一种综合性驱鸟系统的设计与实现

田杰;余鹏;陈硕【摘要】Accordingtothefrequentoccurrenceofbirddamageinsubstation,anintegratedsystemforbirdrespellingbasedonmultipledetectiontechnologiesandavarietyofbirdrepellentmethodswasproposed.Firstly,usingvideoanalysis,sound,radardetectiontodetectthebird'sactivityrule;Secondly,researchthepatternsofbird'sactivity,populationcharacteristics,nestingposition,bird'swingspananddefecationinsubstationstoformulatethecorrespondingbirdrepellentstrategyandtoavoidblindnessbirdrepellent;Finally,accordingtothedevelopedbirdrepellentstrategy,usingultrasonictechnology,high-powerdigitalvoicetechnologyandshock-wavebirdrepellenttechnology,todetectandrepelbirdsthatfallonthesubstationequipment.Theexperimentsprovedthatthesystemhastheadvantagesofhighrobustness,flexibilityandcontinuouseffect,whichcansatisfytheneedofsubstation.%针对变电站鸟害故障的发生越来越频繁的问题，提出了一种基于多种探测技术和多种驱鸟方式于一体的综合驱鸟系统.首先，综合运用视频分析、声音、雷达探测等多种技术探测覆盖区域鸟类的活动;其次，对变电站鸟类的活动时间规律、种群特性、筑巢位置、鸟类翅展、排便量等特性进行调研,制定相应的驱鸟策略，进行对应的驱鸟，避免盲目性操作;最后，根据制定的驱鸟策略利用超声波技术、强闪光以及冲击波驱鸟技术,对落在变电站设备构架上的鸟类进行探测与驱赶.经试验验证：该系统具有高鲁棒性、灵活性和驱鸟效果持续时间长等优点,可满足变电站的驱鸟需求【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷)，期】2018(026)004【总页数】5页(P141-144,149)【关键词】探测技术;变电站;驱鸟系统;冲击波驱鸟【作者】田杰;余鹏;陈硕【作者单位】深圳供电局有限公司广东深圳518000;深圳供电局有限公司电力技术研究中心，广东深圳518000;深圳供电局有限公司广东深圳518000【正文语种】中文【中图分类】TP911近年来，随着社会对自然生态环境保护意识的加强，鸟类的活动范围逐渐扩大，繁衍数量也在日益增加。有的鸟将窝巢搭建在输电线路或变电站的杆塔上，导致电路跳闸的现象频繁发生［1-2］。据不完全数据统计，鸟类弓I起的输电线路故障的数量仅次于闪电和外力破坏，排在电力系统各种故障总数的第三位。这极大地危害到电力系统安全稳定的运行，也威胁到了人类的生产和生活。针对于电力系统的鸟害问题，国内外卜研究单位研制出多种驱鸟装置［3］,如防鸟刺、风轮式驱鸟器和电磁式驱鸟器。防鸟刺［4-5］是目前最为广泛使用的防鸟害装置，虽然其的推广使用能明显减少输电线路事故，但是在某些地区仍有鸟在鸟刺上筑巢，且防鸟刺大多是金属导体，易引起短路，致使鸟刺的防鸟害效果不理想。在重要的输变电线路和鸟类活动频繁的地方，多采用风轮式驱鸟器和电磁式驱鸟器［6-7］。风轮式驱鸟器是以风力驱动叶轮旋转，利用反光来驱赶鸟类。电磁式驱鸟器，具有结构简单、易于安装及廉价等优点，但经历一段时间后鸟类仍会产生适应性，其长期驱鸟效果有待验证。由于不同的鸟类在不同的地区和不同的时间有着不同的生活规律和习性，而现有的驱鸟系统简单单一地依靠一种方式来驱除鸟害，对鸟类的针对性处理不强，驱鸟效果也太理想。针对上述问题，为了提高驱鸟效果，本文提出了一种智能化驱鸟系统，将综合运用图像捕捉［8-9］、声音识别［10］、雷达探测等多种识别技术，对变电站附近鸟类活动规律及鸟害特点进行智能判定，针对性地运用超声波、电子声音、视觉驱赶等多种技术进行智能化驱鸟运作。1系统架构综合性驱鸟系统包含3个模块，其系统组成框图如图1所示。第一部分是探测模块，包括图像采集器、声音采集器和雷达探测器；第二部分是驱鸟模块，包括超声模块、强闪光模块和冲击波模块；第三部分是核心处理单元，包括图像识别模块、语音识别模块、雷达识别模块、驱鸟驱动模块、核心处理器、电源管理单元和通信单元，该模块主要负责制定驱鸟策略。该系统采用模块化设计，根据实际应用环境，可自由进行组合搭配，从而加大系统的灵活性。功能模块（图像识别、声音探测、雷达探测、强闪光、超声波和冲击波模块等）经过相应的芯片电路采集、分析与处理，并通过无线或有线传输，最终汇聚到数据汇集单元，再由数据汇集单元发送到计算机主控平台［11-12］。计算机主控平台实时监控各功能模块信息，通过分析，同时根据制定的策略库，自动调整更新驱鸟方式，达到驱鸟的效果。图1综合性驱鸟系统组成框图1.1探测模块探测模块运行机制，如图2如示。监控平台制定好联动策略，下发给驱鸟模块，再转到探测模块，报警触发，返回数据平台，平台分析处理，确定有鸟类触发，制定平台联动策略，下发给驱鸟模式。该模块主要由图像采集器、声音采集器、雷达探测器3部分组成。图2探测模块运行机制流程图1.1.1图像采集器图像识别用于扫描分析杆塔周围不同时刻的图像，识别分析鸟类停留、筑巢的问题。采集鸟类图像，记录鸟类的活动规律，并与数据库数据进行分析对比。本文从拍摄的鸟类图像中提取鸟类的形状、纹理和颜色等特征，设计和训练级联分类器，从而构建能识别鸟类的分类系统。鸟类识别分类系统，如图3所示。其中，特殊色分类器利用绿色和浅红色特征区分鸟类，其属于经验知识分类器；形状分类器也属于经验知识分类器；纹理分类器和颜色统计分类器使用SVM来构建，该分类器属于监督分类器，是通过样本训练来获得的［13］。图3鸟类识别分类系统1.1.2雷达探测器雷达探测模块为微波多普勒雷达，雷达发射频率为f0的微波信号，如遇到鸟类的活动，返回波频率和发射频率将出现大小为fd的频率差［14］。根据频率差的大小可以计算出飞鸟相对于雷达径向的运动速度。同时，通过采用频率过滤法，检测出fd谱线，从而辨别出鸟类目标。1.1.3声音采集器声音探测模块是雷达探测器的辅助模块，主要检测出一些并未被雷达和图像探测到的飞鸟。其由两组声音识别装置构成，通过鸟类在电气设备或龙门架落脚的撞击声和鸟类的叫声来判断是否存在飞鸟。本文使用MATLAB对采集到的声音进行特征提取，通过应用MATLAB布局GUI界面，关联对应的MATLAB文件。首先，本文要选取一个典型的鸟叫声音，通过画出其的时域图和频谱图，由相关的MATLAB文件提取其的一些参数特性作为模板。然后设置一个带通滤波器，将采集到的声音通过滤波器，与模板进行比较，若与模板的误差在一定范围之内，则表示有鸟叫的声音，此时进行报警。1.2驱鸟模块驱鸟模块运行机制，如图4所示。当发现防区内出现鸟情时，触发相应防区的探测模块，将采集数据返回至监控平台，监控平台进行分析判断，对相应防区的驱鸟模块下发驱鸟指令，驱鸟器执行相应动作，并定时扫描观察鸟类是否已飞离，从而采取相应的动作。探测模块检测飞鸟踪迹，当监测到鸟类后，报警信号发出，返回平台，平台进行分析处理，判断是否有鸟类活动，并根据传回鸟类图像、声音等信息，制定相应的驱鸟策略，下发给驱鸟模块，相应模块将启动程序，达到驱鸟的目的。本系统主要采用超声波、强闪光和冲击波驱鸟方式。图4驱鸟模块运行机制流程图1.2.1超声驱鸟超声波驱鸟器利用输出频率在20kHz以上的超声波脉冲来干扰刺激和破坏鸟类的生理系统及神经系统来达到驱鸟的目的。超声波驱鸟器所采用的超声波具有衰减快、方向性强和不能穿透障碍物的特性，通过大功率超声波的无数次反射方式进行传播，形成一个覆盖整个驱鸟空间的超声波防护网来达到最佳驱除的效果。本文所采用的超声波驱鸟装置启动后发射的超声波信号不断变换频率，防止鸟类对某一频率产生适应性的问题发生，以保证驱鸟效果的有效性和持久性。超声波产生电路主要由超声波发射换能器和反射器构成，通过在输入端加入一定频率的方波，方波经反向器作用后产生两路方波，再将这两路方波信号添加到超声波发射换能器的两端产生超声波，通过改变输入端方波的频率最终产生一系列变频超声波。1.2.2强闪光驱鸟强光驱鸟，采用的夜视物理驱鸟法，根据科学家研究，鸟类最怕红、蓝光。本系统采用高亮LED灯珠，做为发光源，通过控制，使其做到红光和蓝光交替爆闪，以动态灯光的方式去刺激鸟类，达到驱鸟效果。1.2.3冲击波驱鸟根据以往的防鸟害工作总结，以前主要采用的驱鸟技术为恐吓型驱鸟（如鸟叫声音、超声波）和物理隔离型防鸟（如防鸟隔板、防鸟刺），这两种方法均存在不能完全克服鸟类的适应性和防护功能单一的缺陷。目前，在机场主要的驱鸟方式为煤气炮，该种驱鸟方式经过验证效果较为理想。根据机场煤气炮的应用情况，提出研制电子冲击炮的思路。本文在依据现有驱鸟技术手段，采用了符合变电站的电子冲击波驱鸟器。冲击波驱鸟器将储存在电容器中的电能经过电磁线圈转换后，在正负电极之间产生形成强脉冲电流，经电磁线圈产生的磁场相互作用，形成喷射状等离子体火焰。同时，产生冲击波，并发出爆鸣，从而实现驱鸟。1.3核心处理单元计算机主控平台实时监控各功能模块信息，并通过分析根据制定的策略库，自动调整更新驱鸟方式，达到驱鸟的效果。变电站综合驱鸟系统采用分布式驱鸟的方式，各个探测模块与驱鸟模块，可组成相应的驱鸟系统，模块则根据需求来选择。其中，探测模块根据数据特性选取最合适的传输方式，图像识别模块与声音探测模块因传输数据量大，通过4G进行传输到监控平台，监控平台进行数据分析并处理。多普勒雷达探测模块、强闪光模块、超声波模块以及数字语音模块、冲击波驱鸟模块因数据量小，数据经模块处理后，通过抗干扰性强、功耗低、传输距离远的数传模块与监控平台进行数据交互。变电站组成一个大的拓扑网络，各模块与监控平台进行通信，最终将数据汇总至监控平台。监控平台通过数据库调取联动策略，将其下发至各防区驱鸟模块，变电站各个防区根据联动策略来运行。监控平台联动策略库，通过各探测模块提供的信息分析处理后，可根据实际情况进行调整，以达到最佳的驱鸟效果［15］。例如，当语音模块与超声波模块同时触发，但图像识别、雷达探测仍监测到有鸟类活动，平台策略库通过分析处理，确定调整机制，将其改成相邻的冲击波驱鸟或激光驱鸟的方式，并将此策略保存下来。布防策略如图5所示。图5布防策略图2系统运行测试根据现场勘查，本文选取深圳变电站作为实验对象。采用分布式探测及驱鸟方案，在区域上进行防区划分，共分为7个防区，各防区探测、驱离模块如图6所示。探测模块及驱鸟模块分布情况如下：A型模块：多普勒雷达+声音检测模块；B型模块：图像识别；C型模块：声音检测模块+图像识别；D型模块：超声波+语音+冲击波，驱离半径＞30m;E型模块：强闪光驱离器，驱离距离〉30m。系统运行试验结果表明，本文提出的综合性驱鸟方案能满足各种条件下的驱鸟要求，运行稳定且能灵活扩展。图6深圳变电站分布式探测及驱鸟方案3结束语文中综合运用视频分析、声音、雷达探测等多种技术探测覆盖区域鸟类的活动，对变电站鸟类的活动时间规律、种群特性、筑巢位置、鸟类翅展、排便量等特性进行调研，制定相应的驱鸟策略，进行对应的驱鸟，避免盲目性操作。同时，根据制定的驱鸟策略利用超声波技术、大功率数字语音技术、强闪光以及冲击波驱鸟技术，对落在变电站设备构架上的鸟类进行探测与驱赶。整个系统能满足变电站的需求，并具有良好的性能，且拥有一定的实用价值和市场前景。参考文献：聂兴成，张荣浩，王爱玉，等.杆塔智能超声波驱鸟系统设计[J].电工电气，2015（10）:21-23.郑昌，王轶国，王姗姗.500kV输电线路智能感应式驱鸟器的研制[J].工程技术：全文版，2016（9）:162-163.胡振斌，叶水勇，朱兵，等.生物长效缓释型驱鸟剂在电力设施上的应用[J].低碳世界，2016（27）:31-32.娄志凯.驱鸟系统下的鸟类识别与跟踪技术的应用研究[D].重庆:重庆师范大学，2016.谢慕哲，罗泽，阎保平.视频鸟类行为研究中基于尺度不变特征变换的形态分类算法[J].科研信息化技术与应用，2014，5（3）:87-94.赵韶华.输电线路线杆智能驱鸟器的设计[D].曲阜:曲阜师范大学，2015.李美芳，刘燕.输电线路新型驱鸟器的设计[J].电子测试，2016（10）:11-12.邹文平，王科，顾键，等.基于多普勒检测技术的杆塔智能语音驱鸟系统设计[J].电工技术，2014（1）:80-81.王德贺，刘鹏，龙福刚.基于双重探测技术输电杆塔驱鸟装置设计[J].山西建筑，2016，42（26）:133-135.刘建寅.铁道线路间歇取电变频超声驱鸟器的研制[D].北京:华北电力大学，2014.付豪，张东，