配电站房扫码门禁系统设计与应用

任 建,苏建华,赵 剑,蒋若何,叶 斌

(宁波送变电建设有限公司永耀科技分公司,浙江 宁波 315000)

0 引言

配电网是新型电力系统的关键组成部分。大量建成的开关站、配电站房作为配电网的关键节点,需要具备更强的接入能力、承载能力和自知自愈能力。当前,配电站房安装着大量中低压一次电气设备,并且这些设备经常处于无人值守状态[1]。配电站房的门禁系统正面临接触性磨损、维护性差、安全性低等发展瓶颈[2-3]。配电站房的日常巡视和出入安全管理对现有门禁系统提出了更高要求[4-5]。

传统的金属钥匙耦合性很强,使得配电站房的安全得不到有效保障[6-7]。许多供电所采用了集成电路 (integrated circuit,IC) 卡门禁系统[8]。但是IC卡门禁系统容易出现卡片信息被盗或被复制的问题[9],并且无法记录人员进出配电站房的准确时间,存在较大的缺陷[10]。另外,巡视人员需要随身携带门禁卡。如遇到不同厂家的门禁时,巡视人员需要携带多张门禁卡。若门禁卡丢失而没有及时挂失,会给配电站房带来极大的安全隐患。在新型电力系统建设背景下,传统的配电站房门禁系统已经不能满足当前配电站房设备维护和巡检管理的需求[11-12]。

针对以上问题,本文设计了1种新的基于扫码开门控制技术的配电站房扫码门禁系统。该系统对现有门禁设备进行改进,在原门禁设备中嵌入舵机和继电器,并进行通信模块集成研制、远程控制协议设计以及移动应用软件研发。同时,本文研发了丰富的接口以快速实现与供服系统、工单管理等其他业务系统的对接,满足配电站房对门禁系统的多元化应用需求。该系统可以有效解决配电站房出入管理不方便和存在安全隐患的问题。

1 架构设计

1.1 总体设计

本文对传统门禁系统进行改进,设计并研发了1种新的扫码门禁系统。该系统包括硬件和软件2个部分。其中,硬件部分在机械门锁内部增加舵机、继电器和通信模块,具有远程通信、接收和执行指令功能。软件部分开发移动应用,以远程开锁控制指令为基础。其通过手机扫描站房铭牌上的二维码使手机端软件下发控制指令到现场门禁主机,由门禁主机继电器控制门锁自动打开。

结合配电站房的安全管理需求,扫码门禁系统需要整合多个功能模块。本文以前端的感知设备为基础,研发1套集成度和数字化程度高的扫码门禁系统,以满足配电站房统一的身份识别、异常报警和出入管理等系统需求。

配电站房扫码门禁系统主要采用智能安防运维服务整体应用架构。该系统以远程控制和数字图像处理技术为核心,对配电站房的人员出入进行安全管理。另外,该系统结合了人脸识别、佩戴安全帽、柜门异常打开、电子围栏等人工智能(artificial intelligence,AI)识别算法,为配电站房提供一站式监测管理服务,从而助力供电所提质增效。

配电站房扫码门禁系统总体架构如图1所示。

图1 配电站房扫码门禁系统总体架构Fig.1 Overall architecture of scan code access control system for distribution station rooms

1.2 系统拓扑

配电站房扫码门禁系统由前端系统、传输网络和监控中心这3个部分组成。各部分设计如下。

1.2.1 前端系统

前端系统包括视频监控、在线监测、可视门禁环境监控报警(含环境监测、智能控制、安消报警)系统,主要对开关站、配电室现场音视频及各种环境进行信息采集、处理等,并通过边缘物联代理装置汇聚后进行数据上送。其中,边缘物联代理装置是前端系统的核心,对所有子系统进行集中接入。视频监控系统由可见光监控子系统、轨道机监控子系统、热成像监控子系统组成。视频数据存储到边缘物联代理装置的存储模块。在线监测系统由在线测温子系统和在线听诊子系统组成。信息储存在边缘物联代理装置中。环境监控报警系统由环境监测子系统、智能控制子系统、安消报警子系统等组成,并通过输入/输出(input/output,I/O)、4～20 mA、RS-485等串口通信方式接入边缘物联代理装置,以实现环境数据采集、报警信号输入、控制信号输出等。门禁可视对讲系统由人脸识别一体机、远程开门门锁组成,主要实现进出开关站、配电站房人员的管控。

1.2.2 传输网络

配电站房扫码门禁系统承载于光纤专网或4G/5G网络,用于前端边缘物联代理装置与平台之间的通信。前端系统的遥视、遥测、遥信数据可通过传输网络上传至平台,供指挥中心监控人员进行统一监控。

1.2.3 监控中心

监控中心部署的设备包括监控平台服务器和工作站。其中:监控平台服务器主要负责所有配电站房扫码门禁系统的数据汇聚和应用管理;工作站主要按照不同的工作职责对相关的人员进行授权,并对扫码门禁系统采集到的现场环境和进出信息进行管理。同时,监控中心能够与配电网自动化等电网主站系统进行通信,从而实现可视化操作的复核。

2 远程控制门锁装置设计

2.1 硬件设计

本文研究并设计了1种新的配电站房远程控制的门锁装置。门锁装置总体结构如图2所示。

图2 门锁装置总体结构Fig.2 Overall structure of door locking device

远程控制门锁装置采用STC89C51单片机作为控制核心、伺服马达作为驱动。门锁装置通过接收手机应用下发的二维码开锁控制指令,由门禁主机继电器控制门锁自动打开。同时,系统还会实时显示锁具的当前状态,并将开锁信息实时传输到监控中心。

锁舌工作原理如图3所示。

图3 锁舌工作原理Fig.3 Working principle of locking tongue

配电站房远程控制门锁装置的机械部分由舵机(O)、锁舌(A、B、C、D)、防盗锁舌(A’、B’、C’、D’)和弹簧等部分组成。其中,锁舌和防盗锁舌一上一下重叠,通过1根30 mm的弹簧控制2个锁舌的位置。弹簧两端分别夹在锁舌上直径为5 mm的圆形固定螺钉P和P’上,以便固定弹簧使其始终处于压缩状态。2个锁舌上分别有1个长方形孔EFHG和E’F’H’G’。2个孔的长、宽分别相等,初始状态即门锁处于常规锁时,2个孔横向重合。2个孔的公共部分E’F’HG为安装舵机处。该舵机上安装有1个销子,用于舵机转动时推动2个锁舌在前后方向相对运动,以完成开关门的控制。

2.2 门禁控制器远程开锁控制协议

门禁控制器基于MODBUS协议进行统一标准的通信协议设计,实现远程控制自动开门、远程开门授权等功能。

系统启动MODBUS事务处理客户机,创建MODBUS应用数据单元。开锁控制功能码向服务器提供指示,以明确执行何种操作。MODBUS协议建立了客户机启动的请求格式,用1 B编码实现MODBUS数据单元的功能码域。当从客户机向服务器设备发送报文时,功能码域通知服务器执行相应操作,通过在功能码中加入子功能码来定义、实现多项操作。

从客户机向服务器设备发送的报文数据域包括附加信息。服务器使用该附加信息执行功能码定义的操作。当数据域不存在数据时,服务器无需任何附加信息。功能码仅说明操作MODBUS协议定义了1个与基础通信层无关的协议数据单元(protocal data unit,PDU)。特定总线或网络上的MODBUS协议映射能够在应用数据单元(application data unit,ADU)上引入一些附加域。远程开锁控制规范涵盖可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)、人机界面(human-machine interface,HMI)、I/O等。

远程开锁控制规范如图4所示。

图4 远程开锁控制规范Fig.4 Remote unlocking control specification

远程控制门锁装置利用单片机可靠的控制能力,对传统的机械锁作出了改进和优化,并提供了一些改良思路,如提供了远程开锁的授权和控制能力等。远程开锁控制协议由同步字、类型字、信息长度、信息内容、校验字组成。其中,同步字定义为55775755、类型字定义为21、信息长度定义为0004、信息内容定义为Open、校验字定义为从同步字开始到信息内容的二进制数据取异或操作。

3 基于人脸识别的AI算法模型设计

由于配电站房环境比较恶劣,人脸的角度和采光度各不相同。采用人脸识别智能算法要进行图像预处理,以去除采光的影响。因此,整个人脸图像识别分为预处理和图像识别2个步骤。首先,算法进行图像预处理以消除采光对人脸识别的影响。其次,人脸识别采用多任务卷积神经网络(multi task convolutional neural network,MTCNN)实现。MTCNN是1种多任务级联网络,由候选网络、细化网络和输出网络等卷积神经网络组合而成。

图像预处理采用仿射变换和图像纹理处理等操作实现。仿射变换是基于人脸检测的关键点特征,获得人脸关键点与模板关键点的矩阵变换,并将结果作为校正的图像。其本质是将检测到的关键点坐标映射到已有模板的关键点坐标,以实现图像校正。常见操作包括平移、旋转、缩放等。图像纹理处理是根据传统图像处理的伽马校正、滤波处理和对比度均衡等处理方法提取图像纹理特征。

人脸检测过程主要分为生成图像金字塔、候选网络、细化网络和输出网络等4个步骤。

①生成图像金字塔。图像金字塔通过图像缩放操作实现,对原始人脸图像进行多尺度展示。图像缩放包括尺寸minsize和金字塔层数resize_factor。minsize指原图中要检测的最小人脸尺寸。resize_factor指在图像金字塔中依次选取的尺寸大小。

②候选网络。候选网络指将生成的图像金字塔生成大量基于不同尺寸的候选框。候选网络由3个卷积层以及1个池化层组成。池化层放在第一个卷积层的后面。候选网络使用边框回归和面部关键点的定位器进行人脸区域的初步提取,同时使用非极大值抑制(non maximan suppression,NMS)算法对有过高重叠度的候选区域进行合并。

③细化网络。细化网络以候选网络的输出作为输入,从而进一步筛选候选框。该网络使用传统卷积神经网络。其与候选网络不同的是,卷积层最后增加128维的全连接层,以筛除大多数候选框,输出3个全连接层。

④输出网络。输出网络的基本结构同样是卷积神经网络。其在细化网络基础上增加了卷积层。输出网络的输出将作为对原图像进行人脸检测的结果,采用48×48尺寸的三通道图像作为输入。4个卷积层、3个池化层以及1个全连接层输出检测后候选框的检测置信度、候选框坐标以及人脸关键点坐标。

人脸识别作为扫码门禁系统的重要组成部分,能够自动检测和识别出入配电站房人员的人脸特征。系统可以代替人工自动监控现场的人员进出情况,识别出未经授权的可疑人员,从而大幅提高配电站房的安全性和预警能力。

4 设备统一编码和数据建模

设备编码方案采用电子产品编码(electronic product code,EPC)规则。EPC是一种编码系统。其建立在欧洲产品编码(European article numbering,EAN)统一代码委员会(uniform code council,UCC)条型编码的基础上,并对该条形编码系统作了一些扩充,以实现对单品的标志。EPC的目标是为每个物理实体提供唯一标识。其是由1个头字段和另外3段数据(依次为EPC管理者、对象分类、序列号)组成的1组数字。编码结构由头字段、管理字段、对象分类字段和序列号这4个部分组成。为了保证编码的准确性和唯一性,所有编码和赋码的过程需要在同一台服务器上完成。编码字段要求如表1所示。

表1 编码字段要求Tab.1 Coding field requirements

序列号部分用于设备电子码的序列号编码。此编码只是简单地填补序列号值的二进制。1个对象分类编号的拥有者对其序列号的分配没有限制。序列号域作为对象的唯一标记码,根据服务器赋码时间、服务器硬件信息等生成。生成规则参照通用唯一识别码的方式。系统中的设备编码结构如表2所示。

表2 设备编码结构Tab.2 Device coding structure

5 应用案例及效果

5.1 应用案例

本文以某地区供电公司为例,对现场的门锁进行模块改造,并进行配电站房和门禁设备统一赋码、移动应用和工单联动授权功能开发。

配电站房通过设备赋码实现数字赋能,通过EPC统一编码生成站房二维码。编码过程包括管理字段域、对象分类域、序列号域,并为每个配电站房张贴二维码铭牌。

手机端应用研发以实现配电站房远程监控、远程授权和扫码开门功能。通过开发工单任务计划与开门授权联动功能,可以实现线上授权与工单对应的操作人员、操作站房、操作时间的关联。如果与工单操作内容不符,则不具备开门权限。

扫码门禁系统应用后,通过系统进行上线授权和开门的比例达88.95%,基本实现了供电所扫码门禁系统的应用全覆盖。扫码门禁系统应用情况如表3所示。

表3 扫码门禁系统应用情况Tab.3 Scan code access control system applications

由表3可知:配电站房总数共计2 000个;扫码开门站房数共计1 779个。

5.2 应用成效

通过扫码门禁系统开发,可以实现线上门禁授权、手机扫码远程自动开门等功能。操作人员现场巡视时,无需随身携带门禁卡,只要通过系统进行统一授权后,在现场通过手机扫描二维码开门。该系统可以避免现场巡视需要随身携带门禁卡的问题,以及遇到不同厂家的门禁时需要携带多张门禁卡的问题。该系统有效地解决了配电站房的出入管理不方便和存在安全隐患的问题。

6 结论

本文基于传统配电站房门禁系统智能化程度低、操作繁琐、安全性差的现状,通过分析当前门禁系统存在的问题和不足,提出了1种新的基于扫码开门方式的配电站房门禁系统。该系统通过锁结构改进、通信模块集成研制、远程控制协议设计以及移动应用软件研发等措施,实现了现场手机扫二维码开门,避免了巡视人员携带门禁卡或钥匙进出站房的麻烦。首先,该系统规避了门禁卡或钥匙丢失导致门禁失效的潜在风险。其次,该系统实现了与工单和巡视计划的联动,将巡视人员的到访时间、离开时间和个人基本信息存储于二维码中,有效地实现了对巡视人员的自动授权判别。该系统可以有效地解决配电站房出入管理和存在安全隐患的问题。