電力系統(tǒng)智慧消防關(guān)鍵技術(shù)研究

引言

電力系統(tǒng)變電站等生產(chǎn)場(chǎng)所大多地處偏僻且無人值守，輸變配電氣設(shè)備的特性使火情無法提前預(yù)估，而現(xiàn)場(chǎng)的消防設(shè)施獨(dú)立分散，各成孤島，火情監(jiān)控不完善，消防感知的形勢(shì)嚴(yán)峻。對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行消防維保檢查，工作量大且專業(yè)性比較強(qiáng)，電力系統(tǒng)對(duì)業(yè)務(wù)委托單位的消防監(jiān)督難以到位，使得消防設(shè)施容易“帶病上崗”；現(xiàn)場(chǎng)火情處置方式較為被動(dòng)，尚未實(shí)現(xiàn)精益化管理。如何從日常消防感知到火情應(yīng)急處置全方位提升電力系統(tǒng)的消防安全管控水平，已經(jīng)成為亟待解決的問題^[1-3]。

1   問題分析

1.1 消防設(shè)施實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)問題分析

傳統(tǒng)消設(shè)施不具備遠(yuǎn)程監(jiān)控能力，需要每月派人檢查。一旦消防預(yù)警設(shè)備發(fā)生故障、控制柜出現(xiàn)誤動(dòng)作、消防管網(wǎng)過壓漏壓、高壓氣瓶滅火劑發(fā)生泄露等，均無法及時(shí)監(jiān)測(cè)到，存在時(shí)間上和管理上監(jiān)管不到位，不能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)管理。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)火情全面探測(cè)問題分析

1）目前變電站在用的消防報(bào)警裝置主要集中在傳統(tǒng)的火災(zāi)煙霧探測(cè)器、手動(dòng)觸發(fā)報(bào)警等前端硬件設(shè)備。設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，開始逐漸出現(xiàn)設(shè)備老化，導(dǎo)致消防報(bào)警裝置的故障頻率及誤報(bào)率逐年提高，使得變電站隊(duì)火災(zāi)的預(yù)警能力逐步降低，對(duì)變電站的火災(zāi)預(yù)警作用無法起到滿意的效果。

2）現(xiàn)有的監(jiān)控設(shè)備一般是固定布置，對(duì)每塊區(qū)域的監(jiān)控強(qiáng)度不一樣且不可調(diào)節(jié)，容易造成火情漏報(bào)。

3）現(xiàn)有的安防監(jiān)控視頻以從原來的“看的見”到現(xiàn)在“看的清”逐漸要往“看的懂”發(fā)展，需要消防與安防的技術(shù)融合，增加安防視頻針對(duì)消防事件識(shí)別的能力。

1.3 消防信息安全共享問題分析

1）電力系統(tǒng)內(nèi)，消防終端設(shè)備直連后臺(tái)服務(wù)器，數(shù)據(jù)傳輸過程中容易外泄和被非法攻擊。

2）電力系統(tǒng)外，與政府消防部門的信息交流渠道未完全打通，存在數(shù)據(jù)孤島、數(shù)據(jù)壁壘問題，數(shù)據(jù)共享機(jī)制不完善。

2   解決思路

2.1 消防設(shè)施實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)解決思路

為了解決傳統(tǒng)消防設(shè)施缺少監(jiān)測(cè)，無法實(shí)時(shí)獲知消防設(shè)施狀態(tài)的情形，可設(shè)法研制諸如滅火器類的高壓氣瓶的壓力監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)測(cè)量滅火劑的壓力，并根據(jù)測(cè)量值判斷消防設(shè)施是否可靠和進(jìn)行相關(guān)的報(bào)警或者動(dòng)作。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)火情全面探測(cè)解決思路

1）為了解決現(xiàn)有技術(shù)的監(jiān)控設(shè)備監(jiān)控范圍過小，對(duì)每塊區(qū)域的監(jiān)控強(qiáng)度不一樣且不可調(diào)節(jié)，容易造成漏

報(bào)火情的技術(shù)問題，可設(shè)法研制一種基于臨時(shí)消防監(jiān)控裝置，該臨時(shí)消防監(jiān)控裝置具備監(jiān)控范圍大，可遠(yuǎn)程控制，可自動(dòng)調(diào)節(jié)某塊區(qū)域內(nèi)的監(jiān)控強(qiáng)度等特點(diǎn)。

2）基于現(xiàn)有安防視頻監(jiān)控，增加圖像火災(zāi)監(jiān)測(cè)功能，研究智能AI（Artificial Intelligence，人工智能）分析聯(lián)動(dòng)的技術(shù)，研發(fā)一種前端基于視頻分析的消防事件AI 圖像分析裝置，實(shí)現(xiàn)消防事件( 煙霧識(shí)別、火焰識(shí)別、消控室值班、消防通道占用、周界入侵) 預(yù)警、安消聯(lián)動(dòng)一體化功能，提升視頻監(jiān)控實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用的能力，實(shí)現(xiàn)智能化火災(zāi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警確認(rèn)推送功能。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)火情全面探測(cè)解決思路

為了解決電力系統(tǒng)內(nèi)消防數(shù)據(jù)傳輸安全性問題，可提供一種利用物聯(lián)設(shè)備進(jìn)行變電站遠(yuǎn)程消防監(jiān)控的方法，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

3   關(guān)鍵技術(shù)

3.1 LoRa技術(shù)

LoRa（Long Range Radio，遠(yuǎn)距離無線電）技術(shù)是一種能夠做到傳輸距離長(zhǎng)、信息傳輸量大、傳輸功率損耗低的無線通信技術(shù)。各點(diǎn)直接與網(wǎng)關(guān)中心進(jìn)行傳輸，節(jié)省了傳輸時(shí)間，提升了傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，能夠?qū)崿F(xiàn)與網(wǎng)關(guān)中心點(diǎn)實(shí)現(xiàn)快速連接，具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳輸?shù)脱訒r(shí)等優(yōu)點(diǎn)。

1）技術(shù)原理

擴(kuò)頻調(diào)制是一種基于高頻寬的通信方式，傳輸信息所用的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于信號(hào)占用的帶寬。其大致的流程如下：信號(hào)首先通過調(diào)制解調(diào)器將其由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，擴(kuò)頻碼發(fā)生器在接收到數(shù)字信號(hào)將去進(jìn)行擴(kuò)頻，即對(duì)信號(hào)的頻譜按照擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行展寬，展寬后的信號(hào)將會(huì)進(jìn)入載頻調(diào)制環(huán)節(jié)，信號(hào)通過載頻調(diào)制后由天線將信號(hào)發(fā)送出去。信息接收端通過天線等設(shè)備對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行捕獲，射頻發(fā)生器會(huì)將捕獲到的射頻信號(hào)調(diào)至為中頻信號(hào)，最后對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，從而對(duì)發(fā)出的原始信息進(jìn)行還原輸出。

香農(nóng)定理對(duì)信息傳輸速率、帶寬以及信道信噪比之間的關(guān)系進(jìn)行了細(xì)致的闡述，并由此推出香農(nóng)公式：

式中：C 是信息傳輸速率；W 是帶寬；S 是有用信號(hào)功率；N 是噪聲功率，S /N 稱為信道信噪比。從公式中可以看出，在信息容量一定時(shí)，信號(hào)帶寬與信道信噪比之間呈現(xiàn)的是反比的關(guān)系，如果想降低信噪比，提升通信質(zhì)量，可以采用提高信號(hào)帶寬的方式。

2）LoRa 與其他無線通信技術(shù)對(duì)比

無線通信在現(xiàn)代社會(huì)的應(yīng)用越來越普遍，現(xiàn)代社會(huì)已經(jīng)越來越離不開無線通信，無線通信之間也存在較大的不同，不同的通信方式在距離、速率和功耗等方面都存在著較大的差距，本文對(duì)LoRa 與其他無線通信的技術(shù)特性進(jìn)行了總結(jié)對(duì)比，如表1 所示。

表1 無線通信技術(shù)的特性對(duì)比

從表中可以看出，LoRa 技術(shù)通信距離為50 km，支持傳感控制和加密，頻段在137~100 500 MHz 之間，通信速率在300 kbps。相較于其他通信技術(shù)具有傳輸距離遠(yuǎn)、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，但是傳輸速率相對(duì)較低，適用于智慧生活、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等對(duì)傳輸速率要求不高的地方。

3.2 智能滅火器壓力表

1）技術(shù)原理

智能滅火器壓力表給傳統(tǒng)滅火器增加了壓力實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)功能，可將數(shù)據(jù)傳輸至消防管控平臺(tái)，一旦壓力異?？蓪?shí)現(xiàn)自動(dòng)告警。解決了傳統(tǒng)干粉滅火器壓力過壓或欠壓卻無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)的問題。

如圖1 所示：壓力表內(nèi)部由2 個(gè)主要部件組成：“壓力傳感器模塊”、“物聯(lián)網(wǎng)傳輸模塊”?！皦毫鞲衅髂K”采集干粉滅火器實(shí)時(shí)壓力值，并將壓力值提供給“物聯(lián)網(wǎng)傳輸模塊”，模塊將實(shí)時(shí)壓力值數(shù)據(jù)，通過物聯(lián)網(wǎng)無線Lora 協(xié)議，由物聯(lián)邊緣代理網(wǎng)關(guān)SEB 設(shè)備接收，再經(jīng)由SEB 與SBN（物聯(lián)業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)）搭建的安全網(wǎng)絡(luò)通道傳輸?shù)较拦芸仄脚_(tái)。

圖1 智能滅火器壓力表技術(shù)原理圖

2）技術(shù)方案

如圖2 所示，智能滅火器壓力表持續(xù)性監(jiān)測(cè)滅火器的壓力，實(shí)現(xiàn)PC、APP 遠(yuǎn)程監(jiān)控與異常報(bào)警，杜絕滅火器超期服役、銹蝕損壞無人知、使用后不及時(shí)更換等問題。時(shí)刻監(jiān)測(cè)、采集壓力數(shù)據(jù)，每24 小時(shí)可上報(bào)3次心跳數(shù)據(jù)至管理平臺(tái)，既能及時(shí)反饋滅火器狀態(tài)，又能接入大數(shù)據(jù)池做智能分析運(yùn)算，為消防預(yù)警提供參考依據(jù)。除了監(jiān)測(cè)滅火器壓力數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)器還能對(duì)自身狀態(tài)進(jìn)行檢查，電池電量過低、信號(hào)異常、連線異常等都可以通過PC、APP 向管理人員發(fā)出提醒，以便安排及時(shí)處理。每個(gè)監(jiān)測(cè)器有獨(dú)立ID（身份標(biāo)識(shí)），PC、APP 可對(duì)每個(gè)滅火器的具體部署位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位，可在滅火器出現(xiàn)異常時(shí)第一時(shí)間鎖定具體位置，大大提高巡檢及維修效率。

圖2 智能滅火器壓力表

3.3 消防事件AI圖像分析

1）技術(shù)方案

在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，視頻成為傳播和內(nèi)容需求的主力， 每天都會(huì)產(chǎn)生數(shù)萬小時(shí)的視頻內(nèi)容， 對(duì)視頻內(nèi)容的審核和分析給安全管理帶來了巨大的壓力，現(xiàn)提出一種基于視頻分析的智能AI 分析聯(lián)動(dòng)技術(shù)方案，此系統(tǒng)結(jié)合了人工智能和多光譜融合技術(shù)，具備煙霧分析、火焰分析、消控室人員值班分析、消防通道占用分析、周界入侵分析的消防事件分析預(yù)警等功能，實(shí)現(xiàn)安消一體火災(zāi)探測(cè)并能及時(shí)預(yù)警、報(bào)警，且具有空間內(nèi)火焰精準(zhǔn)定位、24 小時(shí)人員值守監(jiān)督等功能。利用建筑內(nèi)已有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，使用消防事件AI 圖像分析裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提升了變電站消防火災(zāi)報(bào)警能力。

（1）研究基于AI 視頻的煙火復(fù)合識(shí)別算法模型

基于AI 視頻技術(shù)的圖像煙火復(fù)合識(shí)別是以深度學(xué)習(xí)模型中的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)Faster——RCNN 模型為基礎(chǔ)，在Faster——RCNN 模型上進(jìn)行算法改進(jìn)。采用TensorFlow深度學(xué)習(xí)應(yīng)用框架，加載了自有數(shù)據(jù)集(10W+) 訓(xùn)練的火災(zāi)（煙霧，火焰）識(shí)別深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用煙火的能量、形狀、運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行煙火目標(biāo)快速識(shí)別，可以對(duì)視頻源多幀圖像采用端到端的煙火目標(biāo)判別輸出。

（2）研究基于AI 視頻分析安消一體化技術(shù)

通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)z像機(jī)接入消防事件AI 圖像分析裝置，實(shí)現(xiàn)基于安防視頻監(jiān)控的消防事件分析預(yù)警，利用智慧消防平臺(tái)實(shí)現(xiàn)可視化報(bào)警處置。消防事件AI 圖像分析裝置，具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力和深度學(xué)習(xí)功能，可實(shí)現(xiàn)煙霧和火焰快速甄別和報(bào)警，大幅提升火災(zāi)監(jiān)測(cè)能力；同時(shí)針對(duì)消防控制室值班、消防通道占用、周界入侵等違規(guī)安全現(xiàn)象進(jìn)行智能監(jiān)管。例如可以基于變電站控制室的監(jiān)控?cái)z像機(jī)傳達(dá)的實(shí)時(shí)視頻信息，對(duì)控制室的人員情況進(jìn)行AI 視頻分析，當(dāng)消控室內(nèi)的人員離崗一定時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)會(huì)針對(duì)控制室長(zhǎng)時(shí)間無人值守信息觸發(fā)報(bào)警，從而對(duì)值班人員進(jìn)行管理，保證變電站的全天候監(jiān)控。對(duì)于消防通道占用和周界入侵，可建立監(jiān)控區(qū)域數(shù)據(jù)模型并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)消防通道占用和周界入侵時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警提醒，保障消防通道暢通和周界無入侵。

4   結(jié)語

文中對(duì)電力系統(tǒng)智慧消防系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，主要體現(xiàn)在：無線通信方面采用可以遠(yuǎn)距離傳輸?shù)腖oRa 技術(shù)，在傳統(tǒng)滅火器增加了壓力實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)功能，可將數(shù)據(jù)傳輸至消防管控平臺(tái)，一旦壓力異常可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)告警，同時(shí)又對(duì)基于于視頻分析的智能AI 分析技術(shù)進(jìn)行研究。為智慧消防系統(tǒng)提供技術(shù)支撐，消防巡檢時(shí)間由3 小時(shí)縮短至5 分鐘。實(shí)現(xiàn)設(shè)施異常預(yù)警、診斷、反饋2 分鐘內(nèi)完成，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率高達(dá)99.5%。提升了變電站消防能力。

目前已授權(quán)發(fā)明專利2 項(xiàng)，分別為：1）一種電力系統(tǒng)智慧消防管控系統(tǒng)ZL201911264184.1；2）一種基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的變電站的智能滅火控制方法ZL201910637539.0。

參考文獻(xiàn)：

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年9月期）