單人背包式全景技術(shù)在輸電線路巡視中的應(yīng)用

張?jiān)骑w

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司徐州供電公司，江蘇 徐州 221000）

車載全景采集平臺(tái)在輸電線路巡視中發(fā)揮了重要的作用，給用戶帶來(lái)了照片級(jí)的真實(shí)感。但在輸電線路巡視中，某些輸電線路的桿塔位于湖泊或河流中，需要游泳或坐船方能到達(dá)桿塔下方。某些輸電線路的桿塔位于莊稼地中，夏秋季節(jié)地里的農(nóng)作物繁茂，春秋灌溉季節(jié)桿塔周圍是很深的泥水，這使得采集車無(wú)法到達(dá)而導(dǎo)致全景數(shù)據(jù)采集的失敗[1-2]。雖然采用360°環(huán)繞拍攝也可以解決此問(wèn)題，但此種方式效率低下而無(wú)法滿足輸電線路大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集。

作為一陣輔助的日常巡視手段，單人背包式全景技術(shù)在對(duì)特殊環(huán)境條件（如車輛無(wú)法到達(dá)的野外）和特殊時(shí)段（如小麥成熟時(shí)節(jié)）的輸電線路巡視中具有顯著優(yōu)勢(shì)，具體應(yīng)用思路為：數(shù)據(jù)采集人員根據(jù)預(yù)先設(shè)定改好的采集路線，攜帶單人背包式全景采集設(shè)備至輸電線路附近，利用攝像部分對(duì)設(shè)備畫(huà)面進(jìn)行采集，并將采集到的畫(huà)面利用無(wú)線圖像傳輸模塊實(shí)時(shí)回傳至后臺(tái)管理系統(tǒng)，使后臺(tái)管理系統(tǒng)的工作人員可以在第一時(shí)間全面掌握設(shè)備狀態(tài)。和車載全景采集平臺(tái)相比，單人背包式全景技術(shù)在降低使用和維護(hù)費(fèi)用、適合野外作業(yè)、安全系數(shù)高等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，因此不失為解決此問(wèn)題的一種新思路。

1 基于單人背包式全景技術(shù)的輸電線路巡視系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.1 單人背包式全景采集設(shè)備的結(jié)構(gòu)

單人背包式全景采集設(shè)備的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單人背包式全景采集設(shè)備的結(jié)構(gòu)

1）背負(fù)系統(tǒng)。能源系統(tǒng)、任務(wù)荷載設(shè)備及通信系統(tǒng)等都固定在背包架上，通過(guò)采用結(jié)構(gòu)構(gòu)件螺絲或焊接等方式來(lái)確保拍攝的穩(wěn)定性。

2）能源系統(tǒng)。單人背包式全景采集設(shè)備的任務(wù)荷載設(shè)備、通信系統(tǒng)等都會(huì)消耗部分電能，實(shí)際操作中可以采用鎳氫、鎳鎘及鋰聚合物電池等作為能源系統(tǒng)。

3）任務(wù)荷載設(shè)備。任務(wù)荷載設(shè)備是根據(jù)單人背包式全景采集設(shè)備的具體巡線任務(wù)而搭載的設(shè)備，通常包括攝像部分、云臺(tái)及紅外儀器等。其中攝像部分要求能夠?qū)旊娋€路各部分的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行清晰采集，并且輕便靈活便于數(shù)據(jù)采集人員攜帶，對(duì)數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)和微型攝像頭分別進(jìn)行考察后（見(jiàn)表1），最終確定使用數(shù)碼相機(jī)。

表1 三種攝像方案的對(duì)比

4）通信系統(tǒng)。采集到的全景數(shù)據(jù)，需要通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞絺鬏數(shù)胶笈_(tái)管理系統(tǒng)。按照傳輸信號(hào)的模式，無(wú)線傳輸系統(tǒng)可以分為如表2所示的兩類，綜合比對(duì)后，本文選擇了模擬圖像傳輸方式。

5）PDA終端。PDA終端實(shí)現(xiàn)的功能主要包括：①巡視人員登錄輸電線路巡視系統(tǒng)，對(duì)巡視任務(wù)和相關(guān)資料進(jìn)行下載；②巡視人員對(duì)全部線路臺(tái)賬進(jìn)行查詢，例如當(dāng)某條輸電線路的某基桿塔被選中后，該桿塔的所有資料將顯示；③對(duì)巡視人員的經(jīng)、緯度位置信息進(jìn)行記錄，并在地圖上進(jìn)行顯示；④將巡視人員的經(jīng)、緯度位置信息與預(yù)置線路的坐標(biāo)信息進(jìn)行比對(duì)，確認(rèn)其是否按時(shí)到達(dá)巡視現(xiàn)場(chǎng)；⑤巡視過(guò)程中，將缺陷記錄、巡視記錄及GPS坐標(biāo)信息等實(shí)時(shí)上傳到后臺(tái)管理系統(tǒng)[3]。

表2 無(wú)線傳輸系統(tǒng)的對(duì)比

1.2 基于單人背包式全景技術(shù)的輸電線路巡視系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

基于單人背包式全景技術(shù)的輸電線路巡視系統(tǒng)主要由后臺(tái)管理系統(tǒng)和單人背包式全景采集設(shè)備組成，其中單人背包式全景采集設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)全景數(shù)據(jù)采集、標(biāo)準(zhǔn)化巡視、線路臺(tái)賬查詢、巡視任務(wù)下載、巡視到位監(jiān)督、巡視導(dǎo)航等功能。后臺(tái)管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)維護(hù)、臺(tái)賬管理、檢測(cè)管理、缺陷管理及巡視管理等功能[6]。圖 2為基于單人背包式全景技術(shù)的輸電線路巡視系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 基于單人背包式全景技術(shù)的輸電線路巡視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

單人背包式全景采集設(shè)備的設(shè)計(jì)已經(jīng)在前文講述，這里主要對(duì)后臺(tái)管理系統(tǒng)進(jìn)行介紹，表3為后臺(tái)管理系統(tǒng)的模塊功能。

表3 后臺(tái)管理系統(tǒng)的模塊功能

2 輸電線路三維全景的制作過(guò)程

利用單人背包式全景采集設(shè)備，構(gòu)建輸電線路三維全景的過(guò)程如下：

1）全景數(shù)據(jù)采集。在采集全景數(shù)據(jù)前，數(shù)據(jù)采集人員需要對(duì)巡視線路及其周圍環(huán)境進(jìn)行充分調(diào)研，事先規(guī)劃好拍攝路線并在采集圖上進(jìn)行標(biāo)注。完成上述步驟后，數(shù)據(jù)采集人員攜帶單人背包式全景采集設(shè)備，按照規(guī)劃好的拍攝路線采集全景數(shù)據(jù)[4-5]。在采集全景數(shù)據(jù)的過(guò)程中，可能因單人背包式全景采集設(shè)備的晃動(dòng)等造成虛焦、污點(diǎn)等現(xiàn)象，因此數(shù)據(jù)采集人員在采集過(guò)程中要盡量確保身體的平衡，并且采集完畢后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，一旦發(fā)現(xiàn)存在虛焦、污點(diǎn)等現(xiàn)象，就要重新進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2）圖像拼接。在本文中，將采集到的全景數(shù)據(jù)通過(guò)球面投影后進(jìn)行拼接，并對(duì)重疊區(qū)域加權(quán)融合后形成輸電線路三維全景圖（如圖3所示）。

3 輸電線路缺陷識(shí)別的實(shí)現(xiàn)

在巡視人員攜帶單人背包式全景采集設(shè)備對(duì)輸電線路設(shè)備進(jìn)行圖像采集的過(guò)程中，由于拍攝角度、環(huán)境光線強(qiáng)度、巡視人員身體晃動(dòng)等會(huì)對(duì)圖像質(zhì)量造成影響，并且拍攝距離和角度的不同可能會(huì)使同一設(shè)備出現(xiàn)不同的形狀，因此會(huì)對(duì)輸電線路的缺陷識(shí)別帶來(lái)較大挑戰(zhàn)。本文中利用魯棒性強(qiáng)且實(shí)用性好的圖像處理算法來(lái)對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行處理，具體流程如圖4所示。

在巡視人員攜帶單人背包式全景采集設(shè)備對(duì)輸電線路設(shè)備進(jìn)行圖像采集后，單人背包式全景采集設(shè)備的模擬圖像傳輸模塊將采集到的設(shè)備圖像實(shí)時(shí)傳輸?shù)胶笈_(tái)管理系統(tǒng)。后臺(tái)管理系統(tǒng)對(duì)接收到的設(shè)備圖像進(jìn)行接收、存儲(chǔ)、分析和處理，一旦識(shí)別出某段線路出現(xiàn)缺陷，系統(tǒng)就將自動(dòng)用醒目的記號(hào)在畫(huà)面中進(jìn)行標(biāo)示并發(fā)出聲光警報(bào)，提示工作人員進(jìn)行處理。如果判斷線路沒(méi)有異常，那么仍然顯示其目前的運(yùn)行狀態(tài)[7]。

圖3 全景圖像的拼接

圖4 輸電線路缺陷識(shí)別的具體流程

在報(bào)警上報(bào)模式上，系統(tǒng)提供了兩種方式：①短信報(bào)警上報(bào)方式，即系統(tǒng)將報(bào)警信息智能發(fā)送到相關(guān)工作人員的手機(jī)上，提示工作人員何處、何時(shí)發(fā)生了何種缺陷；②系統(tǒng)后臺(tái)系統(tǒng)在線報(bào)警上報(bào)方式，即系統(tǒng)采用聲光的方式對(duì)后端工作人員發(fā)出報(bào)警信息，提示后端工作人員及時(shí)進(jìn)行查看和處理[8]。

為了考量輸電線路缺陷識(shí)別的應(yīng)用效果，下面舉例說(shuō)明：

1）玻璃絕緣子破損缺陷的識(shí)別

長(zhǎng)期工作在比較惡劣的環(huán)節(jié)中，玻璃絕緣子難免會(huì)發(fā)生零值自爆等故障。由于玻璃絕緣子整齊排列且相互間的傾角一致，因此單個(gè)玻璃絕緣子發(fā)生零值自爆故障后，將使該組玻璃絕緣子輪廓序列出現(xiàn)明顯的缺口，因此在線路巡視圖像中會(huì)清晰顯示?；诖?，將巡視人員攜帶單人背包式全景采集設(shè)備所拍攝的巡視圖像轉(zhuǎn)換到 HSV空間，在H空間提取并繪制直方圖，在H空間以0.55位閾值進(jìn)行二值化處理，得到玻璃絕緣子的二值圖像。如果玻璃絕緣子發(fā)生零值自爆故障，那么在二值圖像中就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)非常明顯的凹糟[9]。

當(dāng)系統(tǒng)識(shí)別出玻璃絕緣子發(fā)生破損時(shí)，會(huì)對(duì)其自動(dòng)進(jìn)行標(biāo)注并發(fā)出警報(bào)。如果工作人員想要對(duì)絕緣子的具體故障及發(fā)生位置進(jìn)行查看，那么可以選中帶有缺陷標(biāo)注的圖進(jìn)行放大。

2）導(dǎo)線散股、斷股的識(shí)別

作為輸電線路的常見(jiàn)故障，導(dǎo)線散股、斷股的識(shí)別對(duì)于確保輸電線路的正常運(yùn)行至關(guān)重要。一般而言，在巡視人員攜帶單人背包式全景采集設(shè)備所拍攝的巡視圖像中，可以采取如下方法進(jìn)行導(dǎo)線散股、斷股的識(shí)別：對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的巡視圖像進(jìn)行膨脹和腐蝕，對(duì)孤立的噪聲點(diǎn)進(jìn)行消除；通過(guò)直線擬合圖中的點(diǎn)獲得輸電線路的中心線，以擬合得到的輸電線路中心線為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方差，如果方差較大，那么意味著發(fā)生了導(dǎo)線散股、斷股的故障。此外，也可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)閾值的設(shè)定來(lái)判斷導(dǎo)線是否發(fā)生了拋股故障（圖5為導(dǎo)線散股的識(shí)別效果）。

圖5 導(dǎo)線散股的識(shí)別效果

4 結(jié)論

根據(jù)車載全景采集平臺(tái)在輸電線路巡視應(yīng)用中的不足，本文提出了基于單人背包式全景技術(shù)的輸電線路巡視方法。通過(guò)將巡視人員攜帶單人背包式全景采集設(shè)備所拍攝的巡視圖像傳輸?shù)胶笈_(tái)管理系統(tǒng)，后臺(tái)管理系統(tǒng)可以生成輸電線路三維全景圖，當(dāng)某段線路出現(xiàn)缺陷時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)用醒目的記號(hào)在畫(huà)面中進(jìn)行標(biāo)示并發(fā)出聲光警報(bào)，提示工作人員進(jìn)行處理，從而進(jìn)一步提升巡檢作業(yè)的信息處理和統(tǒng)計(jì)能力。此外，系統(tǒng)還可以對(duì)巡視人員的巡視到勤率等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

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