基于增強現(xiàn)實技術(shù)的電力電纜故障定位

卞佳音，徐研，張玨，單魯平，陳文教

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局，廣東廣州 510620）

近年來，隨著我國城市化的進程不斷加速，對于電力電纜的應(yīng)用越來越多，現(xiàn)存的城市架空線路必要時也需要改為地下電纜的電力傳輸形式[1]。電力電纜雖然較為美觀，不會影響地面的城市建設(shè)，但由于其位于地下，一旦發(fā)生故障會給電力檢修帶來較大的困難。尤其是對電力電纜故障的快速、準(zhǔn)確定位，通常需要耗費大量的時間，不利于供電可靠性的提升[2]。因此，開展電力電纜故障定位的研究具有較大的價值與潛力。

電力電纜線路與架空線路相比具有獨特的優(yōu)勢，包括占地面積小、供電可靠性高、電壓降較小、故障率低以及防雷擊等。近年來，隨著城市的建設(shè)、發(fā)展與電力電纜使用率的提高，其故障也越來越受到重視。比如短時的瞬時故障與接地故障、工程施工、地質(zhì)災(zāi)害等，均會造成電纜各種各樣的故障出現(xiàn)[3]。因此如何快速定位電纜的故障點，對減小停電時間具有較為關(guān)鍵的作用。根據(jù)目前的了解，電力電纜故障定位通常采用電磁感應(yīng)的裝置進行。但其存在抗干擾能力弱、操作復(fù)雜的問題，且無法直觀識別電纜的故障類型[4]。

基于此，文中提出利用增強現(xiàn)實技術(shù)定位電纜故障。該方法可增加運維的效率及可視化程度，對提升電力系統(tǒng)的供電可靠性、減少停電時間均具有重要意義。

1 增強現(xiàn)實技術(shù)

1.1 增強現(xiàn)實概述

增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）技術(shù)是屬于人工智能的產(chǎn)物之一，其基本原理可表述為在真實自然環(huán)境中顯示AR 設(shè)備所收集的虛擬數(shù)據(jù)、三維模型等。將不在現(xiàn)場的事物以可視化的形式展現(xiàn)出來，即AR 技術(shù)可以將虛擬影響與現(xiàn)實相結(jié)合。而這種結(jié)合可從一定程度上打破空間的界限，給予用戶近乎于真實的體驗[5-13]。

現(xiàn)階段，增強現(xiàn)實技術(shù)已應(yīng)用于多個領(lǐng)域。寶馬汽車公司已開發(fā)了AR 汽車維修技術(shù)，牛津大學(xué)利用該技術(shù)創(chuàng)新地使用了相關(guān)設(shè)備的引導(dǎo)系統(tǒng)，我國相關(guān)團隊也在通過增強現(xiàn)實技術(shù)恢復(fù)歷史文物，目前已取得了一定的進展。此外，增強現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)、體育、教育及文娛活動等領(lǐng)域均有重要的應(yīng)用。

該文基于增強現(xiàn)實技術(shù)的電力電纜故障定位，采用計算機輔助系統(tǒng)，結(jié)合已有的電力電纜資料數(shù)據(jù)，建立與之相同的模型數(shù)據(jù)庫。然后通過增強現(xiàn)實技術(shù)所收集到的數(shù)據(jù)資料與數(shù)據(jù)庫相匹配，對比得出特征圖，以上步驟有利于三維注冊階段的精度與速度。增強現(xiàn)實下的電力電纜可清晰地顯示在現(xiàn)實環(huán)境中，使得運維檢修人員可直觀、快速、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障，判斷故障地點與故障類型，具有較強的真實度，從而實現(xiàn)電纜故障的快速定位。

1.2 系統(tǒng)框架

如圖1 所示，該文基于增強現(xiàn)實技術(shù)的電力電纜故障定位方法，利用虛擬投影與影像傳感器的混合跟蹤注冊技術(shù)，同時綜合利用圖像處理先進技術(shù)，具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括4 個步驟：

圖1 增強現(xiàn)實系統(tǒng)流程

1）通過放電傳感器對電纜進行實時監(jiān)測，若發(fā)現(xiàn)故障，則及時獲取三維坐標(biāo)；

2）根據(jù)步驟1）所得的坐標(biāo)結(jié)果，將攝像機轉(zhuǎn)向故障所在位置，自動捕捉故障點圖像進行三維注冊并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)；

3）利用圖像處理模塊對圖像進行邊緣完整性校驗與優(yōu)化，拼接成完整圖像；

4）信息輸出是將呈現(xiàn)的三維影像轉(zhuǎn)換到二維空間中，并通過圖片的形勢融合輸出顯示。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

1.3.1 三維注冊

增強現(xiàn)實技術(shù)的關(guān)鍵點就是實現(xiàn)虛擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)實世界的無縫結(jié)合，以達到最優(yōu)的人體感官效果。而三維注冊技術(shù)的作用，就是將虛擬坐標(biāo)與現(xiàn)實坐標(biāo)進行拼接與校對[14]。

可采用OpenCV 開發(fā)包的相機標(biāo)定方法進行三維注冊，以獲取內(nèi)外參數(shù)矩陣。

1）攝像機捕獲的數(shù)據(jù)參數(shù)信息，可表述為式（1）。

其中，0表示無數(shù)值；R為循環(huán)矩陣；T為平移變量。

2）虛擬圖像數(shù)據(jù)變換到實際圖像中的變換矩陣，如式（2）所示。

式中，k為視頻采集裝置內(nèi)參數(shù)；fx與fy分別為視頻采集裝置在兩個坐標(biāo)軸上的權(quán)重系數(shù)；(u0,v0)為起始坐標(biāo)點；s為隨機變化因子。

1.3.2 顯示輸出

顯示輸出是將增強現(xiàn)實處理結(jié)果可視化的過程，將檢測結(jié)果呈現(xiàn)到運行人員視野內(nèi)。這一過程雖然是結(jié)果顯示的最后一步，但卻能直接影響用戶的體驗，因此對顯示輸出的性能要求也越來越高。

該文結(jié)合實際情況，針對不同的工程能夠?qū)崿F(xiàn)有針對性的外形輪廓自動識別、拼接與匹配。在顯示輸出中要經(jīng)歷一個邊緣檢測的過程，若邊緣檢測結(jié)果出現(xiàn)模糊或不完整，則需要視頻采集設(shè)備繼續(xù)重復(fù)視頻資料數(shù)據(jù)收集工作，直至達到預(yù)想的結(jié)果為止。進行圖像識別和虛擬信息的匹配與融合，最終呈現(xiàn)給運行人員一個完整、準(zhǔn)確的圖像。

2 電纜故障分析

電纜故障定位檢測是運行人員處理電力電纜故障的前期工作，故障定位的時間長短，決定了此次故障處理的效率及停電時間的長短，最主要考慮的是時效性與準(zhǔn)確性[15]。

2.1 電纜故障處理模式

實際運行檢修工作中，工作人員通常需要遵循一定的步驟，主要為前期工作準(zhǔn)備、電纜故障類型判斷、推斷故障范圍、電纜路徑定位、精確定位和故障處理。詳細流程如圖2 所示。

圖2 電纜故障處理主要流程

2.2 故障定位系統(tǒng)架構(gòu)

故障定位系統(tǒng)總體架構(gòu)需要多個步驟與多種設(shè)備共同配合完成，還需要通信設(shè)備能夠及時的將信息數(shù)據(jù)傳回總臺，如圖3 所示。通常故障發(fā)生后，一般從最易發(fā)生故障的電纜接頭處開始，運檢人員通過增強現(xiàn)實顯示設(shè)備，包括增強現(xiàn)實眼鏡、頭盔等視頻采集裝置掃描到的真實現(xiàn)場情況，獲取真實的現(xiàn)場環(huán)境與圖像，然后將這些數(shù)據(jù)傳回總臺服務(wù)器[16]。

圖3 電纜定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

3 系統(tǒng)流程

如圖4 所示，基于增強現(xiàn)實技術(shù)的電力電纜故障定位系統(tǒng)，主要流程包括以下幾個方面：

圖4 電纜定位系統(tǒng)主要流程與步驟

1）需要獲取增強現(xiàn)實顯示輸出設(shè)備的當(dāng)前位置編碼數(shù)據(jù)信息，以及與之相匹配的所在環(huán)境對應(yīng)的當(dāng)前圖像編碼數(shù)據(jù)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理與校對做資料準(zhǔn)備。

2）將所述的當(dāng)前圖像編碼數(shù)據(jù)與特征圖形庫中的預(yù)制數(shù)據(jù)做對比匹配分析，確定與當(dāng)前圖像編碼數(shù)據(jù)匹配，生成三維注冊的數(shù)據(jù)資料，這些數(shù)據(jù)包括外形數(shù)據(jù)、視角數(shù)據(jù)和空間距離數(shù)據(jù)。

3）進行三維定位注冊，調(diào)整當(dāng)前位置編碼與目標(biāo)圖像的虛擬數(shù)據(jù)，進行三維注冊編碼。建立電纜的視頻采集數(shù)據(jù)與增強現(xiàn)實顯示設(shè)備的匹配坐標(biāo)系，進而調(diào)整位置關(guān)系。

4）獲取生成所述三維注冊指令的觸發(fā)時刻，根據(jù)觸發(fā)時刻與目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)，調(diào)取虛擬電纜數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的空間圖像數(shù)據(jù)。

5）對空間數(shù)據(jù)進行編碼，將編碼后的空間距離相關(guān)數(shù)據(jù)與其對應(yīng)關(guān)系發(fā)送至增強現(xiàn)實顯示設(shè)備中。將電纜的實際情況顯示至預(yù)先設(shè)定好的現(xiàn)實環(huán)境中，以此判斷電纜的運行狀態(tài)是否良好或處于何種故障狀態(tài)。

4 算例分析

根據(jù)某城鎮(zhèn)供電所12 次電纜故障定位處理的情況，比較人工檢修與通過增強現(xiàn)實技術(shù)的定位時間。

其中，硬件采用ARTRAY 公司的ARTCAM-274KY-WOM 型號相機，鏡頭為M1614-MP2 型號，有效像素為1 628×1 236。數(shù)據(jù)處理計算機為戴爾計算機，i7 處理器，4 GB 運行內(nèi)存。

在以上條件下，詳細記錄電力電纜故障診斷結(jié)果，如表1 與圖5 所示。

表1 不同定位方式下的檢修時長

圖5 平均故障定位時長

結(jié)果表明，常規(guī)人工檢修情況下的電纜故障定位時長平均達到7 h 以上，最長用時9.63 h；而通過AR 增強現(xiàn)實技術(shù)的電纜故障定位用時可降低至1 h左右，顯著縮短了故障定位時長，提升了供電可靠率。

5 結(jié)束語

通過實際案例的比較，表明文中基于增強現(xiàn)實技術(shù)的電力電纜故障定位策略，能夠快速、便捷、準(zhǔn)確地找出電纜故障位置，便于檢修與減少停電時間，具有較強的可操作性，且可大幅提高運行人員的操作安全性及當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)供電可靠性。

但是，增強現(xiàn)實技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用仍處于初步探索階段。一方面，增強現(xiàn)實設(shè)備較為昂貴，且對通信要求較高，維護成本會增加，初始投資較大；另一方面，增強現(xiàn)實技術(shù)在電力電纜方面的應(yīng)用僅可通過視覺感官來判斷故障與否以及故障類型，但對于電纜內(nèi)部故障無法作出準(zhǔn)確判斷。在未來的應(yīng)用中，探索多種電力電纜故障識別、定位方法的結(jié)合，具有較大的研究潛力。