配电网外破风险的多模感知与分级主动干预方法及系统与流程

本发明涉及配电网安全防护，具体涉及一种配电网外破风险的多模感知与分级主动干预方法及系统。

背景技术：

1、配电网（含架空配电线路、电力电缆及柱上开关、箱式变电等附属设备）分布范围广、廊道环境复杂，与市政施工、交通运输等活动高度交叉，外力破坏（以下简称“外破”）是导致配电网供电中断和设备损坏的主要原因之一。目前，配电网外破防护主要依赖人工巡检、静态警示标识和简单的声光报警装置，难以满足日益复杂的城市施工环境对配电网安全运行的要求。现有技术主要存在以下不足。

2、（一）架空配电线路外破预警方面

3、1.现有配电网外破识别方案不具备未来轨迹预测能力

4、现有技术多是利用毫米波雷达动态监测配电网空间环境、结合激光雷达跟踪监测并通过集成智能模型识别危险类别，虽能够识别当前存在的危险源并发出预警，但其技术路线聚焦于当前时刻的隐患特征匹配与类别识别：通过雷达获取实时探测信息后，提取隐患特征参数并输入模型以识别危险类别，再生成预警信息，并未对目标的未来运动轨迹进行任何形式的预测或推演。

5、2.输电线路领域的轨迹预测方案不适用于配电网场景

6、在输电线路领域，已有技术开始引入轨迹预测技术，其预测逻辑是对目标整体的运动趋势进行判断，即判断目标整体是否会侵入线路的警戒区域。输电线路杆塔高、线路跨度大，主要威胁来自大型机械整体的空间侵入。而配电网架空线路对地安全距离较低（通常仅为6~9米），主要威胁并非目标整体侵入，而是长臂机械（如吊车吊臂、混凝土泵车臂架、高空作业车臂斗等）在抬升或回转过程中臂尖碰触导线。此时，车辆底盘可能远在安全距离之外，仅有臂架部分侵入危险区域。现有输电线路领域的整体轨迹预测方案无法对机械臂的独立抬升/回转运动进行专项建模与预测，直接移植到配电网场景将产生大量漏报。

7、3.现有方案缺乏针对“臂架类”运动特征的专项感知与预判

8、目前尚未见有方案针对配电网架空线路被长臂机械撞击的特殊风险，对目标的可活动部件（臂架）进行独立的运动状态提取、空间轨迹建模和碰撞概率预演。现有技术要么仅做静态测距，要么仅对目标整体做侵入判断，均无法解决“车辆未越界、但臂架已碰线”这一配电网特有的外破难题。

9、（二）地下电缆外破预警方面

10、1.“触碰式报警”仍为主流，缺乏早期逼近预警

11、目前地下电缆防外破的主流方案仍属“触碰式”或“临近式”报警。当挖掘工具破坏感应电缆时触发报警。基于光纤振动传感技术的地下电力电缆防外力破坏预警系统则在电缆本体或附近敷设光纤振动传感器，监测到振动后报警。这类方案的本质是“破坏发生后才报警”：感应电缆被挖断或振动传感器感受到强烈冲击时，电缆本体往往已经受损或即将受损。

12、2.声指纹识别方案仅限于“识别”，未实现“逼近预警”

13、现有方案能通过声定位传感器对开挖活动的声指纹进行实时检测和预警，能够识别施工挖掘行为并定位声源方向，但其预警逻辑是“识别到挖掘即报警”，并未将挖掘点的实时位置与电缆路由进行动态距离比对，也未根据挖掘点向电缆逼近的速度和趋势实施分级预警。换言之，现有技术只能告诉你“有人在挖”，但无法判断“他离电缆还有多远、正在以多快的速度靠近”，因此无法在挖掘点尚在远处时提前发出与风险等级匹配的差异化警示。

14、3.配电网复杂地面环境下的震动信号误报问题突出

15、配电网电缆通常直埋于城市道路下方或浅层排管中，地面震动干扰源极为复杂：车辆碾压、行人踩踏、轨道交通等均会产生震动信号。现有震动监测方案在强背景噪声中识别微弱挖掘信号的准确率有限，误报率高导致运维人员产生“狼来了”效应，最终弃用系统。

16、（三）主动干预手段方面

17、现有警示手段多局限于现场声光报警（警灯闪烁、喇叭鸣响）。当驾驶室密闭、施工机械噪音较大或操作者注意力分散时，现场声光信号难以被有效感知。现有技术缺乏直接向驾驶室/操作室发送强警示信息的技术手段，无法在风险形成的黄金窗口期内对肇事主体实施有效干预。

技术实现思路

1、本发明针对现有配电网外破风险识别和预警中存在的问题，提供了一种配电网外破风险的多模感知与分级主动干预方法及系统，实现了对配电网线路的外破风险预测和预警。

2、第一方面，提供了一种配电网外破风险的多模感知与分级主动干预方法，所述方法包括：

3、通过毫米波雷达采集并处理运动目标的距离、方位角和俯仰角数据以得到雷达点云，并通过摄像头同步采集运动目标的图像数据，其中，所述毫米波雷达和所述摄像头设置于配电网架空线路的杆塔上；

4、通过边缘计算单元，利用视觉识别算法，基于所述图像数据，对所述运动目标进行分类，以区分普通目标与具有长臂结构的目标；

5、通过所述边缘计算单元，基于所述雷达点云的空间分布密度和几何形态，从所述具有长臂结构的目标的整体雷达点云中分离出臂架部件的独立点云簇；

6、通过所述边缘计算单元，基于所述臂架部件的独立点云簇，利用卡尔曼滤波，对所述臂架部件的臂尖进行轨迹预测与碰撞概率预判。

7、在一些实施例中，通过所述边缘计算单元，基于所述雷达点云的空间分布密度和几何形态，从所述具有长臂结构的目标的整体雷达点云中分离出臂架部件的独立点云簇，包括：

8、基于所述具有长臂结构的目标的整体雷达点云的空间分布密度和几何形态，识别所述具有长臂结构的目标中呈长条形、一端固定于车身、可绕固定点旋转的可活动部件；

9、提取所述可活动部件的独立运动参数，其中，所述独立运动参数至少包括：臂架抬升角速度、臂架回转角速度、臂尖当前空间坐标、臂架伸展长度。

10、在一些实施例中，通过所述边缘计算单元，基于所述臂架部件的独立点云簇，利用卡尔曼滤波，对所述臂架部件的臂尖进行轨迹预测与碰撞概率预判，包括：

11、建立臂尖的运动状态方程，其中，所述运动状态方程的状态向量包括：臂尖的三维位置、三维速度及三维加速度；

12、基于所述毫米波雷达实测的臂尖坐标数据，利用所述运动状态方程，构建臂尖观测方程；

13、将所述独立运动参数的数据输入所述臂尖观测方程，并利用卡尔曼滤波的预测步和更新步迭代，实时输出臂尖在未来若干时刻的预测空间位置及置信区间；

14、将预测得到的预测空间位置中的臂尖最高点与配电线路弧垂最低点进行空间垂直距离比较，同时将臂尖水平位置与配电线路水平投影进行比对：

15、当预判所述空间垂直距离小于第一安全阈值且所述水平投影进入线路两侧保护范围时，判定为潜在风险并进行预警；当预判所述空间垂直距离小于第二安全阈值时，判定为高危风险并进行预警，其中，所述第一安全阈值大于所述第二安全阈值。

16、在一些实施例中，所述方法还包括：

17、通过多个震动传感节点采集震动信号并发送至所述边缘计算单元，其中，所述多个震动传感节点沿配电网地下电缆的路由以预设间隔设置，并且在所述多个震动传感节点中的每个节点内置有震动传感器；

18、通过所述边缘计算单元，利用预存的震动信号分类模型，基于震动指纹库从所述震动信号中识别并分离出施工震动指纹，其中，所述施工震动指纹至少包括：人工挖掘、机械挖掘、破碎锤冲击、钻孔/顶管作业；

19、针对分离出的施工震动指纹进行处理以消除背景干扰，并计算施工挖掘点与配电网地下电缆的最短水平距离，根据距离变化率判断逼近速度；

20、基于所述最短水平距离和所述逼近速度，实施分级预警。

21、在一些实施例中，计算施工挖掘点与配电网地下电缆的最短水平距离，包括：

22、通过所述多个震动传感节点接收同一震源信号的到达时间差算法，计算施工挖掘点的平面坐标；

23、将所述施工挖掘点的平面坐标与预存的电缆路由地理信息系统坐标进行叠加比对，实时计算施工挖掘点与配电网地下电缆的最短水平距离。

24、在一些实施例中，基于所述最短水平距离和所述逼近速度，实施分级预警，包括：

25、在识别到施工震动指纹并且施工挖掘点距配电网地下电缆的距离大于第一阈值的情况下，标识为关注级预警；

26、在所述施工挖掘点距配电网地下电缆的距离小于等于所述第一阈值且判断施工挖掘持续逼近的情况下，标识为警示级预警；

27、在所述施工挖掘点距配电网地下电缆的距离小于等于第二阈值的情况下，标识为紧急级预警，其中，所述第二阈值小于所述第一阈值。

28、在一些实施例中，，通过设置于所述配电网架空线路的杆塔或智能地钉上的发光二极管爆闪灯和强声喇叭，实现现场视觉和听觉警示，并且

29、通过设置于所述配电网架空线路的杆塔上的参量阵定向扬声器，形成指向驾驶室或操作室位置的高指向性声束，以进行预警。

30、在一些实施例中，通过无线通信方式，向设备运维单位负责人推送预警信息，以进行预警，其中，推送的预警信息包括：电缆走向示意图、实时距离数据。

31、第二方面，提供了一种配电网外破风险的多模感知与分级主动干预系统，所述系统包括：毫米波雷达、摄像头、边缘计算单元，所述毫米波雷达和所述摄像头设置于配电网架空线路的杆塔上，其中，

32、通过所述毫米波雷达采集并处理运动目标的距离、方位角和俯仰角数据以得到雷达点云，并通过所述摄像头同步采集运动目标的图像数据；

33、通过边缘计算单元，利用视觉识别算法，基于所述图像数据，对所述运动目标进行分类，以区分普通目标与具有长臂结构的目标；基于所述雷达点云的空间分布密度和几何形态，从所述具有长臂结构的目标的整体雷达点云中分离出臂架部件的独立点云簇；基于所述臂架部件的独立点云簇，利用卡尔曼滤波，对所述臂架部件的臂尖进行轨迹预测与碰撞概率预判。

34、在一些实施例中，所述系统还包括：多个震动传感节点，所述多个震动传感节点沿配电网地下电缆的路由以预设间隔设置，并且在所述多个震动传感节点中的每个节点内置有震动传感器，以构成分布式感知网络；其中，

35、通过所述多个震动传感节点采集震动信号并发送至边缘计算单元；

36、通过所述边缘计算单元，利用预存的震动信号分类模型，基于震动指纹库从所述震动信号中识别并分离出施工震动指纹，其中，所述施工震动指纹至少包括：人工挖掘、机械挖掘、破碎锤冲击、钻孔/顶管作业；

37、针对分离出的施工震动指纹进行处理以消除背景干扰，并计算施工挖掘点与配电网地下电缆的最短水平距离，根据距离变化率判断逼近速度；

38、基于所述最短水平距离和所述逼近速度，实施分级预警。

39、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

40、针对配电网架空线路，设计了配电网长臂机械“臂尖轨迹预测”，与现有技术对目标整体进行跟踪和预测不同，本发明针对配电网架空线路被长臂机械撞击的特殊风险，从目标整体点云中独立分离出臂架部件，对其臂尖进行独立的卡尔曼滤波轨迹预测，直接预判臂尖与导线弧垂的空间距离，彻底解决了“车辆未越界、臂架已碰线”这一配电网特有的、现有技术无法解决的外破难题；

41、针对配电网地下电缆，实现了地下电缆从“触碰式报警”到“逼近式分级预警”的质变，与现有感应电缆方案（破坏后才报警）和声指纹识别方案（仅识别挖掘、无距离判断）不同，本发明通过tdoa精确定位挖掘点坐标并与电缆路由进行实时距离比对，根据距离和逼近速度实施分级预警，将预警窗口期从“触碰瞬间”提前至“危险接近阶段（分钟级）”，为设备运维人员留出充足的响应时间；

42、通过ai分类模型对多维度震动特征（时域、频域、能量衰减）的综合识别，有效区分施工挖掘与车辆碾压、行人踩踏等背景干扰，解决了现有震动监测方案在配电网复杂地面环境下误报率高、最终被弃用的实际问题，大幅降低了地下电缆震动监测的误报率；

43、通过参量阵定向声波（穿透驾驶室噪音）和4g/5g手机短信推送，利用“直达操作者”的双向干预机制，将警示信息强制送达操作者本人，并且告知设备运维单位，从根本上克服了传统现场声光报警在密闭驾驶室和强机械噪音环境下失效的缺陷，显著提升了警示的实际有效性；

44、以统一的“云-边-端”架构和分级预警逻辑，同时覆盖配电网架空线路和地下电缆两种截然不同的外破场景，避免了电力企业为不同场景部署多套异构系统的重复投入，具备良好的经济性和可推广性。