控系统、图像处理系统、红外对射报警系统、静电感应式电子围栏系统、高压脉冲型电子围栏系统等等。其中，电子围栏类安防系统不仅具有监视和报警功能，还需设置相应的物理围栏，起到信息传递及一定的阻挡作用，在变电站安防系统中有较多应用。对于检修现场而言，由于现场环境复杂，不宜设置物理围栏，同时也不易装设高清相机、红外发射器等设备，因此当前线路检修人员的安全防护方法仍为较为传统的登杆作业前对照线路名称、线路之间用色标区分、强调监护人到位等规程方法及依靠检修人员长期工作实践的经验方法，无法有效确保检修人员的人身安全。

近年来，随着定位技术的民用化，基于卫星定位系统的位置服务平台所提供的虚拟围栏服务逐渐应用于车辆监控、物品追踪、智能养殖等各个方面。与传统安防系统相比，虚拟围栏无需设置物理围栏，只需使监控端携带定位设备，并在服务器端划定围栏范围，其他任务交由GPS定位及计算机处理完成，应用场景不受限制，因而适合于环境复杂的检修现场的人员安全防护。

目前，基于定位技术的虚拟围栏系统在车辆监控及无人机安全飞行方面有较多研究及应用，定位服务的应用及围栏系统的创建已较为成熟。而在电力行业中，相比与其他应用方向，由于监控端为检修人员，活动范围在20米直径以内，应用于检修安全防护系统的GPS需要更高的定位精度，以实现对检修人员位置的厘米级追踪。

发明内容

本发明提供了一种判断监控端动态位置是否超出虚拟围栏的方法，解决了现有判断监控端动态位置是否超出虚拟围栏的不足，实现了能够快速准确判断监控端动态位置是否超出虚拟围栏的技术效果。

本发明针对上述问题，提供了一种判断监控端动态位置是否超出虚拟围栏的方法，虚拟围栏预警系统中的虚拟围栏定义模块建立虚拟围栏，虚拟围栏预警系统中的监控端获得其动态位置信息，所述方法包括：

当虚拟围栏为由平行边围成的闭合图形时，求出闭合图形每条边对应的直线方程；利用监控端动态位置对应的坐标，以及闭合图形每条边对应的直线方程，判断出当监控端动态位置位于任意两条平行边之间时，则监控端动态位置位于平行边围成的闭合图形内，没有越界；否则位于平行边围成的闭合图形外，越界；

当虚拟围栏为由曲线围成的闭合图形时，从监控端动态位置对应的点P引2条方向相反的射线，计算2条射线穿过闭合图形时与其边界相交的次数；若得到的两个数字为奇数，则点P在闭合图形内；当射线与边界相切时，在首次判断点在闭合图形内后，将各条射线沿与其原方向成一定夹角的两个方向再次引射线判断，两次判断结果均为奇数时，即确定点在闭合图形内；若两次判断结果不同，则增大各条射线沿与其原方向的夹角继续判断，直至射线与初始射线垂直；

当虚拟围栏为非闭合图形时，监控端动态位置对应的点P和Q，判断P、Q两点是否位于非闭合曲线的同侧具体为：将P、Q两点连线，计算该线段与非闭合图形相交的次数，若得到的数字为偶数，则两点在非闭合图形同一侧，即若P点未越界，则Q点也未越界，反之亦然；

当线段与非闭合曲线相切时，在判断完成一次后，过P和Q两点以一定曲率作两条弧线段，判断两条弧线与曲线的相交次数，两次判断结果均为偶数时，则确定两点在曲线同侧；若两次判断结果不同，则增大曲率继续判断，直至曲率半径为线段长度的一半。

本发明针还充分分析了现有的高空作业安全防护技术，以线路检修防触电预警为目标，利用GPS高精度定位技术，结合线路检修时现场环境特点，通过大量创新，研发成功了一套线路检修防触电系统。整个系统包含了GPS定位模块、GPS接收机、数据处理模块、通信和报警模块等，主要任务是利用地理信息系统(GIS)在远程电脑创建虚拟围栏，使检修人员佩戴开发的安防穿戴设备进入工作区，采用GPS载波相位实时动态差分(RTK)技术对设备进行监测，将得到的厘米级动态位置信息与虚拟围栏的地图信息进行对比处理并输出显示，实时查看和跟踪检修人员位置，确保其远离虚拟围栏之外的带电区域，从而实现对线路检修人员的实时位置监测、虚拟围栏越界报警的功能。

本发明研发的系统能够排除现场环境的限制，无需安装高空设备，只要检修人员工作前配置好可穿戴监控端设备，即可实现对任意地点检修人员的安全防护，从而从根本上改变现有依靠规程、经验及监控人的高风险工作方式。本发明有望大大降低检修人员触电风险，实现技防与人防的有机结合，其成功应用必定会带来显著的经济效益和社会效益，具有极佳的推广应用价值。

本申请设计的系统采用RTK差分定位技术，通过设置已知坐标的基准站，将基准站定位信息同卫星定位信息做对比得到修正数据，以此修正移动监控端定位坐标，从而实现对移动站的高精度厘米级定位目标。

本申请中的虚拟围栏预警系统包括：

监控端和服务器端，监控端包括：GPS移动站、报警模块、第一通信模块；服务器端包括：虚拟围栏定义模块、GPS基准站、实时处理模块、第二通信模块；其中，虚拟围栏定义模块用于建立虚拟围栏；基于GPS移动站和GPS基准站获得的位置信息，采用GPS载波相位实时动态差分对监控端进行监测，获得监控端动态位置信息，实时处理模块将监控端动态位置信息与虚拟围栏的边界信息进行比较判断，当监控端动态位置超出虚拟围栏的边界时，则发出报警指令通过第二通信模块传输至第一通信模块，然后传输至报警模块进行报警。

进一步的，所述采用GPS载波相位实时动态差分对监控端进行监测，具体包括：由GPS基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给监控端；监控端接收GPS卫星的载波相位与来自GPS基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，将GPS基准站采集的载波相位进行求差解算坐标。

虚拟围栏定义模块基于地理信息系统创建虚拟围栏。，所述系统还包括显示模块，用于将虚拟围栏信息和监控端动态位置信息进行实时显示。

基于地理信息系统创建虚拟围栏，具体包括：获得地理信息系统数据信息，绘制现场虚拟围栏，并将边界坐标上传数据库，基于地理信息系统数据信息和现场边界坐标信息生成虚拟围栏。

进一步的，判断监控端动态位置是否超出虚拟围栏的边界具体包括：

当虚拟围栏为为非闭合图形时，监控端动态位置对应的点P和Q，判断P、Q两点是否位于非闭合曲线的同侧具体为：将P、Q两点连线，计算该线段与非闭合图形相交的次数，若得到的数字为偶数，则两点在非闭合图形同一侧；

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

解决了现有无法判断监控端动态位置是否超出虚拟围栏的不足，实现了能够准确监控端动态位置是否超出虚拟围栏的技术效果。

进一步的，本发明可通过GIS地理信息系统实现在主机端绘制虚拟围栏，并得到围栏边界点坐标的技术效果；通过GPS-RTK高精度定位技术实现对移动监控端实时定位，并得到监控端位置坐标的技术效果；通过实时处理模块的越界判断系统，将围栏边界坐标与监控端位置坐标进行计算比较，实现判断监控端是否处于虚拟围栏内的技术效果；通过报警模块和显示模块实现对监控端越界行为警示的技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是点与平行直线位置判断示意图；

图2是射线法判断示意图；

图3是连线判断法；

图4是系统整体框架示意图；

图5是内外层边界设置示意图；

图6是运动柱体示意图；

图7是平面动圆示意图；

图8a-b是内层越界判断示意图；

图9是外层越界判断示意图；

图10是虚拟围栏预警系统硬件结构示意图；

图11是GPS移动站结构示意图；

图12是GPS基准站结构示意图；

图13是任务处理流程示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本申请利用GIS系统在服务器端完成对虚拟围栏的自定义。GIS是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层(包括大气层)空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。它可以对空间信息进行分析和处理(简而言之，是对地球上存在的现象和发生的事件进行成图和分析)，把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作(例如查询和统计分析等)集成在一起。

本申请实现高精度定位的理论依据为RTK技术。差分技术的原理是在一个已知精确坐标固定点放置一台基准站GPS接收机接收GPS卫星信号并解算出系统的误差，再将误差修正参数传送至正在测量未知点坐标的移动站GPS接收机并消除该点误差，从而使移动站GPS定位数值的精度大大提高。

载波相位差分技术又称为RTK技术(real time kinematic)，是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。与伪距差分原理相同，由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站。用户站接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，能实时给出厘米级的定位结果。实现载波相位差分GPS的方法分为两类：修正法和差分法。前者与伪距差分相同，基准站将载波相位修正量发送给用户站，以改正其载波相位，然后求解坐标。后者将基准站采集的载波相位发送给用户台进行求差解算坐标。前者为准RTK技术，后者为真正的RTK技术。

本申请的关键点在于设计出准确性高、处理速度较快的越界判断系统。

点是否在闭合图形内的判断：

(1)由平行边围成的闭合图形

当闭合图形由平行边围成，如矩形、正六边形等，可采用将点的坐标代入平行直线方程，判断点是否在平行直线之间的方法。

如图1，平行线L1、L2将平面分为Ω₁、Ω₂、Ω₃三个区域。假设点P(X,Y)，L1:ax+by+c₁＝0，L2:ax+by+c₂＝0，容易证明，点P在平行直线之间，即Ω₂区域内(不含边界)等价于Δ＝(aX+bY+c₁)(aX+bY+c₂)＜0。L1、L2为平行边对应的直线方程，i为平行边对应的编号，因此，对于由平行边围成的闭合图形，只需由直线两点先求出每条边的直线方程，判断每对平行边的Δ_i＜0,i＝1,2,3,4...，即可证明点在每对平行边之间，也即点在由平行边围成的闭合图形内。

(2)一般闭合图形

判断点在闭合图形内的方法采用射线法。如图2所示，该方法先从点P引2条方向相反的射线，计算2条射线穿过闭合图形时与其边界相交的次数。如果得到的两个数字都是奇数，则点在闭合图形内。

考虑到射线刚好与边界相切的特殊情况，在首次判断点在闭合图形内后，将各条射线沿与其原方向成一定小夹角的两个方向再次引射线判断，两次判断结果均为奇数时，即可确定点在闭合图形内；若两次判断结果不同，增大夹角继续判断，直至射线与初始射线垂直。

2.两点在非闭合曲线同侧的判断

判断两点位于非闭合曲线的同侧的方法采用连线法。如图3所示，将曲线附近任意两点连线，计算该线段与曲线相交的次数。若得到的数字为偶数，则两点在曲线同一侧。

考虑到线段刚好与曲线相切的特殊情况，在判断完成一次后，过两点以一定小曲率作两条弧线段，判断两条弧线与曲线的相交次数，两次判断结果均为偶数时，即可确定两点在曲线同侧；若两次判断结果不同，增大曲率继续判断，直至曲率半径为线段长度的一半。

二、系统越界判断

1.技术效果

图4为系统示意图。本系统可通过GIS地理信息系统实现在主机端绘制虚拟围栏，并得到围栏边界点坐标的技术效果；通过GPS-RTK高精度定位技术实现对移动监控端实时定位，并得到监控端位置坐标的技术效果；通过实时处理模块的越界判断系统，将围栏边界坐标与监控端位置坐标进行计算比较，实现判断监控端是否处于虚拟围栏内的技术效果；通过报警模块和显示模块实现对监控端越界行为警示的技术效果。

2.内外层边界设置

如图5所示，虚线边框为危险区域与安全区域的交界，称为外层边界，是一个非闭合曲面，根据现场带电区绘制；为保留一定的安全距离，在与外层边界最小距离大于1米的区域内，绘制一个较为规则的闭合曲面作为警示边界，即实线边框，称为内层边界；实线框内则为正常工作区域。当检修人员走出内层边界所围曲面时，移动监控端设备发出警报；当检修人员越过外层边界时，设备发出高频警报并向服务器端传输报警信息。

3.越界判断

要进行越界判断，首先要根据GPS移动端的坐标运动模拟检修人员的活动。将移动监控设备制作为可携带于检修人员腰间的穿戴设备，则以设备定位点为中心，人的活动区域在一个半径为1米、高为2米的圆柱体内，如图6所示。

由于实际情况中检修人员只能在杆塔横担范围内运动，基本处于一个平面内，因此可取监控端同高度的水平面与内、外层边界曲面的交线作为新的内、外层边界，将运动柱体越界判断简化为平面动圆越界判断，如图7。

(1)内层越界判断

内层边界为闭合图形，且与外层边界的最小距离为1米，因此可将动圆视为动点，根据前述点在闭合图形内的判断原理，对监控端坐标点是否越界进行判断。

设监控端定位的动点坐标为(X,Y,Z)，从内层边界曲面的围栏信息中读取高度为Z的平面上的闭合曲线作为内层边界。

若内层边界为图8(a)所示由平行边围成的闭合曲线ABCD，越界判断即为判断动点是否在由顶点围成的矩形内。

由A、B、C、D四点坐标可求得直线AB、BC、CD、DA方程，则当Δ_AB-CD＜0且Δ_BC-DA＜0时，监控端在安全工作区域内；否则判断为内层越界。

若内层边界为图8(b)所示闭合曲线，越界判断即为判断动点是否在由曲线围成的闭合图形内。

为提高计算速度，可按水平线l₁:y＝Y方向选取两条射线进行判断。若在坐标y＝Y的边界点中，x＜X、x＞X的点的个数均为奇数，则监控端在安全工作区域内；否则判断为内层越界。如需提高判断准确度，可对于每个边界点(x_i,Y),i＝1,2,3,4...选取其相邻边界点(x_i-1,y_i-1),(x_i+1,y_i+1),x_i-1＜x_i＜x_i+1，判断是否满足y_i-1＜y_i＜y_i+1或y_i-1＞y_i＞y_i+1。若每个相交点的相邻点均满足不等式，且交点个数为奇数，则监控端在安全工作区域内，否则内层越界。

(2)外层越界判断

根据现场实际情况，外层边界为非封闭曲面，由于曲面在空间中延伸，2米高度内曲面的凹凸变化可以忽略不计。因此，可从外层边界曲面的围栏信息中读取高度为Z的平面上的曲线作为外层边界，利用前述连线法对监控端前后时刻的两点是否在曲线同侧进行判断，并计算当前时刻距运动方向边界线的距离，以保证整个动圆在安全区域内。

如图9所示，以t-1时刻监控点P'为起点，过t时刻监控点P引一条射线l₂。由于点P'、点P为监控点前后两个时刻的位置点，而默认点P'处于安全区域。因此根据连线法判断，当线段PP'与外层边界曲线无交点时，监控端在安全区域内，否则外层越界。

为保证检修人员活动范围的安全性，即以监控点为圆心、半径为1米的动圆与外层边界曲线的最小距离大于0。由于曲线较为平滑，为方便判断，可将动圆与边界曲线最小距离替代为监控点同水平交点(x,Y)、竖直交点(X,y)、射线P'P同边界曲线交点Q的距离进行判断。当监控点同上述三点距离均大于1米时，监控端活动区域均处于安全区域。

由图3系统框架可知，整个系统由GPRS通信模块、主机服务器端和移动监控端构成，其利用GPS实现移动监控端实时定位，利用GPRS实现GPS移动站与GPS基准站之间的通信。系统核心技术是GPS-RTK定位技术，首先在服务器端创建虚拟围栏，即安全工作区域边界，并将围栏信息与监控端位置信息一同传入显示界面。服务器端通过接收GPS实时定位更新监控端位置信息，并将其与围栏信息对比来判断越界是否发生。若越界发生则发起报警请求，则向监控端设备传输报警命令，并在报警成功后向服务器端反馈。

根据上述系统框架，结合输电线路检修现场的实际情况，对系统硬件部分进行设计，其结构框图如图4所示。系统硬件结构可分为监控端、服务器端两大部分，监控端由GPS移动站和报警模块构成，服务器端由GPS基准站、虚拟围栏定义模块、实时处理模块、显示模块及通信模块构成。系统的工作过程为：首先根据检修段现场情况创建虚拟围栏，同时将围栏信息传送到实时处理模块与显示模块中；然后由检修人员携带可移动监控端进入工作区域，开启GPS定位；接着启动系统实时处理模块，利用RTK技术将监控端实时传回的高精度位置信息与围栏信息进行比对，并传送到显示模块。当检修人员进入围栏外区域即带电区时，由服务器端发送报警命令，监控端响应后发出报警信息，使检修人员及时的离开带电区域，从而避免检修人员触电伤亡事故的发生。

虚拟围栏创建单元包括：查阅GIS系统数据处理的相关文献，搜集GIS数据资料，为创建虚拟围栏时现场的空间坐标收集资料。由于不同检修现场带电区分布的不同，在系统启动定位前需确定检修段带电区域。可根据相关规程、无人机测定等方式，得到现场带电区分布情况。绘制现场虚拟围栏，并将边界坐标上传数据库。

虚线边框为危险区域与安全区域的交界，称为外层边界，是一个非闭合曲面，根据现场带电区绘制；为保留一定的安全距离，在与外层边界最小距离大于1米的区域内，绘制一个较为规则的闭合曲面作为警示边界，即实线边框，称为内层边界；实线框内则为正常工作区域。当检修人员走出内层边界所围曲面时，移动监控端设备发出警报；当检修人员越过外层边界时，设备发出高频警报并向服务器端传输报警信息。

GPS-RTK定位单元：GPS-RTK定位是利用载波相位实时动态差分技术，在测量点上实时得到高精度定位结果的定位方法。具体实现方案为：在一个已知测站上架设GPS基准站接收机和通信电台，连续跟踪所有可见卫星，并通过天线向移动站发送差分改正数据。移动站接收机将接收到的差分改正数据进行内部处理，即可得到移动站的高精度位置信息。

图6、图7分别为虚拟围栏预警系统定位单元中移动站、基准站的工作结构图。GPS基准站利用基准站接收机及GPS天线收取导航卫星信号，并在定位后通过GPRS向移动站发送差分改正数据；GPS移动站部分利用移动站接收机及GPS天线接收导航卫星信号，利用通信天线接收基准站发来的改正数据，通过计算处理得到厘米级的高精度定位结果。将经过差分计算得到的各移动监控端定位信息通过GPRS网络上传到主机服务器，并转换为三维坐标，用于下一步坐标信息的处理和显示。

当检修现场环境开阔、通信状况较好时，可在附近(<40km)变电站内装设GPS基准站，由移动站与基准站以GPRS通信、基准站与总控台以串口通信实现定位，或携带GPS基准站一同装设于现场，移动站与基准站间、移动站与总控台间均采用串口通信。当现场通信状况较差时，可携带GPS基准端和移动PC端一同装设于现场，由移动站与基准站以GPRS或数传电台通信、基准站与PC端以串口通信实现定位，从而保证定位信息的实时性。

实时处理及控制单元：实时处理及控制单元主要包括系统初始化、围栏信息与定位信息的接收及显示、越界判断、报警命令的生成等。系统任务处理流程如图8所示，系统初始化完毕后，程序进入到循环等待接收围栏信息与定位信息。当收到围栏信息及第一个定位信息时，启动内层越界判断。若未越界，则经0.5s的延时后再次接收定位信息；若越界，向监控端发送报警命令，并启动外层越界判断。当监控端定位越过危险边界时，向监控端发送高频报警命令，同时向服务器端发出警报通知。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种判断监控端动态位置是否超出虚拟围栏的方法，利用虚拟围栏预警系统中的虚拟围栏定义模块建立虚拟围栏，利用虚拟围栏预警系统中的监控端获得其动态位置信息，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的判断监控端动态位置是否超出虚拟围栏的方法，其特征在于，虚拟围栏定义模块基于地理信息系统创建虚拟围栏。

3.根据权利要求1所述的判断监控端动态位置是否超出虚拟围栏的方法，其特征在于，基于地理信息系统创建虚拟围栏，具体包括：获得地理信息系统数据信息，绘制现场虚拟围栏，并将边界坐标上传数据库，基于地理信息系统数据信息和现场边界坐标信息生成虚拟围栏。