新型配电网生产作业安全数字化防控技术及智能装备

马富齐2023.11 团队介绍 电力数字化安全课题组长期从事于输配用电安全隐患辨识、电力深度视觉、智能巡检及安全影像解译等方面研究，主持或参与相关领域国家重点研发计划项目、国家自然基金、省部级重点项目、国网/南网总部指南项目20余项，发表相关EI/SCI论文50余篇，申请发明专利20余项，创新性提出平面-立体-全息的数字化安全防控技术体系，研究成果荣获国际日内瓦发明金奖、中国发明协会创新成果奖二等奖等奖励 研究背景 研究背景 习近平总书记指出：要做好新时代国家安全工作，以系统思维构建大安全格局，以人民安全是国家安全的宗旨，坚持把防范化解国家安全风险摆在出位置 新型电力系统安全可归纳为： 电网安全（电网故障或自然灾害） 生产安全（人身安全或作业安全） 信息安全（网络安全或信息安全） 研究背景 配电网安全生产通常面临高电压、强电流等危险环境，由于生产现场人员安全意识淡薄、作业过程不规范、安全管控措施不到位等因素导致作业事故频繁发生，严重威现场工作人员生命安全。 2017-2022年电力安全事故统计 根据国家能源局公开数据，2017-2022年共发生278起电力事故，平均每起电力事故死亡1.554人，具有事故发生频率高危害大的特点。 电力安全事故的发生，会对国家和社会造成不良的影响，且会对电力企业造成巨大的经济损失和负面影响！ 研究背景一国家政策 十九大报告提出“树立安全发展理念，弘扬生命至上、安全第一的思想”以及构建“安全高效的能源体系”发展目标。 2018年，国家能源局印发《电力安全生产行动计划（2018-2020年）》2020年，国家能源局发布《关于印发2020年电力安全监管重点任务的通知》2020年，中国国务院安委会推出《全国安全生产专项整治三年行动计划》 2016年推出《国家电网公司生产作业安全管控标准化工作规范（试行）》2017年，国家电网推出《国家电网公司关于强化本质安全的决定》2018年，南方电网公司推出《南方电网公司关于推进本质安全型企业建设的指导意见》 中国南方电网 由此可见，提高电力系统本质安全水平是国家和电力企业的迫切需求 研究背景一安全防护需要体系化思考 以触电为例，触电诱因可能有接地等电网内在故障、作业人员的不安全行为、设备不安全状态等因素，也可能有电气火灾、不注意带电警示牌、安全距离不够等因素一风险主体多、风险诱因多 态，“解析”关键诱因特征，“表征”安全风险知识，“认知”安全风险属性系统化、体系化进行安全管控 研究背景一安全难在哪 1.配电网生产领域人力防护方法--人防 主要是通过人员、组织和管理机构等人工方式对电力生产过程进行监督和管理，以保障生产现场人员及设备的安全，即为电力领域的人防。 》虽然现场安全监督办法较为完善，但主要依靠人工进行安全管理规定的执行落实》个人在安全管理规定知识水平及负责任程度具有较大差异 电力生产领域人力防护方法是电力生产现场最基础的安全防护手段，生产安全风险防护的基本屏障。 研究背景一安全很难防 2.电力生产领域实体防护方法--物防 通过工器具、安全设施等实体工具对电力生产过程进行安全风险防护，主要起到保护或隔绝安全危险源对人员或设备的伤害，从而阻止或延迟生产安全事故的发生，即为电力领域的“物防” 》依据不同的生产作业类型配置等多种安全防护设施》通过安全管理规定对作业过程中人员着装和安全工器具使用等进行严格的要求及规范 电力生产领域传统实体防护方法是保障作业过程人员安全的基本工具，其使用规范在电力生产作业过程有严格要求。2023年配电网绿色发展西部论坛 研究背景一安全很难防 2.电力生产领域实体防护方法--物防 随着电力物联网和数字电网的提出与发展，电力生产领域中涌现多种新型实体防护装置，为生产现场作业过程监督及防控提供更多样的实体防护手段。 主要以摄像头、高性能传感器等新型信息采集设备为基础》对生产过程人员外在行为状态、内在生命特征和工器具使用情况等进行远程监控与记录 新型实体防护方法是人力防护的延伸，为管理人员的安全监督提供信息化、可视化的高效管理工具。 研究背景一安全很难防 3.技防--基于图像处理的生产风险防护方法 作服等典型生产作业违章风险进行告警。为提高生产现场安全督查效率、解放生产力提供一种技术思路。 语音或声光风险告警 总体而言：相关研究主要围绕图像分辨率低、镜头被遮挡等图像问题，对目标检测或动作识别方法进行优化或适配性应用，尚未满足实际生产需求。2023年配电网绿色发展西部论坛 研究背景一难在哪？ 实际电力生产作业过程是一人涉及人员、防护工具、设备机械和环境等多元交互融合的复杂动态过程，安全风险通常蕴藏在人员与电力设备，工具和场景等的动态交互关系中，导致电力生产安全风险呈现出多元化特征 （1）违章动态性一人员主观行为的动态连贯性 （2）场景依存性一部分违章风险与场景强相关 （3）风险瞬时性一生产风险都是在瞬时发生的 （4）距离强相关一生产风险与安全距离强相关 （5）复杂多样性一风险类型多样、风险诱因多样 关键问题：如何在电力生产人-机-物复杂环境下全过程风险辨识与防控 研究思路一数字化安全管控 第二部分 数字化安全防控技术-平面 数学化安全防控技术-平面化安全行为解译 基本内涵 平面数字化防控技术：以固定视频监控、布控球、执法仪、机器人和智慧安全帽等作业现场新型安全风险防护工具为基础，采集生产作业过程安全风险的平面影像，借助视觉影像处理方法进行生产现场安全风险的智能辨识，并对识别出的安全风险进行及时告警，从而避免生产安全事故的发生。 数字化安全防控技术-平面化安全行为解译 技术框架 ■提出了基于知识驱动的安全影像智慧解译方法，实现了对生产过程中静态风险元素目标、人员动态违章行为和复杂生产场景等险诱因的智能识别及风险认知，基于此研发了全过程可视化生产安全智慧管控系统，实现对作业前中后生产安全风险的高精度辨识。 可辨识风险类型20种，风险辨识精度95%，产品性能指标领先于同类产品，有效解决了绕人-机-物多元交互生产过程的安全影像解难题 效果 参考文献：马富齐，王波董旭柱，姚良忠，王红霞.电力工业安全影像解译：基本概念与技术框架中国电机工程学报 数字化安全防控技术-平面化安全行为解译 生产作业风险元素（静态） 关键问题1：形态特征相以安全防护工具风险元素（机或物）的精细化识别问题 电力生产现场存在大量形态相似目标 》绝缘手套、线手套和手 接地线与验电杆 木梯子和绝缘梯 形态相似性、尺寸相当，差异性体现在材质或纹理方面 如何差异化表征形态电力生产影像中相似元素目标的视觉特征，捕捉或放大相似目标的细微视觉特征差异性实现对电力生产中静态风险元素目标的精细化识别是需要解决的关键问题2023年配电网绿色发展西部论坛 数字化安全防控技术-平面化安全行为解译 生产作业风险元素（静态） 关键突破1：基于细粒度目标检测的静态安全防护工具精细化识别方法 ■提出一种基于深度代表性度量学习的高度相似防护工具智能检测方法。将目标类别特征学习转换为以差异化表达不同目标特征距离为目的的嵌入式空间特征学习，学习得到表征不同目标的深度代表性特征向量，通过计算未知目标与代表性特征向量的距离进行类别判断，从而实现对形态高度相似实体防护工具的高精度辨识，以提高电力生产安全风险解译的精细化水平。 数字化安全防控技术-平面化安全行为解 生产作业风险元素（静态） 关键突破1：基于细粒度目标检测的静态安全防护工具精细化识别方法 表征各个目标类别代表性特征向量的模态中心数K的对模型的精度性能有一定影响 结论 随着模态中心数K的不断增大，模型对于各个类别的平均精度均值经历了先升高再降低的过程，当模态中心数K值等于6时，模型的平均精度均值达到最大值86.38% 数字化安全防控技术-平面化安全行为解译 与常见目标检测模型的对比一验电杆和绝缘杆检测结果对比 数字化安全防控技术-平面化安全行为解译 生产作业风险元素（动态） 关键问题2：牛特征随机变化的人员违章动作风险因素（人）高精度辨识问题 动态违章行为特点： 》时间动态性》空间随机性》局部关联性 因此，如何提取和表达电力生产影像中作业过程人体姿态的随机时空特征变化，捕捉关键人体部位的区辨特征信息是实现动态违章行为高精度识别的关键 数字化安全防控技术-平面化安全行为解译 数学化安全防控技术-平面化安全行为解译 生产作业风险元素（多元交互） 关键问题3：具有多元交互特征的作业场景风险因素（人-机-物）复杂理解问题 场景理解最早是来源于计算机视觉领域的概念，在传统概念中场景理解既包括目标检测、语义分割等低层图像处理任务，也包括图像描述（IC）、视觉问答（VQA）等高层图像处理任务。 计算机视觉领域场景理解（图像描述） （机器视觉技术和自然语言处理等多个领域相融合的热点问题） 数字化安全防控技术-平面化安全行为解译 生产作业风险元素（多元交互） 关键问题3：具有多元交互特征的作业场景风险因素（人-机-物）复杂理解问题 作业场景理解难点 如何精准表征场景元素间交互关系？如何充分利用目标间视觉交互特征？ 第三部分 数字化安全防控技术-立体 数字化安全防控技术-立体化安全距离 电力系统具有高电压、强电流等特点，安全距离作为近电作业风险防护的重要指标，对保障电力设备安全运行及作业人员生命安全至关重要。如何进行作业人员或施工机械与带电设备的安全距离精准测量与智能感知是迫切解决的关键问题。 数字化安全防控技术-立体化安全距离 数字化安全防控技术-立体化安全距离 北斗差分 产品概述 基于GNSS差分定位技术构建人员北斗定位安全帽，定位精度分米级响应秒级。可拆卸设计、内置数据通讯模块和语音告警模块，实时推送定位信息、接收违章信息并语音告警。同时可扩展补光灯、语音对讲等功能。通过北斗定位功能可实现人员实时轨迹定位及事后源，误入间隔告警、防触电预警、负责人不在现场告警、非法闯入电子围栏告警等多个应用场景功能。 抗电磁干扰设计，可用于变电站内或作业现场定位精度分米级，响应秒级。同等精度产品行业领先误入间隔、防触电预警实时语音告警可拆卸设计、内置通讯模块，数据定向发送接收实时跟踪人员轨迹，事前预警、事后可追溯 技术特点 数字化安全防控技术-立体化安全距离 基于多摄像头联动的人员安全距离判别 》斗臂车、塔吊等特殊工器具、电子围栏需要安全距离带电设备需要安全距离>从平面图中“认知”大距离》长距离（>40米）双自或点云数据匹配 数字化安全防控技术-立体化安全距离 基于双目立体匹配和场景元素识别的近电安全距离检测 数字化安全防控技术-立体化安全距离 基于双具立体匹配和场景元素识别的近电安全距离检测 数字化安全防控技术-立体化安全距离 基于可见光+点云数据匹配的安全距离测量与防控 应用场景涵盖变电站从作业前的人员准入一>前往作业区域实时轨迹跟踪一>作业区域实时监控预警一>作业后评估分析报告生成。形成变电站安全作业全流程管理体系。 数字化安全防控技术-全息 数字化安全防控技术-全息化多物理场融合 声-光-热多物理场融合的全息成像 安全风险发生时： 视觉方式检测效果有限外部声（可听声/超声）光 (可见光）热、电、磁等物理场发生变化 数字化安全防控技术-全息化多物理场融合 声-光-热多物理场融合的全息成像 声像图可指明显著区域，是一种直观的注意力机制。（红外、可见光做输入，声像图做约束） 常规数据融合 损失函数loss衡量两张图的差异 CAM热图 声像图 哪个损失函数可以衡量两者差异程度？两者最显著区域井不完全一致红色区域的匹配约束问题。 声像图提供regionproposal 数字化安全防控智能装备 数字化安全防控技术-智能装置 电力视觉边缘智能 数字化安全防控技术-智能装置 电力视觉边缘智能 ■构建了基于电力视