基于數(shù)字化智能終端平臺(tái)的地下電纜線路關(guān)鍵位置提取技術(shù)研究

李思堯， 董章

(深圳供電局有限公司， 廣東， 深圳 518000)

0 引言

數(shù)字化智能終端平臺(tái)主要基于RFID(radio frequency identification，射頻識(shí)別)、GIS(geographic information system或 geo-information system，地理信息系統(tǒng))、移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)構(gòu)建的電纜數(shù)字化管理平臺(tái)[1-2]。電纜線路和相關(guān)設(shè)備在電力公司不斷建設(shè)，數(shù)量大量增加，地下電纜線路交錯(cuò)相互，地下環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致地下電纜線路辨識(shí)和區(qū)分困難、關(guān)鍵位置查找不易、運(yùn)維難度較高、人員消耗較大等問題[3]。

因此，張亮等[4]研究基于修剪均值濾波算法的電纜局部放電提取技術(shù),盧詩(shī)華等[5]研究一種基于最大相關(guān)-最小冗余算法的輸電線路故障提取技術(shù)，但是以上技術(shù)存在準(zhǔn)確性和監(jiān)測(cè)覆蓋率均偏低問題。

為增強(qiáng)電纜運(yùn)維能力，提高運(yùn)維人員工作效率以及電纜線路的監(jiān)測(cè)覆蓋率，快速、精準(zhǔn)完成線路關(guān)鍵位置提取，本文提出基于數(shù)字化智能終端平臺(tái)的地下電纜線路關(guān)鍵位置提取技術(shù)。

1 地下電纜線路關(guān)鍵位置提取技術(shù)

1.1 技術(shù)架構(gòu)

利用數(shù)字化智能終端平臺(tái)完成地下電纜線路關(guān)鍵位置提取的技術(shù)架構(gòu)見圖1。

圖1 技術(shù)架構(gòu)

基礎(chǔ)層：主要包括RFID以及輔助的GIS、探測(cè)器、智能終端應(yīng)用軟件等，完成平臺(tái)運(yùn)行的基礎(chǔ)支撐，實(shí)現(xiàn)電纜所有數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)包括地理位置、現(xiàn)場(chǎng)圖片、關(guān)聯(lián)關(guān)系、設(shè)備缺陷、線路故障、外力破壞等信息[6-7]。

數(shù)據(jù)層：具備數(shù)據(jù)分類、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘以及資源調(diào)控功能。將基礎(chǔ)層采集的電纜所有數(shù)據(jù)分類進(jìn)行存儲(chǔ)，并具備三維模型庫(kù)，完成電纜及通道設(shè)備數(shù)據(jù)建模以及數(shù)字化應(yīng)用等[8]。

應(yīng)用層：該層通過RFID技術(shù)對(duì)存儲(chǔ)的電纜所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，完成地下電纜的接地電流、中間頭、維修點(diǎn)、轉(zhuǎn)角、敷設(shè)方式改變處等關(guān)鍵位置提取。

1.2 應(yīng)用層結(jié)構(gòu)

應(yīng)用層是整個(gè)位置提取技術(shù)的執(zhí)行層和實(shí)現(xiàn)層，其主要包括電纜三維管理模塊、電纜線路管理模塊，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)見圖2。電纜三維管理模塊根據(jù)二維地圖、衛(wèi)星圖、三維GIS等技術(shù)完成電纜信息查詢、電纜線路巡檢、路徑查詢提取后，進(jìn)行三維建模，實(shí)現(xiàn)信息建模和電纜線路狀態(tài)可視化。電纜線路管理模塊根據(jù)可視化結(jié)果實(shí)行電纜線路關(guān)鍵位置管理、維修等。

圖2 應(yīng)用層結(jié)構(gòu)圖

1.3 基于RFID技術(shù)的地下電纜線路提取

1.3.1 RFID技術(shù)

設(shè)Gi為待測(cè)標(biāo)簽，其在讀寫器e上的RSSI值構(gòu)成矩陣GE；Fj為參考標(biāo)簽，其在其在e讀寫器上的RSSI值構(gòu)成矩陣FE。矩陣GE和FE表示為

(1)

(2)

兩個(gè)矩陣之間的RSSI值的歐氏距離用適應(yīng)度D表示，其為

(3)

式中，s為歐幾里得范數(shù)。兩個(gè)矩陣之間的適應(yīng)度值與距離之間的關(guān)系成正比。對(duì)選取的Gi個(gè)相鄰的多個(gè)參考標(biāo)簽之間的RSSI值的歐氏距離進(jìn)行運(yùn)算，以獲取的適應(yīng)度值完成集合建立，與Gi相鄰的k個(gè)參考標(biāo)簽的選取根據(jù)集合中適應(yīng)度值大小的對(duì)比完成。引入加權(quán)因子描述獲得的k個(gè)近鄰參考標(biāo)簽與待測(cè)標(biāo)簽之間的位置關(guān)系，是因?yàn)閮烧咧g的距離存在差別，加權(quán)公式為

(4)

根據(jù)式(4)可知，Dij值的大小受參考標(biāo)簽和待測(cè)定標(biāo)簽的位置遠(yuǎn)近影響，兩種標(biāo)簽之間位置越近，Dij越小，wi值也隨之增大；反之，Dij越大，對(duì)應(yīng)的加權(quán)公式wi值減小。

待提取標(biāo)簽的坐標(biāo)根據(jù)k個(gè)參考標(biāo)簽的坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)權(quán)值獲取，其公式為

(5)

式中，(x,y)為待提取標(biāo)簽坐標(biāo)，wi和(xi,yi)分別為鄰居標(biāo)簽的權(quán)值和與其對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)。

1.3.2 改進(jìn)的對(duì)數(shù)路徑損耗模型

實(shí)際環(huán)境中各種因素的影響會(huì)對(duì)RSSI值與距離造成影響，導(dǎo)致兩者之間函數(shù)關(guān)系出現(xiàn)非逐一對(duì)應(yīng)現(xiàn)象。因此，采用對(duì)數(shù)路徑損耗模型，更好地表示RSSI值與距離的關(guān)系，其公式為

(6)

式中，d0和d分別表示參考點(diǎn)和傳輸距離，Pt(d)表示RFID信號(hào)傳輸距離為d時(shí)的功率強(qiáng)度，Xσ表示噪聲，也稱為陰影衰落，n表示路徑損耗因子。根據(jù)弗里斯傳輸公式可知：

(7)

式中，RFID信號(hào)發(fā)射功率、發(fā)射RFID信號(hào)的天線增益、接收RFID信號(hào)的天線增益、光速和RFID信號(hào)頻率分別用PT、VT、VR、c和l表示。選取辛克函數(shù)表示RFID閱讀器天線方向圖，該選取的依據(jù)是雷達(dá)原理，表示公式為

(8)

式中，θo表示天線的零功率波束寬度。因此可得：

(9)

式中，dBm表示取分貝，pv表示天線功率。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

選取某電網(wǎng)公司的一處已鋪設(shè)完成還沒投入使用的地下電纜線路為研究對(duì)象，該線路全長(zhǎng)120 m、關(guān)健位置30處(包含中間接頭、維修點(diǎn)、轉(zhuǎn)角、敷設(shè)方式改變處和分接箱位置)、設(shè)有30個(gè)待測(cè)電子標(biāo)簽，讀寫器分別位于線路的20 m、50 m、80 m、110 m處。

為分析本文技術(shù)的提取性能，采用待提取點(diǎn)的計(jì)算位置和真實(shí)位置的均方誤差作為指標(biāo)進(jìn)行判斷，公式為

(10)

式中，(x,y)和(x′,y′)分別表示估計(jì)位置和真實(shí)位置。

本文技術(shù)中的Dij數(shù)量直接受到k的取值影響，隨機(jī)抽取線纜中8個(gè)待測(cè)標(biāo)簽，編號(hào)為1、3、5、7、9、11、13、15，分析k值對(duì)于提取的影響，隨機(jī)選取k值分別為1、2、3、4、5時(shí)測(cè)試提取誤差的結(jié)果，如圖3所示。

圖3 不同k值的提取結(jié)果

根據(jù)圖3可知，k取值為3時(shí)，提取的平均誤差最小。因此下述所有試驗(yàn)中，k取值為3。

地下電纜線路提取時(shí)，環(huán)境因素與提取的性能存在較大關(guān)聯(lián)性。為分析環(huán)境因素對(duì)于提取性能的影響，隨機(jī)抽取線纜中8個(gè)待測(cè)標(biāo)簽，編號(hào)為1、3、5、7、9、11、13、15，選取損耗因子n值分別為1.5、2.5、3.5時(shí)，提取誤差變化結(jié)果，如圖4所示。

圖4 不同n值的提取結(jié)果

根據(jù)圖4可知，提取的平均誤差隨著損耗因子取值的增加而變小。但由于路徑損耗因子的差別，參考標(biāo)簽的能量等級(jí)計(jì)算存在差別，使提取誤差產(chǎn)生差別。因此，下述所有實(shí)驗(yàn)中，n取值為3.5。

設(shè)置θ=0，并且天線主軸與標(biāo)簽對(duì)準(zhǔn)，根據(jù)式(8)獲取RSSI與d的關(guān)系圖，如圖5所示。

圖5 RSSI與d的關(guān)系

根據(jù)圖5可知，隨著傳輸距離d的增加，RSSI值逐漸降低，說明d對(duì)于RSSI存在較大影響，根據(jù)RSSI值最佳標(biāo)準(zhǔn)在-40～-60 dBm的范圍，為了保證最好的效果，d應(yīng)在4～20 m范圍內(nèi)。

為分析本文技術(shù)的性能，采用3種技術(shù)分別在搜索范圍內(nèi)，隨機(jī)抽取線纜中8個(gè)待測(cè)標(biāo)簽，編號(hào)為1、3、5、7、9、11、13、15，測(cè)試各點(diǎn)的提取誤差,如表1所示。

表1 3種技術(shù)的提取誤差對(duì)比結(jié)果

根據(jù)表1可知，文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]各自針對(duì)隨機(jī)選取的8個(gè)待測(cè)點(diǎn)的平均誤差為0.770和0.774，并且誤差值的波動(dòng)較大，本文針對(duì)隨機(jī)選取的8個(gè)待測(cè)點(diǎn)的平均誤差為0.305，并且誤差值波動(dòng)較小，說明本文技術(shù)的提取性能優(yōu)于另2種對(duì)比技術(shù)，并且穩(wěn)定性較好。

不同待測(cè)點(diǎn)數(shù)量下3種技術(shù)的誤差對(duì)比如表2所示。

表2 不同待測(cè)點(diǎn)數(shù)量下3種技術(shù)的誤差對(duì)比結(jié)果

根據(jù)表2可知，隨著待測(cè)點(diǎn)數(shù)量的增加，本文的誤差值出現(xiàn)平穩(wěn)的略微增加，但最高誤差值為0.24，說明本文技術(shù)的地下電纜線路提取性能優(yōu)于另2種對(duì)比技術(shù)。

測(cè)試本文技術(shù)應(yīng)用后，電網(wǎng)公司在某年5～9月份日常維護(hù)檢修效率的提高程度以及監(jiān)測(cè)覆蓋率，并與應(yīng)用前進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。

(a) 檢修效率

根據(jù)圖6可知，應(yīng)用后檢修效率和檢測(cè)覆蓋率均大幅度提升，是由于本文平臺(tái)采用唯一的專用電子標(biāo)簽、配套探測(cè)器，可以快速識(shí)別線纜，全方位監(jiān)測(cè)線纜情況，精準(zhǔn)提取線纜關(guān)鍵位置，無須人工現(xiàn)場(chǎng)識(shí)別，所以可較大程度提高檢修效率和監(jiān)測(cè)覆蓋率。

3 總結(jié)

為實(shí)現(xiàn)地下電纜線路關(guān)鍵位置的高精度提取，本文研究基于數(shù)字化智能終端平臺(tái)的地下電纜線路關(guān)鍵位置提取技術(shù)，經(jīng)測(cè)試本文技術(shù)在k取值為3、n取值為3.5、d在4～20 m范圍內(nèi)時(shí)，關(guān)鍵位置提取誤差最低，可精準(zhǔn)完成地下電纜線路提取關(guān)鍵位置提取，具備良好的應(yīng)用性。