基于雙目視覺(jué)的智能變電站巡檢路徑規(guī)劃方法

周仲波 簡(jiǎn) 蓓 田 地 李金鑫 徐 潤(rùn)

（貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司遵義供電局）

0 引言

智能巡檢路徑規(guī)劃是目前變電站應(yīng)用較為廣泛的一種監(jiān)測(cè)方式，檢測(cè)的覆蓋面積相對(duì)較大，且在實(shí)際執(zhí)行的過(guò)程中，對(duì)于路徑的規(guī)劃效果更佳，精準(zhǔn)度更高一些［1］。其實(shí)，變電站巡檢路徑的規(guī)劃是一項(xiàng)十分復(fù)雜且繁瑣的工作，主要由運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、嵌入式綜合處理設(shè)計(jì)、GPS定位導(dǎo)航以及安防處理等組成，具有較強(qiáng)的針對(duì)性［2］。可以在日常的工作中，代替人工對(duì)智能變電站中關(guān)聯(lián)的設(shè)備、特殊場(chǎng)所進(jìn)行全覆蓋式的巡檢，一旦出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，可以及時(shí)發(fā)出相應(yīng)的警告信號(hào)，通過(guò)特殊的信道傳輸至系統(tǒng)不同的控制位置之上，避免出現(xiàn)大規(guī)模的關(guān)聯(lián)故障［3］。

智能變電站巡檢路徑規(guī)劃雖然為日常的工作提供了較大的便利條件，但是這種規(guī)劃模式較容易受到外部因素的影響，更加容易出現(xiàn)規(guī)劃誤差，對(duì)日常的巡檢工作造成消極影響［4］。為避免上述問(wèn)題的擴(kuò)展延伸，對(duì)基于雙目視覺(jué)的智能變電站巡檢路徑規(guī)劃方法設(shè)計(jì)分析。雙目視覺(jué)技術(shù)實(shí)際上是機(jī)器視覺(jué)的另一種重要形式，可以更為精準(zhǔn)、快速地定位到變電站內(nèi)部的規(guī)劃偏差，及時(shí)做出響應(yīng)，形成更加靈活、多變的巡檢路徑規(guī)劃結(jié)構(gòu)，以此來(lái)進(jìn)一步縮短路徑規(guī)劃之間存在的差異，加強(qiáng)對(duì)深度信息、立體信息的匯總整合，為后續(xù)路徑規(guī)劃技術(shù)的創(chuàng)新提供參考依據(jù)［5］。

1 智能變電站雙目視覺(jué)巡檢路徑規(guī)劃方法

1.1 巡檢地圖數(shù)據(jù)初始化預(yù)處理

在對(duì)智能變電站雙目視覺(jué)巡檢路徑規(guī)劃方法進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，需要先對(duì)基礎(chǔ)的規(guī)劃環(huán)境進(jìn)行預(yù)處理，并將巡檢地圖數(shù)據(jù)初始化。首先，采用Dijkstra算法先測(cè)定出變電站標(biāo)定的巡檢范圍，構(gòu)建巡檢規(guī)劃的最短路徑。這部分需要注意的是，日常的巡檢規(guī)劃最短路徑需要與實(shí)際的覆蓋面積呈1∶13的比例，但是考慮到交通路網(wǎng)、通信路由以及管道等因素的影響，為確保最終測(cè)試結(jié)果的精準(zhǔn)可靠，縮小比例為1∶11即可［6］。在巡檢地圖之中設(shè)定基礎(chǔ)關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)，將節(jié)點(diǎn)之間的距離縮短至最小，結(jié)合巡檢的地圖，將路徑規(guī)劃劃分為兩個(gè)階段，采用柵格法劃分為50×100、200×200兩種，具體如圖1所示。

圖1 巡檢地圖數(shù)據(jù)初始化柵格結(jié)構(gòu)圖示

根據(jù)圖1，可以完成對(duì)巡檢地圖數(shù)據(jù)初始化柵格結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在柵格盤(pán)之上，標(biāo)記出核心的巡檢行走點(diǎn)，將柵格地圖描述為基礎(chǔ)的規(guī)劃矩陣，將實(shí)際的自動(dòng)規(guī)劃程序相關(guān)指標(biāo)調(diào)整為0，在保留柵格規(guī)劃路徑的前提下，完成巡檢地圖數(shù)據(jù)初始化預(yù)處理［7］。

1.2 視覺(jué)交互規(guī)劃節(jié)點(diǎn)布設(shè)

在完成對(duì)巡檢地圖數(shù)據(jù)初始化預(yù)處理之后，接下來(lái)，根據(jù)實(shí)際的規(guī)劃需求及標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行視覺(jué)交互規(guī)劃節(jié)點(diǎn)的布設(shè)。通常情況下，不同的變電站巡檢模式也不同，存在一定的差異［8］?？梢韵却_定人工規(guī)劃地圖的規(guī)模，使用JPS技術(shù)構(gòu)建尋路程序，此時(shí)，針對(duì)巡檢的范圍，開(kāi)放規(guī)劃識(shí)別程序，并在區(qū)域之內(nèi)，設(shè)定一定數(shù)量的交互規(guī)劃節(jié)點(diǎn)。

最大程度確保變電站巡檢工作的維護(hù)質(zhì)量，這部分需要注意的是，交互規(guī)劃節(jié)點(diǎn)的設(shè)定可以結(jié)合雙目視覺(jué)技術(shù)，以最短的路徑作為核心規(guī)劃軸線，對(duì)異常位置進(jìn)行雙向側(cè)位標(biāo)記，控制系統(tǒng)中需要安裝JPS尋路指令，具體布設(shè)情況如圖2所示。

圖2 JPS尋路視覺(jué)交互規(guī)劃節(jié)點(diǎn)設(shè)定圖示

根據(jù)圖2，可以完成對(duì)JPS尋路視覺(jué)交互規(guī)劃節(jié)點(diǎn)的設(shè)定。利用雙目視覺(jué)技術(shù)，在標(biāo)定的巡檢范圍之內(nèi)，構(gòu)建JPS交互識(shí)別空間，針對(duì)智能變電站中某一個(gè)特定的節(jié)點(diǎn)，獲取采集對(duì)應(yīng)的障礙跳點(diǎn)，并計(jì)算出交互規(guī)劃節(jié)點(diǎn)之間的最短距離，具體如式（1）所示：

式中，G表示節(jié)點(diǎn)之間最短距離；δ表示跳點(diǎn)數(shù)量；d1表示定義異常差值；d2表示預(yù)設(shè)差值；s表示單元覆蓋范圍；e表示交互規(guī)劃次數(shù)。通過(guò)上述計(jì)算，最終可以得出節(jié)點(diǎn)之間的最短距離，結(jié)合得出的數(shù)值，劃定各個(gè)視覺(jué)交互規(guī)劃節(jié)點(diǎn)的間距，同時(shí)，采用雙目視覺(jué)技術(shù)，不斷調(diào)整智能變電站中的巡檢跳點(diǎn)位置，完成對(duì)視覺(jué)交互規(guī)劃節(jié)點(diǎn)的布設(shè)。

1.3 構(gòu)建三維雙目視覺(jué)巡檢路徑規(guī)劃模型

在完成對(duì)視覺(jué)交互規(guī)劃節(jié)點(diǎn)的布設(shè)之后，需要結(jié)合實(shí)際的巡檢需求及標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建多維雙目視覺(jué)巡檢路徑規(guī)劃模型。采用雙目視覺(jué)技術(shù)，將變電站的智能巡檢路徑規(guī)劃程序與對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行雙向關(guān)聯(lián)。接下來(lái)，在標(biāo)定的范圍之內(nèi)，構(gòu)建動(dòng)態(tài)化的約束條件及限制標(biāo)準(zhǔn)，在雙目視覺(jué)的輔助之下，對(duì)基礎(chǔ)的路徑規(guī)劃指標(biāo)參數(shù)做出調(diào)整，具體如表1所示。

表1 雙目視覺(jué)巡檢路徑規(guī)劃指標(biāo)參數(shù)表

根據(jù)表1，可以完成對(duì)雙目視覺(jué)巡檢路徑規(guī)劃指標(biāo)參數(shù)的調(diào)整和處理。隨后，利用專(zhuān)業(yè)設(shè)備，獲取智能變電站中的巡檢路徑規(guī)劃需求，以彩色圖像對(duì)外輸出，在無(wú)特殊的情況之下，進(jìn)一步提升智能變電站巡檢設(shè)備及機(jī)器人的實(shí)際避障能力，通過(guò)對(duì)所規(guī)劃最優(yōu)路徑輪廓，長(zhǎng)、高、寬等指標(biāo)的調(diào)整，改變規(guī)劃的范圍，結(jié)合雙目視覺(jué)技術(shù)，構(gòu)建多維巡檢路徑規(guī)劃流程，具體如圖3所示。

圖3 多維巡檢路徑規(guī)劃模型流程設(shè)計(jì)

根據(jù)圖3，可以完成對(duì)多維巡檢路徑規(guī)劃流程的設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，將上述設(shè)定的巡檢節(jié)點(diǎn)與模型相關(guān)聯(lián)，并在模型中設(shè)定三維雙目視覺(jué)避障程序，形成多目標(biāo)的避障指令集群，完成對(duì)三維雙目視覺(jué)巡檢路徑規(guī)劃模型的構(gòu)建。

1.4 Hopfield避障視覺(jué)調(diào)控完成路徑規(guī)劃

在完成對(duì)三維雙目視覺(jué)巡檢路徑規(guī)劃模型的構(gòu)建之后，結(jié)合Hopfield避障視覺(jué)調(diào)控法，完成對(duì)智能變電站巡檢路徑的規(guī)劃設(shè)定。首先，結(jié)合Hopfield避障技術(shù)與雙目視覺(jué)技術(shù)，對(duì)變電站中的巡檢路徑標(biāo)志性的拐點(diǎn)做出標(biāo)記，利用布設(shè)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。隨后，通過(guò)調(diào)整設(shè)備的定向識(shí)別幀數(shù)，延伸對(duì)應(yīng)的巡檢規(guī)劃范圍，獲取區(qū)域性的避障視覺(jué)調(diào)控結(jié)果。

結(jié)合所構(gòu)建的三維巡檢路徑規(guī)劃模型，設(shè)計(jì)應(yīng)變Hopfield矩陣，利用矩陣來(lái)限制存在的巡檢誤差，并以視覺(jué)移動(dòng)目標(biāo)作為引導(dǎo)，利用智能控制程序，最終可以完成對(duì)變電站巡檢路徑的側(cè)向多維規(guī)劃，營(yíng)造更加穩(wěn)定、安全的規(guī)避環(huán)境，進(jìn)一步提升路徑規(guī)劃工作的質(zhì)量和效率。

2 方法測(cè)試

本次主要是對(duì)雙目視覺(jué)的智能變電站巡檢路徑規(guī)劃方法的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析與研究，考慮到測(cè)試結(jié)果的真實(shí)可靠，需要以對(duì)比的形式展開(kāi)分析，設(shè)定傳統(tǒng)改進(jìn)蟻群巡檢路徑規(guī)劃測(cè)試組、傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)自主巡檢路徑規(guī)劃測(cè)試組以及本文所設(shè)計(jì)的雙目視覺(jué)巡檢路徑規(guī)劃測(cè)試組，測(cè)試得出的結(jié)果比照驗(yàn)證。接下來(lái)，需要搭建相應(yīng)的測(cè)試環(huán)境。

2.1 測(cè)試準(zhǔn)備

在對(duì)雙目視覺(jué)的智能變電站巡檢路徑規(guī)劃方法的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析與研究之前，需要搭建相應(yīng)的測(cè)試環(huán)境。選擇G智能變電站作為測(cè)試的主要目標(biāo)對(duì)象。首先，結(jié)合雙目視覺(jué)技術(shù)在變電站的巡檢系統(tǒng)之中指定對(duì)應(yīng)數(shù)量的執(zhí)行路徑作為基礎(chǔ)路徑，結(jié)合Matlab技術(shù)，調(diào)整數(shù)值、信息的傳輸信道。

完成基礎(chǔ)環(huán)境的布設(shè)。隨后，以D智能變電站作為巡檢的核心點(diǎn)，將所有巡視點(diǎn)存在的坐標(biāo)值進(jìn)行歸一化處理，將變電站的巡檢區(qū)域劃分為4個(gè)，并對(duì)相關(guān)指標(biāo)參數(shù)做出調(diào)整、優(yōu)化，具體如表2所示。

表2 智能變電站基礎(chǔ)測(cè)試指標(biāo)參數(shù)設(shè)定表

根據(jù)表2，可以完成對(duì)G智能變電站基礎(chǔ)測(cè)試指標(biāo)參數(shù)的設(shè)定，確?？刂葡到y(tǒng)與變電站的執(zhí)行指標(biāo)同步，完成對(duì)測(cè)試環(huán)境的搭建。

2.2 測(cè)試過(guò)程及結(jié)果分析

根據(jù)上述搭建的測(cè)試環(huán)境，結(jié)合雙目視覺(jué)技術(shù)，進(jìn)行具體的路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)。假設(shè)視覺(jué)識(shí)別的幀率為100幀，根據(jù)最大偏向角巡檢效率的變動(dòng)狀態(tài)，獲取路徑規(guī)劃的相關(guān)彩色圖像，隨著幀數(shù)的變化，路徑的輸出深度也會(huì)明顯提升，此時(shí)可以根據(jù)所設(shè)定的巡檢標(biāo)記點(diǎn)，測(cè)定出存在的路徑權(quán)重，規(guī)劃視覺(jué)拓?fù)渎窂?，具體如圖4所示。

圖4 智能變電站巡檢路徑規(guī)劃圖示

根據(jù)圖4，可以完成對(duì)G智能變電站巡檢路徑的規(guī)劃，隨后，在4個(gè)標(biāo)定的區(qū)域之內(nèi)，依據(jù)上述的巡檢規(guī)劃路徑，測(cè)定出具體的巡檢路徑規(guī)劃時(shí)間，并對(duì)測(cè)試結(jié)果比照分析，如表3所示。

表3 測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析表

（續(xù)）

根據(jù)表3，可以完成對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析：對(duì)比傳統(tǒng)改進(jìn)蟻群巡檢路徑規(guī)劃測(cè)試組、傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)自主巡檢路徑規(guī)劃測(cè)試組，本文所設(shè)計(jì)的雙目視覺(jué)巡檢路徑規(guī)劃測(cè)試組最終得出的巡檢路徑規(guī)劃時(shí)間均為1.3s以內(nèi)，表明其應(yīng)用規(guī)劃的效果更佳，規(guī)劃的誤差較小，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，便是對(duì)基于雙目視覺(jué)的智能變電站巡檢路徑規(guī)劃方法的設(shè)計(jì)和分析。對(duì)比傳統(tǒng)的巡檢路徑規(guī)劃方法，本次結(jié)合雙目視覺(jué)技術(shù)，進(jìn)一步擴(kuò)展實(shí)際的規(guī)劃范圍，以視覺(jué)定位作為引導(dǎo)，逐步構(gòu)建更加靈活、多變的規(guī)劃結(jié)構(gòu)。除此之外，雙目視覺(jué)輔助環(huán)境下，對(duì)于路徑規(guī)劃的誤差也可以得到更好的控制，大幅度提高智能變電站的巡檢效率，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)、多層級(jí)路徑規(guī)劃任務(wù)的同步執(zhí)行，完成最優(yōu)處理，對(duì)于智能變電站巡檢工作程序的應(yīng)用能力也是一種提升，具有更強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值及創(chuàng)新意義。