基于激光雷達(dá)點云高精度定位的光伏電廠智能化巡檢

韓虎虎，胡 誠

（1.國電四子王旗光伏發(fā)電有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū) 四子王旗 011800；2.北京數(shù)字綠土科技股份有限公司，北京 100085）

0 引言

隨著光伏電站規(guī)模的增大，運行年限的增加，光伏組件的故障問題日益嚴(yán)重，光伏電站運維壓力越來越大。目前，光伏電站運維主要依賴光伏逆變器的電壓電流等電氣特性，但是受限于逆變器、匯流箱的安裝方式，電氣運維只能精確到組串，難以精確到具體組件，并且受到天氣影響較大，故障診斷精度不高。針對具體光伏組件的運維主要依賴人工巡檢，而大型光伏電站分布環(huán)境復(fù)雜，覆蓋面積巨大，受地形影響，呈現(xiàn)出雜亂性和分散性，采用人工巡檢的方式十分費時費力。而諸如山地電站、水上電站等，更是給人工巡檢帶來極大的挑戰(zhàn)。通過無人機(jī)進(jìn)行巡檢，受地形限制小，視野廣，高效、靈活、安全，極大地方便光伏電站運維。

目前，中國乃至世界各地，諸多領(lǐng)域已顯示出“無人機(jī)遙感+行業(yè)應(yīng)用”的現(xiàn)象，無人機(jī)遙感在各行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究也正處于快速上升期[1]。在輸電線路巡檢場景，已成熟建立一套無人機(jī)三維激光雷達(dá)智能識別輸電線路缺陷的研究方法[2]。在光伏巡檢領(lǐng)域，基于激光雷達(dá)技術(shù)的無人機(jī)自動化巡檢研究較少，本研究填補(bǔ)了該領(lǐng)域應(yīng)用的空白。智能巡檢無人機(jī)可以實現(xiàn)按照規(guī)定路線（航線）進(jìn)行巡航和定點拍照的功能，現(xiàn)有的導(dǎo)航模式是基于光伏電廠的二維地圖進(jìn)行導(dǎo)航，會存在定位不準(zhǔn)，導(dǎo)致拍攝照片的角度有偏差，獲取的照片不能精確地判斷設(shè)備狀態(tài)。因此，需要考慮提高無人機(jī)自主控制飛行能力，結(jié)合機(jī)載激光雷達(dá)對飛行平臺的穩(wěn)定性及安全性的要求[3]，能夠設(shè)定任務(wù)載荷自主采集，采用可見光和紅外多種拍照模式提高巡檢效果。

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)是將激光雷達(dá)系統(tǒng)搭載至飛行平臺，通過激光掃描獲取地物空間信息，實現(xiàn)對地物高密度、高精度三維空間信息的快速提取。將無人機(jī)、直升機(jī)搭載激光雷達(dá)應(yīng)用于光伏巡檢是一種新興且有效的技術(shù)手段，可直觀展示和模擬光伏電廠的現(xiàn)場運行狀態(tài)，對光伏面板與設(shè)備的相對位置進(jìn)行精準(zhǔn)的分析，為光伏電廠的安全運行提供有利保障。通過激光雷達(dá)系統(tǒng)獲得的一系列數(shù)據(jù)稱之為“點云”，點云是一組帶有空間三維坐標(biāo)信息的離散點。點云數(shù)據(jù)具有效率高、無線損、非接觸等優(yōu)勢，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)人工地面巡檢的缺陷，已成為輸電線路智能化巡檢研究的熱點[4]。通過對點云進(jìn)行分類和量測，可實現(xiàn)對光伏電廠的安全分析，查找故障點或安全隱患，基于點云數(shù)據(jù)可完成對光伏電廠周邊地物的三維模型構(gòu)建，并通過量測或狀態(tài)模擬，實現(xiàn)對光伏電廠的建設(shè)設(shè)計提供依據(jù)。

本文通過采用激光雷達(dá)技術(shù)，采集立體三維點云數(shù)據(jù)，獲取光伏電廠三維空間結(jié)構(gòu)，構(gòu)建立體巡檢體系，實現(xiàn)基于高精度三維地圖的準(zhǔn)確、主動路線規(guī)劃，利用多旋翼無人機(jī)基于RTK高精度定位。結(jié)合不同作業(yè)區(qū)域、不同戶外條件、不同巡檢模式，科學(xué)規(guī)劃巡視路徑、拍攝位置、角度和安全點，進(jìn)而控制無人機(jī)實現(xiàn)復(fù)雜航跡自主控制飛行與數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)拍攝光伏面板等發(fā)電設(shè)備細(xì)節(jié)照片[5]，確保圖像數(shù)據(jù)采集的有效性和完整性。巡檢后，需對巡檢采集到的大量光伏組件圖像進(jìn)行分類定位處理，涉及缺陷分類模型的搭建和組件缺陷圖像標(biāo)記。利用深度學(xué)習(xí)算法處理海量巡檢照片，標(biāo)記缺陷，輸出巡檢報告，從而做到巡檢手段智能化、巡檢標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化、業(yè)務(wù)管理閉環(huán)化，進(jìn)一步提高光伏電廠的運維水平。

1 激光點云數(shù)據(jù)采集

采用無人機(jī)激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)對光伏電站、附近輸電線路、升壓器等設(shè)備進(jìn)行激光點云采集，通過點云解算軟件解算航跡和點云，得到高精度三維點云模型。激光點云數(shù)據(jù)的處理內(nèi)容包括點云分類、降噪濾波、提取目標(biāo)物以及三維模型重建等。對光伏電廠中發(fā)電設(shè)備的提取是點云數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其基本流程如下：首先，將廠區(qū)地面及發(fā)電設(shè)備點云候選點從原始三維點云的海量數(shù)據(jù)中分離出來，在完成設(shè)備的分離之后，為有效降低產(chǎn)生的噪聲，在精確提取發(fā)電設(shè)備之前還需要進(jìn)行濾波處理；其次，通過分析地面位置與光伏電廠設(shè)備的特定性布局和三維結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)分類；最后一步是對光伏電廠設(shè)備匯流箱、逆變器、光伏板、變壓器、輸電線、直流柜等三維立體模型重建。由于激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)具有較高的空間精度，可作為無人機(jī)自主精細(xì)化巡檢的基礎(chǔ)地圖。

2 基于激光點云數(shù)據(jù)的復(fù)雜航跡規(guī)劃

采集光伏電廠內(nèi)的高精度激光點云數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)三維地圖，為拍照點的生成、拍照參數(shù)的設(shè)置提供基礎(chǔ)，具體研究要點包括：

1）設(shè)備部件點標(biāo)定，將光伏電廠設(shè)備各部件定義為匯流箱、逆變器、光伏板、變壓器、輸電線、直流柜等類型，提取關(guān)鍵特征的空間參數(shù)，確定無人機(jī)精細(xì)化巡檢時的拍照目標(biāo)。研究無人機(jī)巡檢光伏面板飛行高度和攝像頭視角參數(shù)，考慮太陽電池板的成像分辨率和電池板的視場覆蓋面積，提高巡檢工作的效率和質(zhì)量。

2）無人機(jī)巡檢作業(yè)流程，根據(jù)拍照點順序、作業(yè)規(guī)范、風(fēng)險預(yù)判及無人機(jī)性能，生成滿足要求的精細(xì)化巡檢航線。

3）根據(jù)全光伏廠區(qū)巡檢、精細(xì)化巡檢、紅外巡檢、紫外巡檢、激光雷達(dá)巡檢等多種作業(yè)模式下的航線半自動化生成及檢校，實現(xiàn)長航時精細(xì)化自主巡檢。光伏電站的巡檢路線通常為“S”型和“Z”型，但是實際情況需要根據(jù)電站的具體特點分析，依據(jù)陣列及地形分布特點有針對性地規(guī)劃實施。

4）根據(jù)光伏面板特點，建立各廠區(qū)光伏面板的航線模型標(biāo)準(zhǔn)庫，通過模板文件對同一類型光伏面板進(jìn)行復(fù)制生成、檢測并存儲，再進(jìn)行人工微調(diào)，實現(xiàn)全光伏廠區(qū)巡檢目標(biāo)快速設(shè)定，無人機(jī)自主飛行，提高無人機(jī)自主巡檢航線規(guī)劃效率。

3 多旋翼無人機(jī)巡檢飛行

針對光伏廠區(qū)巡檢面積大、巡檢時間長，選用長航時多旋翼無人機(jī)系統(tǒng)（純電動類和油電混合類），綜合考慮機(jī)身體積、主體材料、掛載性能、電池容量、發(fā)動機(jī)性能、動力源輸出的穩(wěn)定性、避障功能、RTK高精度定位，以及超視距通訊距離等多種要素，通過無人機(jī)智能飛行終端執(zhí)行基于激光點云數(shù)據(jù)自動規(guī)劃的自主精細(xì)化巡檢復(fù)雜航線，實現(xiàn)各種模式下的精細(xì)化巡檢作業(yè)（可見光、紅外、紫外），面向光伏電廠野外區(qū)域自然氣象災(zāi)害事件后的災(zāi)后特巡、災(zāi)情普查和災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)。

圖1 無人機(jī)巡檢航線規(guī)劃Fig.1 UAV Inspection route planning

圖2 無人機(jī)智能飛行終端Fig.2 UAV Intelligent flight terminal

4 無人機(jī)智能飛行終端

無人機(jī)智能飛行終端能適配純電動長航時多旋翼無人機(jī)和輕便型多旋翼無人機(jī)，不同機(jī)型，同平臺操作，方便用戶使用，解決系統(tǒng)雜而亂現(xiàn)象。光伏電廠在應(yīng)用無人機(jī)開展巡檢工作時，為確保無人機(jī)能夠順利完成相關(guān)的巡檢任務(wù)，要求無人機(jī)具備完善的功能和優(yōu)良的性能。光伏電廠與一般的電廠相比，具有一定的特殊性，不同規(guī)模的光伏電廠對無人機(jī)的功能有著不同的要求。用于光伏電廠巡檢工作中的無人機(jī)應(yīng)當(dāng)具備如下基本功能：實現(xiàn)無人機(jī)超視距自主飛行，實現(xiàn)云端任務(wù)同步與管理，航線下載執(zhí)行，具備自檢、自主飛行、自動躲避障礙物、自行返航、斷點續(xù)航、定點懸停、航跡規(guī)劃、遙控與通信等功能。

5 巡檢圖像歸檔與智能識別

依靠提取無人機(jī)拍攝圖像的精確位置點，依次歸類至光伏廠區(qū)各類設(shè)備及編號，飛行數(shù)據(jù)統(tǒng)一自動命名并存儲，實現(xiàn)圖片自動重命名，提高內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理效率。將巡檢獲取的全部照片導(dǎo)入智能識別軟件，進(jìn)行熱斑智能識別，并生成報告，報告包含有：飛行數(shù)據(jù)統(tǒng)計記錄，熱斑對應(yīng)的紅外圖像、可見光圖像，熱斑對應(yīng)的經(jīng)緯度、邏輯位置編號，以及熱斑故障類型。

為實現(xiàn)對于光伏組件故障智能檢測，項目提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的無人機(jī)采集紅外光伏圖像故障檢測方法。通過無人機(jī)攜帶紅外相機(jī)對光伏電站進(jìn)行巡檢，然后使用深度學(xué)習(xí)模型，對紅外圖像進(jìn)行熱斑、二極管和異物遮擋等故障進(jìn)行識別。針對無人機(jī)采集的紅外光伏圖像建立數(shù)據(jù)集，并通過基于Yolov3一階段的目標(biāo)檢測算法對組串和組件進(jìn)行目標(biāo)檢測和故障分類，提升分割效果，優(yōu)化運行效率，實現(xiàn)對紅外光伏目標(biāo)的高效識別和提取?；诓煌尘皸l件進(jìn)行模型的智能識別和故障診斷訓(xùn)練，對算法進(jìn)行篩選改進(jìn)，最終提升模型的精度、效率和魯棒性。

圖3 巡檢圖像重命名規(guī)范Fig.3 Inspection image renaming specification

將系統(tǒng)智能識別的熱斑在三維電子地圖中進(jìn)行全局定位，基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法建立缺陷識別數(shù)據(jù)庫，針對單個光伏板建立熱斑故障數(shù)據(jù)庫，通過不同顏色區(qū)分組串離線、雜草遮擋、鳥糞遮擋、二極管損壞、面板破損等不同故障類型，并生成報告，報告包含有：飛行數(shù)據(jù)統(tǒng)計記錄，熱斑對應(yīng)的紅外圖像、可見光圖像，熱斑對應(yīng)的經(jīng)緯度、邏輯位置編號，以及熱斑故障類型。組串識別率100%，正常組件、熱斑故障、遮擋和二極管識別率高于95%。不同期同一部件點圖像對比查看，適配現(xiàn)場實際作業(yè)的各種需求，以及不同期歷史數(shù)據(jù)同一部件點圖像自動搜索查看，提高工作效率。

圖4 缺陷識別Fig.4 Defect identification

圖5 缺陷識別定位Fig.5 Defect identification and positioning

6 結(jié)語

本文選取3km2的示范廠區(qū)，通過采用激光雷達(dá)技術(shù)，采集立體三維點云數(shù)據(jù)，獲取光伏電廠三維空間結(jié)構(gòu)，構(gòu)建立體巡檢體系，推算高精導(dǎo)航數(shù)據(jù)，結(jié)合不同作業(yè)區(qū)域、不同戶外條件、不同巡檢模式，科學(xué)規(guī)劃巡視路徑、拍攝位置、角度和安全點，進(jìn)而控制無人機(jī)飛行及數(shù)據(jù)采集，提高巡檢拍照效率效果，進(jìn)行缺陷圖像人工智能識別，并生成巡檢報告，提高缺陷識別效率。

本文研究建立光伏電廠無人機(jī)巡檢標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程，保證無人機(jī)巡檢工作的規(guī)范化和安全性，形成無人機(jī)自主巡檢相關(guān)作業(yè)流程，全面替代傳統(tǒng)人工巡檢方式。采用基于激光雷達(dá)點云高精度定位技術(shù)，利用無人機(jī)攜紅外與可見光相機(jī)對光伏電站進(jìn)行巡檢，可以提高巡檢效率，提高安全性，降低運維成本，極大地減輕電站運維壓力，對保障光伏電站穩(wěn)定運行具有重要的意義，可進(jìn)一步推廣與應(yīng)用。