機(jī)載激光LiDAR技術(shù)在輸電線路巡檢工作中的應(yīng)用研究

黃 隆 王 迪 趙 健

（中國(guó)電建集團(tuán)貴州電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州貴陽(yáng)550000）

0 引言

輸電線路常年暴露于野外，傳統(tǒng)人工巡檢方式依靠地面交通工具或徒步行走、利用普通儀器或肉眼來巡查。然而，很多長(zhǎng)距離輸電線路分布在地形陡峭、自然環(huán)境惡劣的崇山峻嶺之間，導(dǎo)致傳統(tǒng)人工巡線強(qiáng)度大，工作條件艱苦，效率低，復(fù)巡周期長(zhǎng)，巡檢數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率不高。如何尋求更優(yōu)的輸電線路運(yùn)維方式，成了國(guó)內(nèi)外輸電線路運(yùn)維人員共同面臨的一大難題[1]。

近年，隨著激光雷達(dá)技術(shù)和無人機(jī)技術(shù)的日益發(fā)展與成熟應(yīng)用，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)能同時(shí)獲取輸電線路走廊影像及三維空間坐標(biāo)信息，且具有測(cè)量精度高、全三維、自動(dòng)化程度高、效率高、定位準(zhǔn)確的特點(diǎn)[2-5]。特別是機(jī)載LiDAR的高頻率脈沖能部分地穿透植被，獲取高壓線下的地形信息，解決人工和傳統(tǒng)航測(cè)中存在植被遮擋的“盲區(qū)”問題，可全天候、全地域?qū)旊娋€路進(jìn)行巡檢。

本文對(duì)基于激光點(diǎn)云的輸電線路安全距離分析、工況模擬分析、交跨分析、通道變化分析等開展研究，能夠?qū)崿F(xiàn)線路巡檢的高效、準(zhǔn)確、安全及低投入。

1 安全距離分析

安全距離分析主要計(jì)算提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)中電力線與植被、建筑物、公路等走廊地物之間的距離，并根據(jù)線路運(yùn)行規(guī)程進(jìn)行危險(xiǎn)點(diǎn)判別與分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力線危險(xiǎn)情況。通過計(jì)算得到危險(xiǎn)點(diǎn)如圖1中圓圈內(nèi)所示（此處檢測(cè)到的為樹障危險(xiǎn)點(diǎn)），并生成安全距離分析報(bào)告，如圖2所示，分析報(bào)告中包括線路信息、運(yùn)行規(guī)程、圖例總表、桿塔信息、危險(xiǎn)點(diǎn)明細(xì)表、危險(xiǎn)點(diǎn)詳情等內(nèi)容。

圖1 安全距離分析結(jié)果

2 模擬工況分析

電力線在自然環(huán)境中大多以裸露形式存在，因此經(jīng)常會(huì)受到氣象條件等外界因素以及工況條件的影響，導(dǎo)線與地物的距離也在動(dòng)態(tài)變化，靜態(tài)的數(shù)據(jù)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的危險(xiǎn)點(diǎn)，因而對(duì)各工況條件下的輸電線路進(jìn)行模擬具有極大的意義，如圖3所示。

圖2 安全距離分析報(bào)告

圖3 模擬工況（20 mm覆冰）安全距離分析示意圖

從圖3可知，對(duì)實(shí)時(shí)電力線（紅色線）進(jìn)行安全距離分析時(shí)，線路走廊內(nèi)沒有不符合安全距離的危險(xiǎn)點(diǎn)，但當(dāng)達(dá)到20 mm覆冰時(shí)，電力線（藍(lán)色線）下方存在樹障危險(xiǎn)點(diǎn)。因此，基于線路區(qū)域氣象參數(shù)及輸電走廊點(diǎn)云，運(yùn)用架空輸電線路電線力學(xué)，模擬各工況條件下的輸電線路各類運(yùn)行參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)信息模擬導(dǎo)線弧垂，依照電網(wǎng)運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)模擬導(dǎo)線進(jìn)行安全距離檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)高溫、大風(fēng)、覆冰等典型工況下潛在危險(xiǎn)點(diǎn)分析。

3 交叉跨越分析

為防止交叉跨越事故發(fā)生，對(duì)架空輸電線路交叉跨越距離進(jìn)行測(cè)量尤其重要，本文將三維激光點(diǎn)云技術(shù)應(yīng)用于輸電線路交叉跨越分析，通過空間位置關(guān)系分析及拓?fù)浞治鰧?shí)現(xiàn)交跨物類型、交跨點(diǎn)坐標(biāo)、交跨距離等關(guān)鍵信息提取，并形成交叉跨越分析報(bào)告，如圖4所示，能有效輔助運(yùn)維人員清晰獲知線路交跨情況。

圖4 交叉跨越分析結(jié)果

4 通道變化分析

輸電線路直接暴露在野外，桿塔及線路下方經(jīng)常出現(xiàn)新建違章建筑、余土堆積、塌方等現(xiàn)象；在植被茂密的線路走廊內(nèi)，樹木生長(zhǎng)情況、前期樹障砍伐情況需要及時(shí)評(píng)估。基于高精度激光點(diǎn)云可直觀比對(duì)前后兩次巡檢時(shí)輸電走廊地物及地形地貌變化情況，分析影響輸電運(yùn)行安全的新增建筑物、樹木及地質(zhì)問題等。

輸電通道變化檢測(cè)的思路為：采用時(shí)間維度進(jìn)行對(duì)比，比較兩個(gè)時(shí)間維度之間的線路通道網(wǎng)格點(diǎn)云變化差異，提取變化參數(shù)，統(tǒng)計(jì)變化量，并在三維通道圖上進(jìn)行標(biāo)示，如分析影響輸電運(yùn)行安全的新增建筑物、植被等。變化檢測(cè)結(jié)果示例如圖5所示。

圖5 輸電通道變化檢測(cè)結(jié)果

5 桿塔傾斜分析

當(dāng)輸電線路經(jīng)過煤炭開采區(qū)、軟土質(zhì)地區(qū)、山坡地等特殊地帶時(shí)，桿塔基礎(chǔ)會(huì)發(fā)生滑移、傾斜、沉降等現(xiàn)象，從而引起桿塔的傾斜。線路桿塔在整體吊裝時(shí)，吊點(diǎn)位置選取不合理也會(huì)引起桿塔的形變傾斜。桿塔的傾斜易造成輸電線路發(fā)生倒桿、電氣安全距離過小等缺陷，特別是在人口密集區(qū)、重要交叉跨越處，線路桿塔一旦發(fā)生倒塔，造成的后果將十分嚴(yán)重。

基于三維激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)桿塔傾斜度自動(dòng)測(cè)量能很好地改善現(xiàn)有測(cè)量方法面臨的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)強(qiáng)度大、受地形限制等不足，本文采用圖6所示算法流程實(shí)現(xiàn)基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的桿塔傾斜分析。

圖6 桿塔傾斜分析算法流程

6 結(jié)語

機(jī)載激光LiDAR技術(shù)在輸電線路巡檢中的應(yīng)用可以彌補(bǔ)人工巡檢與無人機(jī)圖像巡檢在通道安全距離等空間分析檢測(cè)方面的弊端，本文進(jìn)行輸電線路激光點(diǎn)云應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景下輸電線路安全距離分析、模擬工況分析、交叉跨越分析、通道變化分析、桿塔傾斜分析等巡檢應(yīng)用研究，可有效提高線路巡檢的效率、準(zhǔn)確性、安全性，并大幅減少運(yùn)維成本，降低輸電線路運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也能擴(kuò)展應(yīng)用到基建數(shù)字化移交、線路工程驗(yàn)收、輸電工程規(guī)劃等工作中，具有廣泛的推廣價(jià)值。本文技術(shù)成果自2018年以來，已在逾4 500 km線路應(yīng)用，取得了良好的效果及經(jīng)濟(jì)效益。