基于路線優(yōu)化的關(guān)口表數(shù)據(jù)無人機(jī)自主采集研究

才彥姣， 隋佳睿， 陳家昊

（國網(wǎng)遼寧省電力有限公司計(jì)量中心， 遼寧 沈陽 110168）

0 引言

蟻群算法（Ant Clony Optimization，ACO）是一種仿生學(xué)算法，它由Marco Dorigo 于1992 年提出，其靈感來源于覓食的螞蟻在尋找食物過程中總能發(fā)現(xiàn)一條從蟻巢和食物源的最優(yōu)路徑。蟻群算法是一種群智能算法，由一群無智能或有輕微智能的個(gè)體（Agent）通過相互協(xié)作而表現(xiàn)出智能行為， 從而為求解復(fù)雜問題提供了一個(gè)新的可能性，是一種用來尋找優(yōu)化路徑的概率型算法。

關(guān)口表數(shù)據(jù)是電力系統(tǒng)高效運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保障， 隨著現(xiàn)代化科技的發(fā)展， 關(guān)口表數(shù)據(jù)采集的方式需要改進(jìn)和完善?，F(xiàn)有的人工采集方法存在著精確性、適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性等方面的不足。

隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展， 現(xiàn)今的無人機(jī)已可用于工業(yè)及商業(yè)用途，由于無人機(jī)地勤保障要求低，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)， 起降條件和維修保障要求都比較低， 安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)小，因此具有作業(yè)方便、成本低、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。 將無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于關(guān)口表數(shù)據(jù)采集過程能大大節(jié)約時(shí)間成本，提高工作效率和精確性，為自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集提供了一種新思路。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)口表數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化和無人機(jī)采集路線的優(yōu)化，本文采用一種基于GPS 和RFID 射頻技術(shù)的方法進(jìn)行無人機(jī)與變電站之間的定位與數(shù)據(jù)傳輸， 采用蟻群算法對(duì)無人機(jī)采集數(shù)據(jù)路線進(jìn)行優(yōu)化。

無人機(jī)與變電站之間的數(shù)據(jù)采集與定位系統(tǒng)由兩部分組成， 無人機(jī)通過GPS 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)對(duì)每一個(gè)要采集數(shù)據(jù)的關(guān)口表所屬變電站位置進(jìn)行方向確認(rèn)和大致范圍確認(rèn)；用RFID 對(duì)變電站進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別和數(shù)據(jù)收發(fā)。同時(shí)，該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也可實(shí)時(shí)監(jiān)測無人機(jī)飛行狀態(tài)、 工作進(jìn)度和當(dāng)前位置，確保自動(dòng)化采集工作的順利進(jìn)行，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the system

2 定位與數(shù)據(jù)采集方法

GPS 定位距離遠(yuǎn)， 如果需要高精度的話使用成本很高，而RFID 可在幾百米的范圍內(nèi)定位精確的同時(shí)成本也適中。 無人機(jī)定位與數(shù)據(jù)采集方法采用GPS 和RFID 結(jié)合進(jìn)行，先利用GPS 導(dǎo)航定位變電站方向和所在范圍，再利用RFID 精準(zhǔn)識(shí)別、無人機(jī)懸停，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，定位系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 定位系統(tǒng)Fig.2 Positioning system

RFID 應(yīng)用系統(tǒng)由RFID 電子標(biāo)簽、讀寫器、發(fā)送接收信號(hào)的天線、通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)四部分組成。 RFID 電子標(biāo)簽?zāi)軌騼?chǔ)存有關(guān)物體的數(shù)據(jù)信息。 將要被讀取數(shù)據(jù)的RFID電子標(biāo)簽安裝在便于無人機(jī)懸停的變電站建筑表面；再在無人機(jī)上安裝RFID 讀寫器， 用于識(shí)讀提取變電站RFID 電子標(biāo)簽中當(dāng)前儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)信息，將收集的數(shù)據(jù)再寫入總數(shù)據(jù)庫的FRID 電子標(biāo)簽，并于與后臺(tái)管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交互； 天線是標(biāo)簽與讀寫器之間進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)射、接收裝置；通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和其他信息系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器處理讀寫器傳送過來的信息，其他信息系統(tǒng)根據(jù)通過向讀寫器發(fā)送指令， 對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行相應(yīng)操作。

3 路徑優(yōu)化算法

3.1 蟻群算法的基本原理

螞蟻的行走路徑表示待優(yōu)化問題的可行解， 整個(gè)蟻群的所有路徑構(gòu)成待優(yōu)化問題的解集合。 一開始螞蟻的行走路徑是隨機(jī)的， 螞蟻在行走的過程中會(huì)不斷釋放信息素，標(biāo)識(shí)自己的行走路徑。 在單位時(shí)間內(nèi)，短路徑上的螞蟻數(shù)量比長路徑上的螞蟻數(shù)量要多， 從而螞蟻留下的信息素濃度也就越高，隨著時(shí)間的推進(jìn)，較短的路徑上累積的信息素濃度逐漸增高， 選擇該路徑的螞蟻個(gè)數(shù)也愈來愈多，如圖3 所示。 最終，整個(gè)螞蟻會(huì)在正反饋的作用下集中到最佳的路徑上， 此時(shí)對(duì)應(yīng)的就是待優(yōu)化問題的最優(yōu)解。

圖3 蟻群路線圖Fig.3 Ant colony roadmap

蟻群算法通過模擬螞蟻行為達(dá)到計(jì)算效果， 主要包括螞蟻行為的兩個(gè)過程：狀態(tài)轉(zhuǎn)移和信息素更新，其具體計(jì)算公式如下：

（1）轉(zhuǎn)移概率公式：

式中：α—信息素的相對(duì)重要程度；β—啟發(fā)式因子的相對(duì)重要程度；Jk（i）—螞蟻k 下一步允許選擇的城市集合。

（2）啟發(fā)式因子計(jì)算公式：

式中： dij—城市i，j 之間的成本（或距離），dij越小，ηij越大，也就是從城市i 到j(luò) 的可見性就越大。

（3）信息素計(jì)算公式：

當(dāng)所有螞蟻完成一次周游后，各路徑上的信息素為：

τij（t+n）=（1-p）·τij（t）+△τij

（4）更新信息素矩陣。

τij（t+n）=ρ·τij（t）+△τij

式中：τij（t+n）—t+n 時(shí)刻城市i 與j 之間的信息素濃度；ρ—控制參數(shù)；△τij—城市i 與j 之間信息素經(jīng)過一個(gè)迭代后的增量。

3.2 無人機(jī)路徑優(yōu)化

設(shè)蟻群中所有螞蟻的數(shù)量為m，所有變電站關(guān)口表之間的信息素用矩陣pheromone 表示， 最短路徑為BestLength， 最佳路徑為BestTour。每只螞蟻都有自己的內(nèi)存， 內(nèi)存中用一個(gè)禁忌表來存儲(chǔ)該螞蟻已經(jīng)訪問過的變電站，表示其在以后的搜索中將不能訪問這些變電站； 還有用另外一個(gè)允許訪問的城市表（Jk）來存儲(chǔ)它還可以訪問的城市； 另外還用一個(gè)矩陣（△）來存儲(chǔ)它在一個(gè)循環(huán)或迭代中給所經(jīng)過的路徑釋放的信息素；還有另外一些數(shù)據(jù)，例如一些 控 制 參 數(shù)（α，β，ρ，Q），該 螞 蟻行走完全程的總成本或距離（TourLength），等等。 假定算法總共運(yùn)行N 次，運(yùn)行時(shí)間為t。 路徑優(yōu)化算法流程圖如圖4 所示。

圖4 路徑優(yōu)化算法流程圖Fig.4 Flow chart of path optimization algorithm

4 結(jié)論

本文采用GPS 和RFID 應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)變電站所在位置進(jìn)行精確定位， 先采用GPS 對(duì)變電站所在區(qū)域范圍進(jìn)行大致確定， 再利用RFID 射頻技術(shù)進(jìn)行變電站的精確定位，無人機(jī)精確懸停在變電站外表面的RFID 電子標(biāo)簽上方，通過機(jī)身安裝的讀寫器與電子標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，達(dá)到采集數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)的目的。 無人機(jī)飛行規(guī)劃路線通過蟻群算法優(yōu)化，得出最佳采集路線，無人機(jī)工作時(shí)間的飛行狀態(tài)與實(shí)時(shí)位置可通過移動(dòng)設(shè)備顯示， 保證采集工作的順利進(jìn)行。 該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)采集工作的高度自動(dòng)化，為數(shù)據(jù)采集的高效性、安全性、高效性提供了新的保障。