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电力施工作业现场安全综合管控平台项目解决方案

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  1. 项目背景

  电力行业的发展和整个社会息息相关,在供电企业的安全生产中,经常会涉及多家施工单位、监理单位等,人员复杂,环境复杂,管理力度大,为了预防现场安全意外的发生,电力施工现场的安全监控十分必要。远程视频监控目前处于技术发展的前沿,从模拟到高清,从窄带到宽带,从有线到无线,从地面到空中。在此过程中,使用最新的移动视频监控技术,可以进一步保障电力系统的电力生产安全。电力作业现场安全综合管控平台主要使用移动网络,结合无线网络传输与流媒体技术,使视频监控技术能够更好地为安全供电服务。随着4G网络的应用和普及,移动通信系统的网络宽带有了大幅度的提高,有效解决了视频监测点分散、线缆铺设难等问题,监控点视频图像可以随时随地地联网查看,从而实现作业现场监控。

  

电力施工现场管控解决方案

 

  2. 设计原则

  1. 专网专用、信息安全

  建立一套独立的电力作业现场安全综合管控平台,专网专用;

  2. 技术先进性

  各种设备采用技术成熟。稳定且具备先进设计理念的产品,系统在建成后能够通过平滑升级保持其先进性,延长生命周期;

  3. 高可靠性

  系统必须具有高度的可靠性,系统设备必须能够可靠、 稳定工作。采用成熟、稳定和通用的技术和产品,所选用的产品经过各种质量认证,并在国内外的实际应用中被证明稳定可靠;使用具有备份和保障能力的系统软件,以保证系统长期稳定运行,并有较强的容错和恢复能力,以保证系统运行的稳定可靠;关键部分采用备份、冗余等措施。

  4. 高安全性

  解决方案从主机、数据及网络等多方面采取相应措施,从分考虑防止非法接入、病毒传染、防雷击、过载、断电、电磁干扰和人为破坏等方面的安全防护。

  5. 高可用性

  以实用为主,在项目设计和实施的过程中,始终把工程的实际需求放在首位。统筹考虑环境条件、监控对象、投资规模、维护保养等因素,选择实用性强的设备,合理设置系统功能,使系统操作方便、简洁、高效。同时采用优化的流程设计确保系统的高效率。

  6. 易维护性

  系统硬件可以方便的实现远程管理维护,并提供友好的人机接口,确保系统的 易维护性。

  7. 灵活的扩展性

  系统可完全保证随着用户的增加,实现系统的平滑扩容。软件系统架构充分利用网络扩展性强的特点,采用分散控制、集中管理的结构,使得系统可扩展性极强。网络加厚灵活,即可实现平台的集中处理,又能提供全面的透过网络的分散能力,适应多种应用环境及场合。

  8. 良好的开放性

  系统采用业界主流的硬件平台、操作系统平台、数据库平台以及标准的协议,保证系统的开放性。

  9. 高的性价比

  以满足用户实际需求和品质要求为标准,为用户提供最优化,具有最高性价比的方案。

  10. 规范性

  系统开发要严格遵照国家软件工程规范进行,根据开发进度及时提供有关开发文档。

  3. 平台总体设计

  3.1. 设计思路

  电力作业现场安全综合管控平台(以下简称“平台”)主要用于监控现场作业人员行为,实现以下功能:一是录像查看,实现作业现场的视频传输和语音对话、事后追溯、人员行为分析;二是实时监控,实现应急抢修、高风险作业、大型综合作业等情况下的实时视频传输和语音对话,开展远程辅助研判、应急指挥。

  平台定位为对电力生产的服务和监督,监控范围覆盖运检配电、变电、输电及基建作业等专业。

  

电力施工现场管控解决方案

 

  3.2. 技术路线

  对作业现场人员的行为监控,以实时视频监控与就地录像事后查看相结合,并鼓励基层创新方式手段进行模拟补充。归纳起来,具体有以下三种方式:

  方式一:实时视频,联网通信。在各单位配置带4G无线实时传输功能的前端设备,主要用于计划检修、自然灾害、应急抢修或作业现场比较复杂的场景,如应急抢修指挥、输电线路组塔、变电站建设施工等。实时视频数据传输到无线视频服务器上进行远程查看。

  方式二:就地录像,事后查看。在公司层面统一部署建立一个视频文件管理服务器,开发平台管理软件。实现作业前将工单与相关应用信息系统的对接和配对,作业时对现场作业过程进行录像,作业后将现场监控视频进行上传和归档。监督人员可通过管理软件对现场作业的历史视频进行查阅、分析。

  方式三:变电站视频监控。未来平台保留接口与已有的变电站辅助综合监控系统进行通信,将站内现场作业的视频保存在变电站本地,供实时作业行为查看和事后查阅。监督人员根据各单位的周作业计划信息,提前将站内视频探头设置对准待作业区域,实现现场作业行为的实施展示,方便对作业期间工作人员行为的随时查看。

  3.3. 平台架构

  电力作业现场安全综合管控平台包括前端视频采集系统、管控平台服务端系统、监控现场桌面PC/手机APP客户端、4G/有线通信网络等几个部分,其总体架构如下图所示:

  

电力施工现场管控解决方案

 

  (1)前端视频采集系统主要包括无人机系统、便携式移动视频装置、基杆式移动视频装置、现场人员手持移动终端几个部分组成,主要实现作业现场视频图像采集和回传,实时语音对讲,GPS定位等功能。

  (2)管控平台服务端系统:实现信息集成、视频存储、视频监控、视频分析、统计分析、系统管理等电力作业现场安全综合管控平台服务端系统功能。

  (3)监控现场桌面PC客户端:后台监控系统以Web网页形式在系统的浏览器上运行或以应用程序形式在PC上运行,对现场人员和工作情况的进行实时监控和指挥。

  (4)监控现场手机APP客户端:以APP的形式,在手机等移动终端上运行,主要提供给电网公司管理人员随时随地对电力现场、设备和人员安全实时视频查看。

  (5)4G无线通信网络:前端视频采集装置及管理人员监控现场手机APP利用移动、联通、电信运营商4G网络随时、随地的将无线视频点的图像和声音实时传输到平台服务端,同时也能够无线接收平台服务端的指挥音频,做到双向语音对讲。

  3.4. 传输网络

  3.4.1.网络支持

  电力作业现场安全综合管控平台传输网络包括4G无线网络与固网,4G无线网络接入前端设备(无人机系统、便携式移动视频装置、基杆式移动视频装置、现场人员手持移动终端),后者连接管控平台服务端,两者在运营商处实现互联互通。

  前端设备通过4G无线网络传输至运营商处中心机房,运营商中心机房通过光纤将音/视频信号传输至作业系统管控平台服务器,再通过网络安全设备进入管控平台服务端。

  本期项目中,可暂时只选定某一种网络机制进行项目建设。未来项目持续建设中,前端设备支持3种4G网络机制,即中国移动网络、中国联通网络及中国电信网络。在更换不同的网络平台时只需更换设备中的4G无线模块即可实现各种网络制式切换。

  3.4.2.无线网络适应性

  (1)先进的视频压缩技术

  便携式移动视频装置、基杆式移动视频装置采用视频压缩数字编码技术,例如H.264数字编码技术,高编码效率(相同的重建图像质量,码率较MPEG-4节约30%左右),灵活的编码策略,适应不同应用和不同网络宽带。

  H.264码流结构网络适应性强,增加了差错恢复能力,使视频数据适应不同传输信道网络,更好地实现面向IP和无线网络的应用。网络远程浏览画面清晰、逼真。

  (2)动态调整编码参数

  在不启停录像、网传的情况下,调整的编码参数即生效。监控系统中,静止的监控场景,可以采用降低录像的分辨率、图像质量、码率和帧率的方法,使录像保持在很低的码率,而在图像发生变化时自动提高录像的分辨率、质量、码率和帧率,实现高质量的录像,由于上述参数可以动态修改,因此可以保持图像的连续、无需频繁的切换文件,既满足了在关键时刻对高图像质量的要求,又节省了硬盘空间和网络宽带。

  3.4.3.网络设计

  依托于运营商提供的4G网络数据通道,采用前端设备进行录像,并提供现场视频通话功能。所有采集的视频录像信息存储在本地便携设备中;系统采取集中部署,统一访问的模式,前端设备数据存储在管控平台服务器,减少了采集的视频录像信息的安全风险;

  通过指定前端设备唯一的外网服务器地址,部署在外网服务器上的web系统可以实时显示作业现场视频流;可分屏显示选择的不同的前端设备进行现场作业指挥;

  3.5. 存储设计

  3.5.1.存储模式设计

  系统采用两种存储方式:前端设备本地存储和平台集中存储。

  前端设备本地存储是指在前端设备本地进行图像存储,一般配置大容量的硬盘或者SD卡等存储介质,前端本地存储不需要通过网络,减少对网络资源的占用,降低用户对网络接入的要求。例如小型录像仪采用SD卡存储模式,便携式移动视频装置及基建移杆式无线视频可采用SD卡或硬盘存储模式。前端设备支持机械硬盘、SSD固态硬盘混合存储。不但可以扩展设备存储容量,而且可以对关键录像进行冗余备份,保证重要数据安全。

  平台集中存储是指平台通过流媒体服务器将视频流集中保存在中心存储服务器上,这种方式数据安全性高、存储空间大,但是由于同样需要良好的网络支持,对网络依赖性比较高。

  根据电力作业现场安全综合管控平台的特点和无线网络应用的实际情况,本系统推荐使用平台集中存储为主、前端本地存储为辅的方案,在本地存储一定时间内的高清晰、完整的视频数据,方便查证,在平台集中存储历史视频数据,保证数据的长期保存,同时方便用户随时调阅查看。

  3.5.2.存储容量计算

  (1)需求容量计算

  需要考虑前端设备数、单路录像码流、录像保存时间。

  视频图像存储空间计算方式:单个设备8小时存储的存储容量(GB)=【视频码流大小(MB)x60秒x60分x8小时x存储天数/8】/1024

  以一路视频图像在5天、10天、22天所耗用的硬盘空间估算如下:

 

  (2)可用容量计算

  磁盘容量损失:标称2TB的硬盘由于进制关系,其实际可用容量为2000/1.024/1.024/1.024=1862GB。

  格式化损失:如果一个裸硬盘空间要被某个文件系统识别并且存储该文件系统的数据,则需要被该文件系统进行格式化,而这个过程有一定的空间损失。平台服务器的格式化损失通常为3%-5%,一般以5%计算。

  RAID和热备盘损失:RAID的主要特点是多硬盘冗余、并行工作,比起单盘模式性能高、可靠性强。RAID5中有1片盘的逻辑 容量用于存储效验数据,热备盘用来做故障替换,不存储实际数据;经测试8-12块硬盘做一组RAID5时读写性能最高,硬盘数量在往上增加,性能不会更好,增加到一定数量性能反而会有所下降。一台设备配置多组RAID可以分散磁盘坏掉时数据丢失的风险,如果多组RAID轮流工作还可以明显降低磁盘的故障率。根据项目经验,推荐16盘位配置一组RAID和一片热备盘,24盘位配置两组RAID和两片热备盘,48盘位配置三组RAID和三片热备盘。

  设备选择:选择设备时,首先要考虑设备提供的存储容量是否能够满足需求,其次再考虑提供这么大存储容量的设备性能是否能够满足项目中前端并发写入,如果不能满足需要考虑更换更高性能产品或是选择更小盘位产品来分担设备压力。不同系列产品对并发录像数支持不同,根据实际项目前端码流和并发路数进行选择。

  3.5.3.存储容量配置

  人机系统、便携式移动视频装置、基杆式移动视频装置、现场人员手持移动终端

  (1)无人机系统、现场人员手持移动终端

  无人机系统、现场人员手持移动终端数据存储支持外置扩展存储卡,外置存储卡支持按照64G容量,在对外接摄像头(D1)数据进行存储时,根据上述计算可保存4周的数据,在采用内置摄像头(720P)进行录像时,可保存2周的数据。

  (2)便携式移动视频装置

  便携式移动视频装置存储支持外置扩展存储卡,外置存储卡支持最大64G容量,在采用D1格式进行录像存储时,根据上述计算可保存4周的数据,在720P格式进行录像存储时,可保存2周的数据。

  (3)基杆式移动视频装置

  基杆式移动视频装置视频存储支持SD卡、SSD固态硬盘存储模式,无论采取何种录像方式进行存储,存储时间均可满足2周的要求。

  (4)平台服务器存储

  平台服务器存储对数据保存设计为1个月时间,前端设备按照为40台,存储容量按录像格式为720P进行计算:

  龙岩局需求容量=53(GB/10天)*3*40(台)=6360(GB)=6.5(TB)

  考虑到RAID、磁盘热备、空间冗余及少量的前置设备,系统容量需求为10TB。

  4. 设备选型

  4.1. 前端设备

  4.1.1.无人机图传巡检

  

电力施工现场管控解决方案

 

  

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  配套的4G远程图传模块:

  

 

  

 

 

  

 

 

  

  4.1.2.便携式移动视频装置-应急临时布控球

  

 

 

  

 

  应急移动视频装置采用高清红外一体球机,内置大容量锂电池和超低功耗微型无线图传模块,支持各类4G/wifi无线网络,实时传输现场图像到平台服务端,支持1080P/720P高清录像,本地录像,4G实时图传、高清图片定时抓拍上传,GPS/北斗定位,短信触发、报警触发、定时上下线、定时开关机等多样的控制方,可极大的降低功耗,并可灵活控制G流量。

  (1)简易式安装,锂电池、图传模块等一体化全内置机构,底部配有强力磁铁,可轻松吸附在抢修车车顶,或者通过三脚架固定支撑在抢修现场,熟练工作人员5分钟即可完成固定位置安装。

  (2)通信方式:支持4G网络传输,同时支持有线及光纤方式进行数据网络传输。

  (3)电源供给:支持市电供电和蓄电池供电两种供电模式,装置采用市电供电模式进行供电可保证前端系统24小时实时在线;采用蓄电池模式供电,能够保证摄像头稳定工作不低于4小时,如蓄电池电量耗尽,直接通过航空插头(防雨防尘)即插即用更换蓄电池。

  (4)视频采集:采用高清红外球机保证在夜间也能清晰查看。

  (5)视频传输:考虑无线网络宽带受限及易受干扰等特点,提供移动视频Q0S机制,以保证视频传输的流畅及视频质量。

  (6)位置服务:通过GPS模块获得与装置相关的地里位置,通过卫星定位功能可随时定位装置位置。

  4.1.3.手持移动终端-4G图传单兵执法仪

  手持移动终端使用基于手机芯片开发的4G全网通高清图传单兵执法仪来实现实时图传-录像-语音对讲-调度和定位-抓拍等功能,内置安卓系统,1600万像素低照高清摄像头,720P/1080P双码流录像+实时图传,4G/WiFi网络自适应,高清-标清自适应,超低功耗,北斗/GPS二代组合定位;内置可拆卸3100mAh锂电池,超长待机和连续工作,体积100mm×60mm×24.4mm/重160g,尺寸小巧轻便便于携带无需任何外接连线。

  

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  内置硬件对讲机的4G单兵执法仪

  

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  4.1.4. 应急抢修车车载视频监控系统

  在铁路或者石油电力抢修车辆上安装3G/4G车载录像机(DVR/NVR),配1-4个车载摄像机,备用电源系统,录像-实时视频图传-北斗/GPS定位-对讲-集群通话-照片抓拍,领导在远程可转动云台,实时查看现场四周图像。

  1. 支持高清和标清双模输入,对讲-集群通话;

  2. 支持电信联通移动3G/4G双卡捆绑网络互补,偏远地区网络不掉线;

  3. 支持WIFI上传当天录像,不消耗3G流量;

  4. DVR专业文件系统,断电时保证录像不损坏;

  5. GPS/北斗双模定位,轨迹回放;

  6. 可提供现场照明,支持夜晚施工监理;

  

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  4.1.5 4G实时图传强光手电

  

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  4.2. 后台设备

  后台设备主要为平台服务器,参考以下配置要求:

 

  5. 现场应急指挥系统

  5.1 远程应急指挥调度系统

  远程视频智能分析预警平台

  安全方面:能够智能识别是否佩戴安全帽(黄色,蓝色,红色)

  施工进度方面:能够智能化识别一些进度表示,例如楼层高度,

  

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  安全生产 视频智能分析-可视化远程监理

  

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  现场带电施工人员,通过佩戴安全手环/手表,实时监测心率和血压,通过蓝牙上报到人员佩戴的4G智能安全帽,再走4G网络实时上报到监控中心指挥调度平台,一旦发现异常,可在前后两端同时报警提示,可有效预防安全生产事故,防患于未然。工作人员可刷脸进入施工现场,并同时上报平台做统计。

  

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  6. 平台功能

  6.1. 前端视频采集系统

  (1)实时视频交互

  前端设备通过摄像头采集的视频数据,进行高效率数字编码,通过内置的4G模块,对指定的平台服务器进行视频流数据的发送,对应的管控平台服务端系统可实时查看现场作业情况,并可对视频传输的质量进行设置。

  (2)现场双向语音通话和集群对讲

  便携式移动视频装置、一体化布控球移动视频装置、现场人员手持移动终端设备支持视频语音对讲,完场后台管理人员对现场环境的指挥。

  6.2. 管控平台服务端系统

  H.265 4G图传执法记录仪+车载NVR+布控球+无人机图传+移动巡检图传手电筒+4G图传智能头盔+PoC公网对讲统一接入大型后端平台SmartEye

  6.2.1.视频实时监控

  支持预览时画面分割:单画面、4、6、8、9、10、13、14、16、17、25画面,全屏、自定义等多种可选分屏监控方式;

  支持单画面和多画面的分组轮询;

  支持电子缩放,可以鼠标选中局部区域放大,可以拖动选中框漫游,可以通过鼠标滚动放大或缩小选中区域;

  可以对实时的码流进行分析,以图表形式显示;

  支持即时回放,对正在预览的视频保存当前时间前若干时间的数据进行立即回放。

  

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  6.2.2.云台控制功能

  可通过控制窗口对网络摄像机进行云台控制,控制选项有上下左右旋转和巡视,并可在展示窗口观察到视频对应的移动。

  6.2.3.视频图像分析

  (1)实时监控分析,有效实施远程工程监理

  在对作业人员轨迹跟踪的基础上,通过视频智能分析算法,对场地上的作业人员是否按规定正确佩戴安全帽、工作服等进行分析判断,有效实施远程安全生产监督管理;作业人员施工完毕后,是否有工具或者其他物品遗留在现场进行报警;在对作业人员动态跟踪的基础上,判断施工人员是否在施工范围内施工。

  (2)周界报警分析

  在视频监控画面上预先设置警戒线,在对作业人员动态跟踪的基础上,通过视频智能分析算法,判断作业人员是否越出警戒线,对作业人员越出警戒线行为进行报警,提醒监视人员采取相应的措施,并触发录像,供事后事件追溯使用。同时可以防止外界人员(偷窃电力设施设备,误闯入变电站周围,)进入危险区域,当智能分析仪发现有人跨越警戒线时,系统自动启动预警功能,提醒后台管理人员注意。

  6.2.4.录像检索与回放功能

  包括检索和回放监控主机本地存储和平台服务器内的录像资料。

  支持平台服务器录像的搜索和回放,并提供联动回放控制功能,支持暂停、快进、快退等操作;

  支持监控主机录像的搜索和回放,并提供联动回放控制功能,支持暂停、快进、快退等操作;

  支持多路视频通道的同步回放;

  

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  6.2.5.语音对讲和语音广播

  系统可以与前端设备实现语音对讲交互功能,系统支持同时向多个前端设备发送音频广播,对前端设备进行分组,实现设备组群之间的语音对讲。

  6.2.6.用户权限管理功能

  平台服务器对系统管理员和监控用户进行管理。

  支持定义系统管理员角色,具备超级管理员角色,每类管理角色可以分配任何指定的管理权限。

  支持创建监控用户并分配其监控权限,可以限制监控用户的使用时间。

  管理员和监控用户可以按照机构分级,可以支持N级机构以上。

  每级管理员只能负责本级范围内的管理工作,监控用户只能监控本级范围内的视频画面。

  6.2.7.系统日志记录与查询

  支持系统管理日志自动记录和自动定期备份功能,并支持历史日志信息的查询功能。

  支持监控用户在权限范围内访问日志的记录和查询功能。

  管理用户设定想要查询的起始时间和结束时间后,点击查询按钮即可查询到相关时间段内的日志信息。

  7. 人员到位管理和位置定位

  4G智能安全帽能4G全网通覆盖,北斗GPS全程跟踪,可以实时统计巡检人员到达各巡检点的具体时间及停留时间,做到对巡视时间和巡视到位率可知和可控,保证线路巡视工作的质量。对于野外输电线路,可以获悉人员、车辆的当前位置,进行有效调度和指挥,保障设备运行的安全和防止设备事故的升级和扩大。

  8. 精细化远程指导和远程巡查管理

  巡检作业发现疑难问题时,4G智能安全帽可将现场情况通实时回传至后方指挥中心,技术专家通过回传的视频图像对现场人员进行远程作业指导。有效提高人员作业水平,降低人为隐患,提高作业质量。其智能安卓系统,无论是在监控中心、现场、办公室、在途中、在家中,都可随时查看作业现场画面,统一指挥。

  9. 现场数据采集和抢修应急处理

  4G智能安全帽在巡检抢修过程中,能够解放巡检员双手。其高清影像模块,拍摄采集、回传存档一应俱全。可以将电力设施情况以图片或者视频的形式实时回传指挥中心,发现缺陷与隐患及时上报,为指挥中心提供最及时、最详实的一线资料。当巡检员发现电力设备出现紧急情况时,可通过触发4G智能安全帽上的紧急报警按钮,指挥中心迅速锁定报警提示点的位置信息,安排最近的巡检人员、抢修装备实现就近增援。真正做到及时处理,让巡检工作更加放心。

  10. 智能安全宣贯和危险源报警

  4G智能安全帽开机自动播放安全警示、工作安排、工作内容等信息,落实作业安全制度,强化作业执行过程,用心保护作业人状态检测,危险预告功能强大且不失安全性。在检修电力线路和用电设备时,在报警距离范围可检测设备是否带电,并发出告警。同时,4G安全头盔能够检测有毒气体、温湿度环境并作出预警,当安全头盔脱离巡检人员时,会一键呼叫提醒巡检人员或救援团队。

  11. 工作计划

  电力作业现场安全综合管控平台开发建设的总工作周期暂定为项目确认后六个月,分为软件开发阶段和硬件设备的安装部署及调试等阶段工作。

  (1)明确平台建设工作组成员,定期组织试点单位、研发团队召开进度协调会。

  (2)与无线网络运营商签订后期合作协议,确定前置设备4G网络视频流量收费等问题。

  (3)搭建演示平台,进行相关的设备功能演示。

  (4)研发平台软件,完成平台各种现场装置的软件模块的设计工作。

  (5)编制并发布电力作业现场安全综合管控平台应用与管理相关制度。

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