基于行为预测模型的电力设施警示装置研究

王弘扬，邵可欣，宋继伟，刘永军，丁鹏举，张运飞

（国网河南省电力公司邓州市供电公司，河南 邓州 474150）

在城市、乡村居民生活环境中存在诸多电力设施，如高压杆塔、变压器、计量箱、分线柜、控制箱等。因为当今社会对于电力的需求与日俱增，使得人们在生产生活中与电力设备的距离越来越近，由于疏忽大意导致发生触电事故导致伤残、死亡的恶性事故也时有发生。这不仅危害到了人民群众的人身财产安全，影响到区域的正常供用电，也损害了电力公司的形象、带来了恶劣的影响、造成经济损失。如何提高电力设备周围环境的安全，规范附近人员危险行为成为重要问题。

鉴于当前所面对的情况，文章对现有安全警示装置进行重新设计，变被动式警示为主动式警示的设计思路，利用红外感应环境变化、微波雷达扫描感应人体移动、超声波感器检测人体距离综合数据对附近人员进行行为预测，对附近人员进入电力设施触电危险区域的行为进行分级声光预警，提醒人们远离危险区域。用以解决目前市面上电力设施警示装置的薄弱点，实现更好的警示效果，降低相关电力区域的安全风险。

1 方法与设计

1.1 功能设计

研制了一种基于行为预测分析的主动式电力设备声光安全分级警示装置。主要组件包括红外、微波、超声波三合一探测设备主机、内置大容量锂电池、太阳能光伏充电板、外置扩音喇叭、外置闪光器。

主要功能设计如下。

可选单太阳能充电，无需额外电源，无电力损耗，避免接线。

大容量锂电池，低功耗设计，保证连续阴雨天可持续工作。

全自动检测，实现全天候主动探测和声光报警。

可定时播报；多种语言设定，语音可定制或现场录制。

音量模式可设定，大音量或静音模式，拒绝听不到或扰民。

感应距离可设定（2～8 m）。

具有红蓝警灯警示功能，可以设置开启和关闭全时段警灯模式，白天关闭模式。

多探头设计，包括红外感应预警、微波雷达扫描感应人体移动、超声波感器检测人体距离，具有高灵敏度。预留扩展感应探头数量可配置增加。170°大广角设计，拒绝盲区。

综合行为预测预警安全分级处理功能，可根据多探头感应信号进行综合处理，可实现实时监测不特定人员对象进入探测警示区域，根据人员行为预测分析进行主动安全分级，并按照安全分级进行主动安全声光提醒；语音、闪烁警示灯光进行安全警示、声光安全警报、语音驱离的不同程度的安全警示。

本地通信控制功能：配备蓝牙通信功能，可以连接手机进行数据传输、参数设置，可使用小程序连接设备，设置单曲、全部播放，实现安全分级控制、语音更换与删除、播放模式选择、语音试听、定时设定等功能；具有红外通信功能，可以连接红外遥控，对设备进行操控，可进行声音调节、曲目选择、警示灯开启/关闭。

远程通信控制功能：具有物联网通信或NBIoT（可选）上网功能，可以连接远程控制端进行参数设定，工作报警日志上传，异常报警推送，工况获取等功能。

1.2 主要研发内容

研究电力设备警示装置的运行环境和人员靠近安全风险特征：收集电力设备警示装置的运行环境数据，包括红外、微波、超声波环境特征，人员靠近或远离环境参数变化情况，进行安全风险量化模型数据采集构建，分析电力设备警示装置的工作环境和预警目标特征。

设计主动式电力设备声光安全分级警示装置：根据电力设备警示装置的运行环境和预警人员特征，设计声光输出装置，根据不同的安全级别发出不同的声音和光线警示信号[1-2]。

开发行为预测分析算法：通过对电力设施周围环境变化及人员行为数据的分析和建模，开发行为预测分析算法，实现对电力设施周围环境变化及人员行为的预测，进行人员安全风险量化预测，及时发现潜在的安全问题。

验证装置的安全性能和可靠性：通过实验和测试评估装置的安全性能和可靠性，确保装置能够准确预测附近人员行为并及时发出警示信号。

1.3 方案设计

系统原理框架图如图1所示。工作流程图如图2所示。硬件部分研发流程：分析原理需求方案→设计系统逻辑图、原理图→元器件选型→元器件和工具仪器采购→样品制作→组装成品→现场安装测试→方案优化、改进→最终产品确定。

图1 系统原理框架图

图2 工作流程图

1.4 后台程序主要功能点

1.4.1 数据采集和分析

选择合适的传感器和数据采集设备，对电力设备周围环境及人员行为数据进行采集，并通过数据分析技术提取行为特征和安全风险。

选用红外、微波、超声波三合一探测方式进行外部数据采集。

1.4.2 行为预测分析

基于采集到的数据，建立行为模型，开发行为预测分析算法，实现对电力设备周围环境及人员行为的预测，识别潜在的安全问题。

数据处理方面采用树莓派4B作为处理主控，其的核心为Broadcom BCM2711，集成了4核的ARM Cortex-A72 处理器，主频为1.5 GHz，能够适应负责的数据处理、行为模型构建，行为预测算法分析等负责工作。

1.4.3 声光输出装置设计

根据行为预测结果和安全级别，设计声光输出装置，包括声音和光线的输出装置，能够发出不同的声音和光线警示信号。

主控控制分级声音的选择播放，并通过外部电路控制报警指示灯的亮度和闪烁频率。语音、闪烁警示灯光进行安全警示；声光安全警报、语音驱离的不同程度的安全警示[3-4]。

1.4.4 通信及控制功能

实现参数设定，工作报警日志上传，异常报警推送，工况获取等功能。

2 技术难点及关键技术

2.1 整体设备方案

基于功能需求本设备主要由感应信号采集器（红外、微波、超声波三合一）、信号处理单元、行为预测分析安全分级警示单元、语音控制单元、闪光警灯控制单元和电源控制单元组成。

2.2 信号处理

包括输入信号处理和输出信号处理2个方面。输入信号处理主要研究如何对红外、微波、超声波感应器输入的信号进行综合处理，包括电平转换，数模转换信号增强等。输出信号处理主要研究如何对语音内容进行数据管理，包括语音的添加、删除、更换，以及声音大小的控制等。警灯开启、关闭，红蓝光闪灯频率及周期控制，报警事件记录及上传预警处理等。

2.3 抗干扰设计

为了保证装置在户外长期运行的稳定性，需要进行抗干扰设计。在硬件方面，应设置防干扰电路，减伤电磁干扰及传感器之间的相互影响；在软件方面，应设置干扰排除程序，以避免因环境变化如风、雨、光线变化影响，或非人体其他物体移动造成的误报警情况。此外，还应该增加对移动物体大小判断及行为运动轨迹综合分析，以正确识别是否有人员要进入危险警戒范围，根据行为预测分析结果和主动安全分级要求，以进行分级语音警示和声光安全警报。

通过对多种环境传感器采集数据的分析处理，可以有效地排除干扰，有效避免野外动物、树木随风摆动等非人员进入危险区的情况而引起装置的误报警，表1所示为单传感器受干扰情况及抗干扰处理后对比。

表1 单传感器受干扰情况及抗干扰处理后对比表

2.4 电源管理及低功耗设计

为了保证设备的长期稳定运行，减轻频繁充放电对电池的损耗，设计了电源管理功能，进行重放电管理，一方面有效利用太阳光照强的时间进行有效充电，另一方面防止过冲、过放和频繁充放电对电池的损耗。同时设计了低功耗模式，保证设备在长期无警报事件时可以降低电能损耗，同时在探测到异常时能够及时有效返回正常模式工作。

2.5 行为预测分析技术

包括行为模型的建立、机器学习和数据挖掘算法的开发等。

3 项目创新点和成果

本研究是利用红外感应预警、微波雷达扫描感应人体移动、超声波感器检测人体距离综合行为预测预警安全分级处理等技术原理，研制了一种基于行为预测分析的主动式电力设备声光安全分级警示装置解决传统警示方式警示作用也不足，且受环境天气影响严重的问题；解决传统声光警示装置没有对安全警示进行分级处理，对所有危险情形，采用重复相同的警示方式，极容易使附近人员因习以为常在真正面临危险时产生疏忽大意的心态，产生危险，无法达到警示安全效果的问题；可选用单太阳能供电模式，可无需额外电源，无电力损耗，避免接线采用太阳能充电储能的方式解决传统声光警示装置能源供应问题，可全天候24 h长期在线。

本研究成果在使用范围上较传统警示方式有很大提高，经过现场试验，在任何天气情况下、在多角度方向上、在最大的保护范围内，对误入电力危险区域的人员进行语音警示，有效保障了人员生命安全、保障了电力设施的安全运行、减少了设备和人员事故造成的直接和间接损失，具有直接的经济效益。