基于行為預(yù)測(cè)模型的電力設(shè)施警示裝置研究

王弘揚(yáng)，邵可欣，宋繼偉，劉永軍，丁鵬舉，張運(yùn)飛

（國(guó)網(wǎng)河南省電力公司鄧州市供電公司，河南 鄧州 474150）

在城市、鄉(xiāng)村居民生活環(huán)境中存在諸多電力設(shè)施，如高壓桿塔、變壓器、計(jì)量箱、分線柜、控制箱等。因?yàn)楫?dāng)今社會(huì)對(duì)于電力的需求與日俱增，使得人們?cè)谏a(chǎn)生活中與電力設(shè)備的距離越來(lái)越近，由于疏忽大意導(dǎo)致發(fā)生觸電事故導(dǎo)致傷殘、死亡的惡性事故也時(shí)有發(fā)生。這不僅危害到了人民群眾的人身財(cái)產(chǎn)安全，影響到區(qū)域的正常供用電，也損害了電力公司的形象、帶來(lái)了惡劣的影響、造成經(jīng)濟(jì)損失。如何提高電力設(shè)備周?chē)h(huán)境的安全，規(guī)范附近人員危險(xiǎn)行為成為重要問(wèn)題。

鑒于當(dāng)前所面對(duì)的情況，文章對(duì)現(xiàn)有安全警示裝置進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，變被動(dòng)式警示為主動(dòng)式警示的設(shè)計(jì)思路，利用紅外感應(yīng)環(huán)境變化、微波雷達(dá)掃描感應(yīng)人體移動(dòng)、超聲波感器檢測(cè)人體距離綜合數(shù)據(jù)對(duì)附近人員進(jìn)行行為預(yù)測(cè)，對(duì)附近人員進(jìn)入電力設(shè)施觸電危險(xiǎn)區(qū)域的行為進(jìn)行分級(jí)聲光預(yù)警，提醒人們遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域。用以解決目前市面上電力設(shè)施警示裝置的薄弱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)更好的警示效果，降低相關(guān)電力區(qū)域的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1 方法與設(shè)計(jì)

1.1 功能設(shè)計(jì)

研制了一種基于行為預(yù)測(cè)分析的主動(dòng)式電力設(shè)備聲光安全分級(jí)警示裝置。主要組件包括紅外、微波、超聲波三合一探測(cè)設(shè)備主機(jī)、內(nèi)置大容量鋰電池、太陽(yáng)能光伏充電板、外置擴(kuò)音喇叭、外置閃光器。

主要功能設(shè)計(jì)如下。

可選單太陽(yáng)能充電，無(wú)需額外電源，無(wú)電力損耗，避免接線。

大容量鋰電池，低功耗設(shè)計(jì)，保證連續(xù)陰雨天可持續(xù)工作。

全自動(dòng)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)全天候主動(dòng)探測(cè)和聲光報(bào)警。

可定時(shí)播報(bào)；多種語(yǔ)言設(shè)定，語(yǔ)音可定制或現(xiàn)場(chǎng)錄制。

音量模式可設(shè)定，大音量或靜音模式，拒絕聽(tīng)不到或擾民。

感應(yīng)距離可設(shè)定（2～8 m）。

具有紅藍(lán)警燈警示功能，可以設(shè)置開(kāi)啟和關(guān)閉全時(shí)段警燈模式，白天關(guān)閉模式。

多探頭設(shè)計(jì)，包括紅外感應(yīng)預(yù)警、微波雷達(dá)掃描感應(yīng)人體移動(dòng)、超聲波感器檢測(cè)人體距離，具有高靈敏度。預(yù)留擴(kuò)展感應(yīng)探頭數(shù)量可配置增加。170°大廣角設(shè)計(jì)，拒絕盲區(qū)。

綜合行為預(yù)測(cè)預(yù)警安全分級(jí)處理功能，可根據(jù)多探頭感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行綜合處理，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不特定人員對(duì)象進(jìn)入探測(cè)警示區(qū)域，根據(jù)人員行為預(yù)測(cè)分析進(jìn)行主動(dòng)安全分級(jí)，并按照安全分級(jí)進(jìn)行主動(dòng)安全聲光提醒；語(yǔ)音、閃爍警示燈光進(jìn)行安全警示、聲光安全警報(bào)、語(yǔ)音驅(qū)離的不同程度的安全警示。

本地通信控制功能：配備藍(lán)牙通信功能，可以連接手機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、參數(shù)設(shè)置，可使用小程序連接設(shè)備，設(shè)置單曲、全部播放，實(shí)現(xiàn)安全分級(jí)控制、語(yǔ)音更換與刪除、播放模式選擇、語(yǔ)音試聽(tīng)、定時(shí)設(shè)定等功能；具有紅外通信功能，可以連接紅外遙控，對(duì)設(shè)備進(jìn)行操控，可進(jìn)行聲音調(diào)節(jié)、曲目選擇、警示燈開(kāi)啟/關(guān)閉。

遠(yuǎn)程通信控制功能：具有物聯(lián)網(wǎng)通信或NBIoT（可選）上網(wǎng)功能，可以連接遠(yuǎn)程控制端進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，工作報(bào)警日志上傳，異常報(bào)警推送，工況獲取等功能。

1.2 主要研發(fā)內(nèi)容

研究電力設(shè)備警示裝置的運(yùn)行環(huán)境和人員靠近安全風(fēng)險(xiǎn)特征：收集電力設(shè)備警示裝置的運(yùn)行環(huán)境數(shù)據(jù)，包括紅外、微波、超聲波環(huán)境特征，人員靠近或遠(yuǎn)離環(huán)境參數(shù)變化情況，進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)量化模型數(shù)據(jù)采集構(gòu)建，分析電力設(shè)備警示裝置的工作環(huán)境和預(yù)警目標(biāo)特征。

設(shè)計(jì)主動(dòng)式電力設(shè)備聲光安全分級(jí)警示裝置：根據(jù)電力設(shè)備警示裝置的運(yùn)行環(huán)境和預(yù)警人員特征，設(shè)計(jì)聲光輸出裝置，根據(jù)不同的安全級(jí)別發(fā)出不同的聲音和光線警示信號(hào)[1-2]。

開(kāi)發(fā)行為預(yù)測(cè)分析算法：通過(guò)對(duì)電力設(shè)施周?chē)h(huán)境變化及人員行為數(shù)據(jù)的分析和建模，開(kāi)發(fā)行為預(yù)測(cè)分析算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)施周?chē)h(huán)境變化及人員行為的預(yù)測(cè)，進(jìn)行人員安全風(fēng)險(xiǎn)量化預(yù)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全問(wèn)題。

驗(yàn)證裝置的安全性能和可靠性：通過(guò)實(shí)驗(yàn)和測(cè)試評(píng)估裝置的安全性能和可靠性，確保裝置能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)附近人員行為并及時(shí)發(fā)出警示信號(hào)。

1.3 方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)原理框架圖如圖1所示。工作流程圖如圖2所示。硬件部分研發(fā)流程：分析原理需求方案→設(shè)計(jì)系統(tǒng)邏輯圖、原理圖→元器件選型→元器件和工具儀器采購(gòu)→樣品制作→組裝成品→現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)試→方案優(yōu)化、改進(jìn)→最終產(chǎn)品確定。

圖1 系統(tǒng)原理框架圖

圖2 工作流程圖

1.4 后臺(tái)程序主要功能點(diǎn)

1.4.1 數(shù)據(jù)采集和分析

選擇合適的傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，對(duì)電力設(shè)備周?chē)h(huán)境及人員行為數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析技術(shù)提取行為特征和安全風(fēng)險(xiǎn)。

選用紅外、微波、超聲波三合一探測(cè)方式進(jìn)行外部數(shù)據(jù)采集。

1.4.2 行為預(yù)測(cè)分析

基于采集到的數(shù)據(jù)，建立行為模型，開(kāi)發(fā)行為預(yù)測(cè)分析算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備周?chē)h(huán)境及人員行為的預(yù)測(cè)，識(shí)別潛在的安全問(wèn)題。

數(shù)據(jù)處理方面采用樹(shù)莓派4B作為處理主控，其的核心為Broadcom BCM2711，集成了4核的ARM Cortex-A72 處理器，主頻為1.5 GHz，能夠適應(yīng)負(fù)責(zé)的數(shù)據(jù)處理、行為模型構(gòu)建，行為預(yù)測(cè)算法分析等負(fù)責(zé)工作。

1.4.3 聲光輸出裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)行為預(yù)測(cè)結(jié)果和安全級(jí)別，設(shè)計(jì)聲光輸出裝置，包括聲音和光線的輸出裝置，能夠發(fā)出不同的聲音和光線警示信號(hào)。

主控控制分級(jí)聲音的選擇播放，并通過(guò)外部電路控制報(bào)警指示燈的亮度和閃爍頻率。語(yǔ)音、閃爍警示燈光進(jìn)行安全警示；聲光安全警報(bào)、語(yǔ)音驅(qū)離的不同程度的安全警示[3-4]。

1.4.4 通信及控制功能

實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定，工作報(bào)警日志上傳，異常報(bào)警推送，工況獲取等功能。

2 技術(shù)難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 整體設(shè)備方案

基于功能需求本設(shè)備主要由感應(yīng)信號(hào)采集器（紅外、微波、超聲波三合一）、信號(hào)處理單元、行為預(yù)測(cè)分析安全分級(jí)警示單元、語(yǔ)音控制單元、閃光警燈控制單元和電源控制單元組成。

2.2 信號(hào)處理

包括輸入信號(hào)處理和輸出信號(hào)處理2個(gè)方面。輸入信號(hào)處理主要研究如何對(duì)紅外、微波、超聲波感應(yīng)器輸入的信號(hào)進(jìn)行綜合處理，包括電平轉(zhuǎn)換，數(shù)模轉(zhuǎn)換信號(hào)增強(qiáng)等。輸出信號(hào)處理主要研究如何對(duì)語(yǔ)音內(nèi)容進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，包括語(yǔ)音的添加、刪除、更換，以及聲音大小的控制等。警燈開(kāi)啟、關(guān)閉，紅藍(lán)光閃燈頻率及周期控制，報(bào)警事件記錄及上傳預(yù)警處理等。

2.3 抗干擾設(shè)計(jì)

為了保證裝置在戶(hù)外長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性，需要進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)。在硬件方面，應(yīng)設(shè)置防干擾電路，減傷電磁干擾及傳感器之間的相互影響；在軟件方面，應(yīng)設(shè)置干擾排除程序，以避免因環(huán)境變化如風(fēng)、雨、光線變化影響，或非人體其他物體移動(dòng)造成的誤報(bào)警情況。此外，還應(yīng)該增加對(duì)移動(dòng)物體大小判斷及行為運(yùn)動(dòng)軌跡綜合分析，以正確識(shí)別是否有人員要進(jìn)入危險(xiǎn)警戒范圍，根據(jù)行為預(yù)測(cè)分析結(jié)果和主動(dòng)安全分級(jí)要求，以進(jìn)行分級(jí)語(yǔ)音警示和聲光安全警報(bào)。

通過(guò)對(duì)多種環(huán)境傳感器采集數(shù)據(jù)的分析處理，可以有效地排除干擾，有效避免野外動(dòng)物、樹(shù)木隨風(fēng)擺動(dòng)等非人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)的情況而引起裝置的誤報(bào)警，表1所示為單傳感器受干擾情況及抗干擾處理后對(duì)比。

表1 單傳感器受干擾情況及抗干擾處理后對(duì)比表

2.4 電源管理及低功耗設(shè)計(jì)

為了保證設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，減輕頻繁充放電對(duì)電池的損耗，設(shè)計(jì)了電源管理功能，進(jìn)行重放電管理，一方面有效利用太陽(yáng)光照強(qiáng)的時(shí)間進(jìn)行有效充電，另一方面防止過(guò)沖、過(guò)放和頻繁充放電對(duì)電池的損耗。同時(shí)設(shè)計(jì)了低功耗模式，保證設(shè)備在長(zhǎng)期無(wú)警報(bào)事件時(shí)可以降低電能損耗，同時(shí)在探測(cè)到異常時(shí)能夠及時(shí)有效返回正常模式工作。

2.5 行為預(yù)測(cè)分析技術(shù)

包括行為模型的建立、機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘算法的開(kāi)發(fā)等。

3 項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)和成果

本研究是利用紅外感應(yīng)預(yù)警、微波雷達(dá)掃描感應(yīng)人體移動(dòng)、超聲波感器檢測(cè)人體距離綜合行為預(yù)測(cè)預(yù)警安全分級(jí)處理等技術(shù)原理，研制了一種基于行為預(yù)測(cè)分析的主動(dòng)式電力設(shè)備聲光安全分級(jí)警示裝置解決傳統(tǒng)警示方式警示作用也不足，且受環(huán)境天氣影響嚴(yán)重的問(wèn)題；解決傳統(tǒng)聲光警示裝置沒(méi)有對(duì)安全警示進(jìn)行分級(jí)處理，對(duì)所有危險(xiǎn)情形，采用重復(fù)相同的警示方式，極容易使附近人員因習(xí)以為常在真正面臨危險(xiǎn)時(shí)產(chǎn)生疏忽大意的心態(tài)，產(chǎn)生危險(xiǎn)，無(wú)法達(dá)到警示安全效果的問(wèn)題；可選用單太陽(yáng)能供電模式，可無(wú)需額外電源，無(wú)電力損耗，避免接線采用太陽(yáng)能充電儲(chǔ)能的方式解決傳統(tǒng)聲光警示裝置能源供應(yīng)問(wèn)題，可全天候24 h長(zhǎng)期在線。

本研究成果在使用范圍上較傳統(tǒng)警示方式有很大提高，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在任何天氣情況下、在多角度方向上、在最大的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)誤入電力危險(xiǎn)區(qū)域的人員進(jìn)行語(yǔ)音警示，有效保障了人員生命安全、保障了電力設(shè)施的安全運(yùn)行、減少了設(shè)備和人員事故造成的直接和間接損失，具有直接的經(jīng)濟(jì)效益。