基于AI及雷达探测的架空线路防外力破坏监测系统及方法

技术领域

本发明涉及电网配电技术领域，具体涉及基于AI及雷达探测的架空线路防外力破坏监测系统及方法。

背景技术

近年来，随着经济社会的快速发展，城市建设规模的不断扩大，公路、铁路、管道网络的健全完善，电力设施保护区内各类大型施工机械设备被广泛应用，但由于电力线路所处地理位置和环境条件的特殊性，杆塔安装的地点多，面积广，距离长，输变电设备长期处在野外暴露状态，恶劣的天气变化在威胁设备安全可靠运行同时，各类违法违章的案件也伴随其中，如盗窃电网线缆和设备器件、超过高压允许的安全距离内进行建筑拆建等。此类事件除了会给供电公司及电力用户带来不可预估的经济损失，也会对电网可靠安全、人员生命财产构成了很大的威胁，造成很坏的负面影响，由此可见对架空输电线路走廊进行各类外力破坏的防御工作极其重要。

目前，行业中针对架空输电线路的防外力破坏系统也存在不少，比较常见是一种远程视频采集传输系统，通过安装在杆塔上的摄像机采集周边的图象信号、再经无线或有线方式远传到监控中心，实现监控中心对杆塔环境的实时观察，掌握杆塔、突发事故点周围环境变化。其工作原理是在输电线路杆塔上架设一部工业摄像机，利用摄像机24小时不间断对现场情况进行画面监视，此类系统另一个核心部件为图像移动侦测感知模块，该模块利用图像差异原理，对比摄像机高速画面前后两帧间是否存在差别，然后进行利用图像绘制功能，将差异点框选出来，并标注在视频图像的一个完整帧中，当一组画面帧重叠起来播放时，我们就会发现此外来物会被跟踪监视。比如当画面中一部车辆出现在监视范围中，图像会将车辆的矩形区域实时绘制，车辆移动中，矩形也会跟踪在车辆周围，并在监视画面中告警为外力入侵对象，引起用户注意，关注事态发展过程。

上述现有系统已在国内多地区架空线路防外破项目上，进行了大面积应用，但从使用者的反馈上来看，该原理的装置仍旧存在多个问题：

1)防外力破坏效果不明显：因为大部分外破行为是瞬间产生，当系统后台产生报警时，外破行为已经发生，损失在所难免，无法起到预防的效果；

2)系统运行中干扰不断：当监视区域出现任何移动和刻意物体时，系统都会视其为即将产生外破行为的怀疑对象，所以监视区域稍显风吹草动，后台就会报警，人员就需立刻关注，久而久之，值守人员疲惫不堪，对系统的信任度大大下降，现场误报率时常可达到70％以上；

3)物体种类无法判别：该类系统主要用于现场物体的行为侦测，由于侦测核心模块置于现场的主控机箱中，而现场物体种类判别是跟现场摄像机的角度、焦距、背景息息相关，每次一个摄像机预置位的变换都有可能影响到物体的种类判断，所以判定模型需要根据现场的实际情况，不断进行重塑修改，以便可以利用图像识别原理正常工作。安装于前端的工作模块几乎无法做到这一点，所以在对物体智能识别上受到限制；

4)视频一点多控的弊端：传统方法是利用一个杆塔上的摄像机设置多个预置位进行周边巡视，为起到监视的效果，会在一个预置位下面停留一个指定时间，起到一点多控的效果，但如果预置位1的发生了外破行，而摄像机却正处于预置位3，那么外破行为不仅没有被监测到，而且连整个实施的过程都无法进行跟踪，造成监视盲点；

5)外破对象信息不详细：外破行为发生后，我们可以通过此类系统的后台录像回放功能了解到现场情况，但受摄像机自身的角度和画质影响，却无法知晓外破实施对象的详细情况，对现场的事故不能准确掌握。如一辆塔吊车经过下方导线时发生触线事故，当时该车辆的垂直高度有多少，速度有多快，发生触线的位置准确点在那里，都无法知晓；

6)监测模式耗电量大：由于防外破监视工作全部需要依靠视频系统，所以导致摄像机和传输系统长时间处于工作状态，系统耗电量非常大，输电线路在线监测系统目前的供电模式多以太阳能加蓄电池方式，如果在不改变监测模式情况下，系统长时间工作，而摄像机及云台功耗比较大，供电将是一个非常困难的问题，稳定性大大降低；

7)不利外破行为统计：由于视频监视过程中，往往会受架设角度等诸多因素影响，在监视画面中即使可以拍到某种行为，但由于物体在每个图像中都存在不同的个体差异，例如同一物体在摄像机近焦距处和远焦距处，呈现的形状和特征都可能不同，并不利于外破行为统计。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明提供基于AI及雷达探测的架空线路防外力破坏监测系统及方法。实现对外力破坏隐患点进行实时、远程监测，及时掌握隐患点的施工情况，当影响输电线路安全运行时，远程发出预警信息并通过短信及时告知线路运维人员，以便及时制止外力破坏行为。

本发明的技术方案是：

基于AI及雷达探测的架空线路防外力破坏监测系统，包括：

前端检测单元，设置在杆塔上用于对架空输电线路的周围环境进行检测，形成检测信息和告警信息；

后台监测单元，接收前端检测单元的检测信息和告警信息，对架空输电线路的周围环境进行可视化监测，并产生控制指令；

通讯传输单元，用于对前端检测单元和后台监测单元的通讯传输。

作为本发明的进一步地技术方案为，所述前端检测单元，包括：

雷达监测模块，设置在杆塔上用于对杆塔周围环境进行监测；

AI智能分析模块，用于对雷达监测模块的触发位置进行定位聚焦，获取触发位置的图像信息并上传；

警示模块，设置于杆塔上用于对外力破坏预警提示；

DSP+ARM主控单元，用于对雷达监测模块和AI智能分析单元的监测信息进行分析形成处理控制信息，对警示模块进行控制，并通过通信模块将处理控制信息发送给后台监控终端；

电源模块，设置在杆塔上用于向雷达监测模块、AI智能分析模块、警示模块和DSP+ARM主控单元供电；

通信模块，设置在杆塔上与DSP+ARM主控单元连接用于处理控制信息的通信传输。

作为本发明的进一步地技术方案为，所述图像信息为输电线路下的施工吊车、货车、建筑物、人脸、安全帽、移动物体，所述AI智能分析模块对图像信息进行智能识别分析和存储，并进行报警联动。

作为本发明的进一步技术方案为，所述警示模块包括语音播报器和声光警示器。

作为本发明的进一步技术方案为，所述电源模块包括太阳能电池板、控制器和宽温电池，所述太阳能电池板的输出端连接控制器，所述控制器与宽温电池连接。

作为本发明的进一步地技术方案为，所述通讯传输单元为5G、5G+WIFI、光纤、光纤+WIFI中的一种与后台监控中心通信。

本发明还提供基于AI及雷达探测的架空线路防外力破坏监测方法，包括以下步骤：

接收设置在杆塔上的前端检测单元对架空输电线路周围环境的检测信息和告警信息；

根据检测信息和告警信息对架空输电线路的周围环境进行可视化监测，获取图像信息及控制指令；

将图像信息和控制指令通过通讯传输模块发送至后台监控终端。

作为本发明的进一步技术方案为，所述接收设置在杆塔上的前端检测单元对架空输电线路周围环境的检测信息和告警信息；具体包括：

设置在杆塔上的雷达监测模块对杆塔周围环境进行检测，通过布防雷达信息对杆塔异常信息进行探测并告警；

AI智能分析模块根据探测和告警信息启动对输电线路下的施工吊车、货车、建筑物、人脸、安全帽、移动物体进行智能识别分析和存储；

DSP+ARM主控单元对雷达监测模块和AI智能分析单元的监测信息进行分析形成处理控制信息，对警示模块进行控制，并通过通信模块将处理控制信息发送出去。

作为本发明的进一步技术方案为，所述根据检测信息和告警信息对架空输电线路的周围环境进行可视化监测，获取图像信息及控制指令；具体包括：通过视频服务器对杆塔周围的施工等进行定时监控，利用视频设备的远程调焦功能，对杆塔周围情况进行监控；对每个摄像机设置多组预置位，并根据现场情况设置摄像机定期巡视时间并进行视频及图像的存储。

作为本发明的进一步技术方案为，所述将图像信息和控制指令通过通讯传输模块发送至后台监控终端，具体为：所述将图像信息和控制指令通过5G、5G+WIFI、光纤、光纤+WIFI中的一种与后台监控终端通信。

本发明的有益效果为：

1、可对输电线路自身以及周边状况进行实时监测，便于值班人员实时了解现场状况；

2、可以对现场出现的入侵行为迅速进行声、光信息警告，震慑违法违规行为，起到及时制止的作用；

3、对地监测雷达可以有效测量出经过监视区域物体的高度和移动速度，以此来判定外力入侵的物体类型；

4、通过AI智能分析模块，可对现场人员进行人脸识别，车牌识别，安全帽等智能识别、存储，为后期的追责提供重要的依据；

5、由于雷达监测模块采用超声波原理，监测过程中并不区分白天与夜晚，实时监测装置处于持续工作，弥补了传统视频类防外力破坏系统周期性采集的监测盲点；可灵活安装于外破高发区，实时监视作业人员、车辆违章行为；

7、可以将现场紧急情况描述成准确文字，以微信推送的方式及时通知相关人员；

8、联动现场视频或拍照系统，进行报警联动，结合现场图像更直观跟踪现场。

附图说明

图1为本发明提出的基于AI及雷达探测的架空线路防外力破坏监测系统结构图；

图2为本发明提出的前端检测单元结构图；

图3为本发明提出一具体实施例结构图；

图4为本发明提出一具体实施例结构图；

图5为本发明提出的基于AI及雷达探测的架空线路防外力破坏监测方法流程图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

参见图1，为本发明提出的基于AI及雷达探测的架空线路防外力破坏监测系统结构图；

如图1所示，基于AI及雷达探测的架空线路防外力破坏监测系统，包括：

前端检测单元101，设置在杆塔上用于对架空输电线路的周围环境进行检测，形成检测信息和告警信息；

后台监测单元102，接收前端检测单元的检测信息和告警信息，对架空输电线路的周围环境进行可视化监测，并产生控制指令；

通讯传输单元103，用于对前端检测单元和后台监测单元的通讯传输。

参见图2，为本发明提出的前端检测单元结构图；

如图2所示，前端检测单元101，包括：

雷达监测模块111，设置在杆塔上用于对杆塔周围环境进行监测，

AI智能分析模块112，用于对雷达监测模块的触发位置进行定位聚焦，获取触发位置的图像信息并上传；

警示模块113，设置在杆塔上用于对外力破坏预警提示；

DSP+ARM主控单元114，用于对雷达监测模块和AI智能分析单元的监测信息进行分析形成处理控制信息，对警示模块进行控制，并通过通信模块将处理控制信息发送给后台监控终端；

电源模块115，设置在杆塔上用于向雷达监测模块、AI智能分析模块、警示模块和DSP+ARM主控单元供电；

通信模块116，设置在杆塔上与DSP+ARM主控单元连接用于处理控制信息的通信传输。

本发明实施例中，电源模块115包括太阳能电池板1151、控制器1152和宽温电池1153，所述太阳能电池板1151的输出端连接控制器1152，所述控制器1152与宽温电池1153连接。

本发明实施例中，通讯传输单元103为5G、5G+WIFI、光纤、光纤+WIFI中的一种与后台监控中心通信。

本发明实施例中，各个单元能够独立工作，完成自身功能同时还能实时保持与其他部分的联动。在正常情况下不启动记录、分析、告警功能，其他模块处于待机状态，便于最大限度的降低整体功耗，达到节电效果，并可以有效延长系统的使用寿命，使系统运行更稳定。后台监控终端由管理人员控制通过手机或计算机组成。

参见图3和图4，本发明的具体安装实施过程为：在需要监控的高压线路一端铁塔上安装固定好雷达探测器、雷达控制主机、AI智能分析模块、视频差异化分析系统(DSP+ARM主控单元)和其它辅助设备，雷达监测模块和AI智能分析、视频差异化分析系统安装杆塔中部位置。当管理人员或监控室通过手机或计算机向系统报警控制主机发布“布防”指令后系统进入工作状态，一旦发生物体接近高压线5米(110KV)、6米(220KV)、8.5米(500KV)警戒距离值时触发报警(用户可以根据现场实际情况自行设定初始值或其它档位值)，现场高音喇叭发出声响警报“高压危险，注意安全”的语音提示，主机同时将报警信息(包括塔名、位置、危险距离值)通过公网或自建网发送给相关管理人员，管理人员可以直接进行远程喊话提示，此时还将触发AI智能分析、视频差异化分析系统，启动自动拍照、视频采集分析，通过4G、5.8G无线WIFI、光纤等网络向监控中心在线传输现场实时图像视频。

当中心接受来自前段装置的预警信号和拍摄照片时，会联动计算机上的AI智能分析、视频差异化分析系统，通过设定好的入侵对象模型，AI智能判定物体的种类，分析其行为发展轨迹，并将结果发送至值班人员的手机当中，把破坏行为分析数据自动录入智能AI识别知识库中，不断进行积累学习，当积累到一定的数据后，利用大数据对破坏行为进行挖掘分析，统计典型特征，协助使用者更加精准的了解多发地带、物体种类、破坏行为等。系统根据现场情况可调整物体越过初始警戒值后进一步靠近高压线时的多档报警值，便于管理人员评估外物体高危动作风险，采取紧急操作措施。

由于雷达装置在现场部署时正对外力破坏区域，其监控区域属于扇形，这样在两级杆塔之间可以几乎全部涵盖涉及的范围，以现场情况分析，要起到预防作用，当物体移动至前后雷达监视区域时，装置捕获到斜面测量距离，通过斜面与垂直夹角，计算出物体的垂直高度，通过预警判定模型得出即将出现的危险，如果超过安全距离，判定模块会迅速将预警信息发送至集中控制单元，单元将信号快速联动发送至前端喊话与警灯装置，警示装置以声音和灯光震慑现场，起到预防作用，当雷达探测到物体超高输出报警信号时自动打开摄像头经视频差异化智能分析向后台上传报警信息和高清视频，后台得到报警信息并通过高清视频能够监控到现场实时情况，便于领导指挥和部署工作。

本发明实施例中，AI智能分析模块针对输电线路下的施工吊车、货车、建筑物、人脸、安全帽、移动物体等进行AI智能识别智能分析，同时进行报警联动，通过声光方式进行现场警报阻止，同时可结合视频联动进行远程图像智能监控、分析、存储。

本发明通过安装在杆塔上的摄像机采集周边的图象信号、再经无线或有线方式远传到监控中心，实现监控中心对杆塔环境的观察，可及时掌握杆塔、突发事故点周围环境变化。主动查看视频

监控中心通过平台软件随时可以查看视频,查看历史照片，抓拍实时照片并保存。对杆塔周围的施工等进行定时监控，利用视频设备的远程调焦功能，可以对杆塔周围较大范围的情况进行监控。

在监控中心平台软件上可以对每个摄像机设置多组预置位，并可根据现场情况设置摄像机定期巡视的时间，选择其巡检过程中的存储格式为录像或照片。如果在巡检过程中，接受触发装置发送的预警信息，应立即放弃巡检，优先自动定位到预警区域，并以录像和照片两种形式记录当下发生的过程，直到收到触发装置发出的停止指令。

H.264是基于帧编码的技术，加强了对各种信道的适应能力，采用“网络友好”的结构和语法，有利于对误码和丢包的处理；基于系统是开放的，H.264的应用目标范围较宽，以满足不同速率、不同解析度以及不同传输(存储)场合的需求。所以采用H.264技术能够满足以OPGW光纤为主、WIFI无线通信为辅混合通信模式的视频传输需求，实现监测点的高清视频监控和录像功能。但是编码过程的计算复杂性很高。因此降低编码过程的计算复杂性，提高编码速度是H.264视频应用的重点和难点。

摄像头正常情况下处于待机状态，如收到预警信号，立即进行唤醒，启动云台和聚焦功能，定位发生破坏行为的区域，进行实时监视，以图片和录像形式存储记录，并将文件回送至监控中心。

报警模块采用声光联动报警装置，组合触发装置将预警信息发送至到报警单元，装置立即唤醒并进行声光预警，高音喇叭发出声响警报“高压危险，注意安全”等的语音提示，同时启动高亮警灯，起到视觉和听觉双重报警。可采用两种触发方式：

第一种为被动式触发：正常情况下，报警装置处于等待状态，指导收到触发装置发送的信号，被动式进行报警。

第二种为主动式触发：当监控中心人工查看实时视频过程中，发现现场有特殊情况时，可主动下发一个喊话告警指令，装置主动进行唤醒进行声光联合警示。

AI视觉智能分析系统，包括视频分析、行人识别、人脸识别、安全帽识别、大型机械、树木长高、漂浮物等机器视觉系统以及关键特性算法库的建立，拥有背景建模与背景抽取算法、目标特性提取、跟踪、识别以及低像素处理等功能，提供更多功能、更高分辨率、更高帧频、更多先进功能、更多每器件通道数。

通讯传输单元可以采用5G(向下兼容)、5G+WIFI、光纤、光纤+WIFI等方式将视频数据传回，具体可以采用以下方式进行传输，利用5G模块通过公网或虚拟专用网络(APN)进行通信；利用光纤进行通信(如OPGW)，数据经由光纤交换机、接续盒、OPGW光纤进入变电站的方式进行通信；利用线路上已有的光纤进行通信(如OPGW)，数据经由光纤交换机、接续盒、OPGW光纤进入变电站的方式进行通讯。

电源模块可以采用太阳能双路充电、充电管理模组双路管理、蓄电池双路供电的独特供电模式，双路供电系统完全隔离，互不影响，具有智能自动切换和远程后台人工切换两种灵活切换方式。

对于后台监测终端，可采用数据库软件、PC客户端、PC网页版、手机APP、微信客户端、微信推送报警模块等软件部分的开发，防外破系统可将分析图片和分析文字以文件的形式存放至制定目录，其中报警文字可以自由定制存放形式。

参见图5，为本发明还提供基于AI及雷达探测的架空线路防外力破坏监测方法流程图；

如图5所示，基于AI及雷达探测的架空线路防外力破坏监测方法，包括以下步骤：

步骤201，接收设置在杆塔上的前端检测单元对架空输电线路周围环境的检测信息和告警信息；

步骤202，根据检测信息和告警信息对架空输电线路的周围环境进行可视化监测，获取图像信息及控制指令；

步骤203，将图像信息和控制指令通过通讯传输模块发送至后台监控终端。

在步骤201中，所述接收设置在杆塔上的前端检测单元对架空输电线路周围环境的检测信息和告警信息；具体包括：

设置在杆塔上的雷达监测模块对杆塔周围环境进行检测，通过布防雷达信息对杆塔异常信息进行探测并告警；

AI智能分析模块根据探测和告警信息启动对输电线路下的施工吊车、货车、建筑物、人脸、安全帽、移动物体进行智能识别分析和存储；

DSP+ARM主控单元对雷达监测模块和AI智能分析单元的监测信息进行分析形成处理控制信息，对警示模块进行控制，并通过通信模块将处理控制信息发送出去。

在步骤202，所述根据检测信息和告警信息对架空输电线路的周围环境进行可视化监测，获取图像信息及控制指令；具体包括：通过视频服务器对杆塔周围的施工等进行定时监控，利用视频设备的远程调焦功能，对杆塔周围情况进行监控；对每个摄像机设置多组预置位，并根据现场情况设置摄像机定期巡视时间并进行视频及图像的存储。

本发明实施例中，将图像信息和控制指令通过通讯传输模块发送至后台监控终端，具体为：所述将图像信息和控制指令通过5G、5G+WIFI、光纤、光纤+WIFI中的一种与后台监控终端通信。

本发明可对输电线路自身以及周边状况进行实时监测，便于值班人员实时了解现场状况；可以对现场出现的入侵行为迅速进行声、光信息警告，震慑违法违规行为，起到及时制止的作用；对地监测雷达可以有效测量出经过监视区域物体的高度和移动速度，以此来判定外力入侵的物体类型；通过AI智能分析模块，可对现场人员进行人脸识别，车牌识别，安全帽等智能识别、存储，为后期的追责提供重要的依据；由于雷达监测模块采用超声波原理，监测过程中并不区分白天与夜晚，实时监测装置处于持续工作，弥补了传统视频类防外力破坏系统周期性采集的监测盲点；可灵活安装于外破高发区，实时监视作业人员、车辆违章行为；可以将现场紧急情况描述成准确文字，以微信推送的方式及时通知相关人员；联动现场视频或拍照系统，进行报警联动，结合现场图像更直观跟踪现场；系统在完成参数设置之后，所有过程自动完成，包含结果告警输出和与其他系统互动，系统对外具备数据接口，兼容相关外界系统的通讯协议或数据文件。

以上对本发明进行了详细介绍，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。