登录
注册
视频传感网在高速公路电力维护中的应用浅析
作者：蒋曙豪，李一林，邱淳风
来源：CPS中安网
日期：2011-06-22 09:58:29
摘要：高速公路的快速发展，有力地促进了我国经济发展和社会进步。高速公路收费站点是保持高速公路管理正常运行的命脉，而高速公路配发电设备是各收费站所的收费系统、通信系统、隧道通风照明、道路监控及办公、生活设施等的电力保障。
自2009年8月温家宝总理提出“感知中国”以来,物联网(The Internet of things)被正式列为国家五大新兴战略性产业之一。通过各种无线和有线的通讯网络，物联网不仅实现了各种前端、楼控系统、家庭智能电器、视频监控系统等实时在线监测、定位报警、联动指挥、远程控制等功能，而且实现了各类终端之间的信息关联交互。作为物联网一个重要分支的视频传感网因对视频信息同步采集和处理，广泛应用于高速公路日常维护之中。
一、需求分析
高速公路的快速发展，有力地促进了我国经济发展和社会进步。高速公路收费站点是保持高速公路管理正常运行的命脉，而高速公路配发电设备是各收费站所的收费系统、通信系统、隧道通风照明、道路监控及办公、生活设施等的电力保障。高速公路的性质决定了高速公路各收费站所必然是沿着高速公路呈分散的线状分布，各收费站所相隔较远，配发电设备各自独立，各站所的设备管理人员和电工的素质参差不齐，必然影响到对设备的保养。2010年浙江省高速公路发生供电线路因台风发生故障，突然发生停电，甚至大雨使线路发生了短路而跳闸，自发电无法供应收费道口情况时有发生，妨碍了收费设备的正常运行，使高速公路的正常运行受到严重的影响。目前，浙江高速公路收费站已经达300个，高速公路配发电设备存在如下问题：一是故障信息不掌握。由于管理中心与各收费站及当地机房距离较远，中心管理人员无法了解发电机房与配电屏的实际状况，只能靠电话或推测，所以有时负荷已超载或跳闸时，仍然使机器强行运转，最后发生更大的事故。二是人员配备不到位。目前出于成本考虑，高速公路各管理所往往只配备一名电工，不能做到24小时值勤，晚间如遇停电或线路故障只能由收费员兼职电工先行发电，再通知专职电工再从家里赶到现场，而兼职电工对设备了解及性能的掌握不够全面电，无法对故障作出正确的判断，甚至表达不出故障的状况。此外电工维修水平也是参差不齐，有的在紧急情况下对于故障不敢排除。三是故障维护不及时。目前由于设备运行时间较长，有的设备出现失保失修现象，长期带病运行。另外各种仪器仪表又不统一，有数字的又有模拟的，对管理、维护带来了困难。因此，建立一个通过物联网管理、维护设备的信息平台势在必行。
二、建设思路
在高速公路运用物联网最早是高速公路不停车收费、多路径识别、不停车收费系统中采用射频技术进行对车辆的管理与收费。有人认为物联网就必须采用射频卡(RFID)，这点我们不敢苟同。RFID只是射频电子标签，一般是读出自己的身份信息结合后以无线的方式发出，短距离、低速率、低功耗无线网络技术(Zigbee)的功能更强，能与传感器配合，把传感器读出的物体信息，经过一定的处理，再与自己的身份信息结合后以无线的方式发出，其信息容量更大，主要适合于自动控制、传感、监控和远程控制等领域，前端采用这种技术只需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，其通信效率非常高。为此，构建了以Zigbee、视频传感器等为核心的供配电设备监控管理系统，负责全段高速公路配发电设备远程监视和设备维护管理，并在各收费所设立前端监控点，负责相应所的数据采集和当地设备维护。主要内容简述如下：
1、Zigbee
Zigbee一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳ZigZag形舞蹈来告知同伴，达到交换信息的目的。借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术。一般而言,随着通信距离的增大,设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。相对于现有的各种无线通信技术,ZigBee技术将是最低功耗和成本的技术。同时由于ZigBee技术的低数据速率和通信范围较小的特点,也决定了ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务。ZigBee有三个工作频段：2.402～2.480GHz、868～868.6MHz、902～928MHz，共27个信道。信道接入方式采用CSMA-CA，能有效地减少了帧的冲突。为抗干扰和多径，ZigBee在物理层采用直接序列扩频DSSS和频率捷变FA技术，有更强的抗干扰和多径的能力。
2、视频传感器
视频传感器属于智能视频分析范畴，通过对目标特征的处理，分析和识别，从而获取关键信息进行判断和决策，实现视频信息的深度应用。视频传感器节点的设计需遵循微型化、低成本、扩展性和稳定性好的基本设计原则，在有限成本的基础上，致力于设计出具有视频信息采集、处理、传输等功能的传感器节点，提高传感器节点能力以最大限度地满足大数据量、实时性要求较高的媒体信息的获取与处理。视频传感器采集到的媒体信息，无论是静态的图像还是动态的视频流，都具有很大冗余性和时空间关联性，大量冗余数据在网络中传输势必会造成网络资源的严重消耗。目前，在传感器节点能量、计算处理能力、通信带宽等资源普遍受限情况下，在视频传感器信息获取、传输、展示中引入有效的网内信息处理技术完成媒体信息压缩编码、特征提取、目标识别以及信息融合等处理，并结合数据同步及任务协同处理，以减少网络业务流量、提高网络处理及响应速度，进而增强整个视频传感器网络监测能力。
三、实施方案
对于物联网来说，前端物体应安装传感器，把前端设备的信息转化为能通过传输设备能进行传输的信息，然后通过身份识别与短距离传输设备传输信息。如下图所示，传感器为视频传感器。因为目前大部分仪器无论电压表、电流表、功率因数表、温度表等，在发电设备尤其是配电屏中都广泛采用模拟指针式的电表，从直观上、精度上还是价格上都有很大优势。但这种模拟表作为ZigBee的数据采集就带来很大的困难，因为作为使用者不可能打开表盖对其电路进行改造。因此，方案核心是通过摄像头采集模拟表的图像，经数字化后送数字信号处理器进行智能分析，即通过图像处理和模式识别技术自动识别指针读数，包括刻度和文字的识别，指针位置的判读，再将读数通过ZigBee的发射端把而数据无线接力传输到电脑，再经过以太网传到管理中心的平台。
远程配发电设备Zigbee技术数据采集和信息管理系统主要由三部分组成。
第一部分的前端节点进行数据采集及汇总数据，接受各配电房与发电机房配电设备上传来的电数据通过ZigBee处理后通过无线汇总到配电房的电脑中。采集和转发通信方式完全按系统数据传输标准进行短距离传输。该系统为基于ZigBee网络的分布式多点监测系统，传感器关系到监测数据的准确性和可靠性，并且传感器属于易损设备。今后应考虑现场的复杂情况，必须选用可靠、稳定、易维护的传感器。
第二部分是本地数据存储、交换和远程通信，它起着承上启下的核心作用。首先RF接收器收集前端节点发出的检测信号，经ZigBee接受器处理在配电房的电脑中进行数据汇总，然后通过局域网传送到系统控制中心。
第三部分是系统控制中心，实现各类监测数据的接收、显示、统计、自动综合分析、存储、应用、发布。本系统构建于现有网络平台，把网络连接看作一个整体设计须依赖于网络平台，包括网络的拓扑结构、带宽状况、网络类型及网络管理，主要涉及的是服务器的设置，系统具备远程更新程序的能力。管理处可通过网络远程更新现场控制器上运行的程序，更改采集周期、存储方式等关键程序指标，或完全更新程序，以满足不同时期对现场监测的需要;如有可能，也可在发生灾情或其它紧急时刻，管理人员可在通过显示设备，显示了解现场监测情况;实现监测中心与监测现场设备间的双向通信，使监测中心可以方便的了解监测现场设备的状态，并可随时向下发送命令或更新现场设备上的应用程序。现场监测站点需要用ZigBee监测配发电设备的参数，通过与仪表相连。系统通过数据采集器采集一系列参数，把配发电设备的电压、电流、水温、油压以及停发电时间等先汇总到配电房的电脑，再通过局域网将数据发到监测中心。传递过程中数据保证送达、数据等级设置等工作，以保证数据的安全性和完整性。供中心控制人员了解各设备情况，在发生故障时指导现场操作人员排除故障。
2、功能要求
通过自备柴油发电机控制器的数据通信口进行规约接入，实现了高速公路配发电设备远程维护与监视，也对微机继电保护装置进行了监视运行，实现了其保护定值的查询、下装和定值单管理等多种功能。一是报表分析功能，即自动形成电压、电流的运行曲线，还能自动生成诸如功率、电能量、电压合格率、供电可靠性等日月年报表，以便进行电网运行状况的统计和考核，并进一步进行分析和预测。二是数据库管理功能，即可定义不同级别的用户群，实行严格的密码管理和操作事件记录，提供数据备份工具进行数据备份，最大程度保证系统安全。三是运行工况监视功能，即自动监视供配电监控系统本身的运行状况，及时发现系统自身隐患，保障监控收费系统的可靠运行。四报警功能，即设备故障报警、开关设备报警和异常情况报警，可以灵活设定报警条件，并和工作人员的手机绑定，在满足报警条件时，自动发送报警信息以及语音通知，对已经到达年限设备会自动提示进行更换。五是查询统计功能，即提供多种条件查询和查询结果分类方式，具备分项排序、统计最大值、最小值、平均值等分析处理功能，提供统计各类监测数据功能，提供查询结果打印功能。六是系统管理功能，即设置系统的一些参数，包括权限管理、设备管理、在线列表和监控源类型设置等。
四、结束语
视频传感网是物联网的重要组成部分，通过视频传感网在高速公路电力维护中应用表明，视频传感网不仅可以实时监控各类设备的运行状态，而且可以随时了解设备工作位置、环境状况、工作进度等关键技术指标，其应用前景广阔，尤其对于交通枢纽、环线公路以及高速公路应用效果更加突出，如统计通行车辆数量、检测交通违法目标、识别故障车辆及判断道路堵塞状况等。
一、需求分析
高速公路的快速发展，有力地促进了我国经济发展和社会进步。高速公路收费站点是保持高速公路管理正常运行的命脉，而高速公路配发电设备是各收费站所的收费系统、通信系统、隧道通风照明、道路监控及办公、生活设施等的电力保障。高速公路的性质决定了高速公路各收费站所必然是沿着高速公路呈分散的线状分布，各收费站所相隔较远，配发电设备各自独立，各站所的设备管理人员和电工的素质参差不齐，必然影响到对设备的保养。2010年浙江省高速公路发生供电线路因台风发生故障，突然发生停电，甚至大雨使线路发生了短路而跳闸，自发电无法供应收费道口情况时有发生，妨碍了收费设备的正常运行，使高速公路的正常运行受到严重的影响。目前，浙江高速公路收费站已经达300个，高速公路配发电设备存在如下问题：一是故障信息不掌握。由于管理中心与各收费站及当地机房距离较远，中心管理人员无法了解发电机房与配电屏的实际状况，只能靠电话或推测，所以有时负荷已超载或跳闸时，仍然使机器强行运转，最后发生更大的事故。二是人员配备不到位。目前出于成本考虑，高速公路各管理所往往只配备一名电工，不能做到24小时值勤，晚间如遇停电或线路故障只能由收费员兼职电工先行发电，再通知专职电工再从家里赶到现场，而兼职电工对设备了解及性能的掌握不够全面电，无法对故障作出正确的判断，甚至表达不出故障的状况。此外电工维修水平也是参差不齐，有的在紧急情况下对于故障不敢排除。三是故障维护不及时。目前由于设备运行时间较长，有的设备出现失保失修现象，长期带病运行。另外各种仪器仪表又不统一，有数字的又有模拟的，对管理、维护带来了困难。因此，建立一个通过物联网管理、维护设备的信息平台势在必行。
二、建设思路
在高速公路运用物联网最早是高速公路不停车收费、多路径识别、不停车收费系统中采用射频技术进行对车辆的管理与收费。有人认为物联网就必须采用射频卡(RFID)，这点我们不敢苟同。RFID只是射频电子标签，一般是读出自己的身份信息结合后以无线的方式发出，短距离、低速率、低功耗无线网络技术(Zigbee)的功能更强，能与传感器配合，把传感器读出的物体信息，经过一定的处理，再与自己的身份信息结合后以无线的方式发出，其信息容量更大，主要适合于自动控制、传感、监控和远程控制等领域，前端采用这种技术只需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，其通信效率非常高。为此，构建了以Zigbee、视频传感器等为核心的供配电设备监控管理系统，负责全段高速公路配发电设备远程监视和设备维护管理，并在各收费所设立前端监控点，负责相应所的数据采集和当地设备维护。主要内容简述如下：
1、Zigbee
Zigbee一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳ZigZag形舞蹈来告知同伴，达到交换信息的目的。借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术。一般而言,随着通信距离的增大,设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。相对于现有的各种无线通信技术,ZigBee技术将是最低功耗和成本的技术。同时由于ZigBee技术的低数据速率和通信范围较小的特点,也决定了ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务。ZigBee有三个工作频段：2.402～2.480GHz、868～868.6MHz、902～928MHz，共27个信道。信道接入方式采用CSMA-CA，能有效地减少了帧的冲突。为抗干扰和多径，ZigBee在物理层采用直接序列扩频DSSS和频率捷变FA技术，有更强的抗干扰和多径的能力。
2、视频传感器
视频传感器属于智能视频分析范畴，通过对目标特征的处理，分析和识别，从而获取关键信息进行判断和决策，实现视频信息的深度应用。视频传感器节点的设计需遵循微型化、低成本、扩展性和稳定性好的基本设计原则，在有限成本的基础上，致力于设计出具有视频信息采集、处理、传输等功能的传感器节点，提高传感器节点能力以最大限度地满足大数据量、实时性要求较高的媒体信息的获取与处理。视频传感器采集到的媒体信息，无论是静态的图像还是动态的视频流，都具有很大冗余性和时空间关联性，大量冗余数据在网络中传输势必会造成网络资源的严重消耗。目前，在传感器节点能量、计算处理能力、通信带宽等资源普遍受限情况下，在视频传感器信息获取、传输、展示中引入有效的网内信息处理技术完成媒体信息压缩编码、特征提取、目标识别以及信息融合等处理，并结合数据同步及任务协同处理，以减少网络业务流量、提高网络处理及响应速度，进而增强整个视频传感器网络监测能力。
三、实施方案
对于物联网来说，前端物体应安装传感器，把前端设备的信息转化为能通过传输设备能进行传输的信息，然后通过身份识别与短距离传输设备传输信息。如下图所示，传感器为视频传感器。因为目前大部分仪器无论电压表、电流表、功率因数表、温度表等，在发电设备尤其是配电屏中都广泛采用模拟指针式的电表，从直观上、精度上还是价格上都有很大优势。但这种模拟表作为ZigBee的数据采集就带来很大的困难，因为作为使用者不可能打开表盖对其电路进行改造。因此，方案核心是通过摄像头采集模拟表的图像，经数字化后送数字信号处理器进行智能分析，即通过图像处理和模式识别技术自动识别指针读数，包括刻度和文字的识别，指针位置的判读，再将读数通过ZigBee的发射端把而数据无线接力传输到电脑，再经过以太网传到管理中心的平台。
远程配发电设备Zigbee技术数据采集和信息管理系统主要由三部分组成。
第一部分的前端节点进行数据采集及汇总数据，接受各配电房与发电机房配电设备上传来的电数据通过ZigBee处理后通过无线汇总到配电房的电脑中。采集和转发通信方式完全按系统数据传输标准进行短距离传输。该系统为基于ZigBee网络的分布式多点监测系统，传感器关系到监测数据的准确性和可靠性，并且传感器属于易损设备。今后应考虑现场的复杂情况，必须选用可靠、稳定、易维护的传感器。
第二部分是本地数据存储、交换和远程通信，它起着承上启下的核心作用。首先RF接收器收集前端节点发出的检测信号，经ZigBee接受器处理在配电房的电脑中进行数据汇总，然后通过局域网传送到系统控制中心。
第三部分是系统控制中心，实现各类监测数据的接收、显示、统计、自动综合分析、存储、应用、发布。本系统构建于现有网络平台，把网络连接看作一个整体设计须依赖于网络平台，包括网络的拓扑结构、带宽状况、网络类型及网络管理，主要涉及的是服务器的设置，系统具备远程更新程序的能力。管理处可通过网络远程更新现场控制器上运行的程序，更改采集周期、存储方式等关键程序指标，或完全更新程序，以满足不同时期对现场监测的需要;如有可能，也可在发生灾情或其它紧急时刻，管理人员可在通过显示设备，显示了解现场监测情况;实现监测中心与监测现场设备间的双向通信，使监测中心可以方便的了解监测现场设备的状态，并可随时向下发送命令或更新现场设备上的应用程序。现场监测站点需要用ZigBee监测配发电设备的参数，通过与仪表相连。系统通过数据采集器采集一系列参数，把配发电设备的电压、电流、水温、油压以及停发电时间等先汇总到配电房的电脑，再通过局域网将数据发到监测中心。传递过程中数据保证送达、数据等级设置等工作，以保证数据的安全性和完整性。供中心控制人员了解各设备情况，在发生故障时指导现场操作人员排除故障。
2、功能要求
通过自备柴油发电机控制器的数据通信口进行规约接入，实现了高速公路配发电设备远程维护与监视，也对微机继电保护装置进行了监视运行，实现了其保护定值的查询、下装和定值单管理等多种功能。一是报表分析功能，即自动形成电压、电流的运行曲线，还能自动生成诸如功率、电能量、电压合格率、供电可靠性等日月年报表，以便进行电网运行状况的统计和考核，并进一步进行分析和预测。二是数据库管理功能，即可定义不同级别的用户群，实行严格的密码管理和操作事件记录，提供数据备份工具进行数据备份，最大程度保证系统安全。三是运行工况监视功能，即自动监视供配电监控系统本身的运行状况，及时发现系统自身隐患，保障监控收费系统的可靠运行。四报警功能，即设备故障报警、开关设备报警和异常情况报警，可以灵活设定报警条件，并和工作人员的手机绑定，在满足报警条件时，自动发送报警信息以及语音通知，对已经到达年限设备会自动提示进行更换。五是查询统计功能，即提供多种条件查询和查询结果分类方式，具备分项排序、统计最大值、最小值、平均值等分析处理功能，提供统计各类监测数据功能，提供查询结果打印功能。六是系统管理功能，即设置系统的一些参数，包括权限管理、设备管理、在线列表和监控源类型设置等。
四、结束语
视频传感网是物联网的重要组成部分，通过视频传感网在高速公路电力维护中应用表明，视频传感网不仅可以实时监控各类设备的运行状态，而且可以随时了解设备工作位置、环境状况、工作进度等关键技术指标，其应用前景广阔，尤其对于交通枢纽、环线公路以及高速公路应用效果更加突出，如统计通行车辆数量、检测交通违法目标、识别故障车辆及判断道路堵塞状况等。
.jpg)
