基于物联网技术的激光清障设备安全操作管控系统的应用

刘乙霖

（晋能控股山西科技术研究院有限公司同大科技研究院 山西 大同 037003）

1 引言

基于物联网激光清障装置智能管控系统是从技术层面和管理层面对远程诊断技术进行限制性使用的重要手段，其体现的作用主要是为了防止发生意外事故，包括以下事故：人身伤害事故，激光直射人眼或皮肤，造成人身伤害；消防事故，激光直射易燃易爆物，造成物品爆燃起火，导致火灾事故；激光清除异物时，异物起火后掉落，引燃线路下方易燃物，引发火灾。从诊断到处置，使用嵌入指纹识别技术，全流程的审批授权，专人专用，专人专管，提升检修工作的安全管。从而实现远程、非接触式、可带电作业的异物清除方法，同时针对激光清障装置进行出光角度、热感应阻断等安全技术管控，提高架空线路异物清除工作效率，降低维护成本，减轻作业人员工作强度和作业风险，确保输电网络安全可靠。

2 基于物联网技术的激光清障设备安全操作管控系统的组成结构

基于物联网激光清障装置智能管控平台是从技术层面对激光清异设备进行限制性使用的重要手段，其体现的作用主要是为了防止发生人身伤害、消防事故[1]。因此根据只有经过有限授权的合法人员可以操作设备等原则，设计的安全管控系统整体系统架构如图1所示。该系统主要分为权限管控、安全防护、过程管控三个方面。

图1 安全管控系统架构

权限管理主要通过信息管理系统的手段管理设备的使用权限，保证只有合法的人员才能在合法的授权条件下使用激光清洁器；

安全防护主要从姿态限制、作业人员防护装备等方面进行安全防护；

过程控制主要关注操作中的过程控制和意外控制，其实现手段主要基于电子、计算机、通信、自动化控制技术。

同时，激光清扫装置的切割面积小，发热能量集中，切割异物和数据时，一般不会起火。但是，为了防止火灾的可能性，清障结束后，如果清障残骸没有被拿走，就会被要求用水浇湿残骸。另外，设备箱里有投掷式的粉末灭火球，可以用于火灾的迅速灭火[2]。

除400 nm至700 nm波长范围内发射不超过2级激光产品AEL值5倍的3B类激光产品外，属于4级和3B级的任何激光系统必须安装一个用钥匙操作的总开关。[3]

密钥的所有权和使用权作为权限控制的手段之一，也是安全管理的重要内容。本项目设计了设备启动密钥，该密钥可以在激光不使用时取下，必须通过该密钥打开激光电源。设备上电时，不能拔出密钥。同时，该装置设有急停按钮。当设备在清洗过程中出现问题或不可控因素时，操作人员可按下急停按钮停止激光发射。远程授权和远程监控两个模块一起使用。管理者通过远程监控数据，对设备状态、环境状况、人员等信息做出基本判断。根据管理者的判断，决定是否授权使用者。

3 基于物联网技术的激光清障设备安全操作管控系统的工作原理

由于输电线路中的异物大多在高空，因此异物清除设备在清除异物时会从地面斜向上发射激光束。因此，将激光出口的高度和方向限制在一定范围内，在大多数情况下可以避免安全风险。

电网异物激光清洗机的使用安全主要涉及人身安全和消防安全。主要对人的眼睛和皮肤有害。直接接触人眼会导致视力下降甚至失明，而直接接触皮肤主要会造成热烧伤。在电网异物激光清洗机的实际使用中，大部分情况下激光束都是斜向上发射的。正常情况下，人体高度≤2 m。因此，控制激光束在2 m以上，使激光束在工作时始终高于人体头部可到达的高度，可以保证激光束在大多数情况下处于人体无法到达的位置。考虑到增加一定的余量可以进一步提高安全性，将高度限制设计为2.5 m。

异物激光清障装置在正常架设的情况下，发射头旋转轴距地面的高度为1.35 m，旋转轴轴心到出光口的距离可变，通过延长出光筒的长度可以保证2.5 m的高度。仰角的角度一般在60°以上，很少低于45°，所以仰角设计为最低45°。

此外，通常用激光去除异物时，无需大幅调节角度。在安全控制系统中，增加了角度传感器，在申请投光后，取得异物的距离和图像信息，根据图像信息计算异物的尺寸，计算头部应该旋转的角度范围并显示在显示器上，由此限制角度的旋转范围，见图2。

图2 角度安全限制区域

安全控制系统收集并上传设备电量、环境温度、湿度、设备内部温度、出光功率、出光角度、作业人员信息、作业时间等基本状态量，实现基础状态信息的远程监控，便于管理员评价设备状态的管理。

基于姿势限制的光束方向限制可以确保大多数情况下的激光使用安全。基于超声波的探测器主要探测和识别静态情况下的人和物，并加以注意。为了进一步加强安全控制，在清除异种设备光线的状态下，如果在附近的光路附近突然侵入人，安全控制系统会发出入侵警报并停止光线。这个功能是使用热释电红外线传感器实现的见图3。

图3 热释电红外探测入侵原理

一般的热释电红外线检测传感器只能检测移动的人体，不能检测静止状态的人体。本文采用了松下的红外线阵列传感器GRID-EYE。该传感器不仅可以检测动态人体，还可以检测静态人体，在出光前和出光过程中可以对前方扇形安全防护区域进行人体检测。安全防护区域有人兽或突然入侵时，可以启动安全联锁控制，发出警报停止或禁止出光，见图4。

图4 基于热释电红外探测的安全防护扇形区域

激光清障器需携带至输电线路现场使用，作业所在地往往都是深山密林，如采用普通的物联网方式，在公网通讯情况较差或没有信号的地带，就无法将设备所在位置传回管控平台，同时也无法进行远程授权。为防止此类情况的发生，本项目研制的激光清障装置采用北斗卫星芯片进行定位，同时采用NBloT窄带物联网技术，实现低功耗高频次物联网通讯，能够在公网信号较差的地区保持通讯，传回激光清障装置定位信息。本文激光清障装置上采用的NB-IoT通讯芯片通过180 kHz的License频段通讯，具备增强20 dB的高穿透覆盖，能够穿透铁板、水泥板，甚至可在下水管道中使用。功耗低，配备的210 mAh电池可支撑使用近10年。配备NB-IoT芯片的激光清障装置能够在各种环境下传输回设备的定位信息，同时进行远程授权等业务，实现激光清障设备的物联网平台管控，见图5。

图5 NB-lot和北斗模块接口结构示意图

NB-IoT模块通过串口与北斗定位模块进行数据交换，通过外部中断接口同激光阻断模块通信。当未进行清障任务时，NB-lot模块处于待机状态，只根据周边基站信号接收情况判断是否发生明显位移，发生明显位移启动北斗定位芯片确认并后台告警。待机状态下可使用本身自带电池维持10年。当收到清障任务信息后，启动北斗定位模块，根据任务范围划定电子围栏，任务期间记录路径信息及停留时间。北斗定位精度可达亚米级。当定位坐标偏离任务电子围栏区域后对后台进行告警。接到后台反馈位置信号后上传位置信息。当清障作业开始时，接受到后台远程授权后，设置激光阻断模块为通路，开始作业。当接受到后台指令或监测到设备发生位移时，立即中断激光阻断模块，避免因人为误操作造成事故。

4 应用实例

2019年1月6日在晋能控股煤业集团有限公司110 kV矿区输电线路坊四线，35 kV四岩线等11条线路进行试点应用，系统主界面见图6。

图6 系统主界面

当在线监测系统发现异物搭挂、树障等异常后发出告警，可以指派人员设备对异常情况进行处置。同时授权给出质人使用激光清障设备的权限。异物清除后生成填写处置报告，完成整个处置流程。期间可通过地图查看激光设备所在位置，能够远程授权使用激光炮，使用激光设备前指纹识别操作员权限。试点应用期间共处置7次树障及异物隐患，处置高效安全。相对于人工清障来说，时间效率提升5倍，节约清障费用5.6万元，避免因事故造成的经济损失超过68万元。

5 结论

激光清障器具有一定杀伤力，使用不当会导致人身和财产损失。故本文主要研究激光清障器安全管控技术，并建立集在线监测、异常识别诊断和处置、激光清障派单为一体的物联网智能管控系统。系统的应用能够减少停电申请、审核、审批流程，节省大量的人工时间，加强供电安全稳定性。提高异物清除作业安全性，降低劳动强度，避免运检工作中人员伤亡事故，增强基层人员的安全保障，提高工作人员的工作积极性。