基于TOF技术的输电带电作业安全监测与预警系统

李万翔

摘要：随着我国电网的快速发展，带电作业技术已经成为我国输配电线路维护、电网设备检测和维护的重要手段。但是，带电作业也是一项非常危险的工作。高强度电场、瞬态电击和稳态电击的存在，以及运行中的短路空气间隙放电时刻威胁着带电作业人员的安全，因此带电作业的安全防护成为带电作业顺利实施的关键。目前，我国带电作业人员的安全主要依靠具有丰富实践经验的专门监管人员的监管和操作人员的自觉。在实际操作过程中，由于现场操作点多面广，工作繁重，操作人员容易疲劳，注意力不集中，容易违反操作规程，忽视安全距离，导致安全事故发生。

关键词：输电带电作业；TOF；安全距离；实时监测；预警系统；

针对目前我国输电带电作业中缺乏安全监控及预警手段和方法的现状，提出一种基于TOF技术的带电作业实时安全监测与预警系统。采用TOF摄像机实时对工作人员周围的空间进行三维重建，获取工作人员附近物体的坐标信息，进一步检测工作人员与身边物体的距离信息，并且当工作人员与导线等带电体的距离超过设定值时便会触发报警系统提醒操作人员。试验结果表明:该系统可实现自动化、实时化监测，可靠地保证输电带电作业人员的人身安全。该系统对预防或减少带电作业人员人身伤害等事故的发生具有十分重要的工程实践价值。

一、TOF相机选型

TOF相机选型应满足的带电作业安全距离监测需求如下:输电带电作业安全距离大部分是0.3～5 m。因此为了保证足够的视野范围，相机安装要求在距离工作区域5 m以外的位置，故深度相机的量程应在10 m以上。为保证安全距离监测的实时性，相机的帧率应该在30 fps及以上。为保证测量精度，深度相机在量程内的测距误差应在5 cm以内。为保证安装上的轻便性和系统自身的便携性，要求深度相机质量在1.5 kg以内，在此基础上相机尺寸也要尽量小巧。由于国内的深度摄像机起步较晚，目前还没有精度和分辨率都达到需求的深度相机，而且主要研发方向是基于娱乐性的体感方向，因而选择进口Fotonic E70作为距离监测的传感器。选择的相机型号为E70 48W。

二、系统设计

1.硬件设计。硬件系统配置包括：监控终端、无线通信链路、控制箱体、无线发射天线、显示屏、系统电源开关、声光报警设备、接线端子、处理器、无线路由器、3G/4G通信模块、控制电路板、锂电池、控制箱安装底座、控制箱安装支架、电源及信号线缆、ToF深度相机、ToF深度相机安装底座、ToF深度相机安装支架。选用锂电池的标称电压为24V，为声光报警设备、处理器、无线路由器、3G/4G通信模块、控制电路板、ToF深度相机供电，并配备DC-DC

24V转12V电源模块和24V转19V的电源模块，解决元器件不同电压需求。

无线路由器提供WiFi的无线通信链路，3G/4G通信模块提供公网的无线通信链路，2种无线通信链路共同组成无线通信链路。其中WiFi通信主要用于系统与作业现场地面工控机间的联络，3G/4G通信用于系统与远方室内集中监控中心的联络。在控制箱体的外侧设置有接线端子，接线端子配置三芯电源接头和八芯的信号线接头。三芯电源接头通过三芯电源线缆与ToF深度相机电源接头相连，并给ToF深度相机供电；八芯信号线接头通过八芯信号线缆与ToF深度相机信号线接头相连，用于传递ToF深度相机的数据信号和控制信号。

2.软件设计。（1）安全距离监测原理。安全距离监测原理如图2所示，监测区域表示带电作业人员所在的立体区域，在带电作业过程中，作业人员限于在此范围内工作。

图2安全距离监测原理

监测深度d表示需要监测的区域在深度方向的中心面离相机端面的距离。监测深度容差e表示设定监测区域的厚度。监测宽度w表示监测区域的宽度，作业人员所允许的活动宽度。监测高度h表示监测区域的高度，作业人员所允许的活动高度。安全监测边界表示监测区域面向相机的4条边界，该当设定后，作业人员越过安全监测边界，表示作业过程出现了安全风险，监测系统通过声光报警设备进行报警，提醒作业人员注意作业安全。（2）软件系统结构。带电作业安全距离实时监测预警系统。系统功能结构包括：安全距离监测与预警、声光报警控制、监测区域参数化设置、监测区域自动匹配、3D点云数据转2D图像、远程视频传输、视频及数据存储、系统日志、电源控制及管理、通信自恢复及管理、传感器自诊断与恢复、远程同步与交互。具体功能介绍如下。1）安全距离监测与预警功能。实现带电作业人员在作业过程中的实时安全监测，如果作业人员超出安全区域，该功能发出预警信号实现自动预警，提醒作业人员注意安全。2）声光报警控制功能。根据预警信号对声光报警设备进行开启和关闭，当有预警信号时，控制声光报警设备开始报警，当没有预警信号时，控制声光报警设备关闭报警。3）监测区域参数化设置功能。实现通过设定监测深度d、监测高度h、监测宽度w、监测深度容差e来设置监测区域，并可上下左右移动监测区域。4）监测区域自动匹配功能。实现监测区域与实际带电作业场景进行匹配，当监测高度h和监测宽度w不变，监测区域在监测画面中随着监测深度d变大而变小，随着监测深度d变小而变大；当监测深度d不变，监测区域在监测画面中随监测高度h和监测宽度w变大而变大，随监测高度h和监测宽度w变小而变小。5）3D点云数据转2D图像功能。实现将采集来自ToF深度相机的3D点云数据转换为2D的平面图像，便于监控终端的观测以及监测区域参数化设置。6）远程视频传输功能。实现将2D平面图像生成视频数据，通过流媒体技术实现视频远程传输，供监控终端进行观测。7）视频及数据存储功能。实现视频数据以及监测区域参数的自动存储，视频和数据存储在处理器的内部硬盘中。8）系统日志功能。实现系统的日志信息的记录和存储，存储在处理器的内部硬盘中。9）电源控制及管理功能。实现19V电源和24V电源的开启和关闭，开启和关闭指令由处理器发出，当系统监测到通信链路出现故障，自动将19V电源切断再接通，实现无线路由器的重启；当系统监测ToF深度相机出现故障，自动将24V电源切断再接通，实现ToF深度相机的复位。10）通信自恢复及管理功能。采用检测心跳信号来判断处理器与监控终端的通信是否正常，当处理器在2s内检测不到心跳信号，处理器自动通过电源控制及管理功能对无线路由器进行重启并复位。11）传感器自诊断与恢复功能。通过检测ToF深度相机的状态来判断ToF深度相机是否出现故障，当状态信息显示故障，处理器自动通过电源控制及管理功能对ToF深度相机进行重启并复位。12）远程同步与交互功能。实现监控终端对安全监测系统的可视化交互，并实现监控终端与作业现场画面实时同步。

三、试验结果

现场实验以等电位作业方式进行，作业点位于最下项绝缘子串旁，主要对防震锤进行定位与紧固，并检查绝缘子串，带电作业人员作业现场。由于是等电位作业，系统设置左右两侧的边界入侵和闯入不进行报警，上下边界为安全报警线，当作业人员的身体部位不超过上下边界时，系统不报警，处于正常工作状态。安全边界的顶部有绳索穿过，系统自动过滤，并不进行报警。

当带电作业人员的身体部位越过或接触安全线时，系统立刻报警。同时，安装在塔上的监测系统自动进行语音报警和警示光报警，提醒操作人员和观察人员，带电作业人员存在作业安全风险。

总之，基于TOF监测方法可以适用于不同电位带电作业的安全监测与预警，通过自由调整监测区域的上下左右边界，适应不同电位的监测需求，深度图像可以实时重现工作时的境况，获得工作环境范围内的三维空间坐标信息，足够的信息为功能的实现和丰富提供了可能性。

参考文献：

［1］顾荣．基于TOF摄像机的三维点云地图构建研究．2020.

［2］刘超．基于TOF技术的输电带电作业安全监测与预警系统研究.2021.