徐紅武，張棟，景文林，居亮，樊玉平，趙海月

（1.國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京 210031；2.福建金湖電力有限公司，福建 三明 353300）

隨著我國電力體制改革的不斷推進，電廠大量的檢修工作逐步由社會化的工程隊承接，電廠作業(yè)人員不再是對本電廠設(shè)備環(huán)境非常熟悉的本廠技術(shù)人員，即便是對電廠十分了解的本廠運行人員，由于人為因素導致的電廠安全事故也時有發(fā)生。究其原因，主要還是由于電力系統(tǒng)設(shè)備本身比較復(fù)雜、設(shè)備操作流程各不相同、電廠作業(yè)人員自身疏忽大意等原因造成的。因此，如何利用技術(shù)手段，提升電廠安全管控水平，對“五防”、“兩票”等系統(tǒng)形成有益的補充，成了電力行業(yè)安全領(lǐng)域技術(shù)研究人員的研究熱點。文獻[1]介紹了運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，通過模擬電力行業(yè)的真實運行檢修環(huán)境以及高風險作業(yè)過程，給學員開展智能仿真培訓和高風險檢修作業(yè)的指導，增強對高風險操作規(guī)程的體驗效果和提高學員安全技能水平，最終提升高風險作業(yè)的安全保障水平。文獻[2]介紹了發(fā)電廠作業(yè)現(xiàn)場智能管控系統(tǒng)，但未就系統(tǒng)具體的開發(fā)技術(shù)做出明確的介紹。文獻[3]介紹了瑟利模型理論在火電廠人因失誤事故安全風險防控系統(tǒng)中的應(yīng)用，仍未就系統(tǒng)具體的開發(fā)技術(shù)做出明確的介紹。文獻[4]提出了基于ERP系統(tǒng)實現(xiàn)對電廠“兩票”管理水平的提升，雖然可以部分解決某些安全隱患，但仍然不能完全杜絕無票作業(yè)、無監(jiān)護人員作業(yè)和擅自擴大工作范圍的違規(guī)現(xiàn)象。本文采用UWB人員定位技術(shù)、HTML5瀏覽器技術(shù)、webGL 3D渲染技術(shù)、人工智能視頻流目標檢測及分析技術(shù)，實現(xiàn)了電廠人員作業(yè)安全管控系統(tǒng)，用于及時發(fā)現(xiàn)電廠作業(yè)人員的違規(guī)行為并立即進行廣播警示，實現(xiàn)對電廠作業(yè)人員進行全過程實時安全管控。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)基于spring框架實現(xiàn)了web后端，基于angular框架實現(xiàn)了web前端，基于ionic、angular、cordova框架實現(xiàn)了手機app，基于webRTC技術(shù)實現(xiàn)了跨瀏覽器、低延遲的網(wǎng)頁視頻流實時播放，基于組件化編程的理念，html5、webGL技術(shù)實現(xiàn)了數(shù)字電廠二維三維融合展示，基于yolo、DeepSort框架實現(xiàn)了實時視頻流中的人員目標檢測、定位及追蹤，基于UWB技術(shù)實現(xiàn)了作業(yè)人員的高精度定位及視頻追蹤，并且根據(jù)現(xiàn)場的具體需求情況，實現(xiàn)了兩種定位技術(shù)的有效組合。

電廠人員安全管控系統(tǒng)由包含定位功能的安全帽、通信服務(wù)模塊、分層分布式實時內(nèi)存庫、流媒體服務(wù)模塊、高級應(yīng)用模塊、web服務(wù)模塊、系統(tǒng)參數(shù)配置器、實時監(jiān)控模塊及手機app等部分組成。通信服務(wù)模塊實時獲取電廠作業(yè)人員安全帽的位置坐標信息，并把作業(yè)人員的實時位置信息寫入到分層分布式實時內(nèi)存庫；流媒體服務(wù)模塊專門負責處理視頻流方面的信息，包括攝像機的接入、視頻流轉(zhuǎn)發(fā)及視頻流web發(fā)布等功能；高級應(yīng)用模塊主要是基于對分層分布式內(nèi)存庫中電廠作業(yè)人員的實時位置信息實現(xiàn)人員超許可范圍告警、人員疲勞作業(yè)告警、人員靜止不對告警、無監(jiān)護人員作業(yè)告警以及對實時視頻流的分析實現(xiàn)人員未戴安全帽告警等功能；web服務(wù)模塊實現(xiàn)人員作業(yè)安全管控系統(tǒng)的web發(fā)布功能；系統(tǒng)參數(shù)配置器實現(xiàn)攝像機參數(shù)配置、人員信息配置、廣播告警配置及電力設(shè)備安全等級、安全區(qū)域的動態(tài)配置管理等；實時監(jiān)控模塊實時顯示二維地圖或三維場景中作業(yè)人員的實際位置、實時告警信息、歷史告警信息查詢、人員歷史軌跡查詢等。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2 主要技術(shù)

2．1 基于卡爾曼濾波的位置糾正技術(shù)

電廠人員定位采用超寬帶(Ultra-wide band,UWB)定位技術(shù)，雖然比其它定位技術(shù)的精度高，但由于多徑傳播效應(yīng)，從安全帽獲得的人員位置數(shù)據(jù)的精度仍然不夠理想，采用有效的濾波技術(shù)對定位數(shù)據(jù)進行二次處理顯得十分必要?？柭鼮V波是一種基于概率論和數(shù)理統(tǒng)計的優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法，是高斯過程最優(yōu)濾波的一種有效算法，具有離散型和連續(xù)型兩種算法，當對象模型足夠準確且系統(tǒng)狀態(tài)和參數(shù)不發(fā)生突變時，性能較好，卡爾曼濾波被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星軌道預(yù)測、機器人導航、雷達系統(tǒng)、導彈追蹤、人臉識別等領(lǐng)域。本系統(tǒng)采用卡爾曼濾波算法實現(xiàn)人員位置信息的糾正?？柭鼮V波算法原理如下：

一步預(yù)測：

量測更新：

式（6）中Wk為狀態(tài)噪聲，一般假設(shè)Wk為零期望白噪聲。根據(jù)式（6），可知，可以代入式（1）進行一步預(yù)測，然后根據(jù)系統(tǒng)收到的量測值，根據(jù)式（4）進行量測的更新，這樣就完成了k+1時刻位置的糾偏。系統(tǒng)根據(jù)采用間隔T0,不斷地重復(fù)進行一步預(yù)測、量測更新的過程來完成人員位置信息的糾偏。

2．2 分層分布式人員信息內(nèi)存庫

水電廠主要有發(fā)電機層、水輪機層、蝸殼層、開關(guān)站、勵磁室、廠變室等重要安全管控層級，每個層級可以能有多個安全管控區(qū)域。比如發(fā)電機層有1#發(fā)電機、2#發(fā)電機、3#發(fā)電機共三個安全管控區(qū)域。為了使系統(tǒng)能對進入每個安全管控層級以及每個安全管控層級里的每個安全管控區(qū)域進行快速實時地進行監(jiān)控，構(gòu)建一個基于內(nèi)存的分層分布式的實時內(nèi)存數(shù)據(jù)庫十分必要。本系統(tǒng)基于人員、角色、權(quán)限的關(guān)系，基于風險區(qū)的層次、風險區(qū)中的攝像機配置、電廠物理層中的廣播配置情況、風險區(qū)多變形定義情況等信息，形成分層多風險區(qū)域?qū)崟r動態(tài)管理的內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

風險區(qū)定義默認為四級：分別為低風險區(qū)、一般風險區(qū)、較大風險區(qū)、重大風險區(qū)四個安全等級。每個安全等級均可通過層號與電廠發(fā)電機層、水輪機層、蝸殼層、開關(guān)站、勵磁室、廠變室等物理層級建立對應(yīng)關(guān)系。風險區(qū)管控主線程實時監(jiān)測各個定位標簽的實時位置，一旦發(fā)現(xiàn)某個定位標簽進入風險區(qū)且該標簽不具備進入該風險區(qū)的權(quán)限，則立刻判斷出“人員超許可范圍”報警，并啟動抓拍任務(wù)，驅(qū)動離違規(guī)人員最近的攝相機進行抓拍取證，并驅(qū)動該風險區(qū)所在的物理層的廣播對違規(guī)人員進行警示，提醒進入該區(qū)域的人員已非法進入風險管控區(qū)域。

除常規(guī)支持四級風險安全等級管控外，系統(tǒng)還兼顧了支持任意層級每個層級任意區(qū)域的風險區(qū)管控機制。系統(tǒng)支持風險區(qū)橫向及縱向動態(tài)擴展功能，風險區(qū)管控主線程實時監(jiān)測系統(tǒng)中風險區(qū)的橫向及縱向配置情況，一旦發(fā)現(xiàn)風險區(qū)配置發(fā)生變化，系統(tǒng)自動載入最新的風險區(qū)配置，形成新的風險區(qū)配置情況實時內(nèi)存關(guān)系。分層分布式人員信息內(nèi)存關(guān)系如圖2所示。

圖2 分層分布式人員信息內(nèi)存關(guān)系圖

2．3 二維三維融合數(shù)據(jù)展示

傳統(tǒng)的二維電子地圖具有可分層、無遮擋的優(yōu)點，用戶使用起來比較方便，但對于不熟悉電廠廠區(qū)結(jié)構(gòu)的人來說不夠直觀?；谌S模型的電廠仿真場景具有優(yōu)秀的視覺效果，但往往在進入建筑物后的沉浸模式中，用戶對于自身所處的位置較難把握。本系統(tǒng)綜合二維及三維展示的優(yōu)點，通HTML Canvas、WebGL、Wasm實現(xiàn)二維三維圖層融合，通過Angular實現(xiàn)組件化，在HTML5技術(shù)框架內(nèi)，在瀏覽器端實現(xiàn)二維三維融合展示。系統(tǒng)中的二維地圖采用地圖服務(wù)預(yù)緩存技術(shù)，實現(xiàn)瀏覽器快速展現(xiàn)二維地圖；系統(tǒng)中的三維模型使用Unity3D或3dmax軟件建模為三維模型obj文件并編譯為WebGL和Wasm資源，達到在瀏覽器中高效展現(xiàn)三維模型的效果。二維三維融合展示如圖3所示。

圖3 二維三維融合展示

3 系統(tǒng)主要功能

電廠人員作業(yè)安全管控系統(tǒng)在構(gòu)建分層分布式人員、設(shè)備、區(qū)域信息實時內(nèi)存庫的基礎(chǔ)上，實時從分層分布式實時內(nèi)存庫中獲取人員坐標位置信息進行邏輯判斷，實現(xiàn)了人員實時位置的定位及展示、人員歷史軌跡的回放，人員超范圍告警、人員靜止不動告警、無監(jiān)護人員作業(yè)告警、人員疲勞作業(yè)告警等功能?；趯崟r視頻流的智能分析，實現(xiàn)了人員未戴安全帽告警等安全管控功能。任何連通的不規(guī)則區(qū)域，理論上都可等效為一個任意條邊的多邊形；對于不連通的區(qū)域，可以等效為多個任意條邊的多邊形；任何多邊形都由其所對應(yīng)的頂點來確定。電廠人員作業(yè)安全管控系統(tǒng)根據(jù)以上三個原則，來定義設(shè)備的安全管控區(qū)域，并把這些參數(shù)配置信息存入計算機內(nèi)存，實現(xiàn)對設(shè)備進行實時分層級分區(qū)域安全管控。人員未佩戴安全帽告警抓拍如圖4所示。

圖4 人員未戴安全帽告警抓拍

4 結(jié)語

電廠人員作業(yè)安全管控系統(tǒng)的二維三維融合數(shù)據(jù)展示，同時吸取二維三維展現(xiàn)技術(shù)的優(yōu)點，把二維地圖、三維真實場景完美地結(jié)合起來，為數(shù)字孿生電廠建設(shè)提供了方案參考；電廠人員作業(yè)安全管控系統(tǒng)把基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的視頻流實時分析、人員目標檢測、定位追蹤與基于UWB高精度定位的人員目標定位追蹤進行有效組合，即可保證人員定位的精度（誤差≤30cm），也可以防止電廠作業(yè)人員故意不佩戴含定位功能的安全帽或故意把定位標簽從安全帽上取下來以躲避定位追蹤等極端情況。電廠人員作業(yè)安全管控系統(tǒng)，已經(jīng)在福建三明某水電站、廣東廣州某火電廠成功投入運行，系統(tǒng)運行至今穩(wěn)定可靠，達到了系統(tǒng)預(yù)期設(shè)計的目標，該系統(tǒng)的投運提高了電廠的安全管控水平，推動了電廠數(shù)字化、智能化建設(shè)。