配電站房掃碼門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

任 建,蘇建華,趙 劍,蔣若何,葉 斌

(寧波送變電建設(shè)有限公司永耀科技分公司,浙江 寧波 315000)

0 引言

配電網(wǎng)是新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。大量建成的開關(guān)站、配電站房作為配電網(wǎng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),需要具備更強(qiáng)的接入能力、承載能力和自知自愈能力。當(dāng)前,配電站房安裝著大量中低壓一次電氣設(shè)備,并且這些設(shè)備經(jīng)常處于無人值守狀態(tài)[1]。配電站房的門禁系統(tǒng)正面臨接觸性磨損、維護(hù)性差、安全性低等發(fā)展瓶頸[2-3]。配電站房的日常巡視和出入安全管理對現(xiàn)有門禁系統(tǒng)提出了更高要求[4-5]。

傳統(tǒng)的金屬鑰匙耦合性很強(qiáng),使得配電站房的安全得不到有效保障[6-7]。許多供電所采用了集成電路 (integrated circuit,IC) 卡門禁系統(tǒng)[8]。但是IC卡門禁系統(tǒng)容易出現(xiàn)卡片信息被盜或被復(fù)制的問題[9],并且無法記錄人員進(jìn)出配電站房的準(zhǔn)確時(shí)間,存在較大的缺陷[10]。另外,巡視人員需要隨身攜帶門禁卡。如遇到不同廠家的門禁時(shí),巡視人員需要攜帶多張門禁卡。若門禁卡丟失而沒有及時(shí)掛失,會(huì)給配電站房帶來極大的安全隱患。在新型電力系統(tǒng)建設(shè)背景下,傳統(tǒng)的配電站房門禁系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足當(dāng)前配電站房設(shè)備維護(hù)和巡檢管理的需求[11-12]。

針對以上問題,本文設(shè)計(jì)了1種新的基于掃碼開門控制技術(shù)的配電站房掃碼門禁系統(tǒng)。該系統(tǒng)對現(xiàn)有門禁設(shè)備進(jìn)行改進(jìn),在原門禁設(shè)備中嵌入舵機(jī)和繼電器,并進(jìn)行通信模塊集成研制、遠(yuǎn)程控制協(xié)議設(shè)計(jì)以及移動(dòng)應(yīng)用軟件研發(fā)。同時(shí),本文研發(fā)了豐富的接口以快速實(shí)現(xiàn)與供服系統(tǒng)、工單管理等其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)的對接,滿足配電站房對門禁系統(tǒng)的多元化應(yīng)用需求。該系統(tǒng)可以有效解決配電站房出入管理不方便和存在安全隱患的問題。

1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

本文對傳統(tǒng)門禁系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),設(shè)計(jì)并研發(fā)了1種新的掃碼門禁系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括硬件和軟件2個(gè)部分。其中,硬件部分在機(jī)械門鎖內(nèi)部增加舵機(jī)、繼電器和通信模塊,具有遠(yuǎn)程通信、接收和執(zhí)行指令功能。軟件部分開發(fā)移動(dòng)應(yīng)用,以遠(yuǎn)程開鎖控制指令為基礎(chǔ)。其通過手機(jī)掃描站房銘牌上的二維碼使手機(jī)端軟件下發(fā)控制指令到現(xiàn)場門禁主機(jī),由門禁主機(jī)繼電器控制門鎖自動(dòng)打開。

結(jié)合配電站房的安全管理需求,掃碼門禁系統(tǒng)需要整合多個(gè)功能模塊。本文以前端的感知設(shè)備為基礎(chǔ),研發(fā)1套集成度和數(shù)字化程度高的掃碼門禁系統(tǒng),以滿足配電站房統(tǒng)一的身份識別、異常報(bào)警和出入管理等系統(tǒng)需求。

配電站房掃碼門禁系統(tǒng)主要采用智能安防運(yùn)維服務(wù)整體應(yīng)用架構(gòu)。該系統(tǒng)以遠(yuǎn)程控制和數(shù)字圖像處理技術(shù)為核心,對配電站房的人員出入進(jìn)行安全管理。另外,該系統(tǒng)結(jié)合了人臉識別、佩戴安全帽、柜門異常打開、電子圍欄等人工智能(artificial intelligence,AI)識別算法,為配電站房提供一站式監(jiān)測管理服務(wù),從而助力供電所提質(zhì)增效。

配電站房掃碼門禁系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 配電站房掃碼門禁系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of scan code access control system for distribution station rooms

1.2 系統(tǒng)拓?fù)?/h3>

配電站房掃碼門禁系統(tǒng)由前端系統(tǒng)、傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心這3個(gè)部分組成。各部分設(shè)計(jì)如下。

1.2.1 前端系統(tǒng)

前端系統(tǒng)包括視頻監(jiān)控、在線監(jiān)測、可視門禁環(huán)境監(jiān)控報(bào)警(含環(huán)境監(jiān)測、智能控制、安消報(bào)警)系統(tǒng),主要對開關(guān)站、配電室現(xiàn)場音視頻及各種環(huán)境進(jìn)行信息采集、處理等,并通過邊緣物聯(lián)代理裝置匯聚后進(jìn)行數(shù)據(jù)上送。其中,邊緣物聯(lián)代理裝置是前端系統(tǒng)的核心,對所有子系統(tǒng)進(jìn)行集中接入。視頻監(jiān)控系統(tǒng)由可見光監(jiān)控子系統(tǒng)、軌道機(jī)監(jiān)控子系統(tǒng)、熱成像監(jiān)控子系統(tǒng)組成。視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到邊緣物聯(lián)代理裝置的存儲(chǔ)模塊。在線監(jiān)測系統(tǒng)由在線測溫子系統(tǒng)和在線聽診子系統(tǒng)組成。信息儲(chǔ)存在邊緣物聯(lián)代理裝置中。環(huán)境監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)由環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)、智能控制子系統(tǒng)、安消報(bào)警子系統(tǒng)等組成,并通過輸入/輸出(input/output,I/O)、4～20 mA、RS-485等串口通信方式接入邊緣物聯(lián)代理裝置,以實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)采集、報(bào)警信號輸入、控制信號輸出等。門禁可視對講系統(tǒng)由人臉識別一體機(jī)、遠(yuǎn)程開門門鎖組成,主要實(shí)現(xiàn)進(jìn)出開關(guān)站、配電站房人員的管控。

1.2.2 傳輸網(wǎng)絡(luò)

配電站房掃碼門禁系統(tǒng)承載于光纖專網(wǎng)或4G/5G網(wǎng)絡(luò),用于前端邊緣物聯(lián)代理裝置與平臺(tái)之間的通信。前端系統(tǒng)的遙視、遙測、遙信數(shù)據(jù)可通過傳輸網(wǎng)絡(luò)上傳至平臺(tái),供指揮中心監(jiān)控人員進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控。

1.2.3 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心部署的設(shè)備包括監(jiān)控平臺(tái)服務(wù)器和工作站。其中:監(jiān)控平臺(tái)服務(wù)器主要負(fù)責(zé)所有配電站房掃碼門禁系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯聚和應(yīng)用管理;工作站主要按照不同的工作職責(zé)對相關(guān)的人員進(jìn)行授權(quán),并對掃碼門禁系統(tǒng)采集到的現(xiàn)場環(huán)境和進(jìn)出信息進(jìn)行管理。同時(shí),監(jiān)控中心能夠與配電網(wǎng)自動(dòng)化等電網(wǎng)主站系統(tǒng)進(jìn)行通信,從而實(shí)現(xiàn)可視化操作的復(fù)核。

2 遠(yuǎn)程控制門鎖裝置設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本文研究并設(shè)計(jì)了1種新的配電站房遠(yuǎn)程控制的門鎖裝置。門鎖裝置總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 門鎖裝置總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure of door locking device

遠(yuǎn)程控制門鎖裝置采用STC89C51單片機(jī)作為控制核心、伺服馬達(dá)作為驅(qū)動(dòng)。門鎖裝置通過接收手機(jī)應(yīng)用下發(fā)的二維碼開鎖控制指令,由門禁主機(jī)繼電器控制門鎖自動(dòng)打開。同時(shí),系統(tǒng)還會(huì)實(shí)時(shí)顯示鎖具的當(dāng)前狀態(tài),并將開鎖信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。

鎖舌工作原理如圖3所示。

圖3 鎖舌工作原理Fig.3 Working principle of locking tongue

配電站房遠(yuǎn)程控制門鎖裝置的機(jī)械部分由舵機(jī)(O)、鎖舌(A、B、C、D)、防盜鎖舌(A’、B’、C’、D’)和彈簧等部分組成。其中,鎖舌和防盜鎖舌一上一下重疊,通過1根30 mm的彈簧控制2個(gè)鎖舌的位置。彈簧兩端分別夾在鎖舌上直徑為5 mm的圓形固定螺釘P和P’上,以便固定彈簧使其始終處于壓縮狀態(tài)。2個(gè)鎖舌上分別有1個(gè)長方形孔EFHG和E’F’H’G’。2個(gè)孔的長、寬分別相等,初始狀態(tài)即門鎖處于常規(guī)鎖時(shí),2個(gè)孔橫向重合。2個(gè)孔的公共部分E’F’HG為安裝舵機(jī)處。該舵機(jī)上安裝有1個(gè)銷子,用于舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)推動(dòng)2個(gè)鎖舌在前后方向相對運(yùn)動(dòng),以完成開關(guān)門的控制。

2.2 門禁控制器遠(yuǎn)程開鎖控制協(xié)議

門禁控制器基于MODBUS協(xié)議進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制自動(dòng)開門、遠(yuǎn)程開門授權(quán)等功能。

系統(tǒng)啟動(dòng)MODBUS事務(wù)處理客戶機(jī),創(chuàng)建MODBUS應(yīng)用數(shù)據(jù)單元。開鎖控制功能碼向服務(wù)器提供指示,以明確執(zhí)行何種操作。MODBUS協(xié)議建立了客戶機(jī)啟動(dòng)的請求格式,用1 B編碼實(shí)現(xiàn)MODBUS數(shù)據(jù)單元的功能碼域。當(dāng)從客戶機(jī)向服務(wù)器設(shè)備發(fā)送報(bào)文時(shí),功能碼域通知服務(wù)器執(zhí)行相應(yīng)操作,通過在功能碼中加入子功能碼來定義、實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)操作。

從客戶機(jī)向服務(wù)器設(shè)備發(fā)送的報(bào)文數(shù)據(jù)域包括附加信息。服務(wù)器使用該附加信息執(zhí)行功能碼定義的操作。當(dāng)數(shù)據(jù)域不存在數(shù)據(jù)時(shí),服務(wù)器無需任何附加信息。功能碼僅說明操作MODBUS協(xié)議定義了1個(gè)與基礎(chǔ)通信層無關(guān)的協(xié)議數(shù)據(jù)單元(protocal data unit,PDU)。特定總線或網(wǎng)絡(luò)上的MODBUS協(xié)議映射能夠在應(yīng)用數(shù)據(jù)單元(application data unit,ADU)上引入一些附加域。遠(yuǎn)程開鎖控制規(guī)范涵蓋可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)、人機(jī)界面(human-machine interface,HMI)、I/O等。

遠(yuǎn)程開鎖控制規(guī)范如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程開鎖控制規(guī)范Fig.4 Remote unlocking control specification

遠(yuǎn)程控制門鎖裝置利用單片機(jī)可靠的控制能力,對傳統(tǒng)的機(jī)械鎖作出了改進(jìn)和優(yōu)化,并提供了一些改良思路,如提供了遠(yuǎn)程開鎖的授權(quán)和控制能力等。遠(yuǎn)程開鎖控制協(xié)議由同步字、類型字、信息長度、信息內(nèi)容、校驗(yàn)字組成。其中,同步字定義為55775755、類型字定義為21、信息長度定義為0004、信息內(nèi)容定義為Open、校驗(yàn)字定義為從同步字開始到信息內(nèi)容的二進(jìn)制數(shù)據(jù)取異或操作。

3 基于人臉識別的AI算法模型設(shè)計(jì)

由于配電站房環(huán)境比較惡劣,人臉的角度和采光度各不相同。采用人臉識別智能算法要進(jìn)行圖像預(yù)處理,以去除采光的影響。因此,整個(gè)人臉圖像識別分為預(yù)處理和圖像識別2個(gè)步驟。首先,算法進(jìn)行圖像預(yù)處理以消除采光對人臉識別的影響。其次,人臉識別采用多任務(wù)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(multi task convolutional neural network,MTCNN)實(shí)現(xiàn)。MTCNN是1種多任務(wù)級聯(lián)網(wǎng)絡(luò),由候選網(wǎng)絡(luò)、細(xì)化網(wǎng)絡(luò)和輸出網(wǎng)絡(luò)等卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合而成。

圖像預(yù)處理采用仿射變換和圖像紋理處理等操作實(shí)現(xiàn)。仿射變換是基于人臉檢測的關(guān)鍵點(diǎn)特征,獲得人臉關(guān)鍵點(diǎn)與模板關(guān)鍵點(diǎn)的矩陣變換,并將結(jié)果作為校正的圖像。其本質(zhì)是將檢測到的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)映射到已有模板的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo),以實(shí)現(xiàn)圖像校正。常見操作包括平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等。圖像紋理處理是根據(jù)傳統(tǒng)圖像處理的伽馬校正、濾波處理和對比度均衡等處理方法提取圖像紋理特征。

人臉檢測過程主要分為生成圖像金字塔、候選網(wǎng)絡(luò)、細(xì)化網(wǎng)絡(luò)和輸出網(wǎng)絡(luò)等4個(gè)步驟。

①生成圖像金字塔。圖像金字塔通過圖像縮放操作實(shí)現(xiàn),對原始人臉圖像進(jìn)行多尺度展示。圖像縮放包括尺寸minsize和金字塔層數(shù)resize_factor。minsize指原圖中要檢測的最小人臉尺寸。resize_factor指在圖像金字塔中依次選取的尺寸大小。

②候選網(wǎng)絡(luò)。候選網(wǎng)絡(luò)指將生成的圖像金字塔生成大量基于不同尺寸的候選框。候選網(wǎng)絡(luò)由3個(gè)卷積層以及1個(gè)池化層組成。池化層放在第一個(gè)卷積層的后面。候選網(wǎng)絡(luò)使用邊框回歸和面部關(guān)鍵點(diǎn)的定位器進(jìn)行人臉區(qū)域的初步提取,同時(shí)使用非極大值抑制(non maximan suppression,NMS)算法對有過高重疊度的候選區(qū)域進(jìn)行合并。

③細(xì)化網(wǎng)絡(luò)。細(xì)化網(wǎng)絡(luò)以候選網(wǎng)絡(luò)的輸出作為輸入,從而進(jìn)一步篩選候選框。該網(wǎng)絡(luò)使用傳統(tǒng)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。其與候選網(wǎng)絡(luò)不同的是,卷積層最后增加128維的全連接層,以篩除大多數(shù)候選框,輸出3個(gè)全連接層。

④輸出網(wǎng)絡(luò)。輸出網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)同樣是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。其在細(xì)化網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上增加了卷積層。輸出網(wǎng)絡(luò)的輸出將作為對原圖像進(jìn)行人臉檢測的結(jié)果,采用48×48尺寸的三通道圖像作為輸入。4個(gè)卷積層、3個(gè)池化層以及1個(gè)全連接層輸出檢測后候選框的檢測置信度、候選框坐標(biāo)以及人臉關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)。

人臉識別作為掃碼門禁系統(tǒng)的重要組成部分,能夠自動(dòng)檢測和識別出入配電站房人員的人臉特征。系統(tǒng)可以代替人工自動(dòng)監(jiān)控現(xiàn)場的人員進(jìn)出情況,識別出未經(jīng)授權(quán)的可疑人員,從而大幅提高配電站房的安全性和預(yù)警能力。

4 設(shè)備統(tǒng)一編碼和數(shù)據(jù)建模

設(shè)備編碼方案采用電子產(chǎn)品編碼(electronic product code,EPC)規(guī)則。EPC是一種編碼系統(tǒng)。其建立在歐洲產(chǎn)品編碼(European article numbering,EAN)統(tǒng)一代碼委員會(huì)(uniform code council,UCC)條型編碼的基礎(chǔ)上,并對該條形編碼系統(tǒng)作了一些擴(kuò)充,以實(shí)現(xiàn)對單品的標(biāo)志。EPC的目標(biāo)是為每個(gè)物理實(shí)體提供唯一標(biāo)識。其是由1個(gè)頭字段和另外3段數(shù)據(jù)(依次為EPC管理者、對象分類、序列號)組成的1組數(shù)字。編碼結(jié)構(gòu)由頭字段、管理字段、對象分類字段和序列號這4個(gè)部分組成。為了保證編碼的準(zhǔn)確性和唯一性,所有編碼和賦碼的過程需要在同一臺(tái)服務(wù)器上完成。編碼字段要求如表1所示。

表1 編碼字段要求Tab.1 Coding field requirements

序列號部分用于設(shè)備電子碼的序列號編碼。此編碼只是簡單地填補(bǔ)序列號值的二進(jìn)制。1個(gè)對象分類編號的擁有者對其序列號的分配沒有限制。序列號域作為對象的唯一標(biāo)記碼,根據(jù)服務(wù)器賦碼時(shí)間、服務(wù)器硬件信息等生成。生成規(guī)則參照通用唯一識別碼的方式。系統(tǒng)中的設(shè)備編碼結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 設(shè)備編碼結(jié)構(gòu)Tab.2 Device coding structure

5 應(yīng)用案例及效果

5.1 應(yīng)用案例

本文以某地區(qū)供電公司為例,對現(xiàn)場的門鎖進(jìn)行模塊改造,并進(jìn)行配電站房和門禁設(shè)備統(tǒng)一賦碼、移動(dòng)應(yīng)用和工單聯(lián)動(dòng)授權(quán)功能開發(fā)。

配電站房通過設(shè)備賦碼實(shí)現(xiàn)數(shù)字賦能,通過EPC統(tǒng)一編碼生成站房二維碼。編碼過程包括管理字段域、對象分類域、序列號域,并為每個(gè)配電站房張貼二維碼銘牌。

手機(jī)端應(yīng)用研發(fā)以實(shí)現(xiàn)配電站房遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程授權(quán)和掃碼開門功能。通過開發(fā)工單任務(wù)計(jì)劃與開門授權(quán)聯(lián)動(dòng)功能,可以實(shí)現(xiàn)線上授權(quán)與工單對應(yīng)的操作人員、操作站房、操作時(shí)間的關(guān)聯(lián)。如果與工單操作內(nèi)容不符,則不具備開門權(quán)限。

掃碼門禁系統(tǒng)應(yīng)用后,通過系統(tǒng)進(jìn)行上線授權(quán)和開門的比例達(dá)88.95%,基本實(shí)現(xiàn)了供電所掃碼門禁系統(tǒng)的應(yīng)用全覆蓋。掃碼門禁系統(tǒng)應(yīng)用情況如表3所示。

表3 掃碼門禁系統(tǒng)應(yīng)用情況Tab.3 Scan code access control system applications

由表3可知:配電站房總數(shù)共計(jì)2 000個(gè);掃碼開門站房數(shù)共計(jì)1 779個(gè)。

5.2 應(yīng)用成效

通過掃碼門禁系統(tǒng)開發(fā),可以實(shí)現(xiàn)線上門禁授權(quán)、手機(jī)掃碼遠(yuǎn)程自動(dòng)開門等功能。操作人員現(xiàn)場巡視時(shí),無需隨身攜帶門禁卡,只要通過系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一授權(quán)后,在現(xiàn)場通過手機(jī)掃描二維碼開門。該系統(tǒng)可以避免現(xiàn)場巡視需要隨身攜帶門禁卡的問題,以及遇到不同廠家的門禁時(shí)需要攜帶多張門禁卡的問題。該系統(tǒng)有效地解決了配電站房的出入管理不方便和存在安全隱患的問題。

6 結(jié)論

本文基于傳統(tǒng)配電站房門禁系統(tǒng)智能化程度低、操作繁瑣、安全性差的現(xiàn)狀,通過分析當(dāng)前門禁系統(tǒng)存在的問題和不足,提出了1種新的基于掃碼開門方式的配電站房門禁系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過鎖結(jié)構(gòu)改進(jìn)、通信模塊集成研制、遠(yuǎn)程控制協(xié)議設(shè)計(jì)以及移動(dòng)應(yīng)用軟件研發(fā)等措施,實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場手機(jī)掃二維碼開門,避免了巡視人員攜帶門禁卡或鑰匙進(jìn)出站房的麻煩。首先,該系統(tǒng)規(guī)避了門禁卡或鑰匙丟失導(dǎo)致門禁失效的潛在風(fēng)險(xiǎn)。其次,該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與工單和巡視計(jì)劃的聯(lián)動(dòng),將巡視人員的到訪時(shí)間、離開時(shí)間和個(gè)人基本信息存儲(chǔ)于二維碼中,有效地實(shí)現(xiàn)了對巡視人員的自動(dòng)授權(quán)判別。該系統(tǒng)可以有效地解決配電站房出入管理和存在安全隱患的問題。