王弘揚，邵可欣，宋繼偉，劉永軍，丁鵬舉，張運飛

（國網河南省電力公司鄧州市供電公司，河南 鄧州 474150）

在城市、鄉(xiāng)村居民生活環(huán)境中存在諸多電力設施，如高壓桿塔、變壓器、計量箱、分線柜、控制箱等。因為當今社會對于電力的需求與日俱增，使得人們在生產生活中與電力設備的距離越來越近，由于疏忽大意導致發(fā)生觸電事故導致傷殘、死亡的惡性事故也時有發(fā)生。這不僅危害到了人民群眾的人身財產安全，影響到區(qū)域的正常供用電，也損害了電力公司的形象、帶來了惡劣的影響、造成經濟損失。如何提高電力設備周圍環(huán)境的安全，規(guī)范附近人員危險行為成為重要問題。

鑒于當前所面對的情況，文章對現(xiàn)有安全警示裝置進行重新設計，變被動式警示為主動式警示的設計思路，利用紅外感應環(huán)境變化、微波雷達掃描感應人體移動、超聲波感器檢測人體距離綜合數(shù)據(jù)對附近人員進行行為預測，對附近人員進入電力設施觸電危險區(qū)域的行為進行分級聲光預警，提醒人們遠離危險區(qū)域。用以解決目前市面上電力設施警示裝置的薄弱點，實現(xiàn)更好的警示效果，降低相關電力區(qū)域的安全風險。

1 方法與設計

1.1 功能設計

研制了一種基于行為預測分析的主動式電力設備聲光安全分級警示裝置。主要組件包括紅外、微波、超聲波三合一探測設備主機、內置大容量鋰電池、太陽能光伏充電板、外置擴音喇叭、外置閃光器。

主要功能設計如下。

可選單太陽能充電，無需額外電源，無電力損耗，避免接線。

大容量鋰電池，低功耗設計，保證連續(xù)陰雨天可持續(xù)工作。

全自動檢測，實現(xiàn)全天候主動探測和聲光報警。

可定時播報；多種語言設定，語音可定制或現(xiàn)場錄制。

音量模式可設定，大音量或靜音模式，拒絕聽不到或擾民。

感應距離可設定（2～8 m）。

具有紅藍警燈警示功能，可以設置開啟和關閉全時段警燈模式，白天關閉模式。

多探頭設計，包括紅外感應預警、微波雷達掃描感應人體移動、超聲波感器檢測人體距離，具有高靈敏度。預留擴展感應探頭數(shù)量可配置增加。170°大廣角設計，拒絕盲區(qū)。

綜合行為預測預警安全分級處理功能，可根據(jù)多探頭感應信號進行綜合處理，可實現(xiàn)實時監(jiān)測不特定人員對象進入探測警示區(qū)域，根據(jù)人員行為預測分析進行主動安全分級，并按照安全分級進行主動安全聲光提醒；語音、閃爍警示燈光進行安全警示、聲光安全警報、語音驅離的不同程度的安全警示。

本地通信控制功能：配備藍牙通信功能，可以連接手機進行數(shù)據(jù)傳輸、參數(shù)設置，可使用小程序連接設備，設置單曲、全部播放，實現(xiàn)安全分級控制、語音更換與刪除、播放模式選擇、語音試聽、定時設定等功能；具有紅外通信功能，可以連接紅外遙控，對設備進行操控，可進行聲音調節(jié)、曲目選擇、警示燈開啟/關閉。

遠程通信控制功能：具有物聯(lián)網通信或NBIoT（可選）上網功能，可以連接遠程控制端進行參數(shù)設定，工作報警日志上傳，異常報警推送，工況獲取等功能。

1.2 主要研發(fā)內容

研究電力設備警示裝置的運行環(huán)境和人員靠近安全風險特征：收集電力設備警示裝置的運行環(huán)境數(shù)據(jù)，包括紅外、微波、超聲波環(huán)境特征，人員靠近或遠離環(huán)境參數(shù)變化情況，進行安全風險量化模型數(shù)據(jù)采集構建，分析電力設備警示裝置的工作環(huán)境和預警目標特征。

設計主動式電力設備聲光安全分級警示裝置：根據(jù)電力設備警示裝置的運行環(huán)境和預警人員特征，設計聲光輸出裝置，根據(jù)不同的安全級別發(fā)出不同的聲音和光線警示信號[1-2]。

開發(fā)行為預測分析算法：通過對電力設施周圍環(huán)境變化及人員行為數(shù)據(jù)的分析和建模，開發(fā)行為預測分析算法，實現(xiàn)對電力設施周圍環(huán)境變化及人員行為的預測，進行人員安全風險量化預測，及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全問題。

驗證裝置的安全性能和可靠性：通過實驗和測試評估裝置的安全性能和可靠性，確保裝置能夠準確預測附近人員行為并及時發(fā)出警示信號。

1.3 方案設計

系統(tǒng)原理框架圖如圖1所示。工作流程圖如圖2所示。硬件部分研發(fā)流程：分析原理需求方案→設計系統(tǒng)邏輯圖、原理圖→元器件選型→元器件和工具儀器采購→樣品制作→組裝成品→現(xiàn)場安裝測試→方案優(yōu)化、改進→最終產品確定。

圖1 系統(tǒng)原理框架圖

圖2 工作流程圖

1.4 后臺程序主要功能點

1.4.1 數(shù)據(jù)采集和分析

選擇合適的傳感器和數(shù)據(jù)采集設備，對電力設備周圍環(huán)境及人員行為數(shù)據(jù)進行采集，并通過數(shù)據(jù)分析技術提取行為特征和安全風險。

選用紅外、微波、超聲波三合一探測方式進行外部數(shù)據(jù)采集。

1.4.2 行為預測分析

基于采集到的數(shù)據(jù)，建立行為模型，開發(fā)行為預測分析算法，實現(xiàn)對電力設備周圍環(huán)境及人員行為的預測，識別潛在的安全問題。

數(shù)據(jù)處理方面采用樹莓派4B作為處理主控，其的核心為Broadcom BCM2711，集成了4核的ARM Cortex-A72 處理器，主頻為1.5 GHz，能夠適應負責的數(shù)據(jù)處理、行為模型構建，行為預測算法分析等負責工作。

1.4.3 聲光輸出裝置設計

根據(jù)行為預測結果和安全級別，設計聲光輸出裝置，包括聲音和光線的輸出裝置，能夠發(fā)出不同的聲音和光線警示信號。

主控控制分級聲音的選擇播放，并通過外部電路控制報警指示燈的亮度和閃爍頻率。語音、閃爍警示燈光進行安全警示；聲光安全警報、語音驅離的不同程度的安全警示[3-4]。

1.4.4 通信及控制功能

實現(xiàn)參數(shù)設定，工作報警日志上傳，異常報警推送，工況獲取等功能。

2 技術難點及關鍵技術

2.1 整體設備方案

基于功能需求本設備主要由感應信號采集器（紅外、微波、超聲波三合一）、信號處理單元、行為預測分析安全分級警示單元、語音控制單元、閃光警燈控制單元和電源控制單元組成。

2.2 信號處理

包括輸入信號處理和輸出信號處理2個方面。輸入信號處理主要研究如何對紅外、微波、超聲波感應器輸入的信號進行綜合處理，包括電平轉換，數(shù)模轉換信號增強等。輸出信號處理主要研究如何對語音內容進行數(shù)據(jù)管理，包括語音的添加、刪除、更換，以及聲音大小的控制等。警燈開啟、關閉，紅藍光閃燈頻率及周期控制，報警事件記錄及上傳預警處理等。

2.3 抗干擾設計

為了保證裝置在戶外長期運行的穩(wěn)定性，需要進行抗干擾設計。在硬件方面，應設置防干擾電路，減傷電磁干擾及傳感器之間的相互影響；在軟件方面，應設置干擾排除程序，以避免因環(huán)境變化如風、雨、光線變化影響，或非人體其他物體移動造成的誤報警情況。此外，還應該增加對移動物體大小判斷及行為運動軌跡綜合分析，以正確識別是否有人員要進入危險警戒范圍，根據(jù)行為預測分析結果和主動安全分級要求，以進行分級語音警示和聲光安全警報。

通過對多種環(huán)境傳感器采集數(shù)據(jù)的分析處理，可以有效地排除干擾，有效避免野外動物、樹木隨風擺動等非人員進入危險區(qū)的情況而引起裝置的誤報警，表1所示為單傳感器受干擾情況及抗干擾處理后對比。

表1 單傳感器受干擾情況及抗干擾處理后對比表

2.4 電源管理及低功耗設計

為了保證設備的長期穩(wěn)定運行，減輕頻繁充放電對電池的損耗，設計了電源管理功能，進行重放電管理，一方面有效利用太陽光照強的時間進行有效充電，另一方面防止過沖、過放和頻繁充放電對電池的損耗。同時設計了低功耗模式，保證設備在長期無警報事件時可以降低電能損耗，同時在探測到異常時能夠及時有效返回正常模式工作。

2.5 行為預測分析技術

包括行為模型的建立、機器學習和數(shù)據(jù)挖掘算法的開發(fā)等。

3 項目創(chuàng)新點和成果

本研究是利用紅外感應預警、微波雷達掃描感應人體移動、超聲波感器檢測人體距離綜合行為預測預警安全分級處理等技術原理，研制了一種基于行為預測分析的主動式電力設備聲光安全分級警示裝置解決傳統(tǒng)警示方式警示作用也不足，且受環(huán)境天氣影響嚴重的問題；解決傳統(tǒng)聲光警示裝置沒有對安全警示進行分級處理，對所有危險情形，采用重復相同的警示方式，極容易使附近人員因習以為常在真正面臨危險時產生疏忽大意的心態(tài)，產生危險，無法達到警示安全效果的問題；可選用單太陽能供電模式，可無需額外電源，無電力損耗，避免接線采用太陽能充電儲能的方式解決傳統(tǒng)聲光警示裝置能源供應問題，可全天候24 h長期在線。

本研究成果在使用范圍上較傳統(tǒng)警示方式有很大提高，經過現(xiàn)場試驗，在任何天氣情況下、在多角度方向上、在最大的保護范圍內，對誤入電力危險區(qū)域的人員進行語音警示，有效保障了人員生命安全、保障了電力設施的安全運行、減少了設備和人員事故造成的直接和間接損失，具有直接的經濟效益。