秦玥 黃萌
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多目標(biāo)超聲定位系統(tǒng)在變電運(yùn)維現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中的問(wèn)題及處理
秦玥1黃萌2
(1.國(guó)網(wǎng)北京市電力公司平谷供電公司 北京平谷 101200 2.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司咸陽(yáng)市楊凌供電公司 陜西咸陽(yáng) 712100)
在變電站運(yùn)維過(guò)程中,影響變電站設(shè)備、人身安全的因素有很多,如誤入帶電間隔、安全距離不足等,為了避免這些問(wèn)題,更好的保障運(yùn)維人員人身安全,有必要在變電站建立基于定位系統(tǒng)的安全防護(hù)監(jiān)控平臺(tái)。隨著定位技術(shù)的發(fā)展,通過(guò)應(yīng)用多目標(biāo)超聲定位系統(tǒng)能夠很好的為運(yùn)維人員提供安全防護(hù)。
超聲定位;安全運(yùn)維;TDOA
隨著變電站運(yùn)維一體化模式的推廣應(yīng)用,運(yùn)維班組需要負(fù)責(zé)的變電站數(shù)量不斷增多,在實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)工作中,工作量及人員復(fù)雜程度都得到了提升。這就對(duì)如何在運(yùn)維過(guò)程中更好的保障人身、設(shè)備安全提出了更大的考驗(yàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì),在運(yùn)維過(guò)程中影響人身、設(shè)備的安全因素主要有誤入帶電間隔、安全距離不足、安全工具缺失等。針對(duì)這些問(wèn)題,傳統(tǒng)的五防措施效果不明顯,究其原因,主要是對(duì)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有進(jìn)行有效的安全防護(hù)及監(jiān)控。在下面這篇文章里,我們將對(duì)多目標(biāo)超聲定位系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單了解,并對(duì)其在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決措施進(jìn)行分析。
1.1 定位原理
經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),超聲波的方向性號(hào),且具有很強(qiáng)的穿透性,在不同介質(zhì)(氣、液、固等)中都能夠很好的進(jìn)行傳播,在測(cè)速、測(cè)距等方面都有著很好的作用,在這篇文章里,我們主要是對(duì)其在測(cè)距方面的應(yīng)用進(jìn)行分析。目前應(yīng)用較多的測(cè)距技術(shù)主要有脈沖測(cè)距、連續(xù)波相干測(cè)距和多普勒頻移法三種,其中脈沖測(cè)距法是通過(guò)對(duì)聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)間的精確計(jì)算來(lái)確定傳感器到測(cè)量目標(biāo)間的距離;連續(xù)波相干測(cè)距法是應(yīng)用連續(xù)聲波信號(hào)來(lái)測(cè)量傳播時(shí)間進(jìn)而對(duì)距離進(jìn)行估算的方法;多普勒頻移法則是根據(jù)聲學(xué)原理,即被測(cè)物發(fā)生移動(dòng)時(shí)會(huì)引起多普勒效應(yīng)這一特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)測(cè)距。在這里我們選用脈沖測(cè)距法,這種方法具有技術(shù)簡(jiǎn)單、誤差小等特點(diǎn)。
根據(jù)測(cè)距結(jié)果實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位則依賴于定位算法的選擇,目前應(yīng)用較多的有RSSI、TOA、AOA、TDOA這四種算法,通過(guò)對(duì)四種方法優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較,在此我們選用TDOA(到達(dá)時(shí)間差算法),圖1為TODA定位算法原理圖。
圖1 TDOA定位算法原理圖
通過(guò)對(duì)圖1的分析,其定位算法原理是被測(cè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)出超聲波信號(hào),如果有四個(gè)以上的定位傳感器節(jié)點(diǎn)接收到信號(hào),則計(jì)算機(jī)在同一時(shí)間基準(zhǔn)下,對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)到各個(gè)定位傳感器節(jié)點(diǎn)互相之間的到達(dá)時(shí)間差進(jìn)行計(jì)算,進(jìn)而推算出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與至少三個(gè)參考點(diǎn)間的距離,再利用三邊測(cè)量的原理得到被測(cè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置。應(yīng)用TDOA這一算法,對(duì)于時(shí)間同步的要求不是很高,只是求解的過(guò)程較為復(fù)雜,但是通過(guò)應(yīng)用計(jì)算機(jī)能夠很好的解決這一問(wèn)題。
1.2 多目標(biāo)定位系統(tǒng)
變電運(yùn)維現(xiàn)場(chǎng)的定位系統(tǒng)有著需要對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確區(qū)分的要求,目前應(yīng)用較為廣泛的區(qū)分方法有頻分技術(shù)、時(shí)分技術(shù)及編碼技術(shù)三種。在這里我們以編碼技術(shù)入手,對(duì)多目標(biāo)定位功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析。由于超聲波信號(hào)在傳播過(guò)程中會(huì)因?yàn)樗p、反射等因素出現(xiàn)多徑干擾問(wèn)題,同時(shí)在定位時(shí)需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確區(qū)分,所以我們選用脈沖壓縮技術(shù)來(lái)解決這類問(wèn)題。我們選擇采用偽隨機(jī)碼的直接序列擴(kuò)頻方法來(lái)實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)區(qū)分,在定位時(shí)外界干擾信號(hào)與經(jīng)過(guò)直接序列擴(kuò)頻編碼的信號(hào)具有很低的相關(guān)性,所以能夠很好的實(shí)現(xiàn)區(qū)分,且定位精度得到有效的提高。[1]
1.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
根據(jù)對(duì)定位原理及定位算法的分析,在對(duì)多目標(biāo)超聲定位系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),系統(tǒng)至少需要由三部分組成,分別是智能定位終端(移動(dòng)節(jié)點(diǎn))、無(wú)線定位傳感器節(jié)點(diǎn)(定位節(jié)點(diǎn))及無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸基站(基站),具體的系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖
1.2.2 工作原理
通過(guò)對(duì)圖2的分析,我們能夠?qū)ο到y(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)有一個(gè)簡(jiǎn)單的了解。其實(shí)現(xiàn)過(guò)程為:
(1)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)出經(jīng)過(guò)偽隨機(jī)編碼的超聲波信號(hào);
(2)定位節(jié)點(diǎn)接收到超聲波信號(hào),若接收到信號(hào)數(shù)量超過(guò)四個(gè),則通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)同一時(shí)間基準(zhǔn)下信號(hào)到達(dá)各個(gè)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間差進(jìn)行計(jì)算,進(jìn)而推算出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到各定位節(jié)點(diǎn)的直線距離;
(3)利用三邊測(cè)量法原理,就可得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在電氣室內(nèi)的實(shí)際位置坐標(biāo)。
為了對(duì)多個(gè)定位目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確區(qū)分,需要對(duì)各個(gè)不同目標(biāo)分配不同的、彼此相關(guān)性好的偽隨機(jī)碼。各個(gè)定位傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)這些偽隨機(jī)碼就能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同目標(biāo)的區(qū)分。具體的實(shí)現(xiàn)原理如圖3所示。[2]
超聲波定位設(shè)備在室內(nèi)定位應(yīng)用過(guò)程中,由于所處環(huán)境的特殊情況會(huì)遇到很多問(wèn)題,諸如定位誤差、電磁干擾、環(huán)境干擾等。而要想保證定位系統(tǒng)的定位精確度,就需要妥善的解決這些問(wèn)題。
2.1 定位誤差
通過(guò)將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)安裝在安全帽進(jìn)行實(shí)際檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)處于定位節(jié)點(diǎn)范圍的中心位置時(shí),定位精度最高,但是當(dāng)處于定位節(jié)點(diǎn)范圍邊緣時(shí),定位誤差較大,誤差能達(dá)到1m,這對(duì)安全距離及帶電間隔的防護(hù)將會(huì)造成巨大影響。
為了降低定位誤差,可采取對(duì)定位算法的升級(jí)改進(jìn),或是增加定位節(jié)點(diǎn)數(shù)量并進(jìn)行合理位置設(shè)置等措施。
圖3 定位實(shí)現(xiàn)原理圖
2.2 電磁干擾
在變電站各電氣室內(nèi),由于高、低壓電氣設(shè)備的運(yùn)行,室內(nèi)環(huán)境電磁輻射非常嚴(yán)重,定位系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,會(huì)受到工頻電磁場(chǎng)、射頻電磁場(chǎng)及阻尼振蕩磁場(chǎng)的干擾,定位精度無(wú)法得到保障。
通過(guò)對(duì)干擾環(huán)境三要素的分析,干擾源的消除基本不可能,所以消除干擾要從干擾路徑及被干擾設(shè)備抗干擾能力兩方面入手。如可通過(guò)采取對(duì)硬件電路進(jìn)行合理設(shè)計(jì)、對(duì)印刷電路板進(jìn)行合理排布及進(jìn)行良好的接地屏蔽等措施。[3]
多目標(biāo)超聲定位系統(tǒng)在變電運(yùn)維現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用,對(duì)于提高運(yùn)維工作管理安全水平有著積極的意義。在上面文章里,我們只是簡(jiǎn)單的對(duì)其定位原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了了解,并對(duì)實(shí)際應(yīng)用中影響定位精確度的因素及解決措施進(jìn)行了分析。要想在運(yùn)維工作各個(gè)方面得到更好的應(yīng)用,最重要的是不斷加強(qiáng)對(duì)其定位算法的改進(jìn)升級(jí)。
[1]吳駿.變電運(yùn)維現(xiàn)場(chǎng)的TDOA定位系統(tǒng)研究[J].電力與能源,2015(06):779~781
[2]胡帆.變電運(yùn)維現(xiàn)場(chǎng)多目標(biāo)超聲定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[C].杭州電子科技大學(xué),2015:18~22.
[3]黃薛凌.變電運(yùn)維現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全防護(hù)及監(jiān)控技術(shù)研究與應(yīng)用[C].華北電力大學(xué),2015:67~76.
TM73
A
1004-7344(2016)29-0056-02
2016-10-5
秦玥(1987-),男,助理工程師,大學(xué)本科,從事變電運(yùn)維工作。黃萌(1988-),女,助理工程師,大學(xué)本科,從事人力資源工作。