CN113643149A - 一种面向全覆盖监控的变电站监控布局优化方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向全覆盖监控的变电站监控布局优化方法及装置，涉及视频监控布局技术领域，包括以下步骤：S1：建立视频监控设备可视化模型，基于可视化模型分析监控点能被监测到的约束条件；S2：建立以覆盖所有被监控网格点为约束条件，视频监控设备布局数量最少为目标函数的数学模型，基于改进后的遗传算法求解最终优化布局结果；通过此种设计建立了以全覆盖变电站建设工地区域为约束条件，布置最少视频监控设备为目标函数的数学模型，利用改进后的遗传算法进行求解，得出最终的视频监控设备的安装位置，较传统方式根据工程师经验的方法配置，解决了监控有盲区死角和视频监控设备的布置过多的问题。

Description

一种面向全覆盖监控的变电站监控布局优化方法及装置

技术领域

本发明涉及视频监控布局技术领域，具体为一种面向全覆盖监控的变电站监控布局优化方法及装置。

背景技术

随着电力事业的快速发展，变电站作为直接关系电网运行效果的关键设施，其施工质量关系到整个电网运行。但由于变电站施工现场地形复杂环境多样，施工工序较多，会涉及到多机具和工种的互相配合，所以对变电站建设工地进行有效的安全管理就变得极为重要。

目前,建设工地的安全管理从最早只依靠设立安全管理人员进行管控，到使用视频监控设备对建设工地进行单纯的监控，通过管理人员对监控内容进行管控；到现如今在新基建的背景下，更多的运用了5G技术的视频监控设备进入到电力建设工地，这些视频监控设备不仅只是单纯的对目标区域的显示，而是具有一定的识别和告警能力，并且对于一些有安全风险的区域能进行实时智能监控。

通过这些智能的视频监控设备，就能更好的对变电站施工现场进行安全管理。但由于在实际的工程实践中，视频传感设备都是工程师通过自己的经验进行布置，并没有考虑三维空间中物体(这里主要考虑建设工地上的地面建筑物和深基坑)对视频传感设备的遮挡，往往会导致视频监控设备的出现死角，具有一定的局限性。

因此，开展对于变电站施工现场全覆盖监控的优化配置的研究就变得尤为迫切。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种面向全覆盖监控的变电站监控布局优化方法及装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种面向全覆盖监控的变电站监控布局优化方法及装置，包括以下步骤：

S1：建立视频监控设备可视化模型，基于可视化模型得到监控点能被监测到的约束条件，执行步骤S2；

S2：建立以覆盖所有被监控网格点为约束条件，视频监控设备布局数量最少为目标函数的数学模型，基于改进后的遗传算法求解最终优化布局结果；

将S2中的数学模型及改进后的遗传算法打包成一个以建设工地CAD图纸为输入，实际视频监控设备位置为输出的电脑软件，将其存放进可移动硬盘中，通过将其连接到计算机，实现视频监控布局的优化。

进一步的，所述步骤S1中，可视化模型是基于建设工地上地面建筑物和深基坑对视频监控设备视线的遮挡建立的，所述可视化模型包括：监控点在地面可视域模型图，监控点在基坑可视域模型图。

进一步的，将建设工地的地面以及深基坑区域划分为多个网格建立网格化图像，在网格化图像中，以建设工地顶点在深基坑底层平面的投影O为原点，建立空间三维坐标系，设任一视频安置点j，坐标为(x_j,y_j,z_j)，任一被监控网格点为i，其坐标为(x_i,y_i,z_i)，深基坑平面距离地面的距离为c，平面建筑高为h，视频监控设备j的控制半径监控距离为 R，视频监控点到基坑长侧壁的距离为a，视频监控点到基坑短侧壁的距离为b，视频监控点到建筑物长边的距离为b1，视频监控点到建筑物短边距离为a1，建筑物的宽度为b2, 建筑物的长度为a2，建筑物高度为h。

进一步的，所述约束条件包括监控点在地面上的约束条件以及监控点在深基坑的约束条件，所述监控点在地面上的约束条件计算方法为：根据监控点在地面可视域模型图可得视频监控设备视线方程：

其中，X，Y，Z代表空间中在任意满足视线方程的点的X，Y，Z轴的坐标，首先，判断被监控点是否能被监控到，要保证被监控点在监控设备的实际控制范围R之内，即满足 (x_i-x_j)²+(y_i-y_j)²+(z_i-z_j)²≤R²，此为第一个约束条件；其次，判断视线方程与地面建筑顶平面的交点与监控点之间的距离和监控点到地面建筑物侧边和建筑物长宽的之和的大小关系，即满足(y_c-y_j)²≥(b₁+b₂)²，(x_c-x_j)²＞(a₁+a₂)²，此为第二个约束条件。

进一步的，所述监控点在深基坑的约束条件的计算方法为：判断视线方程与地面平面的交点与监控点之间的距离和监控点到基坑侧边和基坑长宽之和的大小关系，即满足(y_c-y_j)²≥b²，(x_c-x_j)²≥a²，此为第三个约束条件。

进一步的，所述目标函数为：

式中，i为施工现场被监控网格点序号；j为候选视频监控安置点序号；J_N为候选视频监控安置点组成的集合；X_j为视频监控安置点布置摄像头情况。

进一步的，规定对于监控网格点如果能够观测到目标网格点，则

式中，J_N为候选视频监控设备安置点组成的集合，I_N施工现场被监控网格点的集合，a_ij为视频监控安置点j对被监控目标点i观测情况，能为1，否则为0；规定对于监控布置网格点，只有两种选择，一种是布置视频传感设备，另一种不布置，则

式中，X_j为视频监控安置点布置摄像头情况，布置为1，否则为0；规定对于被监控网格点来说，只有两者选择，一种是被至少一个视频监控设备监控到，一种是没有一个视频设备能够监控到，则

式中，X_i为被监控点网格点被监控的情况，布置为1，否则为0。

进一步的，所述约束条件的公式为：

I₁为地面区域网格点数；I₂基坑区域网格点数；表示I₁+I₂个X_i被监控网格点要被全覆盖，要使本式中两边相等， i必须为1，i为1的条件为满足上述的三个约束条件。

进一步的，所述步骤S2中，基于改进后的遗传算法求解最终优化布局结果的步骤为：

S21:初始化可视域模型函数，并且读取初始点数据。采用二进制编码方式，随机产生具有候选视频监控设备点数的基因位；S22：对初始的种群的进行改进处理；S23：对群体中的个体进行解码，根据

计算目标函数值；S24：根据目标函数值进行选择、交叉、变异操作；S25：对经过选择交叉变异之后的个体中不满足式

全覆盖的染色体进行修补；S26：若没有达到最大停滞代数，则返回步骤S23，否则迭代结束，调用画图函数，最终优化布局结果。

本发明的有益效果是：

1、针对变电站建设工地中地面建筑物和深基坑对视频监控设备视线遮挡情况，建立了对应的可视域模型，并且针对视频监控设备一般根据工程师的经验布置，没有科学方法的指导的情况，建立了以全覆盖变电站建设工地区域为约束条件，布置最少视频监控设备为目标函数的数学模型，利用改进后的遗传算法进行求解，得出最终的视频监控设备的安装位置，较传统方式根据工程师经验的方法配置，解决了监控有盲区死角和视频监控设备的布置过多的问题。

附图说明

图1为本发明的视频监控布局优化方法的流程图；

图2为本发明具体实施方法的实施例地面网格化处理图；

图3为本发明具体实施方法的实施例基坑网格化处理图；

图4为本发明具体实施方法的实施例目标监控点在地面可视域模型图；

图5为本发明具体实施方法的实施例目标监控点在基坑可视域模型图；

图6为本发明具体实施方法的算法种群初始化的改进过程；

图7为本发明具体实施方法的实施例的视频监控设备优化布局结果图；

图8为本发明具体实施方法的实施例的视频监控设备优化布局装置的实现流程图。

具体实施方式

下面结合本发明的附图1～8，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“逆时针”、“顺时针”“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

一种面向全覆盖监控的变电站监控布局优化方法及装置，包括以下步骤：

S1：建立视频监控设备可视化模型，基于可视化模型得到监控点能被监测到的约束条件，执行步骤S2；

S2：建立以覆盖所有被监控网格点为约束条件，视频监控设备布局数量最少为目标函数的数学模型，基于改进后的遗传算法求解最终优化布局结果；

将S2中的数学模型以及改进后的遗传算法打包成一个以建设工地CAD图纸为输入，实际视频监控设备位置为输出的电脑软件，将其存放进可移动硬盘中，通过将其连接到计算机，实现视频监控布局的优化。

本方案的工作原理简述：

在本发明中，模拟变电站主要占地面积为A×B m²的矩形，中间区域有一个C×D m²的矩形基坑，基坑深E米，基坑中间还有不同的钢筋横断支撑，保证土方结构的牢固。将A×Bm²占地面积的区域进行网格化处理，变电站场地总大小为A×Bm²，地面基坑区域为C×D m²，选择2×2m²为一个小网格区域，以网格中心点作为视频监控设备的安装位置。根据计算可以算出：候选视频传感设备点为J＝(A×B-C×D)/4个；基坑区域目标监控点为I₁＝C×D/4个；地面区域目标监控点为I₂＝(A×B-C×D)/4个。视频传感设备候选点有J个，将候选点组成一个集合J_N，需要目标监控点I₁+I₂个，将被监控点组成一个集合I_N。

步骤一，将地面和基坑区域分别按照图1和图2划分为多个小网格。

步骤二，考虑变电站建设工地上地面建筑物和深基坑对视频监控设备视线的遮挡，建立如图4和图5所示可视化模型分析。

以电力建设工地现场左边端点，在基坑底层平面的投影O为原点，建立空间三维坐标系，设任一视频安置点j，坐标为(x_j,y_j,z_j)，任一被监控网格点为i，其坐标为(x_i,y_i,z_i)。基坑平面距离地面的距离为c，平面建筑高为h。R为球形视频监控设备j的控制半径监控距离。 a为视频监控点到基坑长侧壁的距离，b为视频监控点到基坑短侧壁的距离。监控点到建筑物长边的距离为b1，建筑物的宽度为b2，监控点到建筑物短边距离为a1,建筑物的长度为a2。建筑物高度为h。

当被监控点在地面上，则基坑侧壁影响不到视频传感设备的视线,只需要考虑地面上建筑物对视线的遮挡，如图3所示：

实际上，从视线方程:

首先，判断被监控点是否能被监控到,要保证被监控点在监控设备的实际控制范围R之内。

(x_i-x_j)²+(y_i-y_j)²+(z_i-z_j)²≤R² (2)

其次，需要判断视线方程与地面建筑顶平面的交点与监控点之间的距离和监控点到地面建筑物侧边和建筑物长宽的之和的大小关系。

(y_c-y_j)²≥(b₁+b₂)² (3)

(x_c-x_j)²＞(a₁+a₂)² (4)

同时满足以上二个条件，则能保证能够被监控到。

当被监控点在基坑底层时，如图4所示，需要考虑地面建筑物和基坑侧壁对视线的影响。和上一节中的可视域模型不同的是，多了基坑侧壁对视线的影响。

需要判断视线方程与地面平面的交点与监控点之间的距离和监控点到基坑侧边和基坑长宽的之和的大小关系。

(y_c-y_j)²≥b² (5)

(x_c-x_j)²≥a² (6)

同时满足以上三个条件，则能保证能够被监控到。

步骤三，建立以覆盖所有被监控网格点为约束条件，视频监控设备布局数量最少为目标函数的数学模型；

目标函数为：

式中：i为施工现场被监控网格点序号；j为候选视频监控安置点序号；J_N为候选视频监控安置点组成的集合；X_j为视频监控安置点布置摄像头情况；

本问题的约束条件是要求监控传感设备能够监控所有网格点，既满足全覆盖。在设立约束条件之下，因为采用要进行二进制编码，所以需要做如下0-1整数规划：

规定对于如果监控网格点能够观测到目标网格点。

式中：J_N为候选视频监控安置点组成的集合；I_N施工现场被监控网格点的集合；a_ij为视频监控安置点j对被监控目标点i观测情况；能为1，否则为0；

规定对于监控布置网格点，只有两种选择，一种是布置视频传感设备，另一种不布置。

式中：X_j为视频监控安置点布置摄像头情况，布置为1，否则为0；

规定对于被监控网格点来说，只有两者选择，一种是被至少一个视频监控设备监控到，一种是没有一个视频设备能够监控到。

式中：X_i为被监控点网格点被监控的情况，布置为1，否则为0；

约束条件：

式中：I₁为地面区域网格点数；I₂基坑区域网格点数；表示I₁+I₂个X_i被监控网格点要被全覆盖；

步骤四，进行基于改进后的遗传算法的求解。

(1)算法初始化。初始化可视域模型函数，并且读取初始点数据。采用二进制编码方式，随机产生具有候选视频传感设备点数的基因位。

(2)通过编码随机产生的个体，由于是随机生产，所以这个体可能不满足全覆盖的要求，所以需要对初始的种群的进行如图6改进处理

(3)对群体中的个体进行解码，根据式(7)计算目标函数值。

(4)本问题目标函数就是适应度函数，然后根据目标函数值进行选择、交叉、变异操作。

(5)修补算子，主要是对经过选择交叉变异之后的个体中不满足式(11)全覆盖的染色体进行修补。

采用循环的方式，先进行检测，检测出不符合条件的染色体。然后计算每个基因所能控制的目标监控点的个数进行从大到小的排序。

最后根据排序结构依次进行修补，每修补一次就进行一次是否满足式(11)全覆盖的要求的判断，直至完成修补任务。

若没有达到最大停滞代数，则返回步骤(3)，否则迭代结束，调用画图函数，得到如图7所示的最终优化布局结果。

进一步的，所述步骤S1中，可视化模型是基于建设工地上地面建筑物和深基坑对视频监控设备视线的遮挡建立的，所述可视化模型包括：监控点在地面可视域模型图，监控点在基坑可视域模型图。

进一步的，将建设工地的地面以及深基坑区域划分为多个网格建立网格化图像，在网格化图像中，以建设工地顶点在深基坑底层平面的投影O为原点，建立空间三维坐标系，设任一视频安置点j，坐标为(x_j,y_j,z_j)，任一被监控网格点为i，其坐标为(x_i,y_i,z_i)，深基坑平面距离地面的距离为c，平面建筑高为h，视频监控设备j的控制半径监控距离为 R，视频监控点到基坑长侧壁的距离为a，视频监控点到基坑短侧壁的距离为b，视频监控点到建筑物长边的距离为b1，视频监控点到建筑物短边距离为a1，建筑物的宽度为b2, 建筑物的长度为a2，建筑物高度为h。

进一步的，所述约束条件包括监控点在地面上的约束条件以及监控点在深基坑的约束条件，所述监控点在地面上的约束条件计算方法为：根据监控点在地面可视域模型图可得视频监控设备视线方程：

其中，X，Y，Z代表空间中在任意满足视线方程的点的X，Y，Z轴的坐标，首先，判断被监控点是否能被监控到，要保证被监控点在监控设备的实际控制范围R之内，即满足 (x_i-x_j)²+(y_i-y_j)²+(z_i-z_j)²≤R²，此为第一个约束条件；其次，判断视线方程与地面建筑顶平面的交点与监控点之间的距离和监控点到地面建筑物侧边和建筑物长宽的之和的大小关系，即满足(y_c-y_j)²≥(b₁+b₂)²，(x_c-x_j)²＞(a₁+a₂)²，此为第二个约束条件。

进一步的，所述监控点在深基坑的约束条件的计算方法为：判断视线方程与地面平面的交点与监控点之间的距离和监控点到基坑侧边和基坑长宽之和的大小关系，即满足(y_c-y_j)²≥b²，(x_c-x_j)²≥a²，此为第三个约束条件。

进一步的，所述目标函数为：

式中，i为施工现场被监控网格点序号；j为候选视频监控安置点序号；J_N为候选视频监控安置点组成的集合；X_j为视频监控安置点布置摄像头情况。

进一步的，规定对于监控网格点如果能够观测到目标网格点，则

式中，J_N为候选视频监控设备安置点组成的集合，I_N施工现场被监控网格点的集合，a_ij为视频监控安置点j对被监控目标点i观测情况，能为1，否则为0；规定对于监控布置网格点，只有两种选择，一种是布置视频传感设备，另一种不布置，则

式中，X_j为视频监控安置点布置摄像头情况，布置为1，否则为0；规定对于被监控网格点来说，只有两者选择，一种是被至少一个视频监控设备监控到，一种是没有一个视频设备能够监控到，则

式中，X_i为被监控点网格点被监控的情况，布置为1，否则为0。

进一步的，所述约束条件的公式为：

I₁为地面区域网格点数；I₂基坑区域网格点数；表示I₁+I₂个X_i被监控网格点要被全覆盖，要使本式中两边相等， i必须为1，i为1的条件为满足上述的三个约束条件。

进一步的，所述步骤S2中，基于改进后的遗传算法求解最终优化布局结果的步骤为：S21:初始化可视域模型函数，并且读取初始点数据。采用二进制编码方式，随机产生具有候选视频监控设备点数的基因位；S22：对初始的种群的进行改进处理；S23：对群体中的个体进行解码，根据

计算目标函数值；S24：根据目标函数值进行选择、交叉、变异操作；S25：对经过选择交叉变异之后的个体中不满足式

全覆盖的染色体进行修补；S26：若没有达到最大停滞代数，则返回步骤S23，否则迭代结束，调用画图函数，最终优化布局结果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种面向全覆盖监控的变电站监控布局优化方法及装置，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立视频监控设备可视化模型，基于可视化模型得到监控点能被监测到的约束条件，执行步骤S2；

S2：建立以覆盖所有被监控网格点为约束条件，视频监控设备布局数量最少为目标函数的数学模型，基于改进后的遗传算法求解最终优化布局结果。

2.根据权利要求1所述的一种面向全覆盖监控的变电站监控布局优化方法及装置，其特征在于，所述步骤S1中，可视化模型是基于建设工地上地面建筑物和深基坑对视频监控设备视线的遮挡建立的，所述可视化模型包括：监控点在地面可视域模型图，监控点在基坑可视域模型图。

3.根据权利要求2所述的一种面向全覆盖监控的变电站监控布局优化方法及装置，其特征在于，将建设工地的地面以及深基坑区域划分为多个网格建立网格化图像，在网格化图像中，以建设工地的顶点在深基坑底层平面的投影O为原点，建立空间三维坐标系，设任一视频安置点j，坐标为(x_j,y_j,z_j)，任一被监控网格点为i，其坐标为(x_i,y_i,z_i)，深基坑平面距离地面的距离为c，平面建筑高为h，视频监控设备j的控制半径监控距离为R，视频监控点到基坑长侧壁的距离为a，视频监控点到基坑短侧壁的距离为b，视频监控点到建筑物长边的距离为b1，视频监控点到建筑物短边距离为a1，建筑物的宽度为b2,建筑物的长度为a2，建筑物高度为h。

4.根据权利要求3所述的一种面向全覆盖监控的变电站监控布局优化方法及装置，其特征在于，所述约束条件包括监控点在地面上的约束条件以及监控点在深基坑的约束条件，所述监控点在地面上的约束条件计算方法为：根据监控点在地面可视域模型图可得视频监控设备视线方程：

其中，X，Y，Z代表空间中在任意满足视线方程的点的X，Y，Z轴的坐标，首先，判断被监控点是否能被监控到，要保证被监控点在监控设备的实际控制范围R之内，即满足(x_i-x_j)²+(y_i-y_j)²+(z_i-z_j)²≤R²，此为第一个约束条件；其次，判断视线方程与地面建筑顶平面的交点与监控点之间的距离和监控点到地面建筑物侧边和建筑物长宽的之和的大小关系，即满足(y_c-y_j)²≥(b₁+b₂)²，(x_c-x_j)²＞(a₁+a₂)²，此为第二个约束条件。

5.根据权利要求4所述的一种面向全覆盖监控的变电站监控布局优化方法及装置，其特征在于，所述监控点在深基坑的约束条件的计算方法为：判断视线方程与地面平面的交点与监控点之间的距离和监控点到基坑侧边和基坑长宽之和的大小关系，即满足(y_c-y_j)²≥b²，(x_c-x_j)²≥a²，此为第三个约束条件。

6.根据权利要求1所述的一种面向全覆盖监控的变电站监控布局优化方法及装置，其特征在于，所述目标函数为：

式中，i为施工现场被监控网格点序号；j为候选视频监控安置点序号；J_N为候选视频监控安置点组成的集合；X_j为视频监控安置点布置摄像头情况。

7.根据权利要求6所述的一种面向全覆盖监控的变电站监控布局优化方法及装置，其特征在于，规定对于监控网格点如果能够观测到目标网格点，则

式中，J_N为候选视频监控设备安置点组成的集合，I_N施工现场被监控网格点的集合，a_ij为视频监控安置点j对被监控目标点i观测情况，能为1，否则为0；规定对于监控布置网格点，只有两种选择，一种是布置视频传感设备，另一种不布置，则

式中，X_j为视频监控安置点布置摄像头情况，布置为1，否则为0；规定对于被监控网格点来说，只有两者选择，一种是被至少一个视频监控设备监控到，一种是没有一个视频设备能够监控到，则

式中，X_i为被监控点网格点被监控的情况，布置为1，否则为0。

8.根据权利要求5所述的一种面向全覆盖监控的变电站监控布局优化方法及装置，其特征在于，所述约束条件的公式为：

I₁为地面区域网格点数；I₂基坑区域网格点数；表示I₁+I₂个X_i被监控网格点要被全覆盖，要使本式中两边相等，i必须为1，i为1的条件为满足上述的三个约束条件。

9.根据权利要求1所述的一种面向全覆盖监控的变电站监控布局优化方法及装置，其特征在于，所述步骤S2中，基于改进后的遗传算法求解最终优化布局结果的步骤为：S21:初始化可视域模型函数，并且读取初始点数据。采用二进制编码方式，随机产生具有候选视频监控设备点数的基因位；S22：对初始的种群的进行改进处理；S23：对群体中的个体进行解码，根据

计算目标函数值；S24：根据目标函数值进行选择、交叉、变异操作；S25：对经过选择交叉变异之后的个体中不满足式

全覆盖的染色体进行修补；S26：若没有达到最大停滞代数，则返回步骤S23，否则迭代结束，调用画图函数，最终优化布局结果。

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