基于人工智能和UWB定位的反违章综合安全管控

石彦鹏，潘作为

(1．内蒙古京宁热电有限责任公司，内蒙古 乌兰察布 012000；2.北京京能电力股份有限公司，北京100025)

0 引 言

电力是国民经济的重要基础产业，其生产是一个流程化和持续化的过程，电厂作为电力系统的重要生产环节，其安全生产对于电力系统稳定运行具有非常重要的作用。但是，由于电厂的生产设备之间关联关系复杂，在安全生产过程中存在工作人员少、作业任务重、危险点多、监管困难和技术防范措施受限等客观因素，给电厂安全生产带来了隐患。

在电厂生产区域作业现场的管控上，其主要面临的问题有：1)作业现场环境复杂、危险源点多面广，依靠传统的人力监管效率低下，管理手段单一[1]，工业电视的兴起虽然很大程度上解决了传统人力监管工作难度大的问题，但是过多的视频冗余依然给监护人员带来监控和辨识的难度[2]；2)作业现场人员多，专业技能和安全意识参差不齐，作业违章现象时有发生；3)在作业现场较多、较大的情况下，无法对人员的位置、行为进行实时监管[3]。

为适应电力行业的快速发展，传统电厂正在逐步向数字化智慧电厂演变[4]，越来越多的信息技术应用到电厂的运行控制中，大幅提高了电厂运行维护的信息化、智能化和自动化水平[2]。随着科学技术的迅速发展，安全生产管理水平和技术防范手段有了很大的改进与提升，安全生产的管理已经由传统的人防、物防向技防等多维度多手段的科学防范快速跃进。当今时代，是科技水平迅猛发展的时代，人工智能、智能穿戴、智慧物联网理念等高科技产物层出不穷，并且正在快速融入社会，走入各个领域，在各行各业崭露头角。在安全生产方面，采用视频监控手段，以人工智能+高精度定位为首的技术，将先进的科学技术融入实际生产中，获取目标的类型、方位、运动等特征数据[5]，以其特有的智能程度高、准确性能强等特性，针对现场传统安全防范的痛点、难点提出有效的解决方案，为生产安全提供了有效的技术保障。

该文设计了一套基于人工智能和超宽带(ultra wide band,UWB)定位的反违章综合安全管控平台，实现对现场环境和设备状态的多样化采集，达到对作业人员行为进行智能识别和风险预判，对违规操作、异常行为等进行实时预警的目的。结合实际场景，最大限度的开发与探索人工智能的先进性和优越性，实现对厂内重点区域的智慧化管控。

1 整体架构

综合安全管控平台充分考虑到平台后期的扩展和集成，采用高内聚、低耦合的软件架构进行系统集成与开发，保障系统的稳定性、可扩展性。平台的整体架构如图1所示。

图1 综合管控平台的整体架构图

综合管控平台采用分布式模块化开发，分别将告警管理、在线考试、专家知识库作为管理系统以微服务的方式在应用管理服务器上运行，将AI智能、人员精确定位以及语音播报系统作为实时在线管控系统运行在不同的服务器上，各个子系统间独立运行和维护，相互之间不干扰。系统之间均以Web服务、Socket交互、消息队列方式进行数据交互，数据格式统一采用Json数据格式。以此保障整个平台的高内聚、低耦合的特性，同时方便后期单独子系统的运维和升级。综合管控平台在应用服务器上建立综合管理服务，用以调配各个子系统之间的资源，建立子系统之间的传输通道，其网络拓扑图如图2所示。

图2 综合管控平台的网络拓扑图

2 综合安全管控平台构成

综合安全管控平台整体包含专家知识库子系统、在线考试子系统、告警管理子系统、智能语音播报子系统、AI智能监控子系统、人员精准定位子系统等6个子系统以及人机交互模块、数据对接模块、网络安全模块3大模块。

2.1 专家知识库子系统

通过综合安全管控一体化系统平台，将大数据、人工智能、知识图谱专家系统应用功能深度融合于电厂安全管理的各环节中，利用信息化手段监督各级人员安全生产责任制的落实情况、组织本企业安全生产监督涉及设备、人员、设施安全的技术状况及人身安全的防护状况，智能化的监管、监控、监测、预警、应急一体化智慧安监管理体系。专家知识库子系统主要包括：

1)隐患排查。系统建立隐患例行检查要素和标准库，根据隐患计划，建立隐患排查检查表，发送给相关岗位人员，接收人通过移动终端依据检查表逐项排查。

2)反违章管理。系统建立违章标准，通过监控智能判断和人员稽查确定违章，完成违章登记、违章核准的处理，建立违章整改计划、违章跟踪、违章验收及违章积分档案。

3)风险预控。建立风险预控指标体系，包含：建立预警指标选择、预警标准设定、预警指标监控和预警指标更新完善等功能。

2.2 在线考试子系统

建立三级安全管理电子资料库，主要包含国家法律法规、行业标准、规章制度、典型事故案例、安全知识等，实现对电子资料分类管理，根据索引、电子资料名称、内容等进行查询、调阅，并可自动随机生成试题库。

在线考试子系统具备培训管理、考试管理、学习管理、培训资源、统计分析、考试过程中人脸识别认证、人脸不定期检测功能。通过三级安全培训考试并经审核通过后，实现现场工作人员的准入权限。

2.3 告警管理子系统

告警子系统具有：告警检测、告警处理、告警查询、告警规则、告警风暴抑制、告警通知、告警统计等功能。

1)告警检测：基于人工智能技术，通过前端移动设备采集的视频，对施工人员的行为进行智能分析，一旦检测到施工人员有相关的违章行为，可自动上报至系统。

2)告警处理：值班人员在系统大屏对报警数据进行处理，常规报警进行处理操作，对误报的报警信息进行消除。

3)告警查询：可根据时间、报警类型等对告警信息进行查询。

4)告警规则：支持告警激活规则设置，过滤无用告警；支持设置告警级别、告警源和联动动作，只有设定了告警规则的告警才能被激活；支持告警激活时间设置，在设定的时间范围内告警上报，在时间范围外的告警不再上报，支持批量设置。

5)告警风暴抑制：支持告警风暴抑制，在设定的告警风暴时间内，相同的告警不再重复上报。

6)告警通知：支持告警接收人设置，支持向移动APP推送告警信息。

7)告警统计：支持告警日统计和月统计，可按告警处理状态、告警类型、告警级别统计数量和占比。

2.4 智能语音播报子系统

根据摄像头识别、现场高风险作业过程管控及智能识别系统分析结果，调用数据接口联动前端声光报警器，通知提示现场工作人员。

通过手机APP接收告警通知，由前端声光报警器进行声音提示，后台系统管理包括系统网关功能、设定语音策略、语音播报历史留痕以及根据告警规则绑定声光报警器。

2.5 AI智能监控子系统

基于先进的人工智能计算机视觉技术，以人工智能为基础的图像识别技术中，获取信息的最主要方式就是图像采集和智能分析[6]，通过对生产现场重要场所部署专业高清网络摄像机，准确地智能分析实时视频的关键信息。高清网络摄像机负责采集厂区的视频，内容识别服务器负责对高清网络摄像机设定区域进行视频分析，同时将报警记录、快照存入到数据库，便于随时查询和资料的调取。人工智能图像分析对视频图像进行语义化解析[7]，最大限度地降低视频冗余，将有用的信息推送给用户。

AI分析的落地应用需要2个关键要素，分别为算法和模型，具备的特点是占用资源低、成本消耗少、能量发挥大[8]。因此，在本方案设计中，单独拆分出1台算法服务器用于实现AI算法的学习与训练功能，其主要目的是搭建平台自有的AI生态，实现模型、场景、算法的融合以及更多AI业务的落地与应用。

AI智能监控子系统中的人脸识别、电子围栏防入侵、安全帽佩戴检测、烟火检测、人员行为检测(越线、绊线、聚集、徘徊)和油区油罐车辆识别等可采用已有的常规视频分析算法。

AI智能监控子系统需要设计的视频分析算法主要有：高空作业安全带检测、违章动火行为检测、非标准化作业检测、违章操作起重设备检测、配电间人员走错间隔及违章操作检测。

2.5.1 高空作业安全带检测

结合工作票、视频图像中的人员以及安全带目标，利用人工智能图像分析算法实现对人员高空作业不系安全带的行为进行检测。检测内容包括：

1)根据工作票信息获取作业人员是否有高空作业行为。

2)根据现场布控的摄像机判断人员是否在高空作业。

3)根据人员的人形姿态分析判断人员是否离开地面。

4)在安全带上增加醒目标识，用于图像分析算法对安全带的识别。

2.5.2 违章动火行为检测

对油区、氨区、酸碱间和制粉区等重点区域的动火作业进行检测，检测流程如下：

1)根据工作票获取有动火作业内容。

2)利用目标检测检测现场是否有火点。

3)利用目标检测检测现场是否有灭火器材。

4)根据UWB定位判断现场是否有动火作业的相关人员。

5)利用人脸识别检测动火作业的人员是否有动火作业资质。

6)根据动火作业票、火点、人员、灭火器材判断动火作业是否违章。

2.5.3 非标准化作业检测

此功能需要联合油区外、油区门口、输油管处多个摄像头以及UWB定位综合判断。检测流程如下：

1)油车停在油区外面，在外面布控摄像机，利用目标检测对油车车辆进行识别。

2)为接地线增加醒目标识，利用行为识别对接地线是否与油车进行接触进行识别。

3)在门口以及其他静电释放球附近布控摄像头，在输油管附近布控摄像头。利用行为分析的办法对人员触碰接地球的行为进行识别判断。结合人脸识别分析算法对图像下的人员进行识别认证。

4)根据上述综合判断分别对输油管未接地行为和人员未触碰静电释放球行为进行判断和预警。

2.5.4 违章操作起重设备检测

在制粉区域下方布控摄像机，违章操作起重设备检测算法首先对采集的视频图像利用行为分析方法识别是否有人操作起重设备的终端；然后综合UWB定位和人脸识别，对操作起重设备终端的人员进行身份认证，最后判断该人员是否具备操作起重设备的资质。

2.5.5 配电间人员走错间隔及违章操作检测

主要对6 kV配电间的作业进行违章检测，检测流程如下：

1)根据工作票、操作票获取作业间隔和作业人员。

2)利用UWB定位和人脸识别方式判断人员是否为作业人员，且人员是否在作业间隔内。

3)如果人员在其他间隔内且进入间隔黄线区域超过设定时间，则触发走错间隔预警。

4)如果人员在其他间隔内且进入间隔黄线区域超过设定时间，并且人员有触碰间隔设备的行为则触发违规操作预警

2.6 人员精准定位子系统

本系统通过基础配置维护区域、标签和人员的关系，通过集成定位数据和关系模型，实现人员定位、人员轨迹回放、电子围栏等应用功能。定位基站对需要进行人员定位的区域进行信号覆盖，通过定位标签实时反馈位置信息，可以满足生产安全管理上对人员、设备等的定位需求，可查询生产区域内员工、外委单位人员的实时位置信息，可查询人员的历史轨迹。

该部分利用UWB定位手段实现对电厂内锅炉零米、锅炉运转平台、汽机13.6 m运转平台、汽机零米、汽机9.6 m、尿素水解间、油区、380 kV配电间、酸碱间等重点场所进行零维、一维、二维定位，可视化方式为二维电子地图显示。

2.7 人机交互模块

人机交互模块包括移动APP交互、前段大屏展示和系统后台管理。

移动APP支持IOS/Android操作系统，兼容微信推送功能，可将广播、单播消息推送给所有用户或单独用户，用户收到消息后，可以通过微信平台对消息进行查看、审阅以及反馈。用户通过手机APP注册用户和登录系统，新注册的用户由管理员分配其权限，具备不同权限的用户在APP上可使用不同的功能。

前段大屏展示结合AI智能监控系统以及人员精准定位系统，对平台中的报警数据，以推窗的形式实时展示平台报警信息。能够第一时间通知值班人员，通过智能语音报警系统，告知现场工作人员。

系统后台管理包括：1)人员管理维护，主要用于审核移动端注册用户信息及相关资质；2)管理维护平台基础数据及相关配置；3)历史数据追溯；4)操作日志查看。

2.8 数据对接模块

数据对接模块需要和电厂原有的ERP系统和高风险作业系统交互，获得工作票相应信息。

平台需要读取的信息包括：工作内容、工作起止时间、工作相关人员、作业位置及区域(位置指具体的房间，区域指具体间隔)、安全工器具信息、安全措施和工作票关联的其他信息(诸如动火票、高空作业票)。

目前，电厂的工作票信息储存在ERP系统中，因此需要ERP系统开放工作票检索接口，由本对接模块根据时间、日期检索工作票信息。根据工作票信息确认时间节点信息、工作负责人、工作班成员、作业设备、作业区域(大区域)等信息。

此外，工作票中包含动火作业等高风险作业信息的作业时，需高风险作业系统开放查询接口，当有新的作业信息录入时，安全管控平台能够实时查询到最新的高风险作业信息，判断高风险作业人员是否通过培训考试。同时需要获取高风险作业系统的任务信息和对应的视频流，对视频流进行智能分析，对作业现场未佩戴安全帽、违章动火、违章操作起重设备等行为进行及时预警。

2.9 网络安全模块

网络安全模块包括以下功能：

2.9.1 应用安全隧道

1)安全隧道具备白名单过滤功能，只有被系统认可的地址才能通过安全隧道进入内网，进行访问。

2)支持多种数据加密算法。

3)加密、解密密钥不进行存储，没有人知道密钥内容，从而防止人为泄密。

2.9.2 入侵防御系统

实时、主动拦截黑客攻击、蠕虫、网络病毒、后门木马、D.O.S等恶意流量，保护企业信息系统和网络架构免受侵害，防止操作系统和应用程序损坏或宕机。

基于互联网Web站点的挂马检测结果，结合URL信誉评价技术，保护用户在访问被植入木马等恶意代码的网站时不受侵害，及时、有效地第一时间拦截Web威胁。

2.9.3 日志审计

通过集中采集信息系统中的系统安全事件、用户访问记录、系统运行日志、系统运行状态等各类信息，经过规范化、过滤、归并和告警分析等处理后，以统一格式的日志形式进行集中存储和管理，结合丰富的日志统计汇总及关联分析功能，实现对信息系统日志的全面审计。

3 系统实施结果

综合管控平台通过API接口使用平台提供的各种微服务，将具体的业务展现给最终的用户。可在LCD/LED屏、PC机、手机以及Pad进行展示。同时，平台满足多部门对视频数据、信息数据的共享需求，在授权的情况下，各部门可实现视频、信息资源及信息数据的共享。

综合管控平台结合AI智能监控系统以及人员精准定位系统，对平台中的报警数据，以推窗的形式实时展示平台报警信息，能够第一时间通知值班人员，通过智能语音报警系统，告知现场工作人员。

4 结 语

该文通过搭建基于AI视频分析及人员精确定位的反违章监控综合安全管控平台，通过人工智能图像分析和高精度定位手段实现对现场人员的位置、身份、行为进行采集，对现场环境和设备状态进行多样化采集，充分利用厂内ERP系统和高风险作业系统的基础数据，实现现场安全管控的多重保障，结合PC端、移动端、现场声光报警器等多种形式实现现场作业和违章管控的闭环，大幅度提升人员、设备、环境、制度的全要素安全保障力度和安全管理效率，有效把控节奏，实现巡检、施工作业安全管理和监督的可视、可测、可追踪。平台以防控为核心，形成了资源优化配置、专业管理和安全监督统筹协调的作业安全管理及监督的可视化平台，提升巡检与检维修作业安全风险管控的信息化、智能化水平，实现节奏控制可量化、作业过程可观测、潜在问题可预判、危险行为可报警、管控信息可查询、责任到位可追溯，确保作业现场可控、在控。