基于红外对射的井坑孔洞智能防坠落装置的设计

李志远，王玉财，李洋，邵李斌，邵卫星

（1.国网宁夏电力有限公司宁东供电公司，宁夏 灵武 750411；2.宁夏中创智能科技有限公司，宁夏 银川 750011）

0 引言

红外对射技术全称为“主动红外入侵探测器”，其基本的构造包括发射端、接收端、光束强度指示灯、光学透镜等。红外对射技术常用于物体侦测，其原理是红外发光二极管发射的红外射线经透镜聚焦后发射至接收端的光敏晶体管，以此形成射线通道。红外线是一种不可见光，所以不易被人或动物发现，一旦人或动物误入其射线通道，接收端红外线将被遮挡，接收到的红外线强度迅速衰减，从而实现预警功能。

近年来，随着经济社会的快速发展，红外对射技术被广泛应用于城市轨道交通[1]、安防报警[2-3]、教育培训[4]、燃气监测[5]、铁路防护[6]等领域。电力行业中，红外对射技术通常用于变电站的区域安防，文献[7]设计了一种光纤光栅周界入侵报警系统，同时与视频监控系统进行有效的融合和联动，实现了具有视频联动功能的光纤围栏入侵监测系统在变电站的应用。文献[8]设计了一种基于红外对射和视频监控的电子围栏，结合现场视频采集、声音报警和现场检修人员的手环振动提醒，实现对现场人员违章行为的信息存储、及时警告和制止，有效提高变电站现场作业区域的安全性。文献[9]介绍了一种变电站红外对射智能安全围栏，采用可推动式结构设计，方便装设，并结合主动式红外对射装置和报警装置，同步实现了声光报警、PC报警和APP报警，提高了变电站安防报警的实时性。但是，上述研究成果仅可用于规则区域的安全布防，对于不规则区域，尤其对井坑孔洞、电缆沟道等形状大小不一的不规则区域，上述研究成果均无法进行有效布防。为解决上述问题，设计了一种基于红外对射的井坑孔洞智能防坠落装置。

1 电力检修现场安全布防

目前电力检修现场常用的安全布防装置主要包含安全遮栏（围栏）、标示牌和自设安全标志。安全遮栏（围栏）用于隔离检修设备与运行设备，标示牌用于提醒作业人员作业现场存在或潜在的危险，自设安全标志为运维、检修（施工）人员根据工作需要装设的安全设施。

常用于井坑孔洞的安全遮栏（围栏）有伸缩式安全围栏、拉网式安全围栏和拉带式安全围栏，如图1所示，使用过程中“止步，高压危险”标志面向作业区域。

图1 常用的几种安全遮栏（围栏）

在部分设备停电检修时，通常采取“口袋式”布防原则，每一处“口袋式”布防的安全遮栏（围栏）只预留一个出入口，用于检修人员进入布防区域进行检修作业，而其余区域封闭任何人员不得跨越。同一个电气连接部分设备布局分散时（如避雷器、线路电压互感器等与主体设备不在同一区域），可按照空间分布分别设置安全遮栏（围栏），每个设备独立进行“口袋式”布防。

现场常见需布防的作业类型主要有单间隔检修、主变压器及其各侧检修、扩建工程施工等，常见作业类型的布防区域如图2至4所示。

图2 3/2接线线路及断路器检修时布防区域

图3 主变及其三侧断路器检修时布防区域

图4 变电站扩建间隔时布防区域

从以上几种常见的布防区域可以看出，不同的检修现场需布防的区域大小、形状均不相同，而现场针对井坑孔洞的布防更为困难，主要存在以下问题：（1）因检修场地复杂性，现场布设围栏，安置警示标志等较困难，后期拆除也费时费力；（2）无法对不同的井坑孔洞找到合适的遮蔽措施，防坠落措施不完善；（3）不同尺寸和数量的井坑孔洞需要的材料难统一，易出现布防不到位现象；（4）夜间作业尤其是光线不好时，安全遮栏警示效果不明显，检修人员坠落风险大。

2 不同工作区域布防原理设计

为适应不同工作区域布防，设计一种新型布防终端，终端集成发射器与接收器。发射器与接收器分别由不同电机控制，可改变发射器与接收器之间的夹角，实现不同终端间的红外对射，形成对射通道，从而实现对布防区域的有效监视，其原理如图5所示。

图5 控制器发送与接收

2.1 规则布防区域的实现方案

对于规则形状的布防区域，采用布防终端一一对射的方式完成封闭区域的布防，此时终端的发射器与接收器夹角为90°，其原理如图6所示。

图6 规则布防区域的实现方案

终端1—2、2—3、3—4通过红外进行对射，形成电子布防区域，而终端4的发射器关闭，终端1—4为检修通道出入口，检修人员可通过此通道进出布防区域进行检修作业。

上述布防边界区域（1—2、2—3、3—4）激光定位红光开启，提醒该区域为禁止穿越区域，一旦人员穿越上述边界区域，相应的红外通道被遮挡，触发接收端的控制器报警，进行声光报警提示：“前方危险，请勿靠近！”。随后利用无线模块将信息发给采集器，可实现告警远程监视。终端1—4之间的出入口，激光定位绿光开启，提醒该区域为可通行区域，并语音提示“检修人员由此进出”。

2.2 不规则布防区域的实现方案

对于不规则形状的布防区域，可通过终端自动调整发射器与接收器之间的夹角（此时夹角值不固定），实现布防终端的一一对射，形成封闭区域布防，其原理如图7所示。

图7 不规则布防区域的实现方案

终端1—2、2—3、3—4、5—1通过红外进行对射，形成电子布防区域，而终端4的发射器关闭，终端4—5为检修通道出入口，检修人员由此通道进出布防区。

上述布防边界区域（1—2、2—3、3—4、5—1）激光定位红光开启，终端4—5出入口激光定位绿光开启，终端4—5的边界区域激光定位红光开启，出入口处为绿光开启，语音提示与规则布防区域类似，实现对作业区域的实时监视。

2.3 电缆沟道布防区域的实现方案

由于控制器的红外发射功率有限，传输距离受限，对长距离的电缆沟道布防区域，普通的红外发射器件无法满足距离要求，可通过在长距离中间增加网络节点进行中继的方式来实现，其原理如图8所示。

图8 电缆沟道布防区域的实现方案

终端2—3为检修通道出入口，检修人员由此通道进出布防区。其中终端4、7、8是针对长距离区域红外发射功率不足时，增加的中继终端，各终端通过控制电机进行自动对射，形成封闭布防区域，实现对电缆沟道等长距离区域的布防。

3 系统结构及原理

3.1 系统控制结构

传统安全遮栏（围栏）采用的是“围”和“拦”的方式，智能型防坠落装置采取主动实时监测方式，变“被动”为“主动”。系统控制由9个模块组成：微型控制单元（控制MCU）、无线模块、电机驱动电路、红外收发模块、声光报警模块、激光定位模块、太阳能板、充电模块、显示模块。系统结构如图9所示。

图9 系统结构

控制MCU用于装置的程序控制，属于装置控制核心，控制各模块完成各项功能；无线模块用于各终端间的组网通信，并及时上传各终端数据及报警信息；电机驱动电路用于实现红外对焦电机的正反转和启停；红外收发模块用于红外线的发射和接收，一旦接收红外信号中断，及时上送信息至控制MCU；声光报警模块包含红绿灯、喇叭等报警电路，用于异常时声光报警；激光定位模块用于电子围栏的标记，起警示作用；充电模块用外接电源为装置充电；太阳能板用于白天为蓄电池充电，以延长装置续航；显示模块用于红外对射状态、遮挡状态、剩余电量等信息显示。

3.2 红外发射机制

为了抗干扰和低功耗，红外光的发射器采用红外二极管，默认串联两个红外发光二极管以保证发光强度足够强且功耗最低。由于红外光经发光二极管后，散射角度大，通过加装透镜保证了红外光的强度和传输距离，接收端也通过增加透镜来保证其接收灵敏度。

现场安装时，尽量保证本终端的发射器对准另外一终端的接收器，以提高自动红外对焦速度，经人工粗略对焦后的终端利用自动组网通信技术，通过控制电机正反转和自动调节发射器与接收器角度实现两终端间的自动对焦。

为了避免多个控制器之间的干扰，同一终端的发送器与接收器频率相同，而不同终端间的频率不同，以区分不同终端间的发射信号。不同的红外发射频率采用脉冲宽度调制技术（PWM波控制）实现，控制MCU通过控制红外二极管的通断，生成不同频率的PWM波。现场可根据实际布防情况，调节控制器上的两组拨码来调整红外光的发送和接收频率，同时可设置控制器编码开关来选择红外光发送功率，而接收终端根据自身拨码开关设置的频率与接收频率进行对比，滤除无用红外干扰。红外接收传感器可接收的频率范围为30～60 kHz。

3.3 红外对射自动对焦

装置在完成区域布防前，需完成终端间的组网，保证信息的可靠传输，因此设计了终端的红外自动对射模式。通过电机分别带动发射与接收端进行红外对射的自动调节，具体工作过程为利用电机转动改变发射器与接收器夹角，并不断检测接收器接收的红外线光强值，反复调节发射器与接收器角度，直至接收器接收红外光强最大时判断红外对焦完成，建立有效电子边界。当所有电子边界建立完成（除了检修通道口），电子布防区域部署完成。

一旦人员误入该布防区域边界，接收端接收红外光强迅速降低，接收侧终端开始声光报警，并将该异常信息通过网络传输至发送端，发送端同样也开启声光报警功能，实现边界防护，防止人员误入井坑孔洞，从而实现防坠落功能。

4 终端自动组网设计

装置在完成区域布防前，需完成终端间的组网，保证信息的可靠传输，因此，设计装置自组网模式，采取去中心化设计，任何一台布防终端开机的情况下均可作为主机进行组网。布防终端组网分为第1台终端建立网络或第N台终端加入网络两类情况。

4.1 第1台终端建立网络

装置初始化完成后，检查空间内是否已存在建立好的网络，若无网络存在，则自己作为01号主机，开始建立网络，其控制流程如图10所示。

图10 第1台终端建立网络软件流程

程序定时开启无线接收，检查附近是否有其他终端加入，如果有终端加入，则检查该终端的编号是否大于02号，并进行相应的编号处理。为了保证数据传输的可靠性，网络节点间需要数据互传，所以在接收到信号后需检查是否为自身所发送数据，若不是则进行转发；若为自身所发送数据，则需检查是否已完成红外对射调试，若红外对射未完成，则启动电机开展自动红外对焦。

4.2 第N台终端加入网络

当空间内已存在建立好的网络时，新开机的终端作为第N台终端加入网络，其控制流程如图11所示。

图11 第N台装置加入网络软件流程

首先，发送入网指令至01号主机，请求联网；然后，接收01号主机分配的编号N，并为自己匹配N对应的红外频率和密码编码，保证红外发射机信号的唯一性；最后，启动电机自动红外对焦，红外对射成功匹配后，停止电机，并发送成功指令至01号主机，完成组网。

5 应用及效果

将研发的基于红外对射的井坑孔洞智能防坠落装置应用于某110 kV变电站各类型检修过程中，以检验其实际应用情况。针对不同装置检修现场，分别采用传统安全遮栏（围栏）和本装置进行安全布防，结果如表1所示。

表1 不同布防区域的对比试验结果

试验表明，同一布防区域，智能防坠落装置布防时所需的设备数量比传统安全遮栏（围栏）布防时数量少，且布防时间短，规则区域布防可缩短58.3%的时间，对不规则区域和电缆沟道区域的安全布防优势更加明显，可分别缩短64.5%和71.8%的布防用时，大大提高了现场布防效率。

其次，从人员误入和恶劣天气2种情况对该智能防坠落装置的可靠性进行了测试，试验100次，现场试验结果如表2所示。

表2 不同布防区域的对比试验结果

试验表明：智能防坠落装置人员误入时现场报警准确率可达100%。受雨雪等恶劣天气影响时，存在误报警情况，但是正确率仍达到99%，可靠性较高，满足现场应用需求。

此外，该智能防坠落装置进行了防水密闭处理，防水等级为IPX6，满足恶劣天气应用要求。自带太阳能电池板，续航能力强。装置底座采用三角结构的稳固设计，且锂电池置于下方，重心较低，现场应用中具有良好的防风稳固性能。

6 结论

设计开发了一种基于红外对射的井坑孔洞智能防坠落装置，该装置利用自组网技术实现信息互通，通过电机控制实现红外线的自动对焦，形成任意形状的布防区域，实时监视，一旦人员靠近井、坑、孔、洞时，及时提醒人员远离危险点。现场应用表明，该装置布防便捷，节约了布防时间，具有较高的可靠性，满足现场作业需求，有效降低了人员坠落井、坑、孔、洞风险。