高壓電纜通道可視化定位技術(shù)研究

楊毅 羅向源 楊帥 肖瑩瑩

摘 要：由于各種施工電纜構(gòu)成威脅，需要一種快速、準(zhǔn)確、直觀的方式幫助運行和施工人員定位電纜，避免施工過程對電纜造成損傷。因此，提出一種高壓電纜通道可視化技術(shù)研究。引入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類數(shù)據(jù)層次，轉(zhuǎn)換獲取圖像中數(shù)字模擬信號，搭建功能數(shù)據(jù)庫，設(shè)計可視定位流程，計算定位點可能存在誤差，結(jié)合方向判別依據(jù)，調(diào)整終端定位點。設(shè)計對比實驗，驗證提出方法在實際應(yīng)用中可降低可是定位誤差，具備更高市場研究價值。

關(guān)鍵詞：高壓電纜通道;可視化技術(shù);定位方法

中圖分類號：TM247 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）06-0157-04

Abstract：As various construction cables pose a threat， a fast， accurate， and intuitive method is needed to help operators and construction personnel locate the cable to avoid damage to the cable during construction. Therefore， a visualization technique for high-voltage cable channels is proposed. Introduce the convolutional neural network to classify data levels， convert and obtain digital and analog signals in the image， build a functional database， design a visual positioning process， calculate possible positioning point errors， and adjust terminal positioning points based on the direction discrimination basis. Design coMParative experiments to verify that the proposed method can reduce the positioning error in practical applications， and has higher market research value.

Key words：high-voltage cable channel; visualization technology; positioning method

0 引言

電力行業(yè)在經(jīng)濟市場的快速發(fā)展對電網(wǎng)工程的推進起到了促進作用，城鎮(zhèn)化趨勢下，電纜規(guī)模不斷增長;目前各種路橋、地鐵項目會產(chǎn)生大量的鉆探、打樁、開挖等施工，嚴(yán)重威脅高壓電纜的安全運行，造成高壓電纜連鎖故障，影響人們正常用電的同時對人身安全造成威脅。高壓電纜主要由多根導(dǎo)電線路相互絞合形成，每根獨立導(dǎo)線之間由高壓絕緣層構(gòu)成，具有內(nèi)導(dǎo)電外絕緣的特點[1]。目前的定位方法是測量路徑后通過在地面做標(biāo)記的方式，費時費力且不夠直觀[2]。因此，本文研究的可視化定位技術(shù)，為解決電纜通道埋在地底下看不見的問題，當(dāng)遇到路面施工，為避免挖傷高壓電纜造成人員觸電和停電事故，需要知道電纜的準(zhǔn)確路徑及深度。提出的可視化定位方法是將電纜通道測量的數(shù)據(jù)（路徑走向和深度），利用AR技術(shù)與照片或視頻進行匹配，實現(xiàn)在畫面中看到電纜通道的路徑走向和深度的數(shù)據(jù)。

1 技術(shù)方案設(shè)計

在工程實施階段對可見的電纜通道部分利用RTK開展測量，對電纜頂管部分利用陀螺儀開展測量，測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一坐標(biāo)系和合并，整合為電纜通道全線的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。如圖1、2所示。

需要定位的時候，利用帶有RTK定位功能三維激光掃描設(shè)備對需要定位電纜通道的區(qū)域進行掃描，獲得該區(qū)域的點云，如圖3所示。

對該區(qū)域同時拍攝照片，將三維激光點云與電纜通道坐標(biāo)數(shù)據(jù)在統(tǒng)一坐標(biāo)系下進行匹配，形成疊加了電纜通道坐標(biāo)的點云數(shù)據(jù)。在點云數(shù)據(jù)中，將電纜通道坐標(biāo)投影到地面的點云上，并標(biāo)準(zhǔn)該點云，形成電纜通道在地面點云上的投影線（多點），量測電纜通道坐標(biāo)與在地面上的投影點之間的距離，即埋深。如圖4所示。

將照片與點云進行匹配和處理，最終形成具有深度信息的照片，如圖5所示。

將投影線和埋深數(shù)據(jù)在處理后的照片中顯示出來，最終實現(xiàn)電纜通道可視化定位，如圖6所示。

2 高壓電纜通道可視化定位方法

地下作業(yè)環(huán)境中存在的諸多不利因素（空間狹小、光線不足、無GPS信號、空氣潮濕、地面凸凹不平等）給數(shù)據(jù)的獲取工作造成了極大困難，在地面上正常經(jīng)行的數(shù)據(jù)采集活動往往在地下變得十分困難，甚至無法進行。常規(guī)的地下工程測量方法速度慢、成本高、數(shù)據(jù)量有限，無法實現(xiàn)整個地下高壓電纜通道場景信息的快速準(zhǔn)確獲取。

目前的定位技術(shù)手段：①金屬管線探測儀，是利用電磁感應(yīng)原理，對地下管線施加一個交變電流（有源法/無源法），管線則產(chǎn)生一個的固定頻率的電磁場信號（可識別的信噪比），測量其電磁場的分布和特征點，進而實現(xiàn)管線的定位、測深和追蹤探測。②RTK和全站儀，精度較高，但僅限于可見的狀態(tài)下。③探地雷達，深度受限。④陀螺儀，利用自身物性加速度原理在設(shè)備使用管中進行精確路徑測量，該設(shè)備測量不受地形、埋深、管道材質(zhì)、周邊管線等干擾影響，實現(xiàn)不同管材、不同地形、不同口徑可視化管道無損測量，實現(xiàn)野外數(shù)據(jù)自動獲取，實現(xiàn)絕對坐標(biāo)引入，位置永久確定，任地表、基樁如何變化，能夠快速準(zhǔn)確定位查找管道位置。慣性陀螺最先由軍方應(yīng)用在潛艇、航天領(lǐng)域，隨著民用建設(shè)的需求熱切，逐漸在水域和陸域展開，如水下機器人，輸油管道探測等。對于電力管線探測來說，陀螺儀裝備的儀表器件決定了定位管線探測能力是否能達到高精度要求，陀螺儀核心軟件決定了采集數(shù)據(jù)的解算是否可以將管線探測誤差降到最低[3]。

以上的技術(shù)存在效率低，不直觀，不能滿足高壓電纜通道大范圍定位的需求。因此，提出高壓電纜通道可視化定位的目標(biāo)。

2.1 調(diào)整高壓電纜通道定位點

安裝可視定位裝置，利用計算機技術(shù)獲取圖像信息，劃分空間網(wǎng)格區(qū)域，選擇云端學(xué)習(xí)模型作為二維圖像定位的決策依據(jù)，引入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類數(shù)據(jù)層次，使獲取的數(shù)字信息可按照由高至低位置學(xué)習(xí)。按照圖像特征參數(shù)梯度計算方式，獲取圖像中特征點[4]。遵循故障特征整理數(shù)據(jù)集，搭建多元功能數(shù)據(jù)庫，實施數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化分類，結(jié)合輸出數(shù)據(jù)規(guī)律，設(shè)計圖像可識別被定位流程。如圖7所示。

根據(jù)上述圖7表述信息，由前端設(shè)備獲取可視數(shù)據(jù)信息，轉(zhuǎn)換數(shù)字/模擬信號，判斷獲取數(shù)據(jù)中是否存在有效數(shù)據(jù)包，若輸出信號為“Y”，接收數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)信號，整理數(shù)據(jù)信息存入指定數(shù)據(jù)庫放入緩存，持續(xù)判斷接收可視信息是否完整，指定語句是否執(zhí)行完畢，識別并讀取定位數(shù)據(jù)，依照GIS定位信息讀取定位數(shù)據(jù)，判斷光纖通道定位點，接收下一輪數(shù)據(jù)包，循環(huán)判斷，直至輸入日志更新，停止接收信號，輸出所有管線點，連接有效點，引入定位算法，計算輸出點可能存在誤差[5]。計算公式如下。

公式中：為預(yù)計可視定位存在誤差;為外界影響定位結(jié)果因素;為獲取的數(shù)據(jù)包;為數(shù)據(jù)包中有效數(shù)據(jù)信息;為定位方向。根據(jù)上述計算公式，判斷定位點與實際點存在的誤差距離，結(jié)合方向判別依據(jù)，調(diào)整終端定位點，完成高壓電纜通道可視化定位方法的設(shè)計。

2.2 獲取高壓電纜通道可視化圖像

結(jié)合解決方案框架，對高壓電纜通道的全面可視化監(jiān)控采用模塊化設(shè)計，即可視化監(jiān)控模塊采用同一設(shè)計，便于批量加工，分布裝配在高壓輸電塔上，完成視頻采集和定位功能;各可視化監(jiān)控模塊通過無線互聯(lián)自組網(wǎng)完成全網(wǎng)監(jiān)控功能。下文將詳述可視化監(jiān)控模塊的設(shè)計方法。

根據(jù)圖8選擇GFB-12A50JY1型號的電路提供單機片數(shù)據(jù)處理電路，定義其工作周期為1機器/時鐘，作為新一代單機片型號，可完全兼容多種計算機系統(tǒng)，支持6路高速數(shù)字信號與模擬信號之間的轉(zhuǎn)換，具有高強度運轉(zhuǎn)效率、抗干擾的功能，內(nèi)部包括128KB的動畫運作存儲設(shè)備及1024B的片內(nèi)數(shù)字轉(zhuǎn)接芯片，可滿足數(shù)字信號的精準(zhǔn)化定位。單機片內(nèi)部集成MIN180專業(yè)復(fù)位線路，與GFB-12A50JY1電路相互連接，構(gòu)成相對完整的系統(tǒng)單機片。

定位功能由GIS定位裝置接收來自前端可視裝置獲取的片段數(shù)據(jù)，依照定位接收裝置的不同功能，選擇具備SGPRMC、SGPGGA等字符串開頭的型號作為定位裝置的核心零部件，判斷輸出數(shù)據(jù)語句是否正確，數(shù)據(jù)包中包含有效數(shù)據(jù)，選擇讀取數(shù)據(jù)包中有效數(shù)據(jù)值，并按照計算機指令執(zhí)行指定操作，若數(shù)據(jù)包中不包含有效數(shù)據(jù)，跳轉(zhuǎn)下一數(shù)據(jù)包，讀取下一次傳遞數(shù)據(jù)[6]。

可視傳感設(shè)備提供圖像接收區(qū)域功能，主要零部件包括系統(tǒng)驅(qū)動電路、供電電源管理、紅外軟光LED接管、數(shù)據(jù)總線、信號同步芯片HREE等，裝置處于高電位運轉(zhuǎn)時，表明下一幀動畫數(shù)據(jù)已經(jīng)處于數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段，并可以開始傳遞下一幀數(shù)據(jù)圖像，由太陽能光熱板提供其支持電壓，為避免由于高耗電導(dǎo)致系統(tǒng)運轉(zhuǎn)能源不足，選擇12V鋰電池提供設(shè)備持續(xù)供電，使用LM524624及AM402.25作為電纜通道電壓數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，防止系統(tǒng)由于單晶硅片耗能過大導(dǎo)致的能源供給不足。

3 結(jié)語

隨著現(xiàn)代化技術(shù)在經(jīng)濟市場的廣泛應(yīng)用，為市場內(nèi)各個行業(yè)提供了創(chuàng)新機遇的同時對行業(yè)發(fā)展提出了挑戰(zhàn)，電力行業(yè)作為直接面向用戶的基層行業(yè)，因此提出了高壓電纜通道可視化定位方法的設(shè)計，順應(yīng)了時代發(fā)展及技術(shù)創(chuàng)新要求。在后期的發(fā)展中，將從獲取圖像清晰度層面實施可視定位方法的另一層面研究，有助于行業(yè)在市場的長久可持續(xù)發(fā)展，提升可是定位方法在市場的應(yīng)用程度。

參考文獻

[1]任志偉，李建宇，趙倬翎，等.基于纖維束示蹤技術(shù)的丘腦Vim核可視化定位方法研究[J].臨床神經(jīng)外科雜志，2019，16（04）：335-340.

[2]李震宇.特高壓輸電通道激光-雷達三維可視化系統(tǒng)的建設(shè)與研究[J].山西電力，2018（2）：51-52.

[3]肖巖，李冀，唐朝云，等.高精度室內(nèi)外一體化定位技術(shù)及其在電纜通道巡檢中的應(yīng)用[J].無線互聯(lián)科技， 2019（14）：167-168.

[4]丁志勇.三維可視化通道設(shè)計與智能電纜敷設(shè)在發(fā)電廠中的應(yīng)用[J].電氣時代，2017（5）：83-85.

[5]孫偉，任國華，李唯丹，等.非接觸式超聲的航天器可視化指引泄漏定位方法研究[J].真空與低溫，2016，22（03）：143-147.

[6]江濤，王琰琳.基于單錨節(jié)點的雙通道節(jié)點定位方法研究[J].科技經(jīng)濟導(dǎo)刊，2016（12）：111-112.