夜視圖像監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)與裝置在輸電線路監(jiān)測中的應(yīng)用

樊承鵬 姚庭鏡 吳陶

（1.國網(wǎng)安徽電力有限公司亳州供電公司，安徽亳州 236800；2.安徽繼遠(yuǎn)軟件有限公司，安徽合肥 230088）

0.引言

夜視技術(shù)是借助于光電成像器件實(shí)現(xiàn)夜間觀察的一種光電技術(shù)。微光夜視技術(shù)又稱圖像增強(qiáng)技術(shù)[1]，是通過帶像增強(qiáng)管的夜視鏡，對夜天光照亮的微弱目標(biāo)像進(jìn)行增強(qiáng)，以供觀察的光電成像技術(shù)。采用雙攝像頭綜合拍照，通過數(shù)據(jù)優(yōu)化，數(shù)據(jù)相結(jié)合成像，形成夜視全彩畫面。

2013年11月18日，美軍在阿富汗赫拉曼德省搜捕塔利班使用的彩色夜視儀[2]，是最先進(jìn)的夜視技術(shù)，夜如白晝；我國使用夜視技術(shù)測試到夜間效果對比圖，可清晰地看到馬路兩側(cè)的綠化帶、路燈等設(shè)施；2018年輸電線路應(yīng)用夜視技術(shù)后，線路通道日間和夜間圖片對比圖，見圖1，輸電線路達(dá)到全彩夜視效果。

現(xiàn)有輸電線路普通通道可視化設(shè)備，拍攝到的圖像和視頻信息主要工作在白天，無法實(shí)現(xiàn)夜間的監(jiān)控，采用彩色夜視卡片機(jī)，在光線不足的夜晚也可以實(shí)時(shí)觀測到輸電線路狀況，能有效緩解線路巡視和維護(hù)工作的繁重程度，有效增加夜間監(jiān)控時(shí)長。

隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，輸電線路通道環(huán)境越來越復(fù)雜，線下施工作業(yè)、山火等隱患頻發(fā)，并且以傍晚和夜間居多，線路維護(hù)難度越來越高?，F(xiàn)有在線監(jiān)測設(shè)備，大多只能進(jìn)行一個(gè)固定通道視角監(jiān)測，僅在白天發(fā)揮有限作用，無法實(shí)現(xiàn)夜間清晰的巡視和更為全面系統(tǒng)的監(jiān)控，尤其對重要“三跨”地段，在夜間無法實(shí)現(xiàn)24h彩色監(jiān)控，這無疑給輸電線路通道外破隱患的發(fā)現(xiàn)、告警、分析和處理造成很大困難。同時(shí)除輸電通道安全監(jiān)測外，輸電設(shè)備長期處于室外惡劣環(huán)境，且面臨諸多銹蝕氧化、外破、盜竊等風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生倒塔、跳閘等事故，經(jīng)濟(jì)損失巨大。

如何延長輸電線路通道運(yùn)行維護(hù)時(shí)間，確保全天24h通道內(nèi)發(fā)生的各類隱患得到有效監(jiān)控，并且達(dá)到告警及時(shí)、分析準(zhǔn)確、處理得當(dāng)，緩解線路巡視和維護(hù)工作的繁重程度，成為輸電運(yùn)維急需解決的首要難題。

1.研究目的與意義

本課題主要研究夜視圖像監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)與裝置在輸電線路監(jiān)測中的應(yīng)用；主要目標(biāo)是采用最新的人工智能物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，結(jié)合星光級彩色夜視技術(shù)、超高精度物態(tài)傳感器技術(shù)、高可靠性的防水抗老化材料技術(shù)、超低溫蓄電池充電技術(shù)，具備綜合技術(shù)指標(biāo)及應(yīng)用環(huán)境優(yōu)勢。通過4G、5G網(wǎng)絡(luò)傳輸，完成對全電壓等級輸電線路的全天候環(huán)境安全及設(shè)備安全的監(jiān)控，確保24h通道內(nèi)發(fā)送的各類隱患得到有效監(jiān)控，有效緩解線路巡視和維護(hù)工作的繁重程度，大大提高了輸電線路運(yùn)維工作的效率[3]。最重要的是對輸電通道運(yùn)維價(jià)值及意義。

圖1 線路通道日間和夜間圖片對比圖

（1）全面貫徹“泛在物聯(lián)”建設(shè)精神。目前，傳統(tǒng)運(yùn)檢模式以大量人力投入為主；信息獲取方式傳統(tǒng)、來源單一，較多依靠電話和現(xiàn)場勘察等人工方式獲取設(shè)備相關(guān)信息；設(shè)備狀態(tài)感知仍以停電檢修、離線試驗(yàn)為主，在線監(jiān)測、帶電檢測、機(jī)器人、無人機(jī)等先進(jìn)手段及數(shù)據(jù)利用率不高，各專業(yè)系統(tǒng)眾多，海量數(shù)據(jù)難以融合，無法實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合和綜合評價(jià)。

全彩夜視監(jiān)測裝置結(jié)合綜合管理系統(tǒng)堅(jiān)決貫徹國網(wǎng)“泛在物聯(lián)”建設(shè)精神，實(shí)現(xiàn)運(yùn)檢業(yè)務(wù)和管理信息化、自動(dòng)化和智能化，能形成自我感知及環(huán)境感知、主動(dòng)預(yù)測預(yù)警、輔助決策和集約管控，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。同時(shí)基于業(yè)務(wù)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心與數(shù)據(jù)模型[4]，全面展開數(shù)據(jù)接入轉(zhuǎn)換和整合貫通，實(shí)現(xiàn)由終端設(shè)備引導(dǎo)各個(gè)環(huán)節(jié)萬物互聯(lián)，人機(jī)交互，大力提升數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，自動(dòng)獲取，靈活應(yīng)用能力，全面提升智慧運(yùn)維能力，提高運(yùn)維質(zhì)效。

（2）延遲監(jiān)控時(shí)長?，F(xiàn)有輸電線路普通監(jiān)測裝置，拍攝到的圖像和視頻信息主要工作在白天，無法實(shí)現(xiàn)夜間的監(jiān)控，采用彩色夜視監(jiān)測裝置，在光線不足的夜晚也可以實(shí)時(shí)觀測到輸電線路狀況，能有效緩解線路巡視和維護(hù)工作的繁重程度，有效增加夜間監(jiān)控時(shí)間。

（3）拓展“三跨”監(jiān)控工作的維度?；诂F(xiàn)有普通監(jiān)測裝置的圖像和視頻監(jiān)控裝置，無法實(shí)現(xiàn)對重要“三跨”地段的夜間清晰監(jiān)控，彩色夜視監(jiān)測裝置采用最新的主被動(dòng)結(jié)合夜視技術(shù)、視頻處理技術(shù)、圖像識別算法等技術(shù)對重要“三跨”地段進(jìn)行全天候的監(jiān)控[5]，極大方便地解決輸電線路實(shí)時(shí)監(jiān)控在“三跨”地段的夜間監(jiān)控難點(diǎn)，并能夠有效預(yù)防輸電線路“三跨”地段中的安全隱患。

（4）深化輸電線可視化運(yùn)檢工作。彩色夜視監(jiān)測裝置真正實(shí)現(xiàn)了全天候的輸電線路可視化。傳統(tǒng)監(jiān)測裝置只能在白天提供可靠的圖片信息，晚上采集到的圖像模糊甚至漆黑一片，顏色還原度差，無法真實(shí)、準(zhǔn)確地反映設(shè)備周邊的狀況。彩色夜視監(jiān)測裝置能夠在白天和夜間采集到高亮度、高清晰度的視頻和畫面，并配以安全可靠的服務(wù)平臺、監(jiān)控終端和手機(jī)客戶端進(jìn)行智能化管理，更加深化輸電線可視化的重要意義。

2.夜視圖像監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究

采用“物聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)、4G通信+云服務(wù)，貫徹國網(wǎng)“泛在電網(wǎng)”建設(shè)精神，同時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循國網(wǎng)運(yùn)維方式和操作習(xí)慣。

自主研制AI人工智能，具備行業(yè)定制化深度學(xué)習(xí)能力，隨數(shù)據(jù)量越大，AI會不斷成長進(jìn)化，識別精度及效率也會越來越高，對隱患進(jìn)行快速精準(zhǔn)識別并告警，實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化分析處理；精準(zhǔn)的圖像對比算法能夠及時(shí)準(zhǔn)確地分析出通道可視化險(xiǎn)情，能夠準(zhǔn)確反映通道內(nèi)的異常隱患，并進(jìn)行自動(dòng)推送告警；對所有裝置監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行直接監(jiān)控查看，同時(shí)能按照電壓等級、線路、區(qū)域進(jìn)行快速定位及查詢；具備GIS定位信息，在GIS地圖連接虛擬線路，可沿線設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)巡檢,裝置分布可視化瀏覽，可迅速定位桿塔位置了解周邊環(huán)境，一旦發(fā)現(xiàn)突發(fā)情況可迅速響應(yīng)部署；提供各種預(yù)警統(tǒng)計(jì)信息，同時(shí)兼具強(qiáng)大搜索功能，能通過線路、桿塔、時(shí)間等信息對歷史信息進(jìn)行搜索查找[6]。

2.1 項(xiàng)目技術(shù)先進(jìn)性及創(chuàng)新性

2.1.1 設(shè)備端先進(jìn)性及創(chuàng)新性

主機(jī)搭載高性能ARM內(nèi)核處理器，定制專用微光級傳感器，通過VPN專用網(wǎng)絡(luò)，具備CCD深度調(diào)教的專利技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了在夜間極微弱光線環(huán)境下實(shí)現(xiàn)彩色夜視效果。主機(jī)針對輸電線路及通道監(jiān)測，同時(shí)強(qiáng)大的成像效果還能清晰捕捉輸電設(shè)備異常效果，7×24h全天候大數(shù)據(jù)采集。

2.1.2 平臺端先進(jìn)性及創(chuàng)新性

平臺滿足國網(wǎng)提出全面建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)側(cè)的精神，通過該技術(shù)將海量終端傳感器及各種類數(shù)據(jù)進(jìn)行融匯，統(tǒng)一數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)化。

（1）提高全息感知能力，實(shí)現(xiàn)終端數(shù)據(jù)匯集、傳輸、轉(zhuǎn)換，利用于各環(huán)節(jié)，狀態(tài)全感知，業(yè)務(wù)全穿透；

（2）提高泛在連接能力，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部設(shè)備，用戶和數(shù)據(jù)的及時(shí)連接，實(shí)現(xiàn)各區(qū)域運(yùn)維數(shù)據(jù)，運(yùn)維公司的全實(shí)時(shí)泛在連接；

（3）提高平臺資源利用率，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)物物相息，實(shí)現(xiàn)終端及數(shù)據(jù)統(tǒng)一物聯(lián)管理，提升平臺軟硬件利用率，靈活調(diào)度，快速響應(yīng)；

（4）結(jié)合平臺結(jié)合自主研制AI人工智能，具備行業(yè)定制化深度學(xué)習(xí)能力，隨數(shù)據(jù)量越大，AI會不斷成長進(jìn)化，識別精度及效率也會越來越高；精準(zhǔn)的圖像對比算法能夠及時(shí)準(zhǔn)確的分析出通道可視化險(xiǎn)情，能夠準(zhǔn)確反映通道內(nèi)的異常變動(dòng)。目前AI智能系統(tǒng)已經(jīng)能極為精準(zhǔn)地識別煙/火、建筑施工、吊車、違停、異物等通道常見隱患。

2.2 三大核心技術(shù)應(yīng)用研究

2.2.1 前端AI主動(dòng)智能識別

監(jiān)測裝置主機(jī)前端自帶AI主動(dòng)識別分析功能，根據(jù)行業(yè)定制化深度學(xué)習(xí)能力、可全天候?qū)νǖ离U(xiǎn)情進(jìn)行前端自主偵測與預(yù)警，前端采集頻率最低可設(shè)置為1min間隔。

端AI智能系統(tǒng)能7×24h穩(wěn)定運(yùn)行，并準(zhǔn)確識別通道內(nèi)煙/火、建筑施工、吊車、違停、異物等通道常見隱患，自主識別發(fā)現(xiàn)隱患后自動(dòng)上傳[7]。

2.2.2 全彩夜視星光級成像

監(jiān)測裝置產(chǎn)品采用專用微光級傳感器，采用對CCD深度調(diào)教的專利技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了在極微弱光線環(huán)境下實(shí)現(xiàn)彩色夜視效果。強(qiáng)大的成像效果還能清晰捕捉輸電設(shè)備異常效果。

最低照度：0.01Lux/F1.2；白天像素：1200W；夜間像素：200W～500W。

2.2.3 先進(jìn)的性能技術(shù)

（1）監(jiān)測性能先進(jìn)。監(jiān)測裝置采用星光級夜視鏡頭，夜間最低照度≤0.01Lux/F1.2，白天照片1200萬像素、夜間照片200萬像素。防護(hù)等級IP68，整機(jī)性能卓越。

（2）結(jié)構(gòu)堅(jiān)固穩(wěn)定。監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理有成熟施工方案，包括鋼管塔、角鋼塔。整體產(chǎn)品體積小，總重低于12kg，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定防抖動(dòng)，無需停電作業(yè)。

（3）功耗低長續(xù)航。設(shè)備自帶高性能電池，且外部配置壽命長達(dá)20年的高可靠太陽能板進(jìn)行外部供電，保障設(shè)備7×24h穩(wěn)定運(yùn)行，無光照條件下，每30min拍攝一張照片，電池可以支撐連續(xù)供電20d。

3.結(jié)語

利用太陽能電池供電，通過無線公網(wǎng)4G、5G、GPRS、EDGE、CDMA1X等通信傳輸方式，對輸電線路的遠(yuǎn)程視頻、微氣象、桿塔傾斜、防盜報(bào)警、覆冰等線路情況進(jìn)行監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集前端(太陽能供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等)和后端分析處理系統(tǒng)組成；涉及人工智能技術(shù)、云計(jì)算及大數(shù)據(jù)計(jì)算、存儲技術(shù)、虛擬化技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和控制技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)、故障診斷技術(shù)、傳感技術(shù)、夜視技術(shù)等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的交叉、融合發(fā)展；要求相應(yīng)的生產(chǎn)企業(yè)不僅要具有專業(yè)系統(tǒng)的研究背景和扎實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，技術(shù)水平及產(chǎn)品安全、穩(wěn)定性、性能等方面通過國網(wǎng)電力科學(xué)研究院的嚴(yán)格的試驗(yàn)檢驗(yàn)。

隨著輸電行業(yè)內(nèi)不斷推出新的輸電線路監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)，以及新產(chǎn)品工藝、新流程、新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，要求從業(yè)技術(shù)人員具備、掌握較寬的知識面和較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，滿足業(yè)務(wù)和技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展趨勢；準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)日趨提高。由于高壓輸電通道運(yùn)檢工作情況極其復(fù)雜，尤其是在復(fù)雜環(huán)境下的夜間，現(xiàn)有輸電線路普通通道可視化設(shè)備，無法實(shí)現(xiàn)夜間的監(jiān)控。因此輸電線路全天候的監(jiān)測工作至關(guān)重要，不僅晝夜看得見、狀態(tài)能感知，而且監(jiān)控平臺會思考、遇險(xiǎn)能匯報(bào)。