輸電線(xiàn)路可視化巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 成 何林巍

（國(guó)網(wǎng)上海市電力公司青浦供電公司）

0 引言

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的逐步推進(jìn)，大量的智能終端應(yīng)用到智能電網(wǎng)中，這就產(chǎn)生了大量與輸電線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)相關(guān)的數(shù)據(jù)，從而也必須保證輸電線(xiàn)路以更高的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行。對(duì)輸電線(xiàn)路進(jìn)行可視化巡檢就能夠很好解決運(yùn)維問(wèn)題，提高智能電網(wǎng)的運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。但是目前對(duì)于輸電線(xiàn)路的巡檢都是基于2D基礎(chǔ)的，無(wú)法實(shí)現(xiàn)輸電線(xiàn)路可視化巡檢的需求［1-2］。

本文專(zhuān)門(mén)針對(duì)輸電線(xiàn)路的自身特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套基于無(wú)人機(jī)的巡檢可視化系統(tǒng)，從輸電線(xiàn)路巡檢可視化的概念入手，詳細(xì)描述可視化巡檢系統(tǒng)的架構(gòu)組成部分以及功能模塊的劃分，并且對(duì)數(shù)據(jù)管理方法，多源數(shù)據(jù)配準(zhǔn)方法，可視化實(shí)現(xiàn)方法以及故障診斷策略等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入的研究［3］。經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)用證明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)輸電線(xiàn)巡檢高效執(zhí)行，有效提高了輸電線(xiàn)路的運(yùn)行穩(wěn)定性。

1 輸電線(xiàn)路巡檢可視化概念

輸電線(xiàn)路可視化是指將輸電線(xiàn)路的線(xiàn)路布置、外部環(huán)境以及其他一些輔助性設(shè)備等融合到一個(gè)可視化管理系統(tǒng)上，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示與數(shù)據(jù)查詢(xún)等，并且可以將數(shù)據(jù)顯示在界面上，最關(guān)鍵的是能夠?qū)⑤旊娋€(xiàn)路的實(shí)景顯示在界面上，便于輸電線(xiàn)路運(yùn)維人員能夠及時(shí)、直觀(guān)、準(zhǔn)確掌握輸電線(xiàn)路的實(shí)際情況［4-5］。

近年來(lái)，智能電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)的復(fù)雜程度不斷加深，新布設(shè)了許多輸電線(xiàn)路，這些輸電線(xiàn)路大多位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，線(xiàn)路環(huán)境惡劣［6］。

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，基于無(wú)人機(jī)的運(yùn)用特點(diǎn)，能夠?yàn)檩旊娋€(xiàn)路的可視化提供新的途徑，通過(guò)無(wú)人機(jī)載運(yùn)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，這樣不僅能夠?qū)崿F(xiàn)輸電線(xiàn)路巡檢效率的大幅度提高，還能夠降低人工巡檢的成本，便于提供數(shù)據(jù)臺(tái)賬，基于該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輸電線(xiàn)路的可視化巡檢，為智能電網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供了更為便捷的途徑［7］。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

可視化輸電線(xiàn)路巡檢系統(tǒng)對(duì)于運(yùn)行中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理面臨著諸多問(wèn)題，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須遵循可視化的基本原則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)管理。輸電線(xiàn)路的運(yùn)行數(shù)據(jù)類(lèi)型復(fù)雜，數(shù)據(jù)量大，主要來(lái)自各類(lèi)傳感器，包括傳感器數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)模型、影像數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)等。第一步需要將全部采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，然后再根據(jù)科學(xué)有效的算法進(jìn)行缺陷分析，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行管理；第二步，要將經(jīng)過(guò)多個(gè)數(shù)據(jù)處理模塊的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行整合，能夠保證不同數(shù)據(jù)類(lèi)型之間的轉(zhuǎn)換，進(jìn)行結(jié)果多樣化輸出。從數(shù)據(jù)服務(wù)層、功能管理層、核心構(gòu)件層幾個(gè)部分對(duì)系統(tǒng)的架構(gòu)和功能進(jìn)行科學(xué)劃分。

其中，核心層為巡檢系統(tǒng)提供核心算法，具體涵蓋算法庫(kù)、圖像處理庫(kù)、地圖處理庫(kù)、點(diǎn)云處理庫(kù)、3D引擎等；功能管理層為系統(tǒng)的功能模塊，主要負(fù)責(zé)對(duì)無(wú)人機(jī)采集到的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行處理，具體功能是指數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)查詢(xún)等；數(shù)據(jù)服務(wù)層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，提供數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)管理模型，這樣能夠保證對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效率的處理。

3 系統(tǒng)功能劃分

輸電線(xiàn)路可視化巡檢系統(tǒng)的運(yùn)用目的是對(duì)輸電線(xiàn)路及其附屬設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行檢測(cè)，功能上側(cè)重于設(shè)備的可視化運(yùn)維，根據(jù)相關(guān)設(shè)備的位置信息、巡檢路線(xiàn)等從數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢(xún)數(shù)據(jù)，基于高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)景建模，模擬輸電線(xiàn)路的環(huán)境信息等，可以進(jìn)行3D操作，數(shù)據(jù)測(cè)量等、數(shù)據(jù)查詢(xún)等。

可視化巡檢系統(tǒng)所需要處理的數(shù)據(jù)主要包括影像數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)等，系統(tǒng)預(yù)先對(duì)不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)進(jìn)行了協(xié)同管理。具體的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)核心功能劃分

4 關(guān)鍵技術(shù)研究

輸電線(xiàn)路可視化巡檢系統(tǒng)，數(shù)據(jù)來(lái)源廣泛，數(shù)據(jù)類(lèi)型復(fù)雜，具體涵蓋紅外視頻數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)等，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)融合進(jìn)行故障診斷與分析。

4.1 數(shù)據(jù)管理

輸電線(xiàn)路可視化巡檢的原始數(shù)據(jù)來(lái)自布設(shè)在無(wú)人機(jī)上的傳感器，具體涵蓋可見(jiàn)光影像、紅外影像，激光點(diǎn)云等多種數(shù)據(jù)，以及無(wú)人機(jī)的定位與姿態(tài)數(shù)據(jù)。采用的數(shù)據(jù)管理模式如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)文件管理結(jié)構(gòu)

當(dāng)無(wú)人機(jī)巡檢數(shù)據(jù)以文檔形式存在時(shí)，這種情況下存在多種問(wèn)題，數(shù)據(jù)查詢(xún)困難、數(shù)據(jù)冗余度高、數(shù)據(jù)版本不一致等。該可視化巡檢系統(tǒng)在新建工程時(shí)，由系統(tǒng)自主建立Inspection數(shù)據(jù)庫(kù)和PowerLine數(shù)據(jù)表，并將數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)表的相關(guān)屬性信息提報(bào)給系統(tǒng)，解決數(shù)據(jù)冗余等項(xiàng)目管理問(wèn)題。

4.2 多源數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

采用將可見(jiàn)光、紅外線(xiàn)、激光數(shù)據(jù)相融合的診斷策略，能夠進(jìn)行高效、高精度的故障診斷，是一種可靠性較高的檢測(cè)手段。通過(guò)無(wú)人機(jī)載運(yùn)的傳感設(shè)備能夠得到紅外數(shù)據(jù)、可見(jiàn)光數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)存在一定的差異，需要對(duì)其時(shí)間和空間的不同步性進(jìn)行處理，這樣才會(huì)避免由于數(shù)據(jù)不同步導(dǎo)致的診斷結(jié)果的差異。這樣就可能存在同一輸電線(xiàn)路在不同數(shù)據(jù)情況下會(huì)得到不同的診斷結(jié)果，所以進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)具有重要意義，即得到同一化處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、紅外數(shù)據(jù)、可見(jiàn)光數(shù)據(jù)等，再進(jìn)行診斷運(yùn)算?？梢暬矙z系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)這一流程時(shí)，分別將數(shù)據(jù)基準(zhǔn)設(shè)置為紅外、時(shí)評(píng)、圖像、點(diǎn)云幾種情況，再結(jié)合POS系統(tǒng)輸出的位置參數(shù)和傳感器定標(biāo)參數(shù)作為數(shù)據(jù)源的初始位置以及初始姿態(tài)，提取輸電線(xiàn)路中的線(xiàn)狀特征，再將這些特征進(jìn)行投影，在各個(gè)數(shù)據(jù)源進(jìn)行匹配運(yùn)算，最后得到配準(zhǔn)參數(shù)，將多源頭的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個(gè)參考坐標(biāo)系下，配準(zhǔn)方案如圖3所示。

圖3 多源數(shù)據(jù)配準(zhǔn)方案

4.3 可視化實(shí)現(xiàn)

輸電線(xiàn)路巡檢時(shí)采集到的多源數(shù)據(jù)，具體包含環(huán)境數(shù)據(jù)、紅外數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)于輸電線(xiàn)路的可視化管理具有重要意義，是實(shí)現(xiàn)輸電線(xiàn)路智能化管理的重要組成部分。本文采用的基于無(wú)人機(jī)的巡檢方案，由無(wú)人機(jī)搭載3D激光掃描設(shè)備、3D相機(jī)、紅外成像儀等，采集輸電線(xiàn)路的環(huán)境數(shù)據(jù)、影像信息等，并將采集到的信息由網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)较到y(tǒng)終端進(jìn)行處理。輸電線(xiàn)路可視化巡檢采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)同一化處理后，除了能夠?qū)崿F(xiàn)可視化瀏覽外，還能夠基于圖表的形式實(shí)現(xiàn)某些屬性的可視化，并且可以通過(guò)圖像操作完成部件的可視化編輯。

4.4 故障診斷

輸電線(xiàn)路的可視化巡檢必須以無(wú)人機(jī)作為傳感器載體，采集點(diǎn)云、影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行缺陷與隱患的分析，并將無(wú)人機(jī)搭載的各種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行同一化處理，實(shí)現(xiàn)輸電線(xiàn)路運(yùn)行狀態(tài)的全方位、多角度分析。分析的具體內(nèi)容包括不同部件之間的安全距離、線(xiàn)路附屬零部件的破損程度等，最終輸出能夠描述輸電線(xiàn)路運(yùn)行狀態(tài)的運(yùn)行分析報(bào)告以及其他附屬文件。

5 應(yīng)用分析

采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行輸電線(xiàn)路可視化巡檢時(shí)，由于傳感器的多樣化，因此能夠得到諸如激光點(diǎn)云、可見(jiàn)光影像、紅外數(shù)據(jù)等多種類(lèi)型的數(shù)據(jù)，再根據(jù)無(wú)人機(jī)的巡檢路徑、傳感器的采集方式等，對(duì)輸電線(xiàn)路的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合診斷。在進(jìn)行電力巡檢時(shí)，由于輸電線(xiàn)路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)量眾多，單條輸電線(xiàn)路也進(jìn)行反復(fù)多次巡檢是十分有必要的，因此輸電線(xiàn)路的運(yùn)行數(shù)據(jù)也是隨著巡檢次數(shù)的增加而增加的。對(duì)于輸電線(xiàn)路巡檢產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)和診斷結(jié)果，必須要根據(jù)實(shí)際情況建立科學(xué)、合理的數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)數(shù)據(jù)資源進(jìn)行有效的管理和運(yùn)用。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)輸電線(xiàn)路常規(guī)運(yùn)營(yíng)維護(hù)以及故障處理的業(yè)務(wù)需求，本文有針對(duì)性地對(duì)輸電線(xiàn)路可視化巡檢系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用分析。本文所研究的輸電線(xiàn)路可視化巡檢系統(tǒng)能夠?qū)旊娋€(xiàn)路進(jìn)行可視化管理，管理上實(shí)現(xiàn)了對(duì)海量巡檢數(shù)據(jù)的高效管理；在數(shù)據(jù)處理上能夠?qū)?shù)據(jù)和資源進(jìn)行高效利用，經(jīng)過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的協(xié)同分析，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的深度處理。未來(lái)可以結(jié)合輸電線(xiàn)路的環(huán)境數(shù)據(jù)等多維度信息實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線(xiàn)路的故障預(yù)警功能。