陳明明

(晉能控股山西科學(xué)技術(shù)研究院（晉城）技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006)

煤礦變電站無(wú)人值守即在符合用電安全標(biāo)準(zhǔn)、穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，采用傳感器技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)對(duì)變電站監(jiān)控運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，逐步實(shí)現(xiàn)變電站少人、無(wú)人、智能化值守[1]。視頻、圖像監(jiān)控技術(shù)國(guó)外發(fā)展較早，美國(guó)早在1996年就對(duì)民用以及戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的自動(dòng)視頻監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行研究，人臉識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用更加提高了視頻監(jiān)控效果；美國(guó)IBM研發(fā)的高端視頻架空軟件還可實(shí)現(xiàn)對(duì)指定區(qū)域圖像進(jìn)行捕捉并進(jìn)行異常提醒。國(guó)內(nèi)的視頻監(jiān)控技術(shù)起步較晚，目前，煤礦井下變電站已能實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控、遙視功能。但國(guó)內(nèi)煤礦變電站無(wú)人值守系統(tǒng)還存在諸多弊端，諸如：（1）現(xiàn)場(chǎng)端未對(duì)事件進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)性差；（2）智能分析效果差，安全性低；（3）核心功能只限于視頻監(jiān)控，控制能力差。因此，煤礦變電站系統(tǒng)更加需要一種能夠?qū)ψ冸娬驹菩脑O(shè)備進(jìn)行全面監(jiān)控，在設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)能夠采取措施消除故障，保證變電站設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的新系統(tǒng)。為此，基于視頻、圖像監(jiān)控技術(shù)，利用監(jiān)測(cè)、識(shí)別算法，新設(shè)計(jì)了一套對(duì)變電站運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、智能化監(jiān)測(cè)的智能化無(wú)人值守系統(tǒng)，達(dá)到變電站無(wú)人值守的目的。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

煤礦變電站無(wú)人值守系統(tǒng)需完成的功能有：①設(shè)備視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，即調(diào)度人員可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看變電站設(shè)備運(yùn)行情況、故障信息、狀態(tài)參數(shù)等。②可實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站運(yùn)行環(huán)境參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)采集和管理。③對(duì)變電站發(fā)生的常見(jiàn)故障和預(yù)警信息，能夠智能化識(shí)別和反應(yīng)。④對(duì)變電站設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程操作和控制，減少安全事故發(fā)生概率。

煤礦變電站無(wú)人值守系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，從上到下為表現(xiàn)層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)層、數(shù)據(jù)層四層結(jié)構(gòu)[2-4]。

圖1 煤礦變電站無(wú)人值守系統(tǒng)架構(gòu)

1）表現(xiàn)層為C/S客戶端，通過(guò)該層能夠?qū)崟r(shí)查看變電站設(shè)備參數(shù)信息、運(yùn)行狀態(tài)、故障信息等，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，如遠(yuǎn)程廣播等功能。

2）應(yīng)用層包含現(xiàn)場(chǎng)端、遠(yuǎn)程監(jiān)控端以及對(duì)外接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站視頻圖像處理、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)報(bào)警、人員管理等功能，同時(shí)提供對(duì)外接口，方便外部系統(tǒng)在必要時(shí)訪問(wèn)本系統(tǒng)，在對(duì)外接口中定義了接口參數(shù)。

3）數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)層包含視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、視頻數(shù)據(jù)采集以及目標(biāo)監(jiān)測(cè)算法、人臉識(shí)別算法、廣播事件驅(qū)動(dòng)等。數(shù)據(jù)層可將變電站設(shè)備運(yùn)行的所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)，方便歷史數(shù)據(jù)查詢、回溯以及統(tǒng)計(jì)分析。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

煤礦變電站現(xiàn)場(chǎng)端即系統(tǒng)客戶端，需完成變電站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備視頻圖像處理、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)監(jiān)測(cè)、人臉識(shí)別、廣播提示、視頻備份以及監(jiān)控器設(shè)置等功能。

1）采用?？低暤腄S-2CC172P-IR3圖像處理終端，采用加權(quán)平均法對(duì)采集到的圖像進(jìn)行灰度化處理；采用高斯平滑方法對(duì)采集到的圖像進(jìn)行平滑度處理，使得采集到的圖像數(shù)據(jù)可直接用于算法運(yùn)算[5-6]。

2）運(yùn)動(dòng)目標(biāo)監(jiān)測(cè)時(shí)需完成背景建模及更新策略、背景差分析、連通區(qū)域標(biāo)記等工作。當(dāng)統(tǒng)計(jì)圖像中像素值變化間隔大于40且像素大于圖像面積的80%時(shí)，判定此刻背景發(fā)生突變，用當(dāng)前幀替換背景；當(dāng)檢測(cè)到人臉時(shí)，不可替換背景；當(dāng)檢測(cè)到之前的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，累計(jì)30幀內(nèi)該區(qū)域沒(méi)有變化，則用當(dāng)前幀更新背景[7]。當(dāng)首次掃描到圖像時(shí)，設(shè)定該區(qū)域?yàn)檫B通區(qū)的第一個(gè)目標(biāo)段；當(dāng)連通區(qū)域大于1時(shí)，需合并連通區(qū)域并得到該圖像的最小外切矩形；當(dāng)連通區(qū)域小于1時(shí)，不做處理。

3）人臉識(shí)別時(shí)需完成AdaBoost分類器訓(xùn)練，如正負(fù)樣本準(zhǔn)備、訓(xùn)練人臉?lè)诸惼鞯?。?dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)入視頻區(qū)域后，需判斷是否需要發(fā)出警報(bào)、是否進(jìn)入高危區(qū)域[8]。另外，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)需給遠(yuǎn)程調(diào)度人員發(fā)送短信報(bào)警，必要時(shí)進(jìn)行聲光語(yǔ)音報(bào)警。

視頻圖像處理需完成視頻備份，與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，同時(shí)歷史數(shù)據(jù)可以以曲線、柱狀圖等形式進(jìn)行展現(xiàn)，也可進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)回溯。

煤礦變電站遠(yuǎn)程監(jiān)控端需完成變電站視頻數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)備份、遠(yuǎn)程客戶端管理、自動(dòng)報(bào)警、變電站信息管理以及監(jiān)控人員管理等功能[9-10]。

為保證設(shè)計(jì)的煤礦變電站無(wú)人值守系統(tǒng)的開(kāi)放性和可升級(jí)性，設(shè)計(jì)對(duì)外接口，可在線進(jìn)行無(wú)人值守系統(tǒng)的軟件升級(jí)、功能添加以及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)等功能。對(duì)外接口以CAN總線通訊模式實(shí)現(xiàn)，開(kāi)放的可設(shè)置參數(shù)包含在CAN總線通訊協(xié)議中，如波特率、幀格式、CRC校驗(yàn)方法等。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

煤礦變電站無(wú)人值守系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)分為客戶端、服務(wù)器端兩部分。其中，服務(wù)器中基于C/S架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變電站無(wú)人值守系統(tǒng)的設(shè)備查看以及展現(xiàn)客戶端主要完成設(shè)備視頻數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算等功能；客戶端以及服務(wù)器端采用C++編程實(shí)現(xiàn)，核心模塊包括變電站設(shè)備控制模塊、廣播驅(qū)動(dòng)模塊、視頻讀取模塊、圖像識(shí)別與監(jiān)測(cè)模塊以及故障處理模塊等。遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備控制流程如圖2所示，將合成的變電站控制幀通過(guò)服務(wù)器端發(fā)送至變電站設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)完成遠(yuǎn)程控制。服務(wù)器端用于運(yùn)行煤礦變電站無(wú)人值守系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)，存儲(chǔ)并管理視頻、圖像數(shù)據(jù)；維護(hù)故障、報(bào)警信息；維護(hù)監(jiān)控人員信息等。

圖2 遠(yuǎn)程監(jiān)控端設(shè)備控制流程

煤礦變電站無(wú)人值守系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控端設(shè)備控制流程需完成數(shù)據(jù)幀合成、數(shù)據(jù)幀判斷以及數(shù)據(jù)幀發(fā)送功能。當(dāng)合成的數(shù)據(jù)幀正確時(shí)，調(diào)用服務(wù)器程序發(fā)送命令；當(dāng)合成數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤時(shí)程序需返回設(shè)備管理單元。

煤礦變電站無(wú)人值守系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控端設(shè)備控制流程通訊部分的核心執(zhí)行代碼為Socket通訊的建立、保持、終止，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)幀的保存、解析；對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的打包等過(guò)程。煤礦變電站無(wú)人值守系統(tǒng)服務(wù)器端與客戶端以Socket通信完成數(shù)據(jù)交互，通信端口為8001、8002，調(diào)用的方法為public void open ServerAndSocket (int port)、public String readClient(throwsIOException）以及public void createSocket(String ip, int port)、public void send Message(String str)。

煤礦變電站無(wú)人值守系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能如圖3所示，可完成視頻數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)備份；完成對(duì)遠(yuǎn)程客戶端的管理、各變電站信息管理、監(jiān)控人員身份/權(quán)限管理以及智能報(bào)警[11-12]。該監(jiān)控功能可將視頻、圖像的冗余信息剔除，以便數(shù)據(jù)查看、計(jì)算等，同時(shí)支持歷史視頻、歷史圖像數(shù)據(jù)回溯。通過(guò)煤礦變電站無(wú)人值守遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，可實(shí)時(shí)查看各攝像儀數(shù)據(jù)并支持在線遠(yuǎn)程通話。遠(yuǎn)程客戶端管理是指可實(shí)現(xiàn)圖像處理終端、攝像儀的重啟、關(guān)閉，監(jiān)控時(shí)間段設(shè)定，攝像頭旋轉(zhuǎn)等功能。智能報(bào)警功能是指該平臺(tái)可對(duì)各變電站數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值判斷，當(dāng)數(shù)據(jù)超出設(shè)定閾值后，觸發(fā)聲光語(yǔ)音報(bào)警，同時(shí)將報(bào)警信息以彈窗形式顯示于監(jiān)控平臺(tái)，操作人員點(diǎn)擊該報(bào)警彈窗后，給出處理該故障信息的一般處理步驟。監(jiān)控人員管理功能是指通過(guò)該平臺(tái)可添加監(jiān)控人員名單、修改監(jiān)控人員權(quán)限等。煤礦變電站無(wú)人值守系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)對(duì)外提供TCP/IP通信接口，可將變電站所有運(yùn)行數(shù)據(jù)傳送至井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)并最終傳送至地面監(jiān)控室。

圖3 煤礦變電站無(wú)人值守系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控

煤礦變電站無(wú)人值守系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)端監(jiān)控功能框圖如圖4所示，分別完成圖像處理、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)監(jiān)測(cè)、人臉識(shí)別、廣播提示、視頻備份以及監(jiān)控器設(shè)置等功能。

圖4 煤礦變電站無(wú)人值守系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)端監(jiān)控

4 應(yīng)用分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的煤礦變電站無(wú)人值守系統(tǒng)的有效性和實(shí)用性，在晉能控股集團(tuán)寺河煤礦進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為2021年3月至2021年9月。對(duì)煤礦變電站無(wú)人值守系統(tǒng)表現(xiàn)層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)層、數(shù)據(jù)層軟硬件進(jìn)行調(diào)試并能夠正確運(yùn)行后，從現(xiàn)場(chǎng)端以及遠(yuǎn)程監(jiān)控端對(duì)變電站設(shè)備進(jìn)行圖像、視頻監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)獲取的圖像清晰度較好、視頻信息流暢，能夠精確地完成人臉識(shí)別。能夠準(zhǔn)確的監(jiān)控變電站設(shè)備的故障以及運(yùn)行情況，保證了的變電站安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前煤礦變電站無(wú)人值守實(shí)際情況，在分析總結(jié)老系統(tǒng)存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，根據(jù)變電站無(wú)人值守系統(tǒng)新的需求設(shè)計(jì)了一種基于視頻、圖像處理的煤礦變電站智能化無(wú)人值守新系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)視頻、圖像算法處理實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備的智能監(jiān)控和控制，給出服務(wù)器端、客戶端實(shí)現(xiàn)方案和核心實(shí)現(xiàn)方法并完成系統(tǒng)應(yīng)用。該變電站無(wú)人值守方案能夠保證變電站安全、穩(wěn)定運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。