面向帶電作業(yè)人員安全防護(hù)的危險(xiǎn)動(dòng)作智能監(jiān)測(cè)與報(bào)警干預(yù)方法

胡松華，柳明賢，于 虹

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司保山供電局，云南 保山 678008；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司麗江供電局，云南 麗江 674100；3.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650051）

與停電作業(yè)相比，帶電作業(yè)減少了因失誤操作導(dǎo)致反復(fù)停電的現(xiàn)象，能夠保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。帶電作業(yè)意味著作業(yè)人員將面臨一定的觸電風(fēng)險(xiǎn)[1]。因此，需要對(duì)帶電作業(yè)中的危險(xiǎn)動(dòng)作進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)是否出現(xiàn)觸電風(fēng)險(xiǎn)。帶電作業(yè)中的危險(xiǎn)動(dòng)作是指在電氣設(shè)備帶電狀態(tài)下進(jìn)行的、可能導(dǎo)致觸電傷害、火災(zāi)等危險(xiǎn)的行為。通過智能技術(shù)識(shí)別帶電作業(yè)危險(xiǎn)因素，對(duì)帶電作業(yè)人員的危險(xiǎn)動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)測(cè)，判斷該動(dòng)作是否具備安全風(fēng)險(xiǎn)，提前預(yù)警，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，對(duì)帶電作業(yè)人員以及監(jiān)管人員做出提醒，減少人員傷亡或電網(wǎng)事故的發(fā)生，加強(qiáng)帶電作業(yè)檢修的安全性[2]。

1 危險(xiǎn)動(dòng)作智能監(jiān)測(cè)與報(bào)警干預(yù)方法設(shè)計(jì)

1.1 遠(yuǎn)程采集帶電作業(yè)人員動(dòng)作

對(duì)帶電作業(yè)人員的動(dòng)作采集需要遠(yuǎn)程進(jìn)行，由于帶電作業(yè)處于高空作業(yè)環(huán)境或較為精密的作業(yè)環(huán)境，很難在較近的環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)動(dòng)作的采集[3]。本文采取的動(dòng)作標(biāo)準(zhǔn)參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《中國(guó)成年人人體尺寸》進(jìn)行設(shè)置，參數(shù)如表1所示。

表1 人體模型尺寸參數(shù)

根據(jù)表1人體參數(shù)對(duì)帶電作業(yè)范圍的人體動(dòng)作進(jìn)行識(shí)別，判斷該作業(yè)人員的位置以及動(dòng)作等。本文采用激光傳感器進(jìn)行帶電作業(yè)動(dòng)作的采集，將采集到的動(dòng)作傳輸?shù)街悄鼙O(jiān)測(cè)模型中。

1.2 建立危險(xiǎn)動(dòng)作智能監(jiān)測(cè)與報(bào)警模型

根據(jù)采集到的帶電作業(yè)人員動(dòng)作建立智能監(jiān)測(cè)與報(bào)警模型。本文采用基于MATLAB的軟件平臺(tái)進(jìn)行模型搭建。針對(duì)帶電作業(yè)人員的危險(xiǎn)動(dòng)作智能監(jiān)測(cè)與報(bào)警模型的建設(shè)主要依據(jù)是人體對(duì)于帶電場(chǎng)的影響[4]。在帶電作業(yè)中，作業(yè)人員身著屏蔽服，身體各個(gè)部位的電位值基本相同，無須考慮人體部位之間的電位值差異。計(jì)算帶電作業(yè)人員的電位值Up為

式中，i為模擬點(diǎn)的序列數(shù)；Pi為在第i個(gè)模擬點(diǎn)時(shí)，帶電作業(yè)人員所在位置的電位系數(shù)；Qi為第i個(gè)模擬點(diǎn)的電荷量；n為該帶電作業(yè)環(huán)境中模擬點(diǎn)的數(shù)量。經(jīng)過粒子群算法智能尋優(yōu)，確定模擬電荷的配置方案，建立函數(shù)值盡可能小的目標(biāo)函數(shù)，公式為

vj為帶電作業(yè)設(shè)備表面第j個(gè)匹配點(diǎn)電位，q j為該匹配點(diǎn)位的實(shí)際電壓。通過公式（2）的計(jì)算結(jié)果，可以得到模擬點(diǎn)的電荷量[5]。將上文中采集到的帶電作業(yè)人員的動(dòng)作數(shù)據(jù)進(jìn)行代入，得到人體表面的瞬時(shí)混合場(chǎng)強(qiáng)和空間電荷密度，根據(jù)該數(shù)據(jù)在ATP-EMTP搭建仿真模型。該模型的操作流程如圖1所示：

圖1 智能監(jiān)測(cè)與報(bào)警模型工作流程圖

如圖1所示，將采集到的帶電作業(yè)人員的人體動(dòng)作數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆撃Ｐ椭校瑢?duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化處理，計(jì)算該動(dòng)作數(shù)據(jù)中各個(gè)模擬點(diǎn)的電位值，并代入目標(biāo)函數(shù)，完成數(shù)據(jù)處理后，對(duì)該動(dòng)作進(jìn)行判定。如果斷定為危險(xiǎn)動(dòng)作，則發(fā)出警報(bào)，并給出該危險(xiǎn)動(dòng)作的干預(yù)方案。

1.3 設(shè)定智能監(jiān)測(cè)與報(bào)警模型參數(shù)

完成智能監(jiān)測(cè)與報(bào)警模型的初步建立后，對(duì)該模型的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，完善模型的監(jiān)測(cè)功能。以帶電作業(yè)中危險(xiǎn)動(dòng)作的數(shù)據(jù)變量為參數(shù)計(jì)算基準(zhǔn)。設(shè)每個(gè)危險(xiǎn)動(dòng)作的數(shù)據(jù)變量對(duì)前k個(gè)子塊的貢獻(xiàn)值T：

式中，pw為第w時(shí)間點(diǎn)的所有帶電作業(yè)動(dòng)作；pvw為第v行、第w時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，其中，v和w的取值均為1，2，…，k。將危險(xiǎn)動(dòng)作的數(shù)據(jù)變量代入殘差載荷矩陣，計(jì)算得出危險(xiǎn)動(dòng)作的數(shù)據(jù)的均值a為

式中，mean表示求取平均值。通過計(jì)算得出的a值作為矩陣的方差值，得出參數(shù)計(jì)算公式如下：

式中，L為帶電作業(yè)中危險(xiǎn)動(dòng)作的控制限量；gk為前k個(gè)子塊中，所有動(dòng)作數(shù)據(jù)構(gòu)成的危險(xiǎn)源特征參數(shù)，hk為在線重構(gòu)統(tǒng)計(jì)量；m k為危險(xiǎn)動(dòng)作的數(shù)據(jù)特征。通過設(shè)定好的參數(shù)計(jì)算當(dāng)前階段的控制限用時(shí)間和統(tǒng)計(jì)量，通過對(duì)被監(jiān)測(cè)帶電作業(yè)環(huán)境的各參數(shù)進(jìn)行分析，可以有效地做出危險(xiǎn)動(dòng)作的判定[6]。具體的判定流程：首先，對(duì)帶電作業(yè)動(dòng)作的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理；其次，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷是否超出預(yù)定的控制限量；最后，設(shè)當(dāng)前動(dòng)作的控制限量為S，其計(jì)算公式為

式中，I為數(shù)據(jù)變量的數(shù)量；Tk為該動(dòng)作數(shù)據(jù)在第k個(gè)子塊的貢獻(xiàn)值；Xk為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的危險(xiǎn)動(dòng)作數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。通過對(duì)比S與預(yù)定控制限量值，得出該動(dòng)作是否為危險(xiǎn)動(dòng)作的結(jié)論。判定方法：如果S值小于預(yù)定控制限量值，則該動(dòng)作被判定為非危險(xiǎn)動(dòng)作；如果S值大于預(yù)定的控制限量值，則該動(dòng)作被判定為危險(xiǎn)動(dòng)作，需要發(fā)出危險(xiǎn)警報(bào)。

1.4 制定危險(xiǎn)動(dòng)作安全防護(hù)干預(yù)措施

在完成對(duì)帶電作業(yè)中的危險(xiǎn)動(dòng)作監(jiān)測(cè)，發(fā)出危險(xiǎn)警報(bào)后，為給帶電作業(yè)人員提供安全防護(hù)，需要制定不同危險(xiǎn)動(dòng)作的安全防護(hù)措施[7]。不同危險(xiǎn)動(dòng)作的安全防護(hù)干預(yù)措施如表2所示。

表2 常見帶電作業(yè)危險(xiǎn)動(dòng)作安全防護(hù)干預(yù)措施

本文列舉出了幾種帶電作業(yè)中常見的危險(xiǎn)動(dòng)作對(duì)應(yīng)的安全防護(hù)干預(yù)措施。其中，需要注意的是斷開導(dǎo)線時(shí)，應(yīng)先斷開火線，再斷開地線[8]。在監(jiān)測(cè)與警報(bào)模型發(fā)出危險(xiǎn)報(bào)警信號(hào)后，根據(jù)信號(hào)類別的不同，向該帶電作業(yè)環(huán)境的中心控制系統(tǒng)發(fā)出干預(yù)信號(hào)，做出相應(yīng)的安全防護(hù)措施。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)說明及準(zhǔn)備

為驗(yàn)證本文提出的面向帶電作業(yè)人員安全防護(hù)的危險(xiǎn)動(dòng)作智能監(jiān)測(cè)與報(bào)警干預(yù)方法的可行性，設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試。為保證實(shí)驗(yàn)人員安全，本實(shí)驗(yàn)采取仿真人體模型代替真人方式進(jìn)行。以某帶電作業(yè)環(huán)境為例，將本文設(shè)計(jì)的危險(xiǎn)動(dòng)作智能監(jiān)測(cè)與報(bào)警裝置分別安裝在該作業(yè)環(huán)境中的各個(gè)位置，包括導(dǎo)電柜、電力開關(guān)、電纜箱、環(huán)網(wǎng)柜等設(shè)備。先在斷電的情況下將仿真人體模型擺放成不符合作業(yè)規(guī)范的危險(xiǎn)動(dòng)作狀態(tài)，再將仿真人體模型放置在該帶電作業(yè)環(huán)境中，檢驗(yàn)該模型是否能夠監(jiān)測(cè)出該危險(xiǎn)動(dòng)作并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

為驗(yàn)證本文方法的有效性，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與基于物聯(lián)網(wǎng)的帶電作業(yè)危險(xiǎn)動(dòng)作智能監(jiān)測(cè)與報(bào)警干預(yù)方法和基于BIM的帶電作業(yè)危險(xiǎn)動(dòng)作智能監(jiān)測(cè)與報(bào)警干預(yù)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

為了驗(yàn)證監(jiān)測(cè)方法的有效性，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)將所有危險(xiǎn)動(dòng)作劃分為五個(gè)等級(jí)，將安全距離不足的危險(xiǎn)動(dòng)作按照距離的遠(yuǎn)近進(jìn)行危險(xiǎn)動(dòng)作等級(jí)的劃分，危險(xiǎn)動(dòng)作等級(jí)越大，則說明該動(dòng)作危險(xiǎn)性越高。分別測(cè)試三種監(jiān)測(cè)方法對(duì)五個(gè)等級(jí)的危險(xiǎn)動(dòng)作監(jiān)測(cè)結(jié)果。為了降低實(shí)驗(yàn)誤差，實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行100次，取100次實(shí)驗(yàn)的平均值作為最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

設(shè)本文提出的面向帶電作業(yè)人員安全防護(hù)的危險(xiǎn)動(dòng)作智能監(jiān)測(cè)與報(bào)警干預(yù)方法為方法1，基于物聯(lián)網(wǎng)的帶電作業(yè)危險(xiǎn)動(dòng)作智能監(jiān)測(cè)與報(bào)警干預(yù)方法為方法2，基于BIM的帶電作業(yè)危險(xiǎn)動(dòng)作智能監(jiān)測(cè)與報(bào)警干預(yù)方法為方法3。監(jiān)測(cè)結(jié)果以是否發(fā)出危險(xiǎn)報(bào)警信號(hào)為判定指標(biāo)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 三種監(jiān)測(cè)方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，本文提出的監(jiān)測(cè)方法能夠準(zhǔn)確判定動(dòng)作是否為危險(xiǎn)動(dòng)作，而其他兩種方法均有概率判定錯(cuò)誤，發(fā)出錯(cuò)誤的報(bào)警信號(hào)。對(duì)于不同等級(jí)的危險(xiǎn)動(dòng)作，本文提出的監(jiān)測(cè)方法得出的監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確率較其他兩種方法高，平均準(zhǔn)確度達(dá)97.3%。在等級(jí)達(dá)到三級(jí)之后，能夠百分百識(shí)別出該動(dòng)作為危險(xiǎn)動(dòng)作，與真實(shí)結(jié)果高度一致。而其他兩種方法的監(jiān)測(cè)平均準(zhǔn)確度分別為72.2%和71.7%，準(zhǔn)確度均不如本文提出的方法。

由此可見，本文提出的面向帶電作業(yè)人員安全防護(hù)的危險(xiǎn)動(dòng)作智能監(jiān)測(cè)與報(bào)警干預(yù)方法能夠大幅度提高危險(xiǎn)動(dòng)作識(shí)別的精準(zhǔn)度。

3 結(jié)束語

本文提出的面向帶電作業(yè)人員安全防護(hù)的危險(xiǎn)動(dòng)作智能監(jiān)測(cè)與報(bào)警干預(yù)方法，能夠提高危險(xiǎn)動(dòng)作識(shí)別的精準(zhǔn)度，為實(shí)際生活中的帶電作業(yè)危險(xiǎn)動(dòng)作監(jiān)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。通過對(duì)危險(xiǎn)動(dòng)作進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)并報(bào)警，做出正確的干預(yù)，能夠有效提高帶電作業(yè)的安全性，保證作業(yè)人員的人身安全。