一种智能型户外台区防行人触电警示报警装置的设计

国网山东省电力公司日照供电公司 王 媛

在电力系统中，台区是指（一台）变压器的供电范围或区域。由于变压器在运行过程中本身有一定的危险性，如果人或者其他较长的物体触碰到变压器，就可能会发生触电危险，轻则引起跳闸断电，甚至会引发人员伤亡事故，由此对台区周围一定范围内进行警戒保护就显得尤为重要。传统的做法是在台区旁边竖一块警示牌，对行人进行警示。如果警示牌遭到破坏或者行人没有注意，依然可能会触碰到变压器[1]。为了能及时地发现隐患，完全杜绝行人触电事故的发生，本文设计了一款基于智能AI技术的户外台区防行人触电警示报警装置，该报警装置包括高清AI摄像头、高音喊话器、太阳能板及上位后台软件系统。

装置采用最新的智能AI识别系统，可自动识别进入指定区域的行人，当行人所携带的物体可能会触碰到变压器，或者行人在台区安全区域内停留时间超过设定时间，高音喊话器会自动喊话，提醒行人及时离开。如果行人仍未及时离开，则系统就会通过广播形式向软件后台发送报警信息，并通过4G网络向运维人员进行短信报警提醒，并对现场进行拍照，为后期的分析提供图像依据。监控人员可通过软件实时查看所监控设备周围的情况，也可以随时通过喊话器进行喊话告警。

1 户外台区防行人触电警示报警装置的工作原理

该户外台区防行人触电警示报警装置分为图像采集模块、传输部分、报警部分和供电部分、后台软件等模块单元组成。装置首先通过智能AI摄像头，对划定区域内的物体进行监测识别，通过内部控制器的计算，识别为行人或者可能触碰到变压器的物体时，驱动高音喊话器进行报警喊话，同时对现场进行拍照，并将报警信息通过4G无线网络发送至后台软件，同时通过短信的形式将所监控的台区号、报警类型、紧急程度等信息发送至运维人员的手机端，提醒运维人员及时处理。装置采用锂电池和太阳能双重供电，保证装置长时间运行不受影响。

该装置分为视频防行人触电报警一体机和太阳能板供电系统。一体机呈T型结构，中间为配电箱及控制主板安置区，不锈钢防水结构，表面经过烤漆特殊处理，经久耐用，可长期安装在户外复杂环境中使用。顶部两侧分别安装有一部高音报警喊话器和一个高清AI球形摄像头，喊话器、摄像头通过防水电缆与主机相连。

一体机通过不锈钢可调节抱箍固定在线杆上，球形摄像头可360°旋转，对闯入监控区域的行人和车辆进行巡航追踪。配电箱内装有大容量锂电池、太阳能充电控制器、主板、4G通信模块等主要部件。配电箱的顶部装有避雷针，并配有完善的接地措施，可防止遭雷击破坏。顶部独立的搬运把手方便设备的搬运安装。太阳能电池板为独立结构，可独立安装在空旷、不受遮挡的区域，太阳能板与配电箱通过专用电缆相连。整套装置结构紧凑，布局合理，重量轻，安装方便。

1.1 图像采集模块

该智能AI技术的户外台区防行人触电警示报警装置采用高清球形AI摄像头，支持360°旋转，可对台区周围任意位置进行无死角监控。内置华为海思AI智能跟踪芯片，一旦摄像头在监控区域发现目标，内置的控制芯片会根据人形的方位及姿态和身体温度马上锁定实现跟踪，同时对跟踪目标用红框检测人形，检测头肩，确定为真人后用黄框将人框选。装置会自动跟踪，自动变焦放大识别。当发现人形黄框锁定，球机自动跟踪，自动变焦放大看清人脸。摄像头采用6寸4G无线专业摄像头，30倍光学变焦，可360°自动巡航，500万像素，夜视距离可达150m，白天可达1000m。音频可通过外接高音喊话喇叭对外输出，实现对外语音报警。

图像采集模块中的AI识别采用的是脑神经网络识别技术，先采集各种人体图像，各种形体各种姿态，然后建立人体模型，将模型程序导入AI智能跟踪芯片，当摄像头捕获到图像信息后会将图像中的信息与芯片内的模型进行对比，匹配成功后则判定画面中的物体为人体，并将其框选标定。建模时的图像张数越多，判定信息越准确。

AI高清摄像头在拍摄到现场视频后，先对视频信号进行编码，编码后的信号被传送至DSP控制模块，控制模块对信号进行解码处理，并将视频转化为YCbCr格式，同时对信号中的Y成分进行提取，作为视频图像的灰度图像，DSP芯片内的计算处理器对提取到的灰度图像进行高斯平滑滤波，去除掉图像信号中的噪声信号。主控芯片内有一图像边缘提取模块，该模块可对灰度图像的边缘进行提取，提取出人形的边缘，然后芯片内的图像膨胀模块对提取的灰度图像进行膨胀处理，然后芯片将膨胀处理后的区域作为人形的监控区域。

同时，芯片内的运动目标检测模块采用多维高斯分布处理监控区域，检测其中的运动目标，将运动目标的点进行二值化处理，当做候选点，多维高斯分布可以将镜头周期运动和背景周期运动对处理结果的影响最大化的滤除。连通域模块可以将处理后得到的候选点连成候选域，通过Blob对候选域进行处理可提高处理速度，减少时间。目标提取模块利用大小比对、对候选区域直线特征提取，如果候选区域内有符合条件的物体，就发送报警信号进行报警提醒。

控制器内还有一个图像比例缩放模块，可对采集的图像区域内监控目标的像素点个数进行比例缩放，按照一定比例缩放同一目标的像素点个数可以减少需要处理的数据量，提高处理器的处理速度。

1.2 数据处理模块

该数据处理模块为智能AI技术的户外台区防行人触电警示报警装置的主要部分，包括一片高精度的DSP芯片、一片STM32单片机和一片FPGA大规模逻辑处理芯片。摄像头采集到的图像信息为模拟信号，经过摄像头内的放大电路、模数转换电路转换为芯片可识别的数字信号，同时摄像头内的AI智能芯片会将图像信号内的人形部分单独进行识别和分离，只将该部分信号传递到视频跟踪和报警处理单元，这样可最大限度地减小主控制芯片的工作量，保证数据处理的实时性，减小监控视频的延时，保证视频的流畅性。

控制器检测到监控区域内出现行人时会进行计时，并对出现的行人进行定位追踪，如果行人在台区安全范围内停留时间超过预设定的时间，就会产生报警信号，如果有物体可能会触碰到变压器，报警器会立即报警，并启动摄像头拍照，同时将报警信息和照片传送到后台软件，通过电脑或手机客户端，巡检人员可实时查看现场的情况，对可能出现报警情形进行及时处理。

1.3 传输模块

摄像头自带有4G天线，支持4G无线传输模式，同时也预留有有线网口，既可以采用有线方式，即在设备上插入网线，也可以采用4G无线传输方式，不受地形及外部环境的影响。插入网线后会优先采用有线传输模式。内部插有64G内存卡，可录像14天。默认的4G卡为1G流量套餐，如每天手机远程监看摄像头1h，1GB流量可用6天。只有在用手机/电脑远程监看摄像头时会用到4G卡流量，不远处监看不占用流量。

1.4 报警模块

装置内置一个声光报警器。报警器采用60W高分贝大功率广播级喊话喇叭，当装置判定行人在台区划定的安全区域内逗留时间超过规定时间，或者判断有物体可能会触碰到变压器时，可通过软件对现场进行远程喊话，同时喊话报警器就会发出报警声，提示现场人员远离，防止触电事故发生，同时控制器会通过4G模块向巡检人员指定手机发送报警短信，提醒巡检人员及时到达现场进行处理。内置的DSP处理器可对行人进行精确计算，辨别各种可能触碰变压器的情况发生的原因，智能化程度高，辨别精确。

1.5 电源供电模块

装置采用太阳能供电和外接直流供电的两种供电模式。智能AI技术的户外台区防行人触电警示报警装置的配电箱内装有大容量的锂电池，为太阳能供电，同时预留了外接电源接口，方便由于连续阴雨天导致电池电量不足时为锂电池充电。太阳能电池采用大功率单晶硅光伏板供电系统。装置采用了80W-40AH光伏发电系统，太阳能板的尺寸为：长×宽×高=900mm×530mm×25mm，电池充满电阴雨天实测可待机48h以上。预留的外接电源接口为DC12V供电接口，可直接为装置供电，也可以为装置内置的锂电池进行充电。两种供电模式相互补充，共同为该监控装置提供电源。

1.6 防雷及接地模块

根据安防设备的要求，监控设备必须具有防雷及完善的接地结构。在装置的顶端设有避雷针，自身的金属外壳也会最大化的减弱雷击对内部电路及结构产生的电磁干扰。同时，内部控制电路均单独设有防雷击保护电路，确保遭受意外雷击时不会对主控电路和模块造成致命影响。并且，在配电箱体内做了等电位处理，配合避雷针、有效接地措施共同减小雷电感应产生的雷电波对设备的入侵影响，保护设备免受雷电伤害。装置顶部的避雷针通过杆体的底座接通大地，可使雷电的电流迅速流向大地，保护内部的设备免遭雷电的破坏和影响。

1.7 预警信息管理

装置配置的AI智能摄像头能对监控画面内的行人进行智能识别，及时发现变压器触碰隐患。利用人工神经网络的深度算法，通过上传的大量不同形态的人形图像，建立图库模型。在监控时通过对画面内容的提取并与内部模型进行对比，可准确识别行人，判断其行为的危险系数，并对行人的图像进行自动放大和追踪，当系统判定行人的行为可能会触碰到变压器或者可能会引发触电事故时，自动启动喊话报警器进行报警。系统支持自动语音报警和手动喊话提醒，并将报警信息发送至巡检人员的手机端，同时支持实时查看现场情况。

后台软件主要用来显示监控画面、采集报警信息、统计历史报警数据、远程喊话、视频录制拍照、查询、存储等工作。通过电脑或者手机客户端，监控巡检人员可随时查看台区周围的情况，也可以随时通过喊话器进行喊话告警。系统支持手机/电脑多平台多人同时观看。巡检人员也可以通过搜索功能，查看任意监控点的监控信息和报警信息，可查看历史报警数据，报警信息自动汇总，可随时导出便于管理人员后期对台区的管理和维护。通过软件远程监控，减少了巡检人员的工作量，提高了监控效率，杜绝了行人意外触电事故的发生。

2 结语

台区变压器位于户外露天区域，经常会因各种意外原因被触碰到，而变压器本身就比较危险，如果发生人或者其他较长的物体触碰到变压器的情况，可能会发生触电危险，轻则引起跳闸断电，甚至会引发人员伤亡事故，为了杜绝因意外发生行人触电事故的发生，将事故隐患消灭在萌芽状态，设计了一款基于智能AI技术的户外台区防行人触电警示报警装置，装置的主体为不锈钢防水箱体，可通过不锈钢抱箍固定到树木或者线杆上。

该报警装置包括高清AI摄像头、高音喊话器、太阳能板及上位后台软件系统。AI摄像头能对采集到的视频图像进行分析识别，分离出行人信息，然后对行人进行框选并实时的追踪，当行人或者行人所携带的物体可能会触碰到变压器，或者行人在台区安全区域内停留时间超过设定时间，装置会启动装置内的声光报警器对行人进行语音提醒，使行人及时离开，对现场情况进行拍照，并通过4G网络将报警信息发送至后台软件，管理人员通过软件即可远程监控所有台区周围的情况。装置采用太阳能和外接电源两种供电模式，可保证装置长期使用而不会断电。整套装置智能化水平高，小巧，安装方便，操作简单，可完全替代人工进行的现场巡检，节省了人力和时间，提高了巡检效率，可大规模进行推广。