基于物聯網技術的激光清障設備安全操作管控系統的應用

劉乙霖

（晉能控股山西科技術研究院有限公司同大科技研究院 山西 大同 037003）

1 引言

基于物聯網激光清障裝置智能管控系統是從技術層面和管理層面對遠程診斷技術進行限制性使用的重要手段，其體現的作用主要是為了防止發生意外事故，包括以下事故：人身傷害事故，激光直射人眼或皮膚，造成人身傷害；消防事故，激光直射易燃易爆物，造成物品爆燃起火，導致火災事故；激光清除異物時，異物起火后掉落，引燃線路下方易燃物，引發火災。從診斷到處置，使用嵌入指紋識別技術，全流程的審批授權，專人專用，專人專管，提升檢修工作的安全管。從而實現遠程、非接觸式、可帶電作業的異物清除方法，同時針對激光清障裝置進行出光角度、熱感應阻斷等安全技術管控，提高架空線路異物清除工作效率，降低維護成本，減輕作業人員工作強度和作業風險，確保輸電網絡安全可靠。

2 基于物聯網技術的激光清障設備安全操作管控系統的組成結構

基于物聯網激光清障裝置智能管控平臺是從技術層面對激光清異設備進行限制性使用的重要手段，其體現的作用主要是為了防止發生人身傷害、消防事故[1]。因此根據只有經過有限授權的合法人員可以操作設備等原則，設計的安全管控系統整體系統架構如圖1所示。該系統主要分為權限管控、安全防護、過程管控三個方面。

圖1 安全管控系統架構

權限管理主要通過信息管理系統的手段管理設備的使用權限，保證只有合法的人員才能在合法的授權條件下使用激光清潔器；

安全防護主要從姿態限制、作業人員防護裝備等方面進行安全防護；

過程控制主要關注操作中的過程控制和意外控制，其實現手段主要基于電子、計算機、通信、自動化控制技術。

同時，激光清掃裝置的切割面積小，發熱能量集中，切割異物和數據時，一般不會起火。但是，為了防止火災的可能性，清障結束后，如果清障殘骸沒有被拿走，就會被要求用水澆濕殘骸。另外，設備箱里有投擲式的粉末滅火球，可以用于火災的迅速滅火[2]。

除400 nm至700 nm波長范圍內發射不超過2級激光產品AEL值5倍的3B類激光產品外，屬于4級和3B級的任何激光系統必須安裝一個用鑰匙操作的總開關。[3]

密鑰的所有權和使用權作為權限控制的手段之一，也是安全管理的重要內容。本項目設計了設備啟動密鑰，該密鑰可以在激光不使用時取下，必須通過該密鑰打開激光電源。設備上電時，不能拔出密鑰。同時，該裝置設有急停按鈕。當設備在清洗過程中出現問題或不可控因素時，操作人員可按下急停按鈕停止激光發射。遠程授權和遠程監控兩個模塊一起使用。管理者通過遠程監控數據，對設備狀態、環境狀況、人員等信息做出基本判斷。根據管理者的判斷，決定是否授權使用者。

3 基于物聯網技術的激光清障設備安全操作管控系統的工作原理

由于輸電線路中的異物大多在高空，因此異物清除設備在清除異物時會從地面斜向上發射激光束。因此，將激光出口的高度和方向限制在一定范圍內，在大多數情況下可以避免安全風險。

電網異物激光清洗機的使用安全主要涉及人身安全和消防安全。主要對人的眼睛和皮膚有害。直接接觸人眼會導致視力下降甚至失明，而直接接觸皮膚主要會造成熱燒傷。在電網異物激光清洗機的實際使用中，大部分情況下激光束都是斜向上發射的。正常情況下，人體高度≤2 m。因此，控制激光束在2 m以上，使激光束在工作時始終高于人體頭部可到達的高度，可以保證激光束在大多數情況下處于人體無法到達的位置。考慮到增加一定的余量可以進一步提高安全性，將高度限制設計為2.5 m。

異物激光清障裝置在正常架設的情況下，發射頭旋轉軸距地面的高度為1.35 m，旋轉軸軸心到出光口的距離可變，通過延長出光筒的長度可以保證2.5 m的高度。仰角的角度一般在60°以上，很少低于45°，所以仰角設計為最低45°。

此外，通常用激光去除異物時，無需大幅調節角度。在安全控制系統中，增加了角度傳感器，在申請投光后，取得異物的距離和圖像信息，根據圖像信息計算異物的尺寸，計算頭部應該旋轉的角度范圍并顯示在顯示器上，由此限制角度的旋轉范圍，見圖2。

圖2 角度安全限制區域

安全控制系統收集并上傳設備電量、環境溫度、濕度、設備內部溫度、出光功率、出光角度、作業人員信息、作業時間等基本狀態量，實現基礎狀態信息的遠程監控，便于管理員評價設備狀態的管理。

基于姿勢限制的光束方向限制可以確保大多數情況下的激光使用安全。基于超聲波的探測器主要探測和識別靜態情況下的人和物，并加以注意。為了進一步加強安全控制，在清除異種設備光線的狀態下，如果在附近的光路附近突然侵入人，安全控制系統會發出入侵警報并停止光線。這個功能是使用熱釋電紅外線傳感器實現的見圖3。

圖3 熱釋電紅外探測入侵原理

一般的熱釋電紅外線檢測傳感器只能檢測移動的人體，不能檢測靜止狀態的人體。本文采用了松下的紅外線陣列傳感器GRID-EYE。該傳感器不僅可以檢測動態人體，還可以檢測靜態人體，在出光前和出光過程中可以對前方扇形安全防護區域進行人體檢測。安全防護區域有人獸或突然入侵時，可以啟動安全聯鎖控制，發出警報停止或禁止出光，見圖4。

圖4 基于熱釋電紅外探測的安全防護扇形區域

激光清障器需攜帶至輸電線路現場使用，作業所在地往往都是深山密林，如采用普通的物聯網方式，在公網通訊情況較差或沒有信號的地帶，就無法將設備所在位置傳回管控平臺，同時也無法進行遠程授權。為防止此類情況的發生，本項目研制的激光清障裝置采用北斗衛星芯片進行定位，同時采用NBloT窄帶物聯網技術，實現低功耗高頻次物聯網通訊，能夠在公網信號較差的地區保持通訊，傳回激光清障裝置定位信息。本文激光清障裝置上采用的NB-IoT通訊芯片通過180 kHz的License頻段通訊，具備增強20 dB的高穿透覆蓋，能夠穿透鐵板、水泥板，甚至可在下水管道中使用。功耗低，配備的210 mAh電池可支撐使用近10年。配備NB-IoT芯片的激光清障裝置能夠在各種環境下傳輸回設備的定位信息，同時進行遠程授權等業務，實現激光清障設備的物聯網平臺管控，見圖5。

圖5 NB-lot和北斗模塊接口結構示意圖

NB-IoT模塊通過串口與北斗定位模塊進行數據交換，通過外部中斷接口同激光阻斷模塊通信。當未進行清障任務時，NB-lot模塊處于待機狀態，只根據周邊基站信號接收情況判斷是否發生明顯位移，發生明顯位移啟動北斗定位芯片確認并后臺告警。待機狀態下可使用本身自帶電池維持10年。當收到清障任務信息后，啟動北斗定位模塊，根據任務范圍劃定電子圍欄，任務期間記錄路徑信息及停留時間。北斗定位精度可達亞米級。當定位坐標偏離任務電子圍欄區域后對后臺進行告警。接到后臺反饋位置信號后上傳位置信息。當清障作業開始時，接受到后臺遠程授權后，設置激光阻斷模塊為通路，開始作業。當接受到后臺指令或監測到設備發生位移時，立即中斷激光阻斷模塊，避免因人為誤操作造成事故。

4 應用實例

2019年1月6日在晉能控股煤業集團有限公司110 kV礦區輸電線路坊四線，35 kV四巖線等11條線路進行試點應用，系統主界面見圖6。

圖6 系統主界面

當在線監測系統發現異物搭掛、樹障等異常后發出告警，可以指派人員設備對異常情況進行處置。同時授權給出質人使用激光清障設備的權限。異物清除后生成填寫處置報告，完成整個處置流程。期間可通過地圖查看激光設備所在位置，能夠遠程授權使用激光炮，使用激光設備前指紋識別操作員權限。試點應用期間共處置7次樹障及異物隱患，處置高效安全。相對于人工清障來說，時間效率提升5倍，節約清障費用5.6萬元，避免因事故造成的經濟損失超過68萬元。

5 結論

激光清障器具有一定殺傷力，使用不當會導致人身和財產損失。故本文主要研究激光清障器安全管控技術，并建立集在線監測、異常識別診斷和處置、激光清障派單為一體的物聯網智能管控系統。系統的應用能夠減少停電申請、審核、審批流程，節省大量的人工時間，加強供電安全穩定性。提高異物清除作業安全性，降低勞動強度，避免運檢工作中人員傷亡事故，增強基層人員的安全保障，提高工作人員的工作積極性。