基于智能感知互聯(lián)系統(tǒng)的電力高處安全作業(yè)保障技術(shù)研究

吳旭光 林權(quán)威 朱昌毅 陳 昌 許鵬鵬

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司平陽縣供電公司）

0 引言

電力系統(tǒng)的檢修作業(yè)、維護(hù)等工作具有移動性、緊迫性等特點(diǎn)，對高處作業(yè)安全保障提出很高要求。目前電力系統(tǒng)中危險(xiǎn)作業(yè)區(qū)（如高壓鐵塔作業(yè)、變電站一次部分帶電巡檢作業(yè)、高壓線巡檢作業(yè)等）的操作安全效率有待提高［1］。為提高電力系統(tǒng)安全作業(yè)管理水平，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場作業(yè)人員體征數(shù)據(jù)預(yù)警提示和遇險(xiǎn)呼救定位功能，方便重大搶險(xiǎn)作業(yè)的現(xiàn)場指揮、監(jiān)測，同時(shí)對重大作業(yè)現(xiàn)場音頻資料進(jìn)行保留和提取，方便作業(yè)案例分析及工作總結(jié)，本文提出研制適用于電力系統(tǒng)高處作業(yè)智能通信系統(tǒng)。

目前應(yīng)用于安全作業(yè)領(lǐng)域的通信方式主要包括：（1）對講機(jī)：該類通訊設(shè)備目前大量應(yīng)用于安全作業(yè)領(lǐng)域，起到了很好的作用［2］。但缺點(diǎn)也顯而易見：只能一對多通話，通話時(shí)需工作人員占用雙手操作。（2）國外內(nèi)通系統(tǒng)［3］：一般此類產(chǎn)品僅有多方通話的單一功能，同時(shí)其設(shè)備的價(jià)格也難以被工程單位接受。（3）軍用作戰(zhàn)內(nèi)通系統(tǒng)［4］：該類產(chǎn)品一般品質(zhì)要求很高，保密性也很強(qiáng)，但并不太講究舒適性。其單兵系統(tǒng)較重，同時(shí)除了音視頻通信功能外，一般集成多項(xiàng)測控?cái)?shù)據(jù)，價(jià)格昂貴［5-9］。

本文提出并研制開發(fā)了電力系統(tǒng)安全作業(yè)智能感知互聯(lián)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)以下內(nèi)容［10-11］：

（1）無需網(wǎng)絡(luò)，開機(jī)無線耳麥自動注冊主機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)通話半徑不低于500m，實(shí)時(shí)無線雙工語音通話功能；

（2）在高處作業(yè)環(huán)境，與安全帽直接佩戴，解放雙手，具備實(shí)時(shí)雙工通話、錄存、播放、下載等功能（單機(jī)標(biāo)準(zhǔn)配置，可增容至16方實(shí)時(shí)雙向語音通話）；

（3）單機(jī)可增配智能手環(huán)（心率、血壓、血氧、體溫、定位），實(shí)時(shí)監(jiān)測作業(yè)人員上述指標(biāo)，報(bào)警提醒作業(yè)人員身體不適（報(bào)警閥值可設(shè)置），保證高處作業(yè)人員人身安全；

（4）產(chǎn)品自帶鋰電池，滿足連續(xù)不低于10h通話續(xù)航時(shí)間，提供多種充電接口（市電、車載、USB）；

（5）無線傳輸功率小、低輻射、安全，適用于各類高處作業(yè)環(huán)境。

本文首先介紹了所研制的電力系統(tǒng)安全作業(yè)智能感知互聯(lián)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和總體設(shè)計(jì)，其次介紹了該系統(tǒng)各組成部分的設(shè)計(jì)原理和具體實(shí)現(xiàn)方式，重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)中應(yīng)用的無線通信技術(shù)及設(shè)備選型，最后介紹了該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能、特點(diǎn)及應(yīng)用場合。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及總體設(shè)計(jì)

本文提出的電力系統(tǒng)安全作業(yè)智能感知互聯(lián)系統(tǒng)主要由全雙工通信單元和人體體征實(shí)時(shí)監(jiān)測單元組成，如圖1所示。

圖1 全雙工通訊的整體結(jié)構(gòu)

所謂雙工通信就是指移動通信雙方可同時(shí)進(jìn)行發(fā)信和收信。這時(shí)收信與發(fā)信必須采用不同的工作頻率稱為頻分雙工FDD。

發(fā)送設(shè)備：將所要傳送的信號首先對載波信號進(jìn)行調(diào)制，形成已調(diào)載波；已調(diào)載波信號經(jīng)過變頻（有的發(fā)射機(jī)不經(jīng)過這一步驟）成為射頻載波信號，送至功率放大器，經(jīng)功率放大器放大后送至天線，一種短波發(fā)信機(jī)的組成框圖如圖2所示。

圖2 短波發(fā)信機(jī)的組成框架圖

接收設(shè)備：主要作用是把天線接收下來的射頻載波信號，進(jìn)行低噪聲放大，然后經(jīng)變頻、中頻放大和解調(diào)后還原出原始信號，最后經(jīng)低頻放大器放大輸出。一種短波收信機(jī)的組成框圖如圖3所示。

圖3 短波收信機(jī)的組成框架圖

本系統(tǒng)不依賴外界網(wǎng)絡(luò)，獨(dú)立自組局域通訊鏈路，實(shí)現(xiàn)半徑500m的雙工通話距離，具有卓越的音質(zhì)，具有體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠完全適應(yīng)塔上、變電站內(nèi)等各種作業(yè)工況。主要由雙工通話單元和人體體征實(shí)時(shí)監(jiān)測單元組成。

雙工通話單元：由主機(jī)麥和4只無線副耳麥組成。無線耳麥內(nèi)包含有無線語音通信管理模塊，語音轉(zhuǎn)換模塊（包含有無線收發(fā)部分，音頻輸入部分，音頻輸出部分），音頻放大器，揚(yáng)聲器及麥克風(fēng)接口，無線耳麥內(nèi)包含微型話筒、喇叭，無線信號收發(fā)裝置，鋰電池等，主耳麥與副耳麥一起組成一套五方通話系統(tǒng)。通話系統(tǒng)采用不易干擾的數(shù)字頻段，支持同一場地可使用多組無沖突，應(yīng)用了自動跳頻技術(shù)，保證通話的清晰，不受附件頻段的其他通訊工具的干擾，同時(shí)采用64位的編碼方式，數(shù)字?jǐn)U頻技術(shù)，確保通話的保密性。滿足帶電檢修作業(yè)、輸電線路檢修作業(yè)，變電站檢修作業(yè)等使用環(huán)境。

人體體征實(shí)時(shí)監(jiān)測單元：由主機(jī)自帶電腦和智能手環(huán)組成。人體體征主要監(jiān)測：心率、血壓、血氧、體溫、定位。監(jiān)測數(shù)據(jù)可設(shè)置報(bào)警閥值。

本系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)遵循的技術(shù)路線是：

（1）項(xiàng)目需求分析

對電力高空作業(yè)工作現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行實(shí)地調(diào)研分析，提出無線多方通話系統(tǒng)的技術(shù)要求，制定具體技術(shù)方案。

（2）系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

主要由主機(jī)終端、智能手環(huán)和藍(lán)牙耳麥組成，其工作原理是：用戶佩戴藍(lán)牙耳麥，與終端通過藍(lán)牙無線傳輸話音；多個(gè)終端之間通過專用無線建立一個(gè)遠(yuǎn)距離通信網(wǎng)絡(luò)，從而使多個(gè)遠(yuǎn)距離的用戶可像面對面一樣的通話。智能手環(huán)（心率、血壓、血氧、體溫、定位），實(shí)時(shí)監(jiān)測作業(yè)人員上述指標(biāo)，報(bào)警提醒作業(yè)人員身體不適（報(bào)警閥值可設(shè)置），保證高處作業(yè)人員人身安全。

（3）研究多重降噪技術(shù)

最大程度的避免風(fēng)聲等環(huán)境噪聲的干擾，同時(shí)根據(jù)環(huán)境自動調(diào)節(jié)耳麥的音量，保證語音的清晰。

（4）研究自動跳頻技術(shù)

用碼序列進(jìn)行多頻頻移鍵控的通信方式，多套設(shè)備可同時(shí)工作互不干擾，從而保證通話的清晰，不受附件頻段的其他通訊工具的干擾。

（5）系統(tǒng)測試

根據(jù)相關(guān)國標(biāo)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對整套系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地測試、高低溫、電磁環(huán)境等多方面測試，并根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)一步完善無線多方通話系統(tǒng)。

（6）試點(diǎn)應(yīng)用

在作業(yè)現(xiàn)場對本項(xiàng)目研究成果進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用，對系統(tǒng)通訊的可靠性、實(shí)時(shí)性、抗干擾能力等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行全面測試，在各種實(shí)際作業(yè)下進(jìn)行試運(yùn)行，并根據(jù)運(yùn)行結(jié)果進(jìn)一步完善該系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)主要設(shè)備的設(shè)計(jì)和選型

2.1 現(xiàn)場人員體征信息采集單元

該單元的核心設(shè)備是前端的智能手環(huán)，實(shí)時(shí)、定時(shí)采集／記錄作業(yè)人員血壓、心率等體征信息，生成曲線圖，曲線走勢圖加對比區(qū)間直觀四大體征信息。后臺系統(tǒng)自動監(jiān)測、分析數(shù)據(jù)，異常觸發(fā)告警，解除作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 無線通話傳輸技術(shù)

（1）建立了強(qiáng)電磁場環(huán)境下的無線多跳自組網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)等電位作業(yè)人員與地電位人員間的語音、體征等信息的交互傳輸，研制一種帶電環(huán)境下的無線音視頻通信設(shè)備以及基于無源傳感器的人體體征監(jiān)測裝置，實(shí)現(xiàn)了1000m范圍內(nèi)信息的有效通信。

（2）建立了超／特高壓強(qiáng)電磁場環(huán)境下的無線多跳自組網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)是沒有基站等中心轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，各移動主機(jī)均具備路由和轉(zhuǎn)發(fā)信息等功能；采用基于AODV、DSR和DSDV3種不同的協(xié)議構(gòu)成分組式網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了音、視頻信號分頻傳輸；采用自動跳頻技術(shù)，避免了不同信息間的串頻干擾，提高了等電位人員與其他人員間的通話質(zhì)量。

（3）多重降噪技術(shù)，最大程度的避免風(fēng)聲等環(huán)境噪聲的干擾，同時(shí)根據(jù)環(huán)境自動調(diào)節(jié)耳麥的音量，保證語音的清晰。

（4）自動跳頻技術(shù)，用碼序列進(jìn)行多頻頻移鍵控的通信方式，多套設(shè)備可同時(shí)工作互不干擾，從而保證通話的清晰，不受附件頻段的其他通訊工具的干擾。

2.3 監(jiān)測部分

獨(dú)立系統(tǒng)：搭載雙4G高性能平板，2K高分辨率、高色域顯示（2000x1200），獨(dú)立系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)：

（1）實(shí)時(shí)存儲錄音，一鍵編輯、調(diào)取數(shù)據(jù)。

（2）記錄作業(yè)時(shí)間、位置信息。

智能感知：

（1）實(shí)時(shí)／定時(shí)采集／記錄作業(yè)人員血壓、心率等體征信息，生成曲線圖。

（2）系統(tǒng)自動監(jiān)測、分析數(shù)據(jù)，異常觸發(fā)告警，解除作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

（3）實(shí)時(shí)定位，主機(jī)還原定位信息；當(dāng)?shù)靥鞖鈱?shí)時(shí)可看，作業(yè)軌跡可尋。

3 系統(tǒng)功能及特點(diǎn)

本系統(tǒng)具有如下功能與特點(diǎn)：

（1）雙工通話系統(tǒng)傳輸方式的確立：采用2.4GHz數(shù)字技術(shù)和自動跳頻技術(shù)；支持同一場地使用多組無沖突，不受附件頻段的其他通訊工具的干擾。

（2）人體體征實(shí)時(shí)監(jiān)測單元，數(shù)據(jù)采集、超閥值報(bào)警；提醒作業(yè)人員身體不適。

（3）通話不依賴外界網(wǎng)絡(luò)。獨(dú)立自組局域通訊鏈路，實(shí)現(xiàn)半徑500m的雙工通話距離。

（4）采用UHF數(shù)字技術(shù)和自動跳頻技術(shù)，不受附近波段頻率其他能訊工具的干擾；多重降噪技術(shù)，避免風(fēng)聲等環(huán)境噪聲的干擾，同時(shí)根據(jù)環(huán)境自動調(diào)節(jié)耳麥的音量，保證語音的清晰。

（5）適用于高處作業(yè)。與安全帽直接佩戴，解放雙手；無線傳輸功率小、低輻射、安全。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合電力系統(tǒng)實(shí)際工作特點(diǎn)，特別針對高空作業(yè)、野外應(yīng)急搶修等高危工作場合提出并研制了高處作業(yè)智能感知互聯(lián)系統(tǒng)，采用無線耳麥設(shè)計(jì)，適合高空作業(yè)，解放操作者的雙手，使其工作更安全、更高效，作業(yè)人員體征數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，超閥值報(bào)警。能夠?qū)崿F(xiàn)雙向語言對講，及時(shí)通訊，實(shí)時(shí)互動，通話效果能分辨出個(gè)人語音差別；連接方式為免注冊，信號自動恢復(fù)連接；應(yīng)用自動跳頻技術(shù)，收發(fā)雙方傳輸信號的載波頻率按照預(yù)定規(guī)律進(jìn)行離散變化的通信方式，從而保證通話的清晰，不受附件頻段的其他通訊工具的干擾。

該項(xiàng)目研究成果解決輸配變電高空作業(yè)現(xiàn)場人員溝通方式中存在多種弊端，提高了高空作業(yè)現(xiàn)場的工作效率，節(jié)約了時(shí)間成本；系統(tǒng)采用無線全雙工數(shù)字對講技術(shù)研制而成，具備全雙工通話功能，可用于現(xiàn)場多人通話，免按鍵，免費(fèi)通話，節(jié)約了使用成本；超長待機(jī)，易于使用，方便攜帶，并且傳輸距離遠(yuǎn)，一次投入，長久使用。專為電力高空作業(yè)設(shè)計(jì)，使工作更安全、更高效，為提高電力系統(tǒng)安全作業(yè)管理和技術(shù)水平提供有力的支持，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值和市場應(yīng)用前景。