基于TOF技術的輸電帶電作業(yè)安全監(jiān)測與預警系統(tǒng)

隆晨海，楊淼，熊子萱，李金亮，李文波

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南長沙410007；2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司永州供電分公司，湖南永州425000)

隨著我國電網(wǎng)的迅速發(fā)展，帶電作業(yè)已經(jīng)成為我國輸電線路搶修消缺、電網(wǎng)設備檢測以及維護的重要手段。輸電帶電作業(yè)是一項 “高空、高壓、高危險”工作，作業(yè)人員必須在規(guī)定的安全范圍內工作，與不同電位的物體保證足夠的安全距離，帶電作業(yè)安全防護是帶電作業(yè)順利實施的關鍵因素。目前，我國輸電帶電作業(yè)的人員安全主要是依靠具有豐富實際操作經(jīng)驗的監(jiān)護人員的監(jiān)督及作業(yè)人員的自覺性來實現(xiàn)。在實際的作業(yè)過程中，由于現(xiàn)場作業(yè)點多面廣、工作繁重，作業(yè)人員易疲勞，精力不夠集中，容易發(fā)生違反操作規(guī)程、忽視安全距離等行為，從而導致安全事故的發(fā)生。

在安全預警方面，國內已有文獻 [1]提出一種新型帶電作業(yè)電場測量預警系統(tǒng)；文獻 [2]提出一種可以檢測超高壓輸電線周圍工頻電場強度并能夠直觀顯示的便攜式測量裝置；已研制的帶電工作距離報警包括手表式近電報警器和安全帽加裝近電報警器，還有較少使用的紅外對射報警器和復雜帶電作業(yè)電力施工的安全報警裝置。國外已有測量距離功能的專業(yè)圖像分析系統(tǒng)，例如Image-Pro Plus是頂級的圖像分析系統(tǒng)包，還有速度測量系統(tǒng)(RC Speed Test)可以運行于IOS系統(tǒng)中。但該兩種系統(tǒng)功能單一，不能有效地預防操作人員誤入帶電間隔和人員觸電事故的發(fā)生，而且成本昂貴，操作計算復雜，很難普及化使用。總體來講，國內外在帶電作業(yè)安全距離預警方面尚未有普及運用的預警系統(tǒng)。

針對目前我國輸電帶電作業(yè)中安全監(jiān)控及預警手段和方法缺乏的現(xiàn)狀，提出基于TOF技術的輸電帶電作業(yè)實時安全監(jiān)測與預警系統(tǒng)，實時檢測安全距離，開展人員危險動作預警，對預防或減少帶電作業(yè)人身傷害等事故的發(fā)生具有十分重要的工程實踐價值。

1 TOF測量原理

TOF技術是機器視覺工業(yè)重要里程碑，通過使用低成本CMOS像素陣列和主動調制光源技術來提供三維場景的距離景深圖[3-4]。因此不同于單點逐點掃描方式，該技術每個像素都能測量對應目標體的亮度和反射回來的調制光的到達時間，從而計算出該點對應的距離景深。

TOF測量的基本公式:

式中，由光源發(fā)出的光脈沖信號的波長λ，一般約為850 nm；n是光脈沖的數(shù)目，Δφ是與最終結果精密度密切相關的延遲相位；已知光速c，并設調制頻率為 40 MHz，計算可得最大測量距離為3.25 m。因為調制頻率越高，量程就越小，而且一般TOF技術的最大測量距離小于光在半個周期內的飛行距離，所以這也是未來3D-TOF技術發(fā)展需要克服的一個難題[5-6]。

圖1為TOF的測量信號示意圖，系統(tǒng)光源發(fā)射出經(jīng)過調制后的光波頻率為20 MHz的正余弦的調制信號。首先設定調制波形的初始相位φ0＝0°，光脈沖返回后信號相位為φ1＝240°，那么可得總的相位延遲為Δφ＝240°，因此就可以計算出距離d＝5 m。

圖1 TOF攝像機測量系統(tǒng)信號示意圖

基于TOF相機可實現(xiàn)對工作區(qū)域的實時監(jiān)測并獲取高精度的距離信息，為作業(yè)中的安全隱患提供實時可靠的預警信息。

2 基于TOF安全距離監(jiān)測方案

2.1 TOF相機選型

TOF相機選型應滿足的帶電作業(yè)安全距離監(jiān)測需求如下:

1)輸電帶電作業(yè)安全距離大部分是0.3～5 m[7-8]。因此為了保證足夠的視野范圍，相機安裝要求在距離工作區(qū)域5 m以外的位置，故深度相機的量程應在10 m以上。

2)為保證安全距離監(jiān)測的實時性，相機的幀率應該在30 fps及以上。

3)為保證測量精度，深度相機在量程內的測距誤差應在5 cm以內[9]。

4)為保證安裝上的輕便性和系統(tǒng)自身的便攜性，要求深度相機質量在1.5 kg以內，在此基礎上相機尺寸也要盡量小巧。

由于國內的深度攝像機起步較晚，目前還沒有精度和分辨率都達到需求的深度相機，而且主要研發(fā)方向是基于娛樂性的體感方向，因而選擇進口Fotonic E70作為距離監(jiān)測的傳感器。選擇的相機型號為E70 48W，該相機的主要性能參數(shù)見表1。

表1 E70 48W相機性能參數(shù)

2.2 基于TOF安全距離監(jiān)測方案設計

根據(jù)所選帶電作業(yè)桿塔和電壓等級，設置高壓輸電線路桿塔參數(shù)、高壓帶電作業(yè)方式，系統(tǒng)自動計算安全監(jiān)控方位和報警閾值。利用深度相機采集圖像，對深度圖像進行實時處理，計算帶電作業(yè)人員的空間方位，測算作業(yè)方位的安全距離，并進行存儲與分析處理。安全預警部分根據(jù)安全距離監(jiān)測的結果進行分析，實現(xiàn)聲、光等報警，并將處理的數(shù)據(jù)發(fā)送給地面基站或監(jiān)控中心。基于TOF技術的距離監(jiān)測方法流程如圖2所示。

圖2 距離監(jiān)測方法流程

3 系統(tǒng)設計

輸電線路帶電作業(yè)安全監(jiān)測與預警系統(tǒng)功能結構包括作業(yè)安全距離評估、安全距離監(jiān)測、安全預警、設備裝置，通信系統(tǒng)。其安全監(jiān)測與預警系統(tǒng)的組成如圖3所示，其中 “擴展部分”在后續(xù)可根據(jù)需要進行擴展，本文設計不涉及此部分內容。系統(tǒng)主要部件包括:主控板卡、網(wǎng)絡設備、TOF深度相機、電源系統(tǒng)、報警設備等部分。

圖3 系統(tǒng)組成

3.1 硬件設計

3.1.1 系統(tǒng)組成結構

硬件系統(tǒng)連接如圖4所示，圖中1為監(jiān)控終端，2為無線通信鏈路，3為控制箱體，4為無線發(fā)射天線，5為顯示屏，6為系統(tǒng)電源開關，7為聲光報警設備，8為接線端子，9為處理器，10為無線路由器，11為3G/4G通信模塊，12為控制電路板，13為電池，14為控制箱安裝底座，15為控制箱安裝支架，16為電源及信號線纜，17為深度相機，18為深度相機安裝底座，19為深度相機安裝支架。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)組成結構

3.1.2 硬件系統(tǒng)工作原理

電池給聲光報警設備、處理器、無線路由器、3G/4G通信模塊、控制電路板、深度相機進行供電。其中電池的標稱電壓為24 V。控制電路板配有DC-DC 24 V轉12 V電源模塊和24 V轉19 V的電源模塊、19 V電源開關控制器、24 V電源開關控制器Ⅰ和Ⅱ、12 V和19 V電源接口、24 V電源接口Ⅰ和Ⅱ。

DC-DC 24 V轉12 V電源模塊和24 V轉19 V的電源模塊的輸入均為電池的輸出，通過兩根電源線相連，并區(qū)分正負極。DC-DC 24 V轉12 V與24 V轉19 V電源模塊的輸出分別為與12 V電源接口相連DC 12 V、與19 V電源接口相連DC 19 V。

24 V電源接口直接與電池相連，區(qū)分正負極。深度相機的供電電壓為24 V，通過電源及信號線纜與控制電路板12的24 V電源接口Ⅰ相連。24 V電源開關控制器Ⅰ由處理器進行控制，控制24 V電源接口Ⅰ的通斷。

聲光報警設備的供電電壓為24 V，由兩芯的電源線和兩芯的控制信號線，其兩芯的電源線與控制電路板的24 V電源接口Ⅱ相連，兩芯的控制信號線與處理器的IO控制端口相連，通過處理器發(fā)送IO控制指令控制聲光報警設備的啟閉。處理器的供電電壓為12 V，通過兩根電源線與控制電路板的12 V電源接口相連。處理器控制24 V電源開關控制器Ⅱ，即可控制24 V電源接口Ⅱ的通斷。

無線路由器的供電電壓為19 V，通過兩根電源線與控制電路板的19 V電源接口相連。19 V電源開關控制器由處理器進行控制，控制19 V電源接口的通斷。處理器為顯示屏供電，供電電壓為12 V。

3G/4G通信模塊的供電電壓為12 V，與控制電路板的12 V電源接口相連。

無線路由器提供WiFi的無線通信鏈路，3G/4G通信模塊提供公網(wǎng)的無線通信鏈路，兩種無線通信鏈路共同組成無線通信鏈路。

無線發(fā)射天線可拆卸，通過螺釘?shù)姆绞脚c控制箱體相連，無線發(fā)射天線與路由器通過通信信號線相連。

接線端子設置在控制箱體的外側，通過螺釘與控制箱體的箱體外殼緊固，接線端子設置有三芯電源接頭和八芯的信號線接頭，三芯電源接頭通過三芯電源線纜與深度相機電源接頭相連，并給深度相機供電；八芯信號線接頭通過八芯信號線纜與深度相機信號線接頭相連，用于傳遞深度相機的數(shù)據(jù)信號和控制信號；其中三芯電源線纜和八芯信號線纜固結在一起，組成電源及信號線纜。

3.2 軟件設計

3.2.1 安全距離監(jiān)測原理

安全距離監(jiān)測原理如圖5所示，圖中25為監(jiān)測區(qū)域，26為安全監(jiān)測邊界，27為作業(yè)人員。監(jiān)測區(qū)域表示帶電作業(yè)人員所在的立體區(qū)域，在帶電作業(yè)過程中，帶電作業(yè)人員限在此范圍內工作。監(jiān)測深度d表示需要監(jiān)測的區(qū)域在深度方向的中心面離相機端面的距離。監(jiān)測深度容差e表示設定監(jiān)測區(qū)域的厚度。監(jiān)測寬度w表示監(jiān)測區(qū)域的寬度，帶電作業(yè)人員所允許的活動寬度。監(jiān)測高度h表示監(jiān)測區(qū)域的高度，帶電作業(yè)人員所允許的活動高度。安全監(jiān)測邊界表示監(jiān)測區(qū)域面向相機的4條邊界，當設定后，帶電作業(yè)人員如果越過安全監(jiān)測邊界，表示作業(yè)過程出現(xiàn)了安全風險，監(jiān)測系統(tǒng)通過聲光報警設備進行報警，提醒帶電作業(yè)人員以及帶電作業(yè)班組人員要注意作業(yè)安全。

圖5 安全距離監(jiān)測原理

3.2.2 軟件系統(tǒng)結構

帶電作業(yè)安全距離實時監(jiān)測預警系統(tǒng)功能結構如圖6所示。該系統(tǒng)通過設定帶電作業(yè)人員作業(yè)的安全監(jiān)測區(qū)域，實現(xiàn)全程監(jiān)控作業(yè)人員的帶電作業(yè)安全距離，當作業(yè)人員越過該安全區(qū)域，系統(tǒng)采用聲光報警的方式實現(xiàn)對作業(yè)人員的安全預警，防止發(fā)生安全事故。系統(tǒng)功能包括:安全距離監(jiān)測與預警、聲光報警控制、監(jiān)測區(qū)域參數(shù)化設置、監(jiān)測區(qū)域自動匹配、3D點云數(shù)據(jù)轉2D圖像、遠程視頻傳輸、視頻及數(shù)據(jù)存儲、系統(tǒng)日志、電源控制及管理、通信自恢復及管理、傳感器自診斷與恢復、遠程同步與交互。具體功能介紹如下:

圖6 帶電作業(yè)安全距離實時監(jiān)測預警系統(tǒng)功能結構

1)安全距離監(jiān)測與預警功能。實現(xiàn)帶電作業(yè)人員在作業(yè)過程中的實時安全監(jiān)測，如果作業(yè)人員超出安全區(qū)域，該功能發(fā)出預警信號實現(xiàn)自動預警，提醒作業(yè)人員注意安全。

2)聲光報警控制功能。根據(jù)預警信號對聲光報警設備進行開啟和關閉，當有預警信號時，控制聲光報警設備開始報警，當沒有預警信號時，控制聲光報警設備關閉報警。

3)監(jiān)測區(qū)域參數(shù)化設置功能。實現(xiàn)通過設定監(jiān)測深度d、監(jiān)測高度h、監(jiān)測寬度w、監(jiān)測深度容差e來設置監(jiān)測區(qū)域，并可上下左右移動監(jiān)測區(qū)域。

4)監(jiān)測區(qū)域自動匹配功能。實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域與實際帶電作業(yè)場景進行匹配，當監(jiān)測高度h和監(jiān)測寬度w不變，監(jiān)測區(qū)域在監(jiān)測畫面中隨著監(jiān)測深度d變大而變小，隨著監(jiān)測深度d變小而變大；當監(jiān)測深度d不變，監(jiān)測區(qū)域在監(jiān)測畫面中隨監(jiān)測高度h和監(jiān)測寬度w變大而變大，隨監(jiān)測高度h和監(jiān)測寬度w變小而變小。

5)3D點云數(shù)據(jù)轉2D圖像功能。實現(xiàn)將采集來自于深度相機的3D點云數(shù)據(jù)轉換為2D的平面圖像，便于監(jiān)控終端的觀測以及監(jiān)測區(qū)域參數(shù)化設置。

6)遠程視頻傳輸功能。實現(xiàn)將2D平面圖像生成視頻數(shù)據(jù)，通過流媒體技術實現(xiàn)視頻遠程傳輸，供監(jiān)控終端進行觀測。

7)視頻及數(shù)據(jù)存儲功能。實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)以及監(jiān)測區(qū)域參數(shù)的自動存儲，視頻和數(shù)據(jù)存儲在處理器的內部硬盤中。

8)系統(tǒng)日志功能。實現(xiàn)系統(tǒng)的日志信息的記錄和存儲，存儲在處理器的內部硬盤中。

9)電源控制及管理功能。實現(xiàn)19 V電源和24 V電源的開啟和關閉，開啟和關閉指令由處理器發(fā)出，當系統(tǒng)監(jiān)測到通信鏈路出現(xiàn)故障時，自動將19 V電源切斷再接通，實現(xiàn)無線路由器的重啟；當系統(tǒng)監(jiān)測到深度相機出現(xiàn)故障時，自動將24 V電源切斷再接通，實現(xiàn)深度相機的復位。

10)通信自恢復及管理功能。采用檢測心跳信號來判斷處理器與監(jiān)控終端的通信是否正常，當處理器在2 s內檢測不到心跳信號，處理器自動通過電源控制及管理功能對無線路由器進行重啟并復位。

11)傳感器自診斷與恢復功能。通過檢測深度相機的狀態(tài)來判斷深度相機是否出現(xiàn)故障，當狀態(tài)信息顯示故障，處理器自動通過電源控制及管理功能對深度相機進行重啟并復位。

12)遠程同步與交互功能。實現(xiàn)監(jiān)控終端對安全監(jiān)測系統(tǒng)的可視化交互，并實現(xiàn)監(jiān)控終端與作業(yè)現(xiàn)場畫面實時同步。

4 試驗結果

現(xiàn)場實驗以等電位作業(yè)方式進行，作業(yè)點位于最下項絕緣子串旁，主要對防震錘進行定位與緊固，并檢查絕緣子串，帶電作業(yè)人員作業(yè)現(xiàn)場如圖7所示。

圖7 等電位帶電作業(yè)現(xiàn)場

實際帶電作業(yè)遠程監(jiān)控畫面如圖8所示。圖中邊界為安全預警邊界，由于是等電位作業(yè)，系統(tǒng)設置左右兩側的邊界入侵和闖入不進行報警，上下邊界為安全報警線，當作業(yè)人員的身體部位不超過上下邊界時，系統(tǒng)不報警，處于正常工作狀態(tài)。安全邊界的頂部有繩索穿過，系統(tǒng)自動過濾，并不進行報警。

圖8 安全監(jiān)測實時畫面

當帶電作業(yè)人員的身體部位越過或接觸安全線時，系統(tǒng)立刻報警。同時，安裝在塔上的監(jiān)測系統(tǒng)自動進行語音報警和警示光報警，提醒操作人員和觀察人員，帶電作業(yè)人員存在作業(yè)安全風險。

5 結語

1)TOF技術為主動測量，通過發(fā)送經(jīng)過調制的近紅外光線來測距，因而不依賴環(huán)境光線；成像速度快，實時性好，能夠及時對事故做出響應；精度高，8 m范圍內依然能夠保持厘米級別的精度，這些特點為監(jiān)測預警系統(tǒng)的可靠性提供了保障。

2)基于TOF監(jiān)測方法可以適用于不同電位帶電作業(yè)的安全監(jiān)測與預警，通過自由調整監(jiān)測區(qū)域的上下左右邊界，適應不同電位的監(jiān)測需求，比如說，等電位工作時只需要監(jiān)測上下邊界即可。

3)深度圖像可以實時重現(xiàn)工作時的境況，獲得工作環(huán)境范圍內的三維空間坐標信息，足夠的信息為功能的實現(xiàn)和豐富提供了可能性。

4)該監(jiān)測預警系統(tǒng)擁有比較友好的用戶操作界面，不僅有豐富的提示信息，用戶還可以根據(jù)作業(yè)環(huán)境自由調整監(jiān)測區(qū)域的大小和距離，而且通過無線傳輸以及流媒體技術，可以多客戶端操作、修改數(shù)據(jù)，設置可以在多處終端自動同步，為視頻監(jiān)測人員的工作提供極大的方便。