郭玉恒，郭錫瑾

（1.二灘水力發(fā)電廠，四川省攀枝花市 617000；2.東南大學(xué)，江蘇省南京市 211189）

0 引言

隨著信息化、工業(yè)化技術(shù)發(fā)展與管理發(fā)展的需要以及堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的需要，電力行業(yè)開啟了智能水電站建設(shè)的新征程。二灘水電站緊跟時(shí)代步伐，正以設(shè)備改造為契機(jī)，啟動(dòng)了智能水電站的建設(shè)規(guī)劃及實(shí)施。本文僅以工業(yè)電視智能化建設(shè)為例，闡述二灘水電站智能化建設(shè)情況。

在堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)探索的道路上，大部分采用機(jī)器人智能元素[1]代替人參與巡檢，并第一時(shí)間將巡檢采集信息傳輸?shù)胶笈_(tái)管理系統(tǒng)存儲(chǔ)及供運(yùn)行人員分析使用。但對(duì)具有樓層多、設(shè)備高低不一、可視化參差不齊、空間有限等特點(diǎn)的水電站來說，機(jī)器人巡檢在水電站的應(yīng)用存在一定的局限性。它僅能在一定程度上代替人的勞動(dòng)，且在水電站復(fù)雜場(chǎng)景下巡檢的可靠性不及人，更重要的是工作具有間斷性，存在時(shí)間死區(qū)，不能實(shí)現(xiàn)全天候?qū)崟r(shí)感知設(shè)備和環(huán)境的變化，更不能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)設(shè)備和環(huán)境發(fā)生的變化，時(shí)效性差。對(duì)電力生產(chǎn)來說，控制事故發(fā)生的有利時(shí)機(jī)是發(fā)生變化時(shí)，第一時(shí)間告知運(yùn)行人員，并得到及時(shí)有效處置，防止時(shí)態(tài)的發(fā)展演變?yōu)槭鹿?。從這個(gè)角度看，機(jī)器人巡檢方案在復(fù)雜的水電站環(huán)境中雖然可用，但可靠性不佳。

隨著紅外熱成像測(cè)溫技術(shù)[2]、監(jiān)控視頻濃縮技術(shù)[3]和智能化視頻分析技術(shù)[4]的發(fā)展，工業(yè)電視已將這些技術(shù)高度集成，形成了功能強(qiáng)大的攝像機(jī)，并充分應(yīng)用到工業(yè)電視領(lǐng)域。它的全天候?qū)崟r(shí)感知功能，更符合水電站運(yùn)行的要求，智能元素+全天候感知特點(diǎn)被二灘水電站智能化建設(shè)選中，并在巡檢板塊得以應(yīng)用。

本文通過對(duì)比通用的機(jī)器人方案和新型的工業(yè)電視智能元素方案的運(yùn)行特點(diǎn)，在二灘水電站智能化建設(shè)的巡檢板塊中，選用工業(yè)電視智能元素輔助運(yùn)行人員巡檢，取得了提高巡檢工作效率和工作質(zhì)量、降低巡檢過程中帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)、實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)全天候感知并實(shí)時(shí)預(yù)警、快速還原事故真相等良好的效果。

1 總體方案

二灘水電站自投運(yùn)以來，已對(duì)工業(yè)電視系統(tǒng)進(jìn)行了兩輪改造，在第一輪改造時(shí)，沿用了傳統(tǒng)理念，僅在監(jiān)視點(diǎn)位上進(jìn)行了增加，功能上仍采用錄像功能，依賴于人工檢查。本輪改造緊跟時(shí)代步伐，經(jīng)過了充分的市場(chǎng)調(diào)研，結(jié)合設(shè)備空間布局、設(shè)備監(jiān)視需要及智能水電站建設(shè)規(guī)劃，除保留傳統(tǒng)的錄像功能外，引進(jìn)了人臉識(shí)別、紅外測(cè)溫等智能化視頻分析元素，大大提高了二灘水電站的智能化程度。

本輪改造前，全廠共有170個(gè)攝像機(jī)，不能涵蓋所有設(shè)備區(qū)域，特別是一些重要的設(shè)備場(chǎng)所無攝像機(jī)監(jiān)視，如發(fā)電機(jī)集電環(huán)室、上風(fēng)洞、下風(fēng)洞等高危險(xiǎn)區(qū)域，完全依賴于人工巡檢中發(fā)現(xiàn)隱患。本次改造，首先保證監(jiān)控的全覆蓋，對(duì)全廠區(qū)域進(jìn)行了普查和梳理，由原來170個(gè)點(diǎn)位增至311個(gè)點(diǎn)位[5]，對(duì)主副廠房、大壩、GIS樓等29個(gè)區(qū)域的主要機(jī)電設(shè)備、防汛設(shè)備、公用系統(tǒng)設(shè)備和重要部位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和錄像，努力實(shí)現(xiàn)無人值守；其次加強(qiáng)管理手段，比如同時(shí)在進(jìn)出地下廠房的安裝間入口和高速電梯入口增設(shè)了人臉識(shí)別人行道閘，對(duì)進(jìn)出地下廠房人員進(jìn)行智能化管理；最后是應(yīng)用智能化自動(dòng)分析及異常預(yù)警方案，對(duì)發(fā)電機(jī)、主變壓器及GIS設(shè)備易發(fā)熱部分采用紅外熱成像攝像機(jī)進(jìn)行全天候監(jiān)視和錄像，充分利用新技術(shù)及智能元素提升工業(yè)電視系統(tǒng)的安防管理水平。系統(tǒng)選用浙江大華的智慧能源監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)。

2 應(yīng)用方式及成效

相比于傳統(tǒng)人工巡檢和通用的機(jī)器人巡檢方案，工業(yè)電視智能元素技術(shù)在水電站管理中優(yōu)勢(shì)明顯。下文將解釋智能化技術(shù)的基本原理和與其他方案的對(duì)比優(yōu)勢(shì)。

2.1 快速還原事故真相，精準(zhǔn)施策

每當(dāng)事故發(fā)生后，在分析事故原因時(shí)，需要收集事故前的大量信息。在傳統(tǒng)方案中，依賴于人工對(duì)視頻錄像的回放檢查，工作量大且容易遺漏?？紤]水電站應(yīng)用中工業(yè)電視監(jiān)控場(chǎng)景多為儀器及設(shè)備，因此錄像內(nèi)容變化不大，容易導(dǎo)致人工回放檢查時(shí)產(chǎn)生視覺疲勞而遺漏關(guān)鍵變化。同時(shí)，機(jī)器人巡檢方案中時(shí)間死區(qū)容易導(dǎo)致關(guān)鍵變化信息遺漏，完全不可用。

采用視頻濃縮技術(shù)，自動(dòng)分析視頻中上下文內(nèi)容變化，通過顏色直方圖、邊緣檢測(cè)和分塊補(bǔ)償?shù)忍卣鞯挠袡C(jī)組合構(gòu)造每幀的特征[6]，從而確定關(guān)鍵幀，丟棄視頻中大量的微小變化幀，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵內(nèi)容的提取、保留和錄像壓縮率的大幅提升。

有了工業(yè)電視全天候的監(jiān)視和錄像，能在事故后提供事故前、事故中的完整圖像，為事故原因分析提供了科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，借助視頻濃縮技術(shù)形成事故前后儀器圖像鮮明對(duì)比，檢查時(shí)一目了然；而且，此時(shí)只需檢查提取的關(guān)鍵幀，大幅減少了需要人工檢查的錄像長(zhǎng)度。2020年1月4日14點(diǎn)50分，二灘水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)“6號(hào)進(jìn)水口閘門下沉24cm報(bào)警，進(jìn)水口2號(hào)泵站閘門啟閉機(jī)故障”等報(bào)警信號(hào)，查詢數(shù)據(jù)信息顯示6號(hào)機(jī)組進(jìn)水口閘門開度由98.5%瞬間降為93.62%，但通過工業(yè)電視視頻濃縮回放報(bào)警前后6號(hào)機(jī)組進(jìn)水口閘門運(yùn)行情況如圖1所示，確認(rèn)閘門并未實(shí)際下滑，報(bào)警原因?yàn)殚_度傳感器數(shù)值突變所致。此時(shí)，只需要幾分鐘即可確定事故原因并解決問題，大幅提升了處置效率。

圖1 二灘水電站6號(hào)機(jī)組進(jìn)水口閘門Figure 1 Intake gate of unit 6 of Ertan Hydropower Station

2.2 確保人身安全，提高工作效率

針對(duì)相對(duì)密閉的空間或風(fēng)險(xiǎn)比較高的區(qū)域增加攝像機(jī)，可以減少運(yùn)行人員每天巡檢頻次，由原來的3次改為1次，其余次數(shù)通過工業(yè)電視巡檢。比如集電環(huán)室、發(fā)電機(jī)上下風(fēng)洞，可以減少人為巡檢過程中出現(xiàn)電氣設(shè)備短路或火災(zāi)給巡檢人員帶來的人身傷害風(fēng)險(xiǎn)。夜間巡檢時(shí)，由于生物鐘因素，人比較疲倦，容易發(fā)生不可預(yù)知的安全事件，在中央控制室，采用工業(yè)電視巡檢，可大大降低巡檢時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)，確保人身安全。從效率上講，現(xiàn)場(chǎng)一次人工巡檢，需要近150min，通過工業(yè)電視巡檢，可在40min內(nèi)完成。

相比于人工巡檢，采用工業(yè)電視巡檢并不會(huì)降低巡檢質(zhì)量，反而實(shí)現(xiàn)了難巡檢區(qū)域的實(shí)時(shí)覆蓋，又能提高工作效率，保障巡檢人員人身安全。相比于機(jī)器人巡檢，工業(yè)電視巡檢優(yōu)勢(shì)在于全覆蓋、全天候監(jiān)視，尤其是水電站下風(fēng)洞、上機(jī)架、集電環(huán)室等各種難以進(jìn)入的關(guān)鍵區(qū)域。

2.3 確保電站人員安全有效管控

在水電站的關(guān)鍵場(chǎng)地，既要保證內(nèi)部人員的安全，又要防范外來人員的干擾。人臉識(shí)別技術(shù)基于當(dāng)前的深度學(xué)習(xí)技術(shù)提取人臉特征，通過比對(duì)特征后相似度判斷是否為同一人[7]，實(shí)現(xiàn)了每個(gè)人身份的確認(rèn)，結(jié)合多個(gè)位置的人臉識(shí)別信息，更是實(shí)現(xiàn)了人員軌跡的跟蹤。同時(shí)，利用時(shí)間、位置信息等，可實(shí)現(xiàn)人員異常行動(dòng)的發(fā)現(xiàn)和預(yù)警。此類智能化視頻分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)的信息提取和管理分析，比人工方式更便捷、更可靠，且信息分析能力絕對(duì)優(yōu)于人工管理。同時(shí)，此類創(chuàng)新是巡檢機(jī)器人無法實(shí)現(xiàn)的。

在進(jìn)出廠房的通道上，安裝人臉識(shí)別，對(duì)進(jìn)出廠房的人員進(jìn)行安全有效管控。實(shí)現(xiàn)廠房人員動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)，記錄進(jìn)出廠房人員進(jìn)出時(shí)間、次數(shù)以及當(dāng)前時(shí)刻廠房?jī)?nèi)剩余人員數(shù)量；實(shí)現(xiàn)超時(shí)未離開廠房報(bào)警，當(dāng)進(jìn)入廠房人員在設(shè)定的時(shí)間（可按小時(shí)整定）內(nèi)未離開廠房，將未離開人員信息（包括照片、姓名、單位、聯(lián)系電話等）通過后臺(tái)送到安裝間和高速電梯洞口的落地立式廣告屏彈出并閃爍報(bào)警顯示，方便安保值班人員與其聯(lián)系；實(shí)現(xiàn)自動(dòng)作廢人員信息功能，當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)中人員長(zhǎng)達(dá)設(shè)定時(shí)間（可按天整定）再未出入過廠房，自動(dòng)將人員信息移入“不確定狀態(tài)”信息庫(kù)，不能正常通行，但個(gè)人信息仍保留數(shù)據(jù)庫(kù)，如需通行，需后臺(tái)重新確認(rèn)。

2.4 實(shí)時(shí)感知，全天候監(jiān)測(cè)

電氣設(shè)備是易發(fā)熱設(shè)備，特別是連接處、過度處，如溫度超過正常允許值，未在第一時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)并控制，局部發(fā)熱就會(huì)逐步演變成事故。然而，人工巡檢和機(jī)器人巡檢均不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)此類問題，而且溫度變化往往難以從視覺上直接發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的工業(yè)電視錄像配合人工檢查也無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。

根據(jù)熱輻射研究，不同溫度的物體發(fā)出的熱輻射波長(zhǎng)不同。紅外熱成像攝像機(jī)正是通過對(duì)物體輻射波長(zhǎng)的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)物體溫度的測(cè)量和監(jiān)控。結(jié)合基于深度學(xué)習(xí)的智能化紅外視頻分析手段[8]，可以實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)所監(jiān)控位置的溫度異常點(diǎn)，提供實(shí)時(shí)預(yù)警及異常位置說明。

因此，本文提出對(duì)電氣設(shè)備易發(fā)熱部位（37個(gè)點(diǎn)位）采用紅外熱成像攝像機(jī)進(jìn)行全天候監(jiān)視和錄像，使用智能化分析技術(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行溫度并顯示監(jiān)視區(qū)域內(nèi)設(shè)備溫度的最高值，如圖2所示，當(dāng)溫度超過對(duì)應(yīng)區(qū)域預(yù)設(shè)報(bào)警值時(shí)，立即將監(jiān)視畫面在控制室的顯示屏上顯示并發(fā)出報(bào)警聲，提示運(yùn)行人員查看并采取措施進(jìn)行處置。

圖2 二灘水電站2號(hào)機(jī)組集電環(huán)室Figure 2 Collector ring chamber of unit 2 of Ertan Hydropower Station

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，工業(yè)電視智能元素在二灘水電站電力生產(chǎn)中已充分發(fā)揮智能作用，快速還原事故真相，提高了運(yùn)行人員的巡檢工作效率和工作質(zhì)量，降低了巡檢過程中帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了全天候感知設(shè)備信息并實(shí)時(shí)預(yù)警，從以往的“人找信息”轉(zhuǎn)變?yōu)椤靶畔⒄胰恕?。同時(shí)，工業(yè)電視+智能元素更是面向未來的平臺(tái)，可以便捷地加入更全面、更準(zhǔn)確地自動(dòng)分析技術(shù)。

然而，本文所述方案尚不完備，在辨別局部放電光譜、區(qū)分正常聲音與異常聲音、辨別氣味等方面還不健全，希望隨著光學(xué)、聲學(xué)、嗅學(xué)等技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)電視的智能元素集成功能日趨完善，在智能水電站建設(shè)的巡檢板塊中全面接管人工巡檢的重任，為實(shí)現(xiàn)水電站的全面智能邁出堅(jiān)實(shí)的步伐。