架空输电线路防大型机械施工破坏装置设计

来源:用户上传      作者:许海源 裴慧坤 陈城 陈永德 曾臻

　　摘  要：针对架空输电线路下大型机械设备线下施工外力破坏引发线路断裂、短路事故频发的问题进行研究，设计出一套有效的防大型机械施工破坏的输电线路监控装置，以期能够有效减少或消除大型机械施工破坏事故，提高输电线路安全运行和智能化管理水平。将视频识别技术、北斗导航以及近线电磁感应等技术组成的多通道视频采集分析终端和近线识别设备，通过视频分析和近线监测对大型施工机械进行协同监控。由视频分析和近线监测构成的协同监控装置从多角度获取机械设备的位置及状态信息，能够很好地适应架空输电线路下大型机械施工场景的复杂性，对架空输电线路下大型机械进行有效的监控。
　　关键词：架空输电线路  大型机械  视频分析  电磁感应  协同监控
　　架空输电线路由于架设位置和运行条件的特殊性，其遭受大型机械入侵破坏的行为发生周期短、重复性高、突发性强，架空输电线下施工监管存在许多不确定性。对于诸多已经报备的施工黑点，往往出现现场施工设备数量超出报备的数量，脱离管理，输电线路线廊下方存在众多的大型机械施工设备，随时都可能闯入高压导线安全距离。例如吊臂车、打桩机、翻斗车，运行过程中其位置和速度随时会改变，威胁高压导线。目前国内外研究用于架空线路的装置大多是架空线路的巡视与检修，基于铁塔或导线攀爬行走，无针对防大型机械施工的防外力破坏装置研究。架空输电线下施工中，通常采用传统人工巡检、视频监控等形式掌握的信息较为滯后，且全是被动接收，无法起到及时、主动的防护作用。主流的防外力破坏主要采取在线监测的方式，例如，2016年广东电网佛山供电局对输电线路防外力破坏预警系统进行研究，开发了基于图像识别技术、微信平台二次开发技术所集成的智能输电线路在线监控系统，实现全天不间断智能监控施工黑点，保证线路安全，但是该装置仅用于隐患的跟踪。
　　因此，该文设计一种基于视频识别技术与智能分析、北斗导航以及近线电磁感应等技术组成的多通道视频采集分析终端和近线识别设备。通过视频分析和近线监测对大型施工机械进行协同监控，实现对大型机械外力隐患的实时监测，实现大型机械位置的判断，对于进入高压线下保护区的大型机械及时发出声光报警，提醒现场施工人员注意施工安全，及时调整机械设备的操作范围，避免事故的出现;同时发送远程报警信息，及时通知线路运行维护人员。
　　1  总体方案设计
　　架空输电线路防大型机械破坏装置的设计目标是针对线下施工场景，对吊车、水泥泵车等施工机械以及其他违章行为而引发的外力破坏事故进行监测，保护输电线路安全稳定运行。系统应具备实时感测、现场警告、远程预警、后台管理、易使用维护等功能。
　　针对架空线路线下施工现场具有复杂性和不确定性的特点，工地机械设备的细节监测，采用布置在施工机械最高位置的北斗定位和近线感应识别器，该文设计的架空输电线路防大型机械破坏装置采用模块化的组合式设计，主要由视频监控终端、近线感应设备和远程监控平台3个部分组成，如图1所示。
　　该装置能通过视频图像采集和智能分析，准确计算和定位施工工区的施工设备数量及其种类，并核对报备的数量，排查超量、超种类进入的可能性。
　　通过近线感应设备精确识别各台施工设备与高压导线之间的距离，并实时的回报给现场操作人员及管理人员，及时制止事故发生。
　　通过远程监控平台对监测数据分析，判断施工工地的运行情况。并对违规的工地可以准确识别，为下一步管理做准备。
　　2  装置设计方案
　　2.1 视频监控终端
　　视频监控终端是多通道视频采集分析设备，它主要对输电线路通道下方的施工工地进行监控，实现无盲区监控，它主要包含视频采集模块、供电部分模块和智能分析模块3个部分，视频采集模块包含固定摄像头和动态光学变焦镜头，如图2、图3所示，通过固定摄像头对工地全局进行监测，通过高倍率光学镜头实现对工地现场的施工机械细节监测;供电部分模块根据现场场景可以支持AC220V供电或太阳能供电;智能分析模块支持基于深度学习的视觉分析和基于北斗位置及近线感应传感器的机械设备与导线位置分析。
　　设备提供两个独立的成像通道，如图4所示，一个为固定焦距4.5mm的镜头，其镜头的水平视角为：78.6°，垂直视角为：58°（见表1），配合1600万像素的传感器可以以采集到视角非常广同时画面清晰度非常高的视频图像，用于采集输电线路通道的固定场景。另一个选择6～240mm的变焦镜头，提供视场角有6～140mm的变化范围（见表2），配合水平、垂直电机的动作，可以实现监控场景的放大。满足一个三维立体空间的监控。
　　如图4所示的监控通道分布中，一个定焦摄像头始终观测输电线路通道获取到的是一个全局不变的监控画面;另一个可变焦镜头根据AI识别结果自动放大缩小观测全局和局部视频。可以在电量和流量消耗不变的情况下达到更高的监控效率。
　　利用设备能监控全局的特点，可以实现在定焦镜头的全局画面中实现对可变焦镜头的控制，实现自动定位跟踪放大功能。其自动控制的处理流程如下。
　　识别全局画面中的目标区域→{视频处理CPU（计算机三维空间位置）}→{（水平电机动作）（垂直电机动作）（镜头变倍动作）}架空输电线路防外破图像监控装置内部处理器，同时处理3个视频、图像采集传感器，设计框图如图5所示。
　　视频处理CPU单元内置两个ISP视频图像处理单元，同时支持两个视频图像sensor接入，可以同时生成连个独立的视频图像内容。用于监控架空输电线路下方的工地全局。视频处理CPU单元内置AI人工处理模块，通过深度学习算法识别工地内的大型施工机械，统计数量。
　　可变焦部分镜头包含成像模块、光学变焦模块、视频编码压缩模块，提供架空输电线路下方工地内的机械设备的识别后的细节跟踪。 　　2.2 近線感应设备
　　近线感应设备主要由供电模块、北斗定位模块、交流导线近线识别模块和现场报警模块组成，如图6所示。通过北斗定位施工机械的经纬度，识别与导线之间的水平位置关系;通过北斗定位的高程位置，识别与导线之间的距离;通过交流导线近线识别传感器侦测近线位置;通过现场声光报警提醒施工人员主要操作安全，避免引起不可挽回的事故发生。
　　LoRa是semtech公司创建的低功耗局域网无线标准，低功耗一般很难覆盖远距离，LoRa的名字就是远距离无线电（Long Range Radio），它最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3～5倍。
　　2.3 远程监控平台
　　远程监控平台是基于移动互联网技术的管控后台，后台基于互联网，能根据不同设备、不能同的隐患点设备子不同的预警策略，同时将预警图片推送给对应的设备管理人，其具有实时监测、系统配置、用户管理、历史查询、应急预案、电话调度的功能。根据功能需求，预警平台软件包括4个部分：数据获取、数据分析、数据输出和数据显示。数据获取接收来自现场告警终端通过GPRS网络传输过来的数据;数据分析用于保存和分析获取的报警数据;数据显示用于将数据分析出的数据在平台软件界面上显示出来;预警输出用于监控中心以交互形式向管理人员以短信形式下发预警信息。
　　3  结语
　　通过上文描述的架空输电线路电线路防外破图像监控装置能有效地监控输电线路通道、杆塔本体及周边的杆塔。通过一机多视频通道及“鹰眼”视频控制方式、预存临近杆塔位置的方式可以有效地提高输电线路的监控，从而保证输电线路的安全，是值得大力推广的。如果能配合视频图像的智能视觉识别，其监控效率还会更高。不过深度学习的智能分析算法还在起步阶段，随着算法的日趋成熟、无盲区的无人值守监控需求越来越大，未来的应用一定会普及、更高效、更精准。
　　参考文献
　　[1] 冷雪敏，高阳，许傲然，等.架空输电线路防外力破坏系统研究[J].电子世界，2017（13）：45-46.
　　[2] 李忠魁，程生安，赵明，等.基于高压输电线路的防外力破坏预警技术研究[J].软件，2017，38（4）：142-145.
　　[3] 李洪兵，王灿，陈世勇，等.输电线路防外力破坏预警系统的设计与实现[J].测控技术，2015，34（6）：142-145.
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