基于激光雷達(dá)的機(jī)房可視化預(yù)警系統(tǒng)研究

陳健 錢(qián)星橋

摘要：變電站機(jī)房目前使用的視頻監(jiān)控裝置缺少自動(dòng)識(shí)別、主動(dòng)監(jiān)測(cè)的功能，導(dǎo)致工作人員在機(jī)房?jī)?nèi)作業(yè)時(shí)誤入屏位誤操作的事件時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。鑒于此，搭建了基于激光雷達(dá)的機(jī)房可視化預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)人員作業(yè)位置的自動(dòng)感知，同時(shí)能實(shí)時(shí)分析移動(dòng)軌跡，對(duì)誤操作快速進(jìn)行預(yù)警，防范機(jī)房設(shè)備安全風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：安全風(fēng)險(xiǎn);激光雷達(dá);機(jī)房可視化;自動(dòng)預(yù)警

中圖分類(lèi)號(hào)：TN958.98;TM63? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）03-0028-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.03.008

0? ? 引言

隨著我國(guó)信息化進(jìn)程的快速推進(jìn)，關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施作為事關(guān)國(guó)家安全和社會(huì)穩(wěn)定的重要戰(zhàn)略資源的地位日益凸顯。為了更好地應(yīng)對(duì)威脅關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)入侵和網(wǎng)絡(luò)攻擊事件，貫徹落實(shí)《中華人民共和國(guó)網(wǎng)絡(luò)安全法》中關(guān)于提升關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施保護(hù)的要求，信息網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施需要建立全面的監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制，實(shí)現(xiàn)“全天候、全方位”感知網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)，變被動(dòng)防護(hù)為主動(dòng)監(jiān)測(cè)與積極防御。

根據(jù)往年變電站的網(wǎng)絡(luò)安全工作，發(fā)現(xiàn)部分機(jī)房?jī)?nèi)作業(yè)人員因工作經(jīng)驗(yàn)不足等原因，不僅未按工作計(jì)劃到相應(yīng)屏位進(jìn)行作業(yè)，還誤入其他機(jī)柜對(duì)在運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行開(kāi)關(guān)、測(cè)試等誤操作，嚴(yán)重影響通信網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定性。

目前變電站視頻監(jiān)控的人機(jī)交互性差，只能被動(dòng)監(jiān)視，缺乏分析處理能力，不具備主動(dòng)告警功能，無(wú)法協(xié)助運(yùn)維人員在第一時(shí)間對(duì)機(jī)房設(shè)備誤操作進(jìn)行響應(yīng)。為此，搭建了一種基于激光雷達(dá)的機(jī)房可視化預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于變電站機(jī)房可視化展示和監(jiān)控，通過(guò)動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的智能化數(shù)據(jù)軌跡分析，對(duì)人員進(jìn)出屏位作業(yè)、機(jī)房環(huán)境變動(dòng)實(shí)現(xiàn)響應(yīng)告警，提高管理人員對(duì)機(jī)房情況的響應(yīng)速度，有利于保障設(shè)備安全，防范網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)房運(yùn)維智能化。

1? ? 基于激光雷達(dá)的機(jī)房可視化預(yù)警系統(tǒng)簡(jiǎn)介及優(yōu)勢(shì)

使用基于激光雷達(dá)的機(jī)房可視化預(yù)警系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)計(jì)劃作業(yè)范圍的掃描測(cè)繪，同時(shí)自動(dòng)識(shí)別人員進(jìn)出作業(yè)、機(jī)房環(huán)境變動(dòng)，通過(guò)高覆蓋率、高精確度、高動(dòng)態(tài)化、高實(shí)時(shí)性的圖像采集和分析處理，生成響應(yīng)告警，高效應(yīng)對(duì)突發(fā)情況，實(shí)現(xiàn)機(jī)房運(yùn)維智能化。

1.1? ? 智能識(shí)別定位

激光雷達(dá)及UWB定位設(shè)備結(jié)合使用，可對(duì)進(jìn)入監(jiān)控范圍的作業(yè)人員進(jìn)行自動(dòng)化識(shí)別及定位，精確度高，可靠性強(qiáng);能自動(dòng)智能核查感知環(huán)境變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)人員在機(jī)房?jī)?nèi)作業(yè)誤入屏位誤操作情況;無(wú)須人工操作，能克服目前人工核查視頻監(jiān)控低效和不完整的問(wèn)題。

1.2? ? 實(shí)時(shí)射線判斷

基于射線算法，對(duì)人員實(shí)時(shí)定位及預(yù)設(shè)電子圍欄等坐標(biāo)信息進(jìn)行快速處理，第一時(shí)間偵測(cè)出人員定位超出計(jì)劃作業(yè)范圍的情況。

1.3? ? 設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基于射線法判斷結(jié)果，結(jié)合激光雷達(dá)所探測(cè)畫(huà)面，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢(shì)可視化展示、風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)管理，當(dāng)實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)值大于閾值時(shí)，通過(guò)多種方式快速告警，以便及時(shí)處理設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)。

2? ? 基于激光雷達(dá)的機(jī)房可視化預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1? ? 體系結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)按其功能可分為Web操作層和設(shè)備讀取層。其中，Web操作層為用戶(hù)交互層，采用B/S架構(gòu)開(kāi)發(fā)，用戶(hù)通過(guò)瀏覽器直接訪問(wèn)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)操作;設(shè)備讀取層為設(shè)備交互層，通過(guò)串口連接UWB定位設(shè)備，并持續(xù)獲取定位信息，判斷位置與圍欄關(guān)系，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理入庫(kù)。

Web操作層前端采用jQuery作為js組件庫(kù)，Bootstrap作為界面庫(kù)進(jìn)行界面和前端邏輯開(kāi)發(fā)，后端采用Python語(yǔ)言和flask庫(kù)進(jìn)行開(kāi)發(fā);設(shè)備讀取層采用Python語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，用pyserial庫(kù)控制物理串口;系統(tǒng)采用MongoDB作為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，驅(qū)動(dòng)高并發(fā)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。

系統(tǒng)總體架構(gòu)如表1所示。

本文設(shè)計(jì)的基于激光雷達(dá)的機(jī)房可視化預(yù)警系統(tǒng)可分為系統(tǒng)接口、功能模塊和操作及管理界面三大部分，架構(gòu)圖如圖1所示。

（1）系統(tǒng)接口：提供基于激光雷達(dá)的機(jī)房可視化預(yù)警系統(tǒng)與網(wǎng)管系統(tǒng)服務(wù)器及工作站系統(tǒng)間接口[1]，傳輸預(yù)警信號(hào)。

（2）功能模塊：包括底圖管理、場(chǎng)景管理、定位數(shù)據(jù)管理、硬件交互管理4個(gè)模塊。

（3）操作及管理界面：通過(guò)操作及管理界面完成4個(gè)功能模塊的信息展示和運(yùn)維操作，實(shí)現(xiàn)檢查終端硬件信息和系統(tǒng)狀態(tài)等功能。

全界面圖管理如圖2所示，主要功能為維護(hù)位置展示的底層背景圖像。該模塊按照實(shí)際的物理環(huán)境繪制或拍攝平面圖，按照一定的比例導(dǎo)入平臺(tái)，平臺(tái)自動(dòng)識(shí)別圖片分辨率、長(zhǎng)度與寬度，計(jì)算實(shí)際大小，并維護(hù)保存和展示。

場(chǎng)景管理如圖3所示，主要功能為將實(shí)際需要建模或巡視的物理場(chǎng)所、基準(zhǔn)點(diǎn)、圍欄坐標(biāo)等進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，建立平臺(tái)可視化場(chǎng)景，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)時(shí)位置展示。

該模塊通過(guò)預(yù)配置的基準(zhǔn)位置、定位標(biāo)簽信息，簡(jiǎn)單拖放的電子圍欄操作，實(shí)時(shí)按真實(shí)坐標(biāo)展示的點(diǎn)位軌跡，電子圍欄清晰可見(jiàn)的區(qū)分和告警展示，為整個(gè)系統(tǒng)提供了完善的交互和統(tǒng)計(jì)功能。

定位數(shù)據(jù)如圖4所示，主要功能為定位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、快速搜索和統(tǒng)計(jì)，包含是否位于圍欄內(nèi)的實(shí)時(shí)判斷結(jié)果。

硬件交互如圖5所示。通過(guò)物理串口訪問(wèn)UWB定位基站設(shè)備[2]，發(fā)送循環(huán)定位獲取指令，實(shí)時(shí)獲取定位信息，并通過(guò)射線算法計(jì)算定位是否位于電子圍欄內(nèi)，將結(jié)果全部存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2? ? 軟件的實(shí)現(xiàn)

技術(shù)架構(gòu)圖如圖6所示。對(duì)進(jìn)入監(jiān)測(cè)范圍的監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行快速識(shí)別定位，自動(dòng)建立監(jiān)測(cè)對(duì)象與系統(tǒng)內(nèi)定位點(diǎn)坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系[3]，并對(duì)超出預(yù)設(shè)電子圍欄范圍的定位發(fā)出預(yù)警。對(duì)監(jiān)測(cè)范圍同時(shí)進(jìn)行可視化管理，對(duì)人員進(jìn)出屏位作業(yè)、機(jī)房環(huán)境變動(dòng)等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤，并動(dòng)態(tài)化計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢(shì)，追蹤風(fēng)險(xiǎn)行為，及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)作。

3? ? 成果展示

本硬件系統(tǒng)共包括4個(gè)模塊：光束操縱模塊、成像模塊、預(yù)警模塊和激光測(cè)距模塊。

根據(jù)設(shè)計(jì)組件進(jìn)行激光雷達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)的組裝：

（1）首先對(duì)雷達(dá)本體進(jìn)行組裝，組裝過(guò)程圖如圖7所示。

（2）將雷達(dá)連接到轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器如圖8所示。

（3）使用以太網(wǎng)電纜將計(jì)算機(jī)和轉(zhuǎn)換器連接到路由器，再將轉(zhuǎn)換器連接到外部電源，完成組裝。激光雷達(dá)整體圖如圖9所示。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于激光雷達(dá)的機(jī)房可視化預(yù)警系統(tǒng)投入使用后，運(yùn)維人員能夠通過(guò)該系統(tǒng)及時(shí)掌握變電站機(jī)房?jī)?nèi)作業(yè)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)情況;同時(shí)，智能化監(jiān)控能力的提升，使運(yùn)維人員的作業(yè)更能滿(mǎn)足機(jī)房監(jiān)控需求，還能避免人力、物力資源的浪費(fèi)，滿(mǎn)足可持續(xù)發(fā)展要求，堵塞作業(yè)漏洞，最終實(shí)現(xiàn)通信設(shè)備安全及網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，防范安全風(fēng)險(xiǎn)。

[參考文獻(xiàn)]

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收稿日期：2021-11-30

作者簡(jiǎn)介：陳健（1986—），男，廣東清遠(yuǎn)人，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：電力通信。

錢(qián)星橋（1998—），男，廣東珠海人，助理工程師，研究方向：電力通信。