輸電線路智能巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

賴奎，姚軍艷，馬承志，鄭廣勇，丁勇，孟安波，魏明磊

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局,廣東 江門 529000；2.廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510006)

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輸電線路智能巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

賴奎1，姚軍艷1，馬承志1，鄭廣勇1，丁勇1，孟安波2，魏明磊2

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局,廣東 江門 529000；2.廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510006)

針對(duì)傳統(tǒng)輸電線路的巡檢系統(tǒng)存在智能化水平不足，操作步驟繁瑣，偏遠(yuǎn)地區(qū)信號(hào)不穩(wěn)定等問題，提出一種基于北斗定位技術(shù)和人工智能結(jié)合的輸電線路智能巡檢系統(tǒng)體系。在該系統(tǒng)中，基于百度地圖建立了野外路徑導(dǎo)航模型；利用專家系統(tǒng)建立了桿塔缺陷庫，并搭建了圖形化巡視功能模型；通過智能算法對(duì)巡檢路徑進(jìn)行規(guī)劃。為提高安全性和通信可靠性，利用北斗系統(tǒng)進(jìn)行桿塔定位，采用3G、4G網(wǎng)絡(luò)與后臺(tái)進(jìn)行通信。該系統(tǒng)可提高巡檢效率，減少故障處理時(shí)間。

北斗定位系統(tǒng)；圖形化巡視；野外路徑導(dǎo)航；巡線；路徑規(guī)劃

輸電線路長期在大自然中承受風(fēng)、雨、雷、電、冰等惡劣天氣的考驗(yàn)，時(shí)常受到鳥類、山火、偷盜、碰撞等外力破壞，運(yùn)行條件十分惡劣[1-2]，日常巡視和特殊巡視是對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管控的重要手段。通過巡視過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路本體和保護(hù)區(qū)的缺陷和隱患，及時(shí)合理地安排消缺和隱患清除，能夠保證輸電線路和電網(wǎng)安全運(yùn)行[3]。

由于輸電線路巡視在線路安全運(yùn)行中起著重要作用，從20世紀(jì)90年代起，采用智能巡視終端[4-5]用于線路巡檢，保證了巡線的到位率。目前在輸電線路巡線中用到的巡檢終端方式雖然較多，但智能化水平低，操作步驟煩雜，在現(xiàn)場巡視人員需要花費(fèi)大量時(shí)間操作巡檢終端，而未能有足夠時(shí)間檢查輸電線路本身的缺陷和隱患，大大降低了線路巡視工作的效率和質(zhì)量。目前的巡檢終端大多采用全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)定位和通用分組無線服務(wù)(general packet radio service，GPRS)技術(shù)通信[4-7]，在實(shí)際應(yīng)用中GPRS時(shí)常因信號(hào)原因無法通信，而GPS在非常時(shí)期其安全性也無法得到保證。隨著國內(nèi)北斗定位系統(tǒng)[8-9]的成功推出，并且在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出良好的性能，應(yīng)用國產(chǎn)定位技術(shù)具有更高的安全性，也能促進(jìn)北斗技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用和提高。

為了及時(shí)準(zhǔn)確地完成巡視工作，提高工作效率，為管理者提供有效的監(jiān)督依據(jù)，本文設(shè)計(jì)了以輸電線路桿塔部件為對(duì)象，利用智能移動(dòng)終端和北斗定位技術(shù)的智能巡檢系統(tǒng)，為輸電線路智能巡檢提供科學(xué)的規(guī)劃和管理平臺(tái)。

1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

輸電線路巡檢系統(tǒng)由北斗智能移動(dòng)巡檢終端、北斗智能巡檢管理平臺(tái)和數(shù)據(jù)通信接口3個(gè)部分組成。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。巡線人員在巡線時(shí)攜帶北斗智能終端，定時(shí)自動(dòng)向管理中心發(fā)送位置信息，巡檢結(jié)果記錄在北斗智能終端內(nèi)，并可經(jīng)GPRS、3G或4G網(wǎng)絡(luò)傳回到系統(tǒng)管理平臺(tái)。

圖1　系統(tǒng)體系

1.1北斗智能巡檢管理平臺(tái)

巡檢管理平臺(tái)是北斗智能巡檢移動(dòng)終端模塊的主控制臺(tái)，主要有巡檢要求和巡檢標(biāo)準(zhǔn)字典、作業(yè)指導(dǎo)書樣本、巡檢計(jì)劃、巡檢任務(wù)、巡檢記錄、巡檢路徑、缺陷管理、狀態(tài)評(píng)估管理和導(dǎo)航管理等模塊，其功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2北斗智能巡檢移動(dòng)終端

智能巡檢移動(dòng)終端是智能巡檢管理平臺(tái)的延伸，其功能結(jié)構(gòu)如圖3所示，可通過接口模塊的數(shù)據(jù)同步服務(wù)從管理平臺(tái)下載事先生成的作業(yè)包，包括巡視要求、巡視標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)缺陷庫、設(shè)備臺(tái)賬、狀態(tài)評(píng)估信息等數(shù)據(jù)信息。該終端還包含北斗定位、缺陷處理專家系統(tǒng)、圖形化巡視以及路徑導(dǎo)航等功能模塊。

圖2　北斗智能巡檢管理平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)

圖3　智能巡檢終端功能結(jié)構(gòu)

1.3數(shù)據(jù)通信傳輸

數(shù)據(jù)傳輸是指在移動(dòng)終端和智能巡檢管理平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)傳輸，可通過USB數(shù)據(jù)線線下傳輸或采用GPRS、3G或4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)在線傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)，通過兩種數(shù)據(jù)傳輸方式實(shí)現(xiàn)在巡檢過程中與信息管理平臺(tái)系統(tǒng)的無縫對(duì)接。

2　關(guān)鍵功能模型

2.1野外路徑導(dǎo)航

由于輸電線路巡檢環(huán)境比較偏僻，通常郊區(qū)和山區(qū)較多，目前市面上的地圖提供的路徑導(dǎo)航功能對(duì)象主要是城市內(nèi)的主干線路，野外輸電線路所在區(qū)域的路徑導(dǎo)航功能還沒有完全覆蓋。為實(shí)現(xiàn)輸電線路巡檢野外導(dǎo)航功能，基于百度地圖二次開發(fā)針對(duì)性的導(dǎo)航應(yīng)用，通過獲取輸電線路區(qū)域的線路和桿塔等對(duì)象的地理數(shù)據(jù)信息，將其存入本地?cái)?shù)據(jù)庫中。對(duì)起始點(diǎn)定位10次以上，取多次定位。以平均值作為第一個(gè)點(diǎn)，并以第一個(gè)定位點(diǎn)作為基點(diǎn)進(jìn)行軌跡描繪，如果接下來的定位點(diǎn)與上一次的定位點(diǎn)偏差較大，則不進(jìn)行軌跡描繪。對(duì)每一次的定位進(jìn)行多次調(diào)整和優(yōu)化，最終把最優(yōu)路線保存在本地?cái)?shù)據(jù)庫中，以供后續(xù)的輸電桿塔巡檢路徑導(dǎo)航使用。定位軌跡算法流程如圖4所示。

圖4　定位軌跡算法流程

2.2圖形化巡視

對(duì)桿塔進(jìn)行分類，制成各類桿塔的準(zhǔn)確模型圖片，將模型圖片中桿塔的主要元件設(shè)置為熱點(diǎn)模塊，并建立對(duì)應(yīng)的缺陷庫。在巡檢過程中根據(jù)選定的桿塔類型顯示此類桿塔的標(biāo)準(zhǔn)圖形，點(diǎn)擊主要部件，顯示對(duì)應(yīng)的缺陷庫。只需點(diǎn)選該部件發(fā)生的缺陷狀況，而不需要手動(dòng)輸入即可完成相應(yīng)的巡檢。圖形化巡視流程如圖5所示。

圖5　圖形化巡視流程

2.3巡檢路徑規(guī)劃

傳統(tǒng)輸電線巡檢路徑規(guī)劃多取決于領(lǐng)導(dǎo)意志，由有經(jīng)驗(yàn)的巡檢員制定巡檢路徑。這種依靠經(jīng)驗(yàn)的方式存在很強(qiáng)的主觀性，缺乏科學(xué)性，并且無法預(yù)判桿塔受到的風(fēng)險(xiǎn)因素。本系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和群智能優(yōu)化算法，以桿塔發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)概率和巡檢時(shí)間為目標(biāo)建立桿塔的風(fēng)險(xiǎn)模型[10]和路徑規(guī)劃模型。通過對(duì)輸電線巡檢路徑進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，大大提高巡檢效率。

2.3.1風(fēng)險(xiǎn)模型

輸電桿塔風(fēng)險(xiǎn)概率[10-12]是規(guī)劃輸電線路巡檢路徑目標(biāo)函數(shù)的參考指標(biāo)，也是判斷桿塔運(yùn)行狀態(tài)的一項(xiàng)重要數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)收集影響桿塔運(yùn)行狀態(tài)的因素以及對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，建立桿塔的風(fēng)險(xiǎn)模型并計(jì)算影響桿塔運(yùn)行狀態(tài)的相應(yīng)因素的條件概率。對(duì)每個(gè)能夠影響桿塔發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的因素用B1～B9表示，P為決策屬性，表示桿塔的運(yùn)行狀態(tài)，初始決策系數(shù)表見表1。

表1　初始決策系數(shù)表

注：B1—輸電桿塔所在區(qū)域的天氣情況；B2—所在位置的桿塔地質(zhì)情況；B3—桿塔溫度；B4—桿塔的巡視周期；B5—桿塔投入運(yùn)行時(shí)間：B6—桿塔的歷史負(fù)荷；B9—桿塔的電壓等級(jí)；P—桿塔運(yùn)行狀態(tài)。

通過對(duì)表1中的影響因子的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)進(jìn)行量化處理，采用數(shù)據(jù)挖掘算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，搭建桿塔發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的概率模型。由貝葉斯網(wǎng)絡(luò)計(jì)算桿塔風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)行影響因素之間的信息，生成以Ip(Bi;Bj|B) (i,j=1,2,…,n)為弧的權(quán)重加權(quán)無向圖的網(wǎng)絡(luò)模型，如圖6所示。通過該網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算得出初始決策表中每個(gè)屬性的條件概率，并通過概率計(jì)算得到桿塔的風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)行概率。

圖6　風(fēng)險(xiǎn)模型結(jié)構(gòu)

2.3.2路徑優(yōu)化

輸電線路巡視路徑模型是通過設(shè)定目標(biāo)最優(yōu)值使其達(dá)到最科學(xué)的巡視路徑[13-15]，通常目標(biāo)設(shè)為巡檢時(shí)間最短。本文在該基礎(chǔ)上考慮到部分桿塔位于山區(qū)、河谷，在巡檢過程中可能需要長距離繞行，這勢(shì)必會(huì)給巡檢員帶來大量的體力消耗。為此，結(jié)合桿塔之間的空間距離和桿塔巡檢平均耗時(shí)建立巡檢時(shí)間目標(biāo)函數(shù)。同時(shí)，在巡檢時(shí)間的基礎(chǔ)上加入了桿塔風(fēng)險(xiǎn)概率作為路徑優(yōu)化的考慮因素。設(shè)巡檢區(qū)域中有N個(gè)桿塔，由目標(biāo)函數(shù)求出任意兩個(gè)桿塔之間的巡檢時(shí)間以及各桿塔的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)概率，同時(shí)要求每條巡視路徑滿足：要求區(qū)域巡檢時(shí)間最短；所有桿塔不重復(fù)進(jìn)行巡檢；在一定情況下優(yōu)先巡檢風(fēng)險(xiǎn)較高的桿塔。則桿塔的時(shí)間目標(biāo)函數(shù)

式中：Ti,i+1為一條巡檢路徑中兩個(gè)相鄰桿塔之間巡檢時(shí)間目標(biāo)值；ti,i+1、di,i+1分別為第i個(gè)桿塔到i+1個(gè)桿塔的平均巡檢時(shí)間和空間距離。

輸電線路巡檢路徑優(yōu)化問題中同時(shí)考慮桿塔的巡檢時(shí)間和桿塔風(fēng)險(xiǎn)概率，綜合目標(biāo)函數(shù)

式中：Fij為路徑優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；D為未巡檢桿塔數(shù)；Pi、Pi+1分別為桿塔i和i+1的風(fēng)險(xiǎn)概率；α、β為目標(biāo)權(quán)系數(shù)。

為了迅速有效地完成巡檢任務(wù)，在優(yōu)化巡檢路徑過程中盡量保證優(yōu)先檢查桿塔運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)可能性較高的輸電線路桿塔，同時(shí)保證巡檢花費(fèi)時(shí)間最少。考慮以上兩點(diǎn)，采用群智能優(yōu)化算法優(yōu)化兩個(gè)目標(biāo)。

3　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)采用JDK10的java開發(fā)巡檢管理平臺(tái)和數(shù)據(jù)通信接口，利用Eclipse平臺(tái)搭建Android開發(fā)環(huán)境開發(fā)移動(dòng)作業(yè)平臺(tái)，系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境為安卓系統(tǒng)。

3.1工作任務(wù)管理模塊

工作任務(wù)管理模塊是對(duì)巡檢員的巡檢作業(yè)進(jìn)行指導(dǎo)和管理的模塊。巡檢員通過該模塊從管理平臺(tái)下載巡檢任務(wù)，包括：工作任務(wù)、工作地點(diǎn)、工作時(shí)間、工作表單、注意事項(xiàng)等。在巡檢員執(zhí)行任務(wù)時(shí)，打開巡視作業(yè)指導(dǎo)書，其中包括基本信息、作業(yè)準(zhǔn)備、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、作業(yè)過程和作業(yè)終結(jié)5個(gè)部分。

3.2路徑導(dǎo)航模塊

應(yīng)用定位軌跡算法對(duì)桿塔巡檢軌跡進(jìn)行優(yōu)化并保存在本地地圖中，在執(zhí)行巡檢任務(wù)時(shí)巡檢員按照此線路進(jìn)行野外桿塔巡檢作業(yè)。將系統(tǒng)中該功能模塊在某山區(qū)進(jìn)行模擬應(yīng)用。優(yōu)化后的線路軌跡說明該系統(tǒng)功能可以為巡檢員提供很好的野外路徑導(dǎo)航。

3.3圖形化巡視模塊

結(jié)合圖形化操作界面、缺陷智能分析以及狀態(tài)評(píng)估數(shù)據(jù)，進(jìn)行智能巡檢，利用熱點(diǎn)部署算法在圖片部件顯示對(duì)應(yīng)部件說明、標(biāo)準(zhǔn)缺陷庫以及歷史缺陷等參考信息，使系統(tǒng)具有一鍵式巡視功能。當(dāng)巡檢時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)異常，點(diǎn)擊一下無異常按鍵就能完成巡視，若有異常，則點(diǎn)擊圖形對(duì)應(yīng)的缺陷部件和缺陷庫對(duì)應(yīng)的缺陷類型即可。應(yīng)用圖形化巡視進(jìn)行巡檢能夠減少巡檢過程中桿塔信息和缺陷錄入所消耗的時(shí)間，大大提高了巡檢員巡檢效率。

3.4缺陷管理模塊

建立線路部件對(duì)象的缺陷庫模型。在巡檢時(shí)，通過缺陷管理模塊對(duì)巡檢過程中發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行缺陷填報(bào)、缺陷上傳，并且該系統(tǒng)同時(shí)提供查看歷史缺陷信息的功能。填報(bào)缺陷信息包括：設(shè)備名稱、發(fā)現(xiàn)時(shí)間、缺陷類別、缺陷表象描述、嚴(yán)重等級(jí)以及缺陷現(xiàn)場照片等。當(dāng)發(fā)現(xiàn)桿塔部件缺陷時(shí)，只需要在圖形中點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)缺陷桿塔的部件，根據(jù)對(duì)應(yīng)該部件的缺陷庫提示進(jìn)行缺陷信息選擇，新增缺陷信息，利用缺陷庫選擇簡化了巡檢員填報(bào)缺陷時(shí)繁瑣的操作，也規(guī)范了對(duì)缺陷信息的描述。

4　系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

相比傳統(tǒng)的巡檢系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)的智能巡檢系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

a) 野外導(dǎo)航。該系統(tǒng)采用北斗定位系統(tǒng)現(xiàn)場錄制巡檢路徑，同時(shí)具備動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)修正并在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)增加提醒圖片的功能。

b) 狀態(tài)評(píng)估。巡視過程中通過北斗定位，當(dāng)巡檢員到達(dá)輸電線或者桿塔的歷史缺陷發(fā)生處附近時(shí)，智能巡檢移動(dòng)終端會(huì)提醒作業(yè)人員，顯示此處發(fā)生的歷史缺陷隱患，并進(jìn)行智能化狀態(tài)評(píng)估，有利于有針對(duì)性進(jìn)行巡視。

c) 圖形化巡視。應(yīng)用圖形化巡視能夠更加直觀地觀察桿塔狀況，巡檢時(shí)能夠減少巡檢過程中桿塔信息以及缺陷隱患錄入所消耗的時(shí)間，大大提高了巡檢員的巡檢效率。

d) 路徑規(guī)劃?？紤]到桿塔發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)概率和巡檢時(shí)間，應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和群智能算法對(duì)巡檢路徑進(jìn)行規(guī)劃，為巡檢員提供一條科學(xué)有效的巡檢方案。

e) 實(shí)時(shí)反饋。在巡檢過程中發(fā)現(xiàn)桿塔或輸電線路發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，可以通過智能巡檢移動(dòng)終端將故障實(shí)時(shí)傳輸?shù)胶笈_(tái)，經(jīng)過后臺(tái)處理后第一時(shí)間通知檢修部門檢修。

5　結(jié)束語

基于北斗定位技術(shù)的輸電線路智能巡檢系統(tǒng)針對(duì)傳統(tǒng)輸電線路巡檢方式的缺陷，建立了野外路徑導(dǎo)航模型和桿塔的風(fēng)險(xiǎn)模型并基于桿塔風(fēng)險(xiǎn)和巡檢時(shí)間對(duì)巡檢路經(jīng)規(guī)劃，可大大提高巡檢員的巡線效率。對(duì)巡檢中發(fā)現(xiàn)的缺陷、隱患進(jìn)行分類并結(jié)合圖形化巡視，可全面提高巡線工作質(zhì)量和風(fēng)險(xiǎn)管控水平，使現(xiàn)場巡檢人員將主要精力和時(shí)間用于線路本體的缺陷查找和隱患清查。該系統(tǒng)用簡單的操作規(guī)范地記錄發(fā)現(xiàn)的線路缺陷和隱患，并智能化進(jìn)行桿塔的狀態(tài)評(píng)估，從而大大提高線路的巡視效率和質(zhì)量。

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(編輯查黎)

Design Research on Intelligent Inspection System for Power Transmission Lines

LAI Kui1, YAO Junyan1, MA Chengzhi1, ZHNEG Guangyong1, DING Yong1, MENG Anbo2, WEI Minglei2

(1. Jiangmen Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Jiangmen, Guangdong 529000, China; 2. Guangdong University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510006, China)

In allusion to problems of insufficient intelligent level, complicated and cumbersome operating process of traditional inspection system for power transmission lines and unstable signals in remote areas, this paper presents a kind of intelligent inspection system for power transmission lines based on Beidou positioning technology and artificial intelligence. In this system, a field path navigation model is established based on Baidumap , defects database for the tower is set up by using the expert system and a graphical inspection function model is established as well. Intelligent algorithm is used for planning on inspection path. In order to improve security and communication reliability, Beidou system is used for tower positioning and 3G /4G network is used for communicating with the management platform. This system is significant to improve inspection efficiency and reduce fault handling time.

Beidou positioning system; graphical inspection; field path navigation; transmission line patrol; path planning

2016-03-01

2016-05-10

廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(S2013040013776)；廣東省電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(0GDKJ00000009)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.07.021

TM 75

A

1007-290X(2016)07-0105-06

賴奎(1983)，男，江西贛州人。工程師，工學(xué)學(xué)士，主要從事信息技術(shù)應(yīng)用等方面工作。

姚軍艷(1978)，女，廣東江門人。助理工程師，工學(xué)學(xué)士，主要從事電力工程建設(shè)等方面工作。

馬承志(1985)，男，廣東江門人。工程師，工學(xué)碩士，主要從事生產(chǎn)設(shè)備管理等方面工作。