超特高壓輸電線路無(wú)人機(jī)全程自主巡檢系統(tǒng)

國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司 劉 姜 劉春堂 張楚謙 郭景武 吳嘉琪 張 迪

武漢智銘泰科技有限公司 張 凱

近幾年，伴隨著我國(guó)社會(huì)對(duì)電力能源需求量的不斷增長(zhǎng)，電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和長(zhǎng)度都實(shí)現(xiàn)了成倍增加，在這種情況下，依然沿用人工對(duì)輸電線路進(jìn)行檢查的方式必然會(huì)逐漸被淘汰。基于超特高壓輸電線路的無(wú)人機(jī)全程自主巡檢云臺(tái)系統(tǒng)，采用深度學(xué)習(xí)目標(biāo)識(shí)別以及視覺和慣性測(cè)量單元結(jié)合的導(dǎo)航技術(shù)，運(yùn)用無(wú)人機(jī)自動(dòng)飛到線路周邊然后對(duì)線路進(jìn)行拍攝，能夠?qū)崿F(xiàn)線路的自動(dòng)巡檢以及監(jiān)控，這不但能夠提升電力企業(yè)對(duì)特高壓輸電線路運(yùn)行的監(jiān)控能力，同時(shí)還有助于降低線路巡檢成本，提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

1 無(wú)人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及線路巡檢的優(yōu)勢(shì)

無(wú)人機(jī)技術(shù)相較于傳統(tǒng)的人工巡檢，使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行巡檢不僅效率高，而且更加安全。無(wú)人機(jī)高壓輸電線路巡檢技術(shù)系統(tǒng)結(jié)合了輸電、電力、遙感、通信、GIS、信息處理等多種技術(shù)，同時(shí)還涉及到了多個(gè)高精尖技術(shù)領(lǐng)域，例如飛行控制技術(shù)、數(shù)據(jù)鏈通訊技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)、遙測(cè)遙感技術(shù)、故障診斷等，目前使用的無(wú)人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離、高空快速、自動(dòng)作業(yè)的功能。

利用多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行超（特）高壓緊湊型輸電線路巡檢工作的優(yōu)點(diǎn)在于，它能夠適應(yīng)各種各樣復(fù)雜的地形和情況，而且在進(jìn)行巡檢的時(shí)候還能夠從多個(gè)方位進(jìn)行拍攝，并且能夠?qū)⒐收宵c(diǎn)的細(xì)節(jié)也清楚的記錄下來，這就能大大的減少巡檢中投入的工作時(shí)間。另外，在無(wú)人機(jī)完成拍攝后，能高效的將圖片遠(yuǎn)程傳送給分析人員，這樣能夠有效的提升巡檢的速度，也能確保檢修人員的安全。

2 超特高壓輸電線路無(wú)人機(jī)全程自主巡檢云臺(tái)系統(tǒng)開發(fā)

2.1 系統(tǒng)主要功能

該云臺(tái)系統(tǒng)的目的是實(shí)現(xiàn)無(wú)人監(jiān)值的線路巡檢，所以應(yīng)具備根據(jù)坐標(biāo)飛往巡檢起點(diǎn)的功能。在起點(diǎn)的桿塔位置進(jìn)行桿塔的目標(biāo)識(shí)別確定桿塔的位置，進(jìn)而根據(jù)輸電線路的方向沿途尋找下一座桿塔。在每一座桿塔的位置檢測(cè)到后，利用視覺和慣性測(cè)量單元相結(jié)合的方案進(jìn)行相對(duì)坐標(biāo)的定位，再此過程中環(huán)繞桿塔進(jìn)行絕緣端以及其他感興趣目標(biāo)的檢測(cè)。檢測(cè)流程執(zhí)行完畢后，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)返回桿塔檢測(cè)開始時(shí)的位置，進(jìn)行線路檢測(cè)并前往下一座桿塔。

該方案同時(shí)具備飛行過程中的安全控制系統(tǒng)，全程利用GPS系統(tǒng)進(jìn)行絕對(duì)坐標(biāo)的約束，保證無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的安全并在系統(tǒng)異常時(shí)及時(shí)發(fā)出預(yù)警。

2.2 硬件選型

根據(jù)系統(tǒng)的主要功能，硬件主要使用了以下幾個(gè)模塊：處理器、攝像頭、慣性測(cè)量單元、GPS、云臺(tái)系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)平臺(tái)。本部分將根據(jù)這幾個(gè)模塊的內(nèi)容分別進(jìn)行選型。

處理器是該系統(tǒng)的運(yùn)算核心，常用于嵌入式系統(tǒng)的處理器多為MCU微控制單元或x86以及ARM架構(gòu)的mini-PC。由于要進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別以及視覺與IMU的融合，該處理器需要一定的算力基礎(chǔ)，而微控制單元的算力顯然達(dá)不到需求，所以處理器方面會(huì)選用mini-PC進(jìn)行運(yùn)算。這里我們采用Nvidia Jetson TX2運(yùn)算模組，Nvidia Jetson TX2核心板的尺寸和重量?jī)H相當(dāng)于一張信用卡，市面上存在小尺寸的TX2載板，所以比較適合在無(wú)人機(jī)上進(jìn)行使用。

本方案所使用的相機(jī)為單目相機(jī)。由于要在無(wú)人機(jī)上使用，工業(yè)相機(jī)的大重量就會(huì)變得難以承擔(dān)，所以這里可以使用的航拍相機(jī)，參數(shù)根據(jù)上方所述進(jìn)行選擇。

對(duì)于無(wú)人機(jī)以及云臺(tái)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，可以使用無(wú)人機(jī)以及防抖云臺(tái)系統(tǒng)解決方案，進(jìn)而在該平臺(tái)上對(duì)運(yùn)算和檢測(cè)模塊進(jìn)行搭載。

2.3 軟件方案

該系統(tǒng)在軟件上分為桿塔檢測(cè)、環(huán)繞桿塔飛行、絕緣子及感興趣目標(biāo)檢測(cè)、線路檢測(cè)及巡跡幾個(gè)方面，涉及的部分包含了三維視覺、深度學(xué)習(xí)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多傳感器融合等傳統(tǒng)以及現(xiàn)代計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)和方法。

無(wú)人機(jī)在輸電線路上會(huì)進(jìn)行桿塔的檢測(cè)，并將桿塔的檢測(cè)結(jié)果作為感興趣目標(biāo)的識(shí)別位置以及下一個(gè)桿塔檢測(cè)的開始節(jié)點(diǎn)。桿塔的檢測(cè)主要使用了深度學(xué)習(xí)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，這里采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行桿塔的識(shí)別。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一類包含卷積計(jì)算且具有深度結(jié)構(gòu)的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是深度學(xué)習(xí)的代表算法之一。由于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠進(jìn)行平移不變分類，因此也被稱為“平移不變?nèi)斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)”。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)首先會(huì)交替對(duì)圖像進(jìn)行卷積與池化，以對(duì)圖像的特征進(jìn)行抽象與提取。卷積是一種線性運(yùn)算，它可以實(shí)現(xiàn)圖像像素特征的集中，而池化又稱下采樣，主要目的為降低圖像的數(shù)據(jù)量，對(duì)特征信息進(jìn)行進(jìn)一步精煉。在若干層卷積與池化之后，特征圖被依次按行展開，連接成向量，并輸入全連接的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡(luò)搭建。在使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別之前，我們首先要利用已有的桿塔數(shù)據(jù)集對(duì)電線桿塔的模型進(jìn)行訓(xùn)練，在訓(xùn)練后的測(cè)試環(huán)節(jié)中將檢測(cè)結(jié)果作為正負(fù)樣本投入之前訓(xùn)練過的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行修正，直到達(dá)到預(yù)期的識(shí)別準(zhǔn)確率，完成桿塔的訓(xùn)練環(huán)節(jié)。而在訓(xùn)練完成之后，自主巡檢云臺(tái)系統(tǒng)就可以使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)每一幀圖像進(jìn)行桿塔的識(shí)別，從而完成輸電線路桿塔的檢測(cè)環(huán)節(jié)。

在完成桿塔的檢測(cè)后，無(wú)人機(jī)將以設(shè)定的軌跡對(duì)桿塔進(jìn)行環(huán)繞飛行，桿塔環(huán)繞過程中將采用單目視覺與慣性測(cè)量單元融合的方式進(jìn)行無(wú)人機(jī)的相對(duì)坐標(biāo)定位。繞桿飛行過程中無(wú)人機(jī)使用超聲傳感器判斷到周圍障礙物的距離，以防止飛行過程中的撞擊墜落。

在繞桿飛行的過程中巡檢系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行絕緣子等感興趣目標(biāo)的檢測(cè)。對(duì)于目標(biāo)的檢測(cè)部分依舊使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法進(jìn)行訓(xùn)練與識(shí)別，具體的訓(xùn)練內(nèi)容需要根據(jù)待檢測(cè)目標(biāo)來進(jìn)行修改，以完成對(duì)應(yīng)目標(biāo)的檢測(cè)。繞桿過程中需要解決待檢測(cè)目標(biāo)區(qū)分的問題，舉例來說，如果要得到絕緣子的數(shù)量，需要對(duì)檢測(cè)到的絕緣子進(jìn)行區(qū)分。這里采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與三維視覺結(jié)合的方式進(jìn)行判斷。當(dāng)使用深度學(xué)習(xí)的方式檢測(cè)到感興趣目標(biāo)的位置時(shí)，使用相鄰兩幀的感興趣區(qū)域內(nèi)特征點(diǎn)的匹配，并通過IMU進(jìn)行尺度恢復(fù)，可以確定出相機(jī)相對(duì)感興趣目標(biāo)的位姿變換，從而判斷出待檢測(cè)目標(biāo)相對(duì)于某點(diǎn)的相對(duì)位置。如果不同的圖像檢測(cè)到目標(biāo)的坐標(biāo)信息在同一范圍內(nèi)，可以認(rèn)為檢測(cè)到了同一個(gè)目標(biāo)，進(jìn)而解決了檢測(cè)得到目標(biāo)的區(qū)分問題。

繞桿飛行完成后，無(wú)人機(jī)會(huì)根據(jù)視覺及IMU的相對(duì)定位系統(tǒng)返回環(huán)繞飛行的開始位置，然后根據(jù)GPS的坐標(biāo)決定下一步的巡線方向。首先該系統(tǒng)會(huì)對(duì)獲取到的圖像進(jìn)行預(yù)處理與大津二值化，獲取待檢測(cè)圖像的二值圖。預(yù)處理主要涉及濾波操作，濾波的目的是將待檢測(cè)的特征變換的更加明顯，方便下一步對(duì)圖像進(jìn)行二值化時(shí)將待檢測(cè)特征與無(wú)關(guān)目標(biāo)分離。大津法又稱最大類間方差法，由日本學(xué)者大津于1979年提出，是一種自適應(yīng)的閾值確定的方法。它是按圖像的灰度特性，將圖像分成背景和目標(biāo)兩部分。背景和目標(biāo)之間的類間方差越大，說明構(gòu)成圖像的兩部分的差別越大，當(dāng)部分目標(biāo)錯(cuò)分為背景或部分背景錯(cuò)分為目標(biāo)都會(huì)導(dǎo)致兩部分差別變小。因此，使類間方差最大的分割意味著錯(cuò)分概率最小。由于輸電線路多為黑色，所以通過大津法很容易將黑色的輸電線路進(jìn)行目標(biāo)分割。得到二值圖后，無(wú)人機(jī)會(huì)在桿塔上空進(jìn)行慢速盤旋，并進(jìn)行縱向的sobel邊緣檢測(cè)，進(jìn)而對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行霍夫線變換。sobel算子的主要目的是獲取圖像的一階梯度，所以可以用于檢測(cè)邊緣。如果在單一方向上使用sobel算子，則可以提取在該維度上的邊緣信息，因此當(dāng)無(wú)人機(jī)盤旋至直線沿著圖像總方向的時(shí)候?qū)⒈籹obel算子檢出并顯示在檢測(cè)結(jié)果中?；舴蜃儞Q則用于檢測(cè)結(jié)果中直線的檢測(cè)，該算法是一種傳統(tǒng)的直線檢測(cè)算法，它會(huì)在參數(shù)空間中執(zhí)行投票來決定直線的位置，最終結(jié)果由累加空間里的局部最大值來決定。

在飛行過程中無(wú)人機(jī)會(huì)全程使用GPS定位系統(tǒng)進(jìn)行絕對(duì)坐標(biāo)的定位。GPS可以返回?zé)o人機(jī)的大致經(jīng)緯度信息，用于判斷無(wú)人機(jī)在大尺度上的絕對(duì)位置。在檢測(cè)過程開始前會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)人為劃定一定的檢測(cè)區(qū)域，巡檢系統(tǒng)工作時(shí)，應(yīng)保證無(wú)人機(jī)工作在一定的范圍內(nèi)。當(dāng)無(wú)人機(jī)飛離該檢測(cè)區(qū)域，系統(tǒng)會(huì)通過4G發(fā)出異常信號(hào)，以便及時(shí)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行異常排查。

3 無(wú)人機(jī)在特高壓輸電線路巡檢中的具體應(yīng)用

通過對(duì)當(dāng)前輸電線路巡檢工作的調(diào)頜分析，從大體情況上來看，一旦輸電線路導(dǎo)線部分發(fā)生了外力破壞，受高度角度等原因影響，很難在人工巡檢的過程中被發(fā)現(xiàn)，就算是選擇了最為危險(xiǎn)的人工登桿檢查，有的地方也很難觀察到。這些不易發(fā)現(xiàn)的損傷點(diǎn)更對(duì)線路穩(wěn)定安全運(yùn)行埋下了種種隱患。利用無(wú)人機(jī)卻可以較為方便準(zhǔn)確地解決這一難題。

2015年5月南網(wǎng)超高壓某局通過“無(wú)人機(jī)機(jī)巡+人巡”模式開展線路隱患排查。人巡通過高倍望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)500kV賀羅1線352號(hào)大號(hào)側(cè)第9至第10個(gè)間隔棒上方地線（光纜）斷股，該檔距1123m，由于檔距大，光纜距離地面較遠(yuǎn)，不能準(zhǔn)確判定斷股數(shù)目。考慮到無(wú)人機(jī)快速、靈活的特點(diǎn)，隨后組織無(wú)人機(jī)開展斷股確認(rèn)。

為便于操作，操作手首先使無(wú)人機(jī)懸停在橫線路方向且與導(dǎo)線同等高度的安全位置，調(diào)整載荷相機(jī)方向?qū)?zhǔn)拍攝導(dǎo)線的方向，并調(diào)整焦距至拍攝導(dǎo)線清晰可見的倍率，程控手順線路方向監(jiān)視無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)及與線路安全距離，操作手始終觀測(cè)實(shí)時(shí)圖傳畫面，然后以不大于3m/s的飛行速度，沿線路方向進(jìn)行連拍或者錄像飛行。該過程中程控手始終觀測(cè)無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)及與線路的安全距離并與操作手溝通，操作手通過實(shí)時(shí)圖傳畫面結(jié)合程控手傳達(dá)的各種信息及時(shí)調(diào)整無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)，圖傳畫面發(fā)現(xiàn)損傷點(diǎn)后，第一時(shí)間確認(rèn)該點(diǎn)的高度和距離，懸停無(wú)人機(jī)進(jìn)行精細(xì)化拍攝或錄像。最后通過圖片核實(shí)，發(fā)現(xiàn)斷股3處，然后同時(shí)利用多旋翼無(wú)人機(jī)拍攝了故障周邊地形，為后續(xù)施工提供了有效資料。最后安全收回?zé)o人機(jī)至降落點(diǎn)，工作完畢。

結(jié)語(yǔ)：該方案實(shí)現(xiàn)的超特高壓輸電線路無(wú)人機(jī)全程自主巡檢云臺(tái)系統(tǒng)，擬用以代替當(dāng)前人工巡線的方式。相比于當(dāng)前人工巡線高成本、周期長(zhǎng)、安全性低等特點(diǎn)，無(wú)人機(jī)巡線可以大大降低巡線的工作成本，縮短巡線周期，并且可以降低工人巡線的安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，該方案降低了巡線所需的人力資源，對(duì)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)自動(dòng)化具有重要意義。