劉乙霖

（晉能控股山西科技術(shù)研究院有限公司同大科技研究院 山西 大同 037003）

1 引言

基于物聯(lián)網(wǎng)激光清障裝置智能管控系統(tǒng)是從技術(shù)層面和管理層面對(duì)遠(yuǎn)程診斷技術(shù)進(jìn)行限制性使用的重要手段，其體現(xiàn)的作用主要是為了防止發(fā)生意外事故，包括以下事故：人身傷害事故，激光直射人眼或皮膚，造成人身傷害；消防事故，激光直射易燃易爆物，造成物品爆燃起火，導(dǎo)致火災(zāi)事故；激光清除異物時(shí)，異物起火后掉落，引燃線路下方易燃物，引發(fā)火災(zāi)。從診斷到處置，使用嵌入指紋識(shí)別技術(shù)，全流程的審批授權(quán)，專人專用，專人專管，提升檢修工作的安全管。從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、非接觸式、可帶電作業(yè)的異物清除方法，同時(shí)針對(duì)激光清障裝置進(jìn)行出光角度、熱感應(yīng)阻斷等安全技術(shù)管控，提高架空線路異物清除工作效率，降低維護(hù)成本，減輕作業(yè)人員工作強(qiáng)度和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，確保輸電網(wǎng)絡(luò)安全可靠。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的激光清障設(shè)備安全操作管控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)激光清障裝置智能管控平臺(tái)是從技術(shù)層面對(duì)激光清異設(shè)備進(jìn)行限制性使用的重要手段，其體現(xiàn)的作用主要是為了防止發(fā)生人身傷害、消防事故[1]。因此根據(jù)只有經(jīng)過(guò)有限授權(quán)的合法人員可以操作設(shè)備等原則，設(shè)計(jì)的安全管控系統(tǒng)整體系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要分為權(quán)限管控、安全防護(hù)、過(guò)程管控三個(gè)方面。

圖1 安全管控系統(tǒng)架構(gòu)

權(quán)限管理主要通過(guò)信息管理系統(tǒng)的手段管理設(shè)備的使用權(quán)限，保證只有合法的人員才能在合法的授權(quán)條件下使用激光清潔器；

安全防護(hù)主要從姿態(tài)限制、作業(yè)人員防護(hù)裝備等方面進(jìn)行安全防護(hù)；

過(guò)程控制主要關(guān)注操作中的過(guò)程控制和意外控制，其實(shí)現(xiàn)手段主要基于電子、計(jì)算機(jī)、通信、自動(dòng)化控制技術(shù)。

同時(shí)，激光清掃裝置的切割面積小，發(fā)熱能量集中，切割異物和數(shù)據(jù)時(shí)，一般不會(huì)起火。但是，為了防止火災(zāi)的可能性，清障結(jié)束后，如果清障殘骸沒(méi)有被拿走，就會(huì)被要求用水澆濕殘骸。另外，設(shè)備箱里有投擲式的粉末滅火球，可以用于火災(zāi)的迅速滅火[2]。

除400 nm至700 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā)射不超過(guò)2級(jí)激光產(chǎn)品AEL值5倍的3B類激光產(chǎn)品外，屬于4級(jí)和3B級(jí)的任何激光系統(tǒng)必須安裝一個(gè)用鑰匙操作的總開(kāi)關(guān)。[3]

密鑰的所有權(quán)和使用權(quán)作為權(quán)限控制的手段之一，也是安全管理的重要內(nèi)容。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了設(shè)備啟動(dòng)密鑰，該密鑰可以在激光不使用時(shí)取下，必須通過(guò)該密鑰打開(kāi)激光電源。設(shè)備上電時(shí)，不能拔出密鑰。同時(shí)，該裝置設(shè)有急停按鈕。當(dāng)設(shè)備在清洗過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題或不可控因素時(shí)，操作人員可按下急停按鈕停止激光發(fā)射。遠(yuǎn)程授權(quán)和遠(yuǎn)程監(jiān)控兩個(gè)模塊一起使用。管理者通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，對(duì)設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境狀況、人員等信息做出基本判斷。根據(jù)管理者的判斷，決定是否授權(quán)使用者。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的激光清障設(shè)備安全操作管控系統(tǒng)的工作原理

由于輸電線路中的異物大多在高空，因此異物清除設(shè)備在清除異物時(shí)會(huì)從地面斜向上發(fā)射激光束。因此，將激光出口的高度和方向限制在一定范圍內(nèi)，在大多數(shù)情況下可以避免安全風(fēng)險(xiǎn)。

電網(wǎng)異物激光清洗機(jī)的使用安全主要涉及人身安全和消防安全。主要對(duì)人的眼睛和皮膚有害。直接接觸人眼會(huì)導(dǎo)致視力下降甚至失明，而直接接觸皮膚主要會(huì)造成熱燒傷。在電網(wǎng)異物激光清洗機(jī)的實(shí)際使用中，大部分情況下激光束都是斜向上發(fā)射的。正常情況下，人體高度≤2 m。因此，控制激光束在2 m以上，使激光束在工作時(shí)始終高于人體頭部可到達(dá)的高度，可以保證激光束在大多數(shù)情況下處于人體無(wú)法到達(dá)的位置?？紤]到增加一定的余量可以進(jìn)一步提高安全性，將高度限制設(shè)計(jì)為2.5 m。

異物激光清障裝置在正常架設(shè)的情況下，發(fā)射頭旋轉(zhuǎn)軸距地面的高度為1.35 m，旋轉(zhuǎn)軸軸心到出光口的距離可變，通過(guò)延長(zhǎng)出光筒的長(zhǎng)度可以保證2.5 m的高度。仰角的角度一般在60°以上，很少低于45°，所以仰角設(shè)計(jì)為最低45°。

此外，通常用激光去除異物時(shí)，無(wú)需大幅調(diào)節(jié)角度。在安全控制系統(tǒng)中，增加了角度傳感器，在申請(qǐng)投光后，取得異物的距離和圖像信息，根據(jù)圖像信息計(jì)算異物的尺寸，計(jì)算頭部應(yīng)該旋轉(zhuǎn)的角度范圍并顯示在顯示器上，由此限制角度的旋轉(zhuǎn)范圍，見(jiàn)圖2。

圖2 角度安全限制區(qū)域

安全控制系統(tǒng)收集并上傳設(shè)備電量、環(huán)境溫度、濕度、設(shè)備內(nèi)部溫度、出光功率、出光角度、作業(yè)人員信息、作業(yè)時(shí)間等基本狀態(tài)量，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)狀態(tài)信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控，便于管理員評(píng)價(jià)設(shè)備狀態(tài)的管理。

基于姿勢(shì)限制的光束方向限制可以確保大多數(shù)情況下的激光使用安全?；诔暡ǖ奶綔y(cè)器主要探測(cè)和識(shí)別靜態(tài)情況下的人和物，并加以注意。為了進(jìn)一步加強(qiáng)安全控制，在清除異種設(shè)備光線的狀態(tài)下，如果在附近的光路附近突然侵入人，安全控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)出入侵警報(bào)并停止光線。這個(gè)功能是使用熱釋電紅外線傳感器實(shí)現(xiàn)的見(jiàn)圖3。

圖3 熱釋電紅外探測(cè)入侵原理

一般的熱釋電紅外線檢測(cè)傳感器只能檢測(cè)移動(dòng)的人體，不能檢測(cè)靜止?fàn)顟B(tài)的人體。本文采用了松下的紅外線陣列傳感器GRID-EYE。該傳感器不僅可以檢測(cè)動(dòng)態(tài)人體，還可以檢測(cè)靜態(tài)人體，在出光前和出光過(guò)程中可以對(duì)前方扇形安全防護(hù)區(qū)域進(jìn)行人體檢測(cè)。安全防護(hù)區(qū)域有人獸或突然入侵時(shí)，可以啟動(dòng)安全聯(lián)鎖控制，發(fā)出警報(bào)停止或禁止出光，見(jiàn)圖4。

圖4 基于熱釋電紅外探測(cè)的安全防護(hù)扇形區(qū)域

激光清障器需攜帶至輸電線路現(xiàn)場(chǎng)使用，作業(yè)所在地往往都是深山密林，如采用普通的物聯(lián)網(wǎng)方式，在公網(wǎng)通訊情況較差或沒(méi)有信號(hào)的地帶，就無(wú)法將設(shè)備所在位置傳回管控平臺(tái)，同時(shí)也無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)程授權(quán)。為防止此類情況的發(fā)生，本項(xiàng)目研制的激光清障裝置采用北斗衛(wèi)星芯片進(jìn)行定位，同時(shí)采用NBloT窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低功耗高頻次物聯(lián)網(wǎng)通訊，能夠在公網(wǎng)信號(hào)較差的地區(qū)保持通訊，傳回激光清障裝置定位信息。本文激光清障裝置上采用的NB-IoT通訊芯片通過(guò)180 kHz的License頻段通訊，具備增強(qiáng)20 dB的高穿透覆蓋，能夠穿透鐵板、水泥板，甚至可在下水管道中使用。功耗低，配備的210 mAh電池可支撐使用近10年。配備NB-IoT芯片的激光清障裝置能夠在各種環(huán)境下傳輸回設(shè)備的定位信息，同時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程授權(quán)等業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)激光清障設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)管控，見(jiàn)圖5。

圖5 NB-lot和北斗模塊接口結(jié)構(gòu)示意圖

NB-IoT模塊通過(guò)串口與北斗定位模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過(guò)外部中斷接口同激光阻斷模塊通信。當(dāng)未進(jìn)行清障任務(wù)時(shí)，NB-lot模塊處于待機(jī)狀態(tài)，只根據(jù)周邊基站信號(hào)接收情況判斷是否發(fā)生明顯位移，發(fā)生明顯位移啟動(dòng)北斗定位芯片確認(rèn)并后臺(tái)告警。待機(jī)狀態(tài)下可使用本身自帶電池維持10年。當(dāng)收到清障任務(wù)信息后，啟動(dòng)北斗定位模塊，根據(jù)任務(wù)范圍劃定電子圍欄，任務(wù)期間記錄路徑信息及停留時(shí)間。北斗定位精度可達(dá)亞米級(jí)。當(dāng)定位坐標(biāo)偏離任務(wù)電子圍欄區(qū)域后對(duì)后臺(tái)進(jìn)行告警。接到后臺(tái)反饋位置信號(hào)后上傳位置信息。當(dāng)清障作業(yè)開(kāi)始時(shí)，接受到后臺(tái)遠(yuǎn)程授權(quán)后，設(shè)置激光阻斷模塊為通路，開(kāi)始作業(yè)。當(dāng)接受到后臺(tái)指令或監(jiān)測(cè)到設(shè)備發(fā)生位移時(shí)，立即中斷激光阻斷模塊，避免因人為誤操作造成事故。

4 應(yīng)用實(shí)例

2019年1月6日在晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司110 kV礦區(qū)輸電線路坊四線，35 kV四巖線等11條線路進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用，系統(tǒng)主界面見(jiàn)圖6。

圖6 系統(tǒng)主界面

當(dāng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)異物搭掛、樹(shù)障等異常后發(fā)出告警，可以指派人員設(shè)備對(duì)異常情況進(jìn)行處置。同時(shí)授權(quán)給出質(zhì)人使用激光清障設(shè)備的權(quán)限。異物清除后生成填寫(xiě)處置報(bào)告，完成整個(gè)處置流程。期間可通過(guò)地圖查看激光設(shè)備所在位置，能夠遠(yuǎn)程授權(quán)使用激光炮，使用激光設(shè)備前指紋識(shí)別操作員權(quán)限。試點(diǎn)應(yīng)用期間共處置7次樹(shù)障及異物隱患，處置高效安全。相對(duì)于人工清障來(lái)說(shuō)，時(shí)間效率提升5倍，節(jié)約清障費(fèi)用5.6萬(wàn)元，避免因事故造成的經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)68萬(wàn)元。

5 結(jié)論

激光清障器具有一定殺傷力，使用不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致人身和財(cái)產(chǎn)損失。故本文主要研究激光清障器安全管控技術(shù)，并建立集在線監(jiān)測(cè)、異常識(shí)別診斷和處置、激光清障派單為一體的物聯(lián)網(wǎng)智能管控系統(tǒng)。系統(tǒng)的應(yīng)用能夠減少停電申請(qǐng)、審核、審批流程，節(jié)省大量的人工時(shí)間，加強(qiáng)供電安全穩(wěn)定性。提高異物清除作業(yè)安全性，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，避免運(yùn)檢工作中人員傷亡事故，增強(qiáng)基層人員的安全保障，提高工作人員的工作積極性。