基于智能感知互联系统的电力高处安全作业保障技术研究

吴旭光 林权威 朱昌毅 陈 昌 许鹏鹏

（国网浙江省电力有限公司平阳县供电公司）

0 引言

电力系统的检修作业、维护等工作具有移动性、紧迫性等特点，对高处作业安全保障提出很高要求。目前电力系统中危险作业区（如高压铁塔作业、变电站一次部分带电巡检作业、高压线巡检作业等）的操作安全效率有待提高［1］。为提高电力系统安全作业管理水平，实现对现场作业人员体征数据预警提示和遇险呼救定位功能，方便重大抢险作业的现场指挥、监测，同时对重大作业现场音频资料进行保留和提取，方便作业案例分析及工作总结，本文提出研制适用于电力系统高处作业智能通信系统。

目前应用于安全作业领域的通信方式主要包括：（1）对讲机：该类通讯设备目前大量应用于安全作业领域，起到了很好的作用［2］。但缺点也显而易见：只能一对多通话，通话时需工作人员占用双手操作。（2）国外内通系统［3］：一般此类产品仅有多方通话的单一功能，同时其设备的价格也难以被工程单位接受。（3）军用作战内通系统［4］：该类产品一般品质要求很高，保密性也很强，但并不太讲究舒适性。其单兵系统较重，同时除了音视频通信功能外，一般集成多项测控数据，价格昂贵［5-9］。

本文提出并研制开发了电力系统安全作业智能感知互联系统，可以实现以下内容［10-11］：

（1）无需网络，开机无线耳麦自动注册主机连接，实现通话半径不低于500m，实时无线双工语音通话功能；

（2）在高处作业环境，与安全帽直接佩戴，解放双手，具备实时双工通话、录存、播放、下载等功能（单机标准配置，可增容至16方实时双向语音通话）；

（3）单机可增配智能手环（心率、血压、血氧、体温、定位），实时监测作业人员上述指标，报警提醒作业人员身体不适（报警阀值可设置），保证高处作业人员人身安全；

（4）产品自带锂电池，满足连续不低于10h通话续航时间，提供多种充电接口（市电、车载、USB）；

（5）无线传输功率小、低辐射、安全，适用于各类高处作业环境。

本文首先介绍了所研制的电力系统安全作业智能感知互联系统的结构和总体设计，其次介绍了该系统各组成部分的设计原理和具体实现方式，重点介绍了系统中应用的无线通信技术及设备选型，最后介绍了该系统可实现的功能、特点及应用场合。

1 系统结构及总体设计

本文提出的电力系统安全作业智能感知互联系统主要由全双工通信单元和人体体征实时监测单元组成，如图1所示。

图1 全双工通讯的整体结构

所谓双工通信就是指移动通信双方可同时进行发信和收信。这时收信与发信必须采用不同的工作频率称为频分双工FDD。

发送设备：将所要传送的信号首先对载波信号进行调制，形成已调载波；已调载波信号经过变频（有的发射机不经过这一步骤）成为射频载波信号，送至功率放大器，经功率放大器放大后送至天线，一种短波发信机的组成框图如图2所示。

图2 短波发信机的组成框架图

接收设备：主要作用是把天线接收下来的射频载波信号，进行低噪声放大，然后经变频、中频放大和解调后还原出原始信号，最后经低频放大器放大输出。一种短波收信机的组成框图如图3所示。

图3 短波收信机的组成框架图

本系统不依赖外界网络，独立自组局域通讯链路，实现半径500m的双工通话距离，具有卓越的音质，具有体积小、重量轻、抗干扰能力强等特点，能够完全适应塔上、变电站内等各种作业工况。主要由双工通话单元和人体体征实时监测单元组成。

双工通话单元：由主机麦和4只无线副耳麦组成。无线耳麦内包含有无线语音通信管理模块，语音转换模块（包含有无线收发部分，音频输入部分，音频输出部分），音频放大器，扬声器及麦克风接口，无线耳麦内包含微型话筒、喇叭，无线信号收发装置，锂电池等，主耳麦与副耳麦一起组成一套五方通话系统。通话系统采用不易干扰的数字频段，支持同一场地可使用多组无冲突，应用了自动跳频技术，保证通话的清晰，不受附件频段的其他通讯工具的干扰，同时采用64位的编码方式，数字扩频技术，确保通话的保密性。满足带电检修作业、输电线路检修作业，变电站检修作业等使用环境。

人体体征实时监测单元：由主机自带电脑和智能手环组成。人体体征主要监测：心率、血压、血氧、体温、定位。监测数据可设置报警阀值。

本系统总体设计遵循的技术路线是：

（1）项目需求分析

对电力高空作业工作现场环境进行实地调研分析，提出无线多方通话系统的技术要求，制定具体技术方案。

（2）系统整体方案设计

主要由主机终端、智能手环和蓝牙耳麦组成，其工作原理是：用户佩戴蓝牙耳麦，与终端通过蓝牙无线传输话音；多个终端之间通过专用无线建立一个远距离通信网络，从而使多个远距离的用户可像面对面一样的通话。智能手环（心率、血压、血氧、体温、定位），实时监测作业人员上述指标，报警提醒作业人员身体不适（报警阀值可设置），保证高处作业人员人身安全。

（3）研究多重降噪技术

最大程度的避免风声等环境噪声的干扰，同时根据环境自动调节耳麦的音量，保证语音的清晰。

（4）研究自动跳频技术

用码序列进行多频频移键控的通信方式，多套设备可同时工作互不干扰，从而保证通话的清晰，不受附件频段的其他通讯工具的干扰。

（5）系统测试

根据相关国标及行业标准，对整套系统进行实地测试、高低温、电磁环境等多方面测试，并根据测试结果进一步完善无线多方通话系统。

（6）试点应用

在作业现场对本项目研究成果进行试点应用，对系统通讯的可靠性、实时性、抗干扰能力等技术指标进行全面测试，在各种实际作业下进行试运行，并根据运行结果进一步完善该系统。

2 系统主要设备的设计和选型

2.1 现场人员体征信息采集单元

该单元的核心设备是前端的智能手环，实时、定时采集／记录作业人员血压、心率等体征信息，生成曲线图，曲线走势图加对比区间直观四大体征信息。后台系统自动监测、分析数据，异常触发告警，解除作业风险。

2.2 无线通话传输技术

（1）建立了强电磁场环境下的无线多跳自组网络，实现等电位作业人员与地电位人员间的语音、体征等信息的交互传输，研制一种带电环境下的无线音视频通信设备以及基于无源传感器的人体体征监测装置，实现了1000m范围内信息的有效通信。

（2）建立了超／特高压强电磁场环境下的无线多跳自组网络，其特点是没有基站等中心转发设备，各移动主机均具备路由和转发信息等功能；采用基于AODV、DSR和DSDV3种不同的协议构成分组式网络路由协议，实现了音、视频信号分频传输；采用自动跳频技术，避免了不同信息间的串频干扰，提高了等电位人员与其他人员间的通话质量。

（3）多重降噪技术，最大程度的避免风声等环境噪声的干扰，同时根据环境自动调节耳麦的音量，保证语音的清晰。

（4）自动跳频技术，用码序列进行多频频移键控的通信方式，多套设备可同时工作互不干扰，从而保证通话的清晰，不受附件频段的其他通讯工具的干扰。

2.3 监测部分

独立系统：搭载双4G高性能平板，2K高分辨率、高色域显示（2000x1200），独立系统处理数据：

（1）实时存储录音，一键编辑、调取数据。

（2）记录作业时间、位置信息。

智能感知：

（1）实时／定时采集／记录作业人员血压、心率等体征信息，生成曲线图。

（2）系统自动监测、分析数据，异常触发告警，解除作业风险。

（3）实时定位，主机还原定位信息；当地天气实时可看，作业轨迹可寻。

3 系统功能及特点

本系统具有如下功能与特点：

（1）双工通话系统传输方式的确立：采用2.4GHz数字技术和自动跳频技术；支持同一场地使用多组无冲突，不受附件频段的其他通讯工具的干扰。

（2）人体体征实时监测单元，数据采集、超阀值报警；提醒作业人员身体不适。

（3）通话不依赖外界网络。独立自组局域通讯链路，实现半径500m的双工通话距离。

（4）采用UHF数字技术和自动跳频技术，不受附近波段频率其他能讯工具的干扰；多重降噪技术，避免风声等环境噪声的干扰，同时根据环境自动调节耳麦的音量，保证语音的清晰。

（5）适用于高处作业。与安全帽直接佩戴，解放双手；无线传输功率小、低辐射、安全。

4 结束语

本文结合电力系统实际工作特点，特别针对高空作业、野外应急抢修等高危工作场合提出并研制了高处作业智能感知互联系统，采用无线耳麦设计，适合高空作业，解放操作者的双手，使其工作更安全、更高效，作业人员体征数据实时采集，超阀值报警。能够实现双向语言对讲，及时通讯，实时互动，通话效果能分辨出个人语音差别；连接方式为免注册，信号自动恢复连接；应用自动跳频技术，收发双方传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化的通信方式，从而保证通话的清晰，不受附件频段的其他通讯工具的干扰。

该项目研究成果解决输配变电高空作业现场人员沟通方式中存在多种弊端，提高了高空作业现场的工作效率，节约了时间成本；系统采用无线全双工数字对讲技术研制而成，具备全双工通话功能，可用于现场多人通话，免按键，免费通话，节约了使用成本；超长待机，易于使用，方便携带，并且传输距离远，一次投入，长久使用。专为电力高空作业设计，使工作更安全、更高效，为提高电力系统安全作业管理和技术水平提供有力的支持，具有良好的推广应用价值和市场应用前景。