基于行為預(yù)測模型的電力設(shè)施警示裝置研究

王弘揚，邵可欣，宋繼偉，劉永軍，丁鵬舉，張運飛

（國網(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、計量箱、分線柜、控制箱等。因為當(dāng)今社會對于電力的需求與日俱增，使得人們在生產(chǎn)生活中與電力設(shè)備的距離越來越近，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有發(fā)生。這不僅危害到了人民群眾的人身財產(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、帶來了惡劣的影響、造成經(jīng)濟損失。如何提高電力設(shè)備周圍環(huán)境的安全，規(guī)范附近人員危險行為成為重要問題。

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

1 方法與設(shè)計

1.1 功能設(shè)計

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

主要功能設(shè)計如下。

可選單太陽能充電，無需額外電源，無電力損耗，避免接線。

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

全自動檢測，實現(xiàn)全天候主動探測和聲光報警。

可定時播報；多種語言設(shè)定，語音可定制或現(xiàn)場錄制。

音量模式可設(shè)定，大音量或靜音模式，拒絕聽不到或擾民。

感應(yīng)距離可設(shè)定（2～8 m）。

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

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

綜合行為預(yù)測預(yù)警安全分級處理功能，可根據(jù)多探頭感應(yīng)信號進行綜合處理，可實現(xiàn)實時監(jiān)測不特定人員對象進入探測警示區(qū)域，根據(jù)人員行為預(yù)測分析進行主動安全分級，并按照安全分級進行主動安全聲光提醒；語音、閃爍警示燈光進行安全警示、聲光安全警報、語音驅(qū)離的不同程度的安全警示。

本地通信控制功能：配備藍牙通信功能，可以連接手機進行數(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，實現(xiàn)安全分級控制、語音更換與刪除、播放模式選擇、語音試聽、定時設(shè)定等功能；具有紅外通信功能，可以連接紅外遙控，對設(shè)備進行操控，可進行聲音調(diào)節(jié)、曲目選擇、警示燈開啟/關(guān)閉。

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

1.2 主要研發(fā)內(nèi)容

研究電力設(shè)備警示裝置的運行環(huán)境和人員靠近安全風(fēng)險特征：收集電力設(shè)備警示裝置的運行環(huán)境數(shù)據(jù)，包括紅外、微波、超聲波環(huán)境特征，人員靠近或遠離環(huán)境參數(shù)變化情況，進行安全風(fēng)險量化模型數(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)計主動式電力設(shè)備聲光安全分級警示裝置：根據(jù)電力設(shè)備警示裝置的運行環(huán)境和預(yù)警人員特征，設(shè)計聲光輸出裝置，根據(jù)不同的安全級別發(fā)出不同的聲音和光線警示信號[1-2]。

開發(fā)行為預(yù)測分析算法：通過對電力設(shè)施周圍環(huán)境變化及人員行為數(shù)據(jù)的分析和建模，開發(fā)行為預(yù)測分析算法，實現(xiàn)對電力設(shè)施周圍環(huán)境變化及人員行為的預(yù)測，進行人員安全風(fēng)險量化預(yù)測，及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全問題。

驗證裝置的安全性能和可靠性：通過實驗和測試評估裝置的安全性能和可靠性，確保裝置能夠準(zhǔn)確預(yù)測附近人員行為并及時發(fā)出警示信號。

1.3 方案設(shè)計

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)計系統(tǒng)邏輯圖、原理圖→元器件選型→元器件和工具儀器采購→樣品制作→組裝成品→現(xiàn)場安裝測試→方案優(yōu)化、改進→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 后臺程序主要功能點

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，對電力設(shè)備周圍環(huán)境及人員行為數(shù)據(jù)進行采集，并通過數(shù)據(jù)分析技術(shù)提取行為特征和安全風(fēng)險。

選用紅外、微波、超聲波三合一探測方式進行外部數(shù)據(jù)采集。

1.4.2 行為預(yù)測分析

基于采集到的數(shù)據(jù)，建立行為模型，開發(fā)行為預(yù)測分析算法，實現(xiàn)對電力設(shè)備周圍環(huán)境及人員行為的預(yù)測，識別潛在的安全問題。

數(shù)據(jù)處理方面采用樹莓派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)測算法分析等負(fù)責(zé)工作。

1.4.3 聲光輸出裝置設(shè)計

根據(jù)行為預(yù)測結(jié)果和安全級別，設(shè)計聲光輸出裝置，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。

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

1.4.4 通信及控制功能

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

2 技術(shù)難點及關(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)信號采集器（紅外、微波、超聲波三合一）、信號處理單元、行為預(yù)測分析安全分級警示單元、語音控制單元、閃光警燈控制單元和電源控制單元組成。

2.2 信號處理

包括輸入信號處理和輸出信號處理2個方面。輸入信號處理主要研究如何對紅外、微波、超聲波感應(yīng)器輸入的信號進行綜合處理，包括電平轉(zhuǎn)換，數(shù)模轉(zhuǎn)換信號增強等。輸出信號處理主要研究如何對語音內(nèi)容進行數(shù)據(jù)管理，包括語音的添加、刪除、更換，以及聲音大小的控制等。警燈開啟、關(guān)閉，紅藍光閃燈頻率及周期控制，報警事件記錄及上傳預(yù)警處理等。

2.3 抗干擾設(shè)計

為了保證裝置在戶外長期運行的穩(wěn)定性，需要進行抗干擾設(shè)計。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造成的誤報警情況。此外，還應(yīng)該增加對移動物體大小判斷及行為運動軌跡綜合分析，以正確識別是否有人員要進入危險警戒范圍，根據(jù)行為預(yù)測分析結(jié)果和主動安全分級要求，以進行分級語音警示和聲光安全警報。

通過對多種環(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，有效避免野外動物、樹木隨風(fēng)擺動等非人員進入危險區(qū)的情況而引起裝置的誤報警，表1所示為單傳感器受干擾情況及抗干擾處理后對比。

表1 單傳感器受干擾情況及抗干擾處理后對比表

2.4 電源管理及低功耗設(shè)計

為了保證設(shè)備的長期穩(wěn)定運行，減輕頻繁充放電對電池的損耗，設(shè)計了電源管理功能，進行重放電管理，一方面有效利用太陽光照強的時間進行有效充電，另一方面防止過沖、過放和頻繁充放電對電池的損耗。同時設(shè)計了低功耗模式，保證設(shè)備在長期無警報事件時可以降低電能損耗，同時在探測到異常時能夠及時有效返回正常模式工作。

2.5 行為預(yù)測分析技術(shù)

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

3 項目創(chuàng)新點和成果

本研究是利用紅外感應(yīng)預(yù)警、微波雷達掃描感應(yīng)人體移動、超聲波感器檢測人體距離綜合行為預(yù)測預(yù)警安全分級處理等技術(shù)原理，研制了一種基于行為預(yù)測分析的主動式電力設(shè)備聲光安全分級警示裝置解決傳統(tǒng)警示方式警示作用也不足，且受環(huán)境天氣影響嚴(yán)重的問題；解決傳統(tǒng)聲光警示裝置沒有對安全警示進行分級處理，對所有危險情形，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時產(chǎn)生疏忽大意的心態(tài)，產(chǎn)生危險，無法達到警示安全效果的問題；可選用單太陽能供電模式，可無需額外電源，無電力損耗，避免接線采用太陽能充電儲能的方式解決傳統(tǒng)聲光警示裝置能源供應(yīng)問題，可全天候24 h長期在線。

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)過現(xiàn)場試驗，在任何天氣情況下、在多角度方向上、在最大的保護范圍內(nèi)，對誤入電力危險區(qū)域的人員進行語音警示，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)濟效益。