一种基于实景三维模型的变电站电子安全围栏及监控方法
阅读说明：本技术 一种基于实景三维模型的变电站电子安全围栏及监控方法 (Transformer substation electronic security fence based on live-action three-dimensional model and monitoring method ) 是由 褚国伟 何佳熹 陈浩 马剑勋 张关应 束云豪 刘泽 王艺钢 蒋君 于乔乔 于 2021-07-13 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种基于实景三维模型的变电站电子安全围栏,其结构包括若干云台摄像机,工作区域,图像分析服务器,交换机；若干云台摄像机布置在工作区域周围,若干云台摄像机通过交换机与图像分析服务器连接。一种基于实景三维模型的变电站电子安全围栏监控方法,该方法包括如下步骤：1、建立变电站三维模型；2、建立通讯网络将云台摄像机的摄像机视频或图像传输到图像分析服务器；3、根据实际变电站工作需要在变电站三维模型中设置电子围栏空间位置,结合变电站三维模型确定安全工作区域,并调用对应云台摄像机进行实时图像采集和分析,通过位置计算识别工作区域内的人员和设备,对离开安全工作区域的行为进行告警。(The invention provides a substation electronic security fence based on a live-action three-dimensional model, which structurally comprises a plurality of pan-tilt cameras, a working area, an image analysis server and a switch; the plurality of pan-tilt cameras are arranged around the working area and are connected with the image analysis server through the switch. A transformer substation electronic security fence monitoring method based on a real-scene three-dimensional model comprises the following steps: 1. establishing a three-dimensional model of the transformer substation; 2. establishing a communication network to transmit the video or image of the pan-tilt camera to an image analysis server; 3. setting an electronic fence space position in a three-dimensional model of the transformer substation according to the actual working requirement of the transformer substation, determining a safe working area by combining the three-dimensional model of the transformer substation, calling a corresponding pan-tilt camera to perform real-time image acquisition and analysis, identifying personnel and equipment in the working area through position calculation, and giving an alarm for the behavior of leaving the safe working area.)
技术领域
本发明涉及一种基于实景三维模型的变电站电子安全围栏及监控方法，属于变电站安全技术领域。
背景技术
在变电站内存在部分停电工作时，为防止检修人员触电，变电站运维人员通常需要为检修人员划定检修工作区域并在周围布置围栏，对于检修区域上方存在带电导线的情况，运维人员也应对检修人员进行相关说明，提示其与带电物体保持安全距离；但是在实际工作中仍存在检修人员离开围栏划定范围和与上方带电体不能保持安全距离的情况，为此变电运维人员对围栏进行了诸多改进，使其能够对离开安全工作区域的检修人员进行告警；目前变电站采用的带告警功能的电子安全围栏有激光式、雷达式等形式，这些电子安全围栏通过传感元件对进入或离开围栏边界的人员进行检测，发出人员进入或离开告警；但现有的变电站采用的电子安全围栏存在无法在远程对现场实际情况进行实时监控；需要人员搬动激光或雷达装置，而围栏本身较为笨重，设置和搬动相对困难的问题。
目前已有许多变电站通过数字孪生改造建立了变电站实景三维模型，如能根据变电站实景三维模型在模型中划定区域，并由此监控实际变电站中的工作人员的安全状况，且能够具有能对站内情况实时监视、设置方便、告警及时的优点，就显得非常重要；因此，发明一种基于变电站实景三维模型的安全围栏对于数字化变电站改造背景下建立新型安监手段和设置新型安全措施提高变电站安全作业水平具有很重要的意义。
发明内容
本发明提出的是一种基于实景三维模型的变电站电子安全围栏及监控方法，其目的旨在解决现有的变电站采用的电子安全围栏无法在远程对变电站现场实际情况进行实时监控的问题。
本发明的技术解决方案：一种基于实景三维模型的变电站电子安全围栏，其结构包括若干云台摄像机1，工作区域2，图像分析服务器3，交换机4；若干云台摄像机1布置在工作区域2周围，若干云台摄像机1通过交换机4与图像分析服务器3连接。
一种基于实景三维模型的变电站电子安全围栏监控方法，该方法包括如下步骤：
1、建立变电站三维模型；
2、建立通讯网络将云台摄像机的摄像机视频传输到图像分析服务器；
3、根据实际变电站工作需要在变电站三维模型中设置电子围栏空间位置，结合变电站三维模型确定安全工作区域，并调用对应云台摄像机进行实时图像采集和分析，通过位置计算识别工作区域内的人员和设备，对离开安全工作区域的行为进行告警。
本发明的优点：
1)本发明能够实时监控现场实际工作情况，对进入危险区域实时报警；
2)能够方便地设置满足不同应用场景的安全围栏，减少设置安全围栏工作量。
附图说明
附图1是云台摄像机1的安装位置示意图。
附图2是本发明一种基于实景三维模型的变电站电子安全围栏的连接结构示意图。
附图3是本发明一种基于实景三维模型的变电站电子安全围栏监控方法的工作流程示意图。
附图4是安全区域空间示意图。
附图5是识别目标人相对云台摄像机方位示意图。
附图6是识别目标人位置xOy平面示意图。
附图7是识别目标人位置xOz平面示意图。
附图中是1是云台摄像机，2是工作区域，3是图像分析服务器，4是交换机，A1、A2分别是实施例中两个云台摄像机的二维空间坐标，L是带电导线，Q01是安全区域，Ω02是工作区域，Ω0是安全工作区域，p是识别目标人。
具体实施方式
一种基于实景三维模型的变电站电子安全围栏，其结构包括若干云台摄像机1，工作区域2，图像分析服务器3，交换机4；若干云台摄像机1布置在工作区域2周围，若干云台摄像机1通过交换机4与图像分析服务器3连接。
所述云台摄像机1的数量≥2个。
一种基于实景三维模型的变电站电子安全围栏的适用于在远程对变电站电子安全围栏的现场进行实时监控。
一种基于实景三维模型的变电站电子安全围栏监控方法，该方法包括如下步骤：
1、建立变电站三维模型；
2、建立通讯网络将云台摄像机的摄像机视频或图像传输到图像分析服务器；
3、根据实际变电站工作需要在变电站三维模型中设置电子围栏空间位置，结合变电站三维模型确定安全工作区域，并调用对应云台摄像机进行实时图像采集和分析，通过位置计算识别工作区域内的人员或设备，对离开安全工作区域的行为进行告警。
所述通过位置计算识别工作区域内的人员和设备，对离开安全工作区域的行为进行告警，具体包括如下步骤：
1、确定云台摄像机的二维空间坐标；每台云台摄像机的二维空间坐标表示为Af(xf，yf，zf)，i＝1、2、3……n，n≥2，n表示所使用的云台摄像机的数量；
2、通过变电站三维模型，确定变电站内监视区域；
3、通过变电站带电体的空间位置，确定安全区域Ω01；
4、根据现场工作实际情况，手动设置安全围栏，划定工作区域Ω02；
5、计算安全区域Ω01和工作区域Ω02的公共部分为安全工作区域Ω0；
6、通过工作区域周围设置的云台摄像机每隔一定时间对监视区域进行一次图像采集获得采集图像；
7、识别采集图像中的工作人员或工作设备，作为识别目标人p；
8、通过调整云台摄像机方位，将识别目标人p置于画面中央，通过临近m个云台摄像机方位参数获得识别目标人p相对云台摄像机的方位角m≤n；其中，θi表示第i个云台摄像机至识别目标人p的连线与z轴的夹角，表示第i个云台摄像机至识别目标人p的连线在xOy平面上的投影与x轴的夹角；
9、在xOy平面上，根据云台摄像机的二维空间坐标和识别目标人p相对第i个云台摄像机的球坐标方位角计算出识别目标人p的(x，y)坐标；
10、在xOz平面上，根据云台摄像机的二维空间坐标和识别目标人p相对第i个云台摄像机的球坐标方位角计算出识别目标人p的z坐标；
11、对比计算识别目标人p的空间坐标(x，y，z)和安全工作区域Ω0的空间位置关系，若空间坐标(x，y，z)包含于安全工作区域Ω0内则判断为安全，系统不发出告警；若空间坐标(x，y，z)不包含于Ω0内则判断为危险，系统发出人员离开安全区域告警。
所述在xOy平面上，根据云台摄像机的二维空间坐标和识别目标人p相对第i个云台摄像机的球坐标方位角计算出识别目标人p的(x，y)坐标，具体包括以下步骤：
1)将云台摄像机每两个分成一组、两两组合，共形成Cm 2组，Cm 2为从m个样本中抽取2个的组合数；每组中两个云台摄像机在xOy平面的二维空间坐标分别表示为(xi1，yi1)和(xi2，yi2)，i1、i2为i取值范围内不相等的任意数，i＝1、2、3……n，n≥2，且i是临近的m个摄像机编号中的数，n表示所使用的云台摄像机的总数量，m是临近摄像机的总数量；
2)在xOy平面上，根据每组中两个云台摄像机的二维空间坐标(xi1，yi1)(xi2，yi2)和识别目标人p相对每组中两个云台摄像机的方位角计算出识别目标人p的(xi1，i2，yi1，i2)坐标，i1、i2为i取值范围内不相等的任意数；
3)将通过不同组云台摄像机求出的识别目标人p的(xi1，i2，yi1，i2)坐标进行两两组合求出识别目标人p的最终(x，y)坐标。
所述通过每组中两个云台摄像机的二维空间坐标(xi1，yi1)(xi2，yi2)和识别目标人p相对每组中两个云台摄像机的方位角计算出识别目标人p的(xi1，i2，yi1，i2)坐标，具体如下：
所述求出识别目标人p的最终(x，y)坐标，具体为通过将所有云台摄像机两两组合计算的(xi1，i2，yi1，i2)坐标进行求平均值，即：
Cm 2为从m个样本中抽取2个的组合数。
所述在xOz平面上，根据云台摄像机的二维空间坐标和识别目标人p相对第i个云台摄像机的球坐标方位角计算出识别目标人p的z坐标，具体包括以下步骤：
1)将云台摄像机每两个分成一组、两两组合，共形成Cm 2组，Cm 2为从m个样本中抽取2个的组合数；每组中两个云台摄像机在xOz平面的二维空间坐标分别表示为(xi1，zi1)和(xi2，zi2)，i1、i2为i取值范围内不相等的任意数，i＝1、2、3……n，n≥2，且i是临近的m个摄像机编号中的数，n表示所使用的云台摄像机的总数量，m是临近摄像机的总数量；
2)在xOz平面上，根据每组中两个云台摄像机的二维空间坐标(xi1，zi1)(xi2，zi2)和识别目标人p相对每组中两个云台摄像机的方位角计算出识别目标人p的zi1，i2坐标，i1、i2为i取值范围内不相等的任意数；
3)将通过不同组云台摄像机求出的识别目标人p的zi1，i2坐标进行两两组合求出识别目标人p的最终z坐标。
所述通过每组中两个云台摄像机在xOz平面上的二维空间坐标(xi1，zi1)(xi2，zi2)和识别目标人p相对每组中两个云台摄像机的方位角计算出识别目标人p的zi1，i2坐标，具体如下：
式中，αi为确定的方位角在xOz平面上的投影与x轴的夹角，具体为：
所述求出识别目标人p的最终z坐标，具体为通过将所有摄像头两两组合计算的zi1，i2坐标进行求平均值，即：
根据式(1)(2)(3)确定识别目标人p的坐标为(x，y，z)。
本发明工作时，可每隔一段时间重复以上过程以实现对变电站作业的实施监控。
实施例1
一种基于实景三维模型的变电站电子安全围栏监控方法，该方法包括如下步骤：
1、通过三维建模技术对变电站进行扫描建模，确定云台摄像机的空间坐标；每台云台摄像机的空间坐标表示为Ai，i＝1、2、3……n，n≥2；本实施例中优选使用两台云台摄像机，例如附图4-附图7中两台云台摄像机的二维空间坐标分别表示为：A1，A2；
2、通过变电站带电体的空间位置，确定安全区域Ω01；如附图4中变电站带电体为带电导线L，根据变电安规确定安全距离，带电导线L周围一定距离为危险区，此区域外为安全区域Ω01；
3、根据现场工作实际情况，手动设置安全围栏，划定工作区域Ω02；
4、计算安全区域Ω01和工作区域Ω02的公共部分为安全工作区域Ω0；
5、通过工作区域周围设置的两台云台摄像机每隔一定时间对监视区域进行一次图像采集获得采集图像；
6、识别采集图像中的工作人员或工作设备，作为识别目标人p；
7、通过调整云台摄像机方位，将识别目标人p置于画面中央，此时通过云台摄像机方位参数获得识别目标人p相对两台云台摄像机的方位角
8、在xOy平面上，根据云台摄像机二维空间坐标A1，A2和方位角可以计算出识别目标人p的(x，y)坐标；
9、在xOz平面上根据人相对两云台摄像机方位角 可以计算出识别目标人p在xOz平面上的投影与x轴的夹角α1，α2；根据云台摄像机二维空间坐标A1，A2和识别目标人p在xOz平面是投影后的方位角α1，α2计算出识别目标的(x，z)坐标，则可确定识别目标人p的空间坐标(x，y，z)；
10、对比计算目标人p的空间坐标(x，y，z)和安全工作区域Ω0的空间位置关系，若(x，y，z)包含于Ω0内则判断为安全，系统不发出告警；若(x，y，z)不包含于Ω0内则判断为危险，系统发出人员离开安全区域告警；
11、每隔一段时间重复以上过程以实现对变电站作业实施监控。
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