基于GIM模型的輸電線路通道隱患快速檢測(cè)

齊立忠 ,張?zhí)K, 張亞平, 孫小虎

(國(guó)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司，北京市 102209)

0 引 言

在架空輸電線路工程設(shè)計(jì)階段，快速、準(zhǔn)確地獲取設(shè)計(jì)導(dǎo)線與通道中植被、建筑、道路以及交跨線路等各類(lèi)地物之間的空間距離，實(shí)現(xiàn)輸電線路通道隱患快速檢測(cè)對(duì)于設(shè)計(jì)方案尋優(yōu)、工程造價(jià)計(jì)算以及通道清障工作具有重要意義。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通道隱患排查僅考慮通道地物在導(dǎo)線風(fēng)偏面內(nèi)的平面距離是否滿(mǎn)足對(duì)應(yīng)的安全距離要求，然而當(dāng)導(dǎo)線弧垂變化較大時(shí)導(dǎo)線距離地物點(diǎn)的最近點(diǎn)往往不在風(fēng)偏面上，導(dǎo)致最近距離計(jì)算變大，存在漏檢風(fēng)險(xiǎn)。隨著電力工程設(shè)計(jì)模式從傳統(tǒng)二維向三維轉(zhuǎn)變，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的架空輸電線路工程設(shè)計(jì)階段通道隱患檢測(cè)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

為了解決不同軟件之間的電網(wǎng)三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)交換問(wèn)題，國(guó)家電網(wǎng)有限公司制定了統(tǒng)一電力工程三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，即電網(wǎng)信息模型(grid information model，GIM)，GIM技術(shù)成為了電力工程三維設(shè)計(jì)未來(lái)發(fā)展的主流方向。目前，已有大量學(xué)者開(kāi)展了基于GIM模型的相關(guān)應(yīng)用研究[1-8]，但關(guān)于輸電線路通道隱患檢測(cè)方面的相關(guān)成果較少。在現(xiàn)有文獻(xiàn)中，由于無(wú)法直接求解三維點(diǎn)到GIM電力線曲線的最近距離，在部分研究中采用了近似方法進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[9]在地物點(diǎn)到電力線空間曲線最近距離求解問(wèn)題上提出一種近似計(jì)算方法，將xOy平面上電力線空間曲線投影到地物點(diǎn)平面距離最小點(diǎn)視為電力線空間曲線到地物點(diǎn)的最近點(diǎn)，該方法與傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)隱患檢測(cè)原理一致，未發(fā)揮出三維設(shè)計(jì)的空間特性?xún)?yōu)勢(shì)，存在隱患點(diǎn)漏檢情況。與此同時(shí)，有學(xué)者從另一思路出發(fā)，將導(dǎo)線點(diǎn)集化后通過(guò)計(jì)算點(diǎn)到離散點(diǎn)集最近距離實(shí)現(xiàn)隱患檢測(cè)。文獻(xiàn)[10]在基于GIM的架空輸電線路建模中，基于懸鏈線方程對(duì)電力線模型進(jìn)行離散點(diǎn)集化，實(shí)現(xiàn)了三維點(diǎn)到電力線的最近距離計(jì)算，然而懸鏈線方程無(wú)法直接求解指定線長(zhǎng)下的電力線位置，該方法采用傳統(tǒng)等水平間隔的采樣方法，采樣點(diǎn)分布并不均勻，影響高山區(qū)、重大交跨等特殊檔隱患檢測(cè)精度。在優(yōu)化通道隱患檢測(cè)效率方面，文獻(xiàn)[11]提出一種基于網(wǎng)格化的優(yōu)化算法，對(duì)地物點(diǎn)進(jìn)行規(guī)則網(wǎng)格化，認(rèn)為當(dāng)網(wǎng)格內(nèi)最高點(diǎn)滿(mǎn)足安全距離要求時(shí)，該網(wǎng)格內(nèi)不存在隱患點(diǎn)，跳過(guò)該網(wǎng)格內(nèi)其他地物點(diǎn)的隱患判斷計(jì)算，以到達(dá)加快檢測(cè)效率的目的。但對(duì)于高大樹(shù)木、建筑而言，導(dǎo)線可能位于側(cè)方而非上方，此時(shí)該方法易導(dǎo)致隱患點(diǎn)漏檢。

為解決現(xiàn)有輸電線路GIM通道隱患檢測(cè)方法存在漏檢多檢、檢測(cè)效率低下的問(wèn)題，提出一種基于等線長(zhǎng)點(diǎn)集化和球體包含原理的通道隱患快速檢測(cè)方法。在本文算法中，首先，采用等線長(zhǎng)間隔采樣方式將導(dǎo)線由空間曲線轉(zhuǎn)化為離散點(diǎn)集，使離散點(diǎn)集在電力線上均勻分布，解決傳統(tǒng)等水平間隔采樣方式離散點(diǎn)集分布不均勻、特殊檔精度較差的問(wèn)題；其次，在地物點(diǎn)到電力線離散點(diǎn)最近距離計(jì)算過(guò)程中引入球體包含原理對(duì)地物點(diǎn)隱患可能進(jìn)行嚴(yán)密判斷，對(duì)不存在隱患可能的地物點(diǎn)跳過(guò)鄰近點(diǎn)搜索計(jì)算，實(shí)現(xiàn)通道隱患快速檢測(cè)。應(yīng)用表明，該方法在保證計(jì)算精度的前提下達(dá)到隱患點(diǎn)檢測(cè)效率優(yōu)化的目的，將隱患檢測(cè)耗時(shí)優(yōu)化為傳統(tǒng)逐點(diǎn)檢測(cè)耗時(shí)的6.9%，對(duì)GIM的進(jìn)一步應(yīng)用推廣具有重要作用。

1 基于GIM模型的輸電線路通道隱患快速檢測(cè)算法

1.1 輸電GIM文件信息結(jié)構(gòu)

GIM文件本質(zhì)上是一種分層次的電力設(shè)施屬性文件，在輸電工程中分為5個(gè)層次級(jí)別，分別為全線級(jí)、分段級(jí)、耐張段級(jí)、設(shè)備組級(jí)以及設(shè)備級(jí)，具體信息如圖1所示。

圖1 輸電GIM文件信息結(jié)構(gòu)Fig.1 Transmission GIM file information structure

圖1中設(shè)備組一級(jí)定義了各耐張段內(nèi)桿塔、基礎(chǔ)、導(dǎo)地線以及對(duì)應(yīng)控制工況信息，其中桿塔部分記錄各桿塔模型節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)與掛點(diǎn)坐標(biāo)；氣象部分記錄各個(gè)設(shè)計(jì)工況的氣象條件；導(dǎo)線部分對(duì)應(yīng)屬性信息，如表1所示。

表1中，各項(xiàng)電力線參數(shù)與溫度、覆冰、風(fēng)速等氣象因素結(jié)合即可計(jì)算出自重比值、冰重比載以及風(fēng)偏比載，其中自重比值、冰重比載之和為垂直比載，風(fēng)偏荷載為水平比載。

表1 導(dǎo)線屬性信息表Table 1 Wire attribute information table

1.2 電力線空間位置曲線離散點(diǎn)集化

由于無(wú)法直接在三維空間內(nèi)求解三維點(diǎn)到空間曲線的最小距離，在通道隱患檢測(cè)中往往采用近似方法進(jìn)行求解，易發(fā)生隱患點(diǎn)多檢漏檢情況。相反，三維點(diǎn)到離散點(diǎn)集的最小距離求解相對(duì)簡(jiǎn)單，因此本文基于導(dǎo)線點(diǎn)集化思想，將導(dǎo)線空間曲線轉(zhuǎn)化為具有一定間隔的離散點(diǎn)集，通過(guò)點(diǎn)到點(diǎn)集最小距離計(jì)算實(shí)現(xiàn)通道隱患檢測(cè)。

1.2.1任意氣象條件下的導(dǎo)線三維位置計(jì)算

在目前的電力線力學(xué)研究中，通常認(rèn)為自然條件下電力線形態(tài)符合懸鏈線分布，其在掛點(diǎn)連線豎直平面投影分布如圖2所示。

圖2 掛點(diǎn)連線豎直平面內(nèi)電力線形態(tài)分布示意圖Fig.2 Schematic diagram of vertical plane power line distribution form of hanging point connection

圖2中：A點(diǎn)與B點(diǎn)分別為電力線兩側(cè)掛點(diǎn)，lAB為掛點(diǎn)A與掛點(diǎn)B在水平面上的投影距離，h為掛點(diǎn)A與掛點(diǎn)B高程差值，點(diǎn)P為掛點(diǎn)AB連線任意一點(diǎn)，P′為點(diǎn)P在電力線上對(duì)應(yīng)點(diǎn)，lAP為掛點(diǎn)A與點(diǎn)P在水平面上的投影距離，fvP為點(diǎn)P對(duì)應(yīng)的弧垂值，β為高差角，由掛點(diǎn)A、B之間高差值h與水平距離lAB計(jì)算確定。

(1)

式中：fhP為點(diǎn)P對(duì)應(yīng)的風(fēng)偏值；γv、γh分別為指定氣象條件下導(dǎo)線的垂直荷載與水平荷載；σ0為指定氣象條件下導(dǎo)線最低點(diǎn)的應(yīng)力值。γv、γh與σ0由導(dǎo)線設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)合指定的氣象參數(shù)通過(guò)狀態(tài)方程計(jì)算確定，具體理論與步驟參照文獻(xiàn)[11-17]。根據(jù)任意點(diǎn)P三維坐標(biāo)，結(jié)合弧垂值fvP、風(fēng)偏值fhP以及AB連線可推算出點(diǎn)P對(duì)應(yīng)導(dǎo)線點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

1.2.2基于等線長(zhǎng)間隔的電力線離散點(diǎn)集化

在現(xiàn)有研究中，通常通過(guò)調(diào)整掛點(diǎn)A與電力線上任意點(diǎn)P在水平面上的投影距離lAB，每隔一定水平間距dl求解一次lAP對(duì)應(yīng)的弧垂與風(fēng)偏值，進(jìn)而得到導(dǎo)線空間曲線的離散點(diǎn)集，離散點(diǎn)集分布如圖3所示。

圖3 等水平間隔采用下電力線離散點(diǎn)集分布圖Fig.3 Distribution diagram of power line discrete point set with equal horizontal interval

水平間隔dl的選取直接影響通道隱患檢測(cè)的檢測(cè)效果，水平間距選取過(guò)大，電力線點(diǎn)集過(guò)于稀疏，易導(dǎo)致隱患檢測(cè)漏檢；水平間距選取過(guò)小，導(dǎo)線點(diǎn)集過(guò)于密集，影響最小距離計(jì)算效率，在現(xiàn)有研究中水平間距dl一般選取0.10 m。

從圖3中可以看出，采用等水平間距采樣方式，存在離散點(diǎn)集在電力線上分布并不均勻的問(wèn)題。圖3中虛線框中線長(zhǎng)間隔dS較實(shí)線框中線長(zhǎng)間隔明顯較長(zhǎng)，且隨著掛點(diǎn)A與掛點(diǎn)B檔距l(xiāng)AB、高程差值h以及線路設(shè)計(jì)最大弧垂的增大，虛線框中線長(zhǎng)間隔dS將進(jìn)一步增長(zhǎng)，較大可能達(dá)到水平間距dl的1.5～2.0倍。此時(shí)，虛線框附近的地物點(diǎn)到電力線最近點(diǎn)的定位極限誤差控制在0.10 m左右，不符合精度控制要求，易導(dǎo)致隱患點(diǎn)漏檢。因此，本文采用等線長(zhǎng)間隔的采樣方法，如圖4所示使得離散點(diǎn)集在電力線上呈均勻分布，采用0.10 m的間隔時(shí)，將地物點(diǎn)到電力線最近點(diǎn)的定位極限誤差控制在0.05 m以?xún)?nèi)，以保證隱患檢測(cè)精度。

圖4 等線長(zhǎng)間隔采用下電力線離散點(diǎn)集分布圖Fig.4 Distribution diagram of discrete point set of lower power line with equal line length interval

由于電力線在較小的局部區(qū)域可視為沿空間直線分布，基于此本文利用待計(jì)算點(diǎn)之前的兩個(gè)采樣點(diǎn)構(gòu)造空間直線方程，并將該空間直線視為待計(jì)算點(diǎn)與其前一采樣點(diǎn)之間的電力線分布，通過(guò)計(jì)算空間直線在掛點(diǎn)水平連線上的單位投影長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)線長(zhǎng)間隔到水平間隔之間轉(zhuǎn)換，具體步驟如下：

步驟1：由導(dǎo)線設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)合指定的氣象參數(shù)通過(guò)狀態(tài)方程計(jì)算得到γv、γh與σ0三個(gè)參數(shù)值；

步驟3：計(jì)算掛點(diǎn)A處的初始區(qū)域空間直線向量，取lAB=0.2dS代入式(1)計(jì)算臨時(shí)點(diǎn)Pt的風(fēng)偏值與弧垂值，從而推算點(diǎn)Pt坐標(biāo)為(Xt,Yt,Zt)；

步驟4：令PS=Pt，PE=A，lAP=0，i=1；

(2)

步驟7：計(jì)算采樣點(diǎn)坐標(biāo)，令lAP=lAP+dl代入式(1)計(jì)算采樣點(diǎn)的風(fēng)偏值與弧垂值，得到采樣點(diǎn)Pi坐標(biāo)為(Xi,Yi,Zi)并加入到電力線離散集中；

步驟8：令PS=PE，PE=Pi，i=i+1，重復(fù)步驟5—8，直至lAP>lAB，算法結(jié)束，得到電力線離散點(diǎn)集。

1.3 基于球體包含原理的通道隱患快速檢測(cè)

目前，點(diǎn)到點(diǎn)集最近距離的計(jì)算問(wèn)題基本是通過(guò)鄰近搜索算法解決的，然而在輸電線路通道隱患檢測(cè)中，一個(gè)塔段通道的相關(guān)地物點(diǎn)數(shù)量級(jí)在千萬(wàn)以上，在隱患檢測(cè)中需計(jì)算每個(gè)地物點(diǎn)到電力線點(diǎn)集的最近距離，單個(gè)塔段就需要進(jìn)行上千萬(wàn)次鄰近搜索運(yùn)算，效率低下、無(wú)法滿(mǎn)足隱患檢測(cè)效率需求[18-20]。

文獻(xiàn)[10]在優(yōu)化通道隱患檢測(cè)效率方面提出一種網(wǎng)格法的優(yōu)化算法，對(duì)地物點(diǎn)進(jìn)行規(guī)則網(wǎng)格化，認(rèn)為當(dāng)網(wǎng)格內(nèi)最高點(diǎn)滿(mǎn)足安全距離要求時(shí)，該網(wǎng)格內(nèi)不存在隱患點(diǎn)，跳過(guò)該網(wǎng)格內(nèi)其他地物點(diǎn)的隱患判斷計(jì)算，以達(dá)到加快檢測(cè)效率的目的。但對(duì)于高大樹(shù)木、建筑而言，導(dǎo)線可能位于側(cè)方而非上方，此時(shí)該方法易導(dǎo)致隱患點(diǎn)漏檢。本文在該方法的基礎(chǔ)上引入球體包含原理，采用嚴(yán)密的數(shù)學(xué)原理來(lái)對(duì)網(wǎng)格內(nèi)地物點(diǎn)是否存在隱患可能性進(jìn)行判定，以避免高大樹(shù)木、建筑隱患點(diǎn)漏檢的問(wèn)題，如圖5所示。

圖5 基于球體包含原理的隱患點(diǎn)可能性判定示意Fig.5 Schematic diagram of potential hazard point determination based on sphere inclusion principle

如圖5所示，格網(wǎng)G為線路通道劃分的平面格網(wǎng)，曲線L為電力線，現(xiàn)格網(wǎng)G內(nèi)任意方格的最高點(diǎn)O1，其與電力線L的距離最近點(diǎn)為O2，最近距離為d12，可得以點(diǎn)O1為球心，d12為半徑構(gòu)建的實(shí)線球體C1，可得C1區(qū)域中不含有電力線。

在O1、O2所在直線上取一點(diǎn)O3，O3與O2之間的距離d23設(shè)置為電力線安全距離閾值，此時(shí)以點(diǎn)O1為球心，以d12-d23為半徑構(gòu)建得到虛線球體C2。由求體包含原理可知，C2區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)到C1區(qū)域外任意點(diǎn)的距離均大于d23，因此C2區(qū)域內(nèi)的地物點(diǎn)均滿(mǎn)足安全距離要求，無(wú)隱患可能。

為了便于網(wǎng)格內(nèi)其他相對(duì)低的地物點(diǎn)進(jìn)行隱患可能判斷，在球體C2內(nèi)取投影與平面網(wǎng)格一致的最大內(nèi)切長(zhǎng)方體，如圖5中實(shí)線長(zhǎng)方體所示。P1為網(wǎng)格內(nèi)最大平面距離點(diǎn)，P2為長(zhǎng)方體與球體C2的內(nèi)切點(diǎn)，在進(jìn)行其他相對(duì)低的地物點(diǎn)隱患可能性判斷時(shí)，僅需要與內(nèi)切點(diǎn)P2的高程進(jìn)行比較，當(dāng)?shù)匚稂c(diǎn)高程大于P2時(shí)，該點(diǎn)位于內(nèi)切長(zhǎng)方體內(nèi)，無(wú)隱患可能。以單個(gè)塔段為例，具體步驟如下：

步驟1：坐標(biāo)變換，將輸電線路通道地物點(diǎn)由原有坐標(biāo)(x,y,z)轉(zhuǎn)化為線路走廊坐標(biāo)(u,v,z)，線路走廊平面坐標(biāo)系如圖6所示。點(diǎn)A為小號(hào)桿塔中心樁、B為大號(hào)桿塔中心樁，P為AB通道內(nèi)任意一點(diǎn)，u為AP連線在AB上的投影距離，v為點(diǎn)P到與AB平行且在線路前方向右側(cè)50 m處直線的垂直距離，u、v的具體計(jì)算參照三角形原理。

圖6 線路走廊平面坐標(biāo)系示意圖Fig.6 Schematic diagram of line corridor plane coordinate system

步驟2：將地物點(diǎn)按高程z值從高到低進(jìn)行排序，并按地物點(diǎn)類(lèi)別進(jìn)行歸類(lèi)，得到各類(lèi)地物點(diǎn)的點(diǎn)集集合{PC1,PC2,…,PCn}，n為地物點(diǎn)的類(lèi)別格式。

步驟3：令j=1。

步驟4：點(diǎn)集PCj含有mj個(gè)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)種類(lèi)的地物點(diǎn)到電力線的安全距離閾值為τj。

步驟5：令k=1，建立網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的高程矩陣H，其行數(shù)為100，列數(shù)為L(zhǎng)AB+1，LAB為A、B之間的平面距離，由于地球上任意點(diǎn)高程值不超過(guò)10 000 m，因此矩陣H內(nèi)各元素初始設(shè)置為10 000。

步驟6：隱患可能性判斷，點(diǎn)Pk為集合PCj中第k個(gè)點(diǎn)，根據(jù)Pk的坐標(biāo)(uk,vk,zk)，其所在方格的行號(hào)為[vk]，列號(hào)為[uk]，其對(duì)應(yīng)的高程限差為zmin=H[vk]×[uk]。若zk>zmin，則該點(diǎn)無(wú)隱患可能，進(jìn)行步驟10；反之則進(jìn)入步驟7進(jìn)行隱患檢測(cè)。

步驟7：隱患點(diǎn)判定，通過(guò)點(diǎn)到電力線離散點(diǎn)集的最近點(diǎn)搜索，計(jì)算出點(diǎn)Pk到電力線的最近距離為dk。若dk≤τj，則點(diǎn)Pk為隱患點(diǎn)，加入隱患點(diǎn)集，進(jìn)行步驟10；反之進(jìn)行步驟8來(lái)更新網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的高程限差。

步驟8：計(jì)算點(diǎn)Pk到其所在方格四邊的最大平面距離ηk，計(jì)算公式如下：

(3)

步驟10：令k=k+1，若k≤mj重復(fù)步驟6；反之進(jìn)行步驟11；

步驟11：令j=j+1，若j≤n重復(fù)步驟3；反之則算法運(yùn)行結(jié)束。

算法流程如圖7所示。

圖7 通道隱患快速檢測(cè)算法流程圖Fig.7 Flow chart of channel hidden danger fast detection algorithm

2 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證上述算法的有效性，本文對(duì)算法中電力線離散點(diǎn)集化、通道隱患檢測(cè)兩個(gè)階段進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

2.1 電力線空間曲線離散點(diǎn)集化對(duì)比實(shí)驗(yàn)

由于采樣點(diǎn)之間存在一定的采樣間隔，采用計(jì)算地物點(diǎn)到離散點(diǎn)集最近點(diǎn)距離的方式來(lái)解決點(diǎn)到電力線曲線最近距離求解問(wèn)題，電力線上到地物點(diǎn)的最近點(diǎn)不可避免會(huì)偏移到其在離散點(diǎn)集中的最近采樣點(diǎn)，產(chǎn)生最近點(diǎn)定位偏差。

為了驗(yàn)證等水平間隔采樣方式與等線長(zhǎng)間隔采樣方式對(duì)最近點(diǎn)定位偏差的影響，本文采用檔距、掛點(diǎn)高差以及設(shè)計(jì)冰厚均不一致的兩檔220 kV GIM電力線模型數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，并按照0.1 m的采樣間隔分別按照等水平間隔、等線長(zhǎng)間隔的采樣方式進(jìn)行采樣得到電力線離散點(diǎn)集，GIM電力線詳細(xì)信息與采樣點(diǎn)數(shù)如表2所示。

表2 兩檔GIM電力線相關(guān)信息與采樣點(diǎn)數(shù)Table 2 Relevant information and sampling points of two GIM power lines

從表1中可以看出，電力線1跨越檔距較小、掛點(diǎn)高程相近且位于輕冰區(qū)，其設(shè)計(jì)線長(zhǎng)與水平檔距大致一致，用以表征普通輸電線路的電力線分布；電力線2跨越檔距較大、掛點(diǎn)高程懸殊且位于重冰區(qū)，其設(shè)計(jì)線長(zhǎng)與水平檔距存在較大差距，用以表征高山區(qū)、重大交跨等特殊檔的電力線分布。

本文采用密集采樣的方式來(lái)統(tǒng)計(jì)電力線各區(qū)域的最近點(diǎn)定位偏差，每隔0.001 m等水平間隔在電力線上取點(diǎn)視為地物點(diǎn)的最近點(diǎn)，分別計(jì)算其在等水平間隔、等線長(zhǎng)間隔離散點(diǎn)集中的最近點(diǎn)定位偏差。為了便于展示分析，本文每5 m水平距離區(qū)間內(nèi)統(tǒng)計(jì)一個(gè)最近點(diǎn)定位偏差最大值作為區(qū)域最近點(diǎn)定位限差，兩檔GIM電力線的區(qū)域最近點(diǎn)定位限差隨水平距離分布如圖8所示。

從表2、圖8中可以得出，等線長(zhǎng)間距采樣方式在表征普通輸電線路的電力線分布的電力線1上采樣點(diǎn)數(shù)、區(qū)域最近點(diǎn)定位限差與等水平間距采樣基本保持一致，但在表征高山區(qū)、重大交跨等特殊檔電力線分布的電力線2上表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。如圖8(b)所示，等水平間隔采樣方式在電力線2上區(qū)域最近點(diǎn)定

圖8 兩檔GIM電力線的最近點(diǎn)定位限差分布圖Fig.8 Distribution diagram of maximum value of nearest point positioning deviation of two GIM power lines

位限差達(dá)到0.08 m左右，然而等線長(zhǎng)采樣方式仍能夠保持在0.05 m左右。

為了進(jìn)一步分析最近點(diǎn)點(diǎn)位偏差的分布規(guī)律，在電力線2上截取了等水平間隔采樣方式下定位限差最大與最小的兩個(gè)區(qū)域最近點(diǎn)定位偏差數(shù)據(jù)，如圖9所示。

圖9 區(qū)域最近點(diǎn)定位偏差分布圖Fig.9 Distribution map of regional nearest point positioning deviation

從圖9中可以得出，等水平間隔采樣與等線長(zhǎng)采樣兩種方式最近點(diǎn)定位偏差均符合0到區(qū)域最近點(diǎn)定位限差之間均勻分布，而區(qū)域最近點(diǎn)定位限差由區(qū)域采樣點(diǎn)之間的線長(zhǎng)間隔決定。從圖9(a)與圖9(b)對(duì)比中可以看出，對(duì)于跨越檔距較大、掛點(diǎn)高程懸殊的特殊檔等水平間隔的采樣點(diǎn)在電力線上分布并不均勻，局部區(qū)域的線長(zhǎng)間隔差異大，導(dǎo)致區(qū)域最近點(diǎn)定位限差達(dá)到設(shè)計(jì)的1.5～2.0倍，不利于精度控制。而等線長(zhǎng)間距采樣方式無(wú)論在檔距較小、掛點(diǎn)高程相近的普通檔以及跨越檔距較大、掛點(diǎn)高程懸殊的特殊檔均能夠保證采樣點(diǎn)分布均與，將最近點(diǎn)定位限差控制在目標(biāo)范圍內(nèi)。

2.2 架空輸電線路通道隱患檢測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本文通道檢測(cè)算法的應(yīng)用效果，選取某一220 kV架空輸電線路GIM模型中連續(xù)50檔數(shù)據(jù)進(jìn)行通道隱患檢測(cè)，地物點(diǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行采集，各檔地物點(diǎn)統(tǒng)計(jì)如圖10所示。

圖10 50檔地物點(diǎn)點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.10 Statistical chart of 50 ground feature points

基于GIM模型電力線采用等線長(zhǎng)間隔采樣后得到電力線離散點(diǎn)集后，分別按照傳統(tǒng)逐點(diǎn)檢測(cè)、網(wǎng)格法過(guò)濾以及本文方法進(jìn)行隱患檢測(cè)，分別對(duì)檢測(cè)速度以及檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如圖11所示。

從圖11中可以看出，網(wǎng)格法與本文方法在檢測(cè)效率上較傳統(tǒng)逐點(diǎn)檢測(cè)均有較大提升，各檔隱患檢測(cè)耗時(shí)縮短為原本耗時(shí)的1/20到1/8。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，50檔通道檢測(cè)逐點(diǎn)檢測(cè)耗時(shí)1 169 s，而網(wǎng)格法耗時(shí)94 s，為逐點(diǎn)檢測(cè)耗時(shí)的8.0%；本文方法耗時(shí)80 s，為傳統(tǒng)逐點(diǎn)檢測(cè)耗時(shí)的6.9%。

圖11 3種隱患檢測(cè)方法檢測(cè)耗時(shí)對(duì)比Fig.11 Comparison of detection time of three hidden danger detection methods

表3為3種通道隱患檢測(cè)方法檢測(cè)出的隱患點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)情況，表中標(biāo)紅部分的網(wǎng)格法檢測(cè)結(jié)果與其余兩種方法檢測(cè)結(jié)果并不一致，存在漏點(diǎn)情況。而本文方法從表3中可以看出，各檔檢測(cè)結(jié)果仍與逐點(diǎn)檢測(cè)保持一致，在大大提升檢測(cè)效率的同時(shí)，保證檢測(cè)結(jié)果正確性。

表3 通道隱患檢測(cè)隱患點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of hidden danger points of channel hidden danger detection

為進(jìn)一步闡述本文方法與網(wǎng)格法檢測(cè)的差異性原因，截取了本文方法與網(wǎng)格法隱患檢測(cè)結(jié)果不同處的點(diǎn)云場(chǎng)景，如圖12所示。

圖12中白色點(diǎn)為電力線離散點(diǎn)、藍(lán)色點(diǎn)為地面點(diǎn)、綠色點(diǎn)為植被點(diǎn)、紅色點(diǎn)為通道隱患點(diǎn)。由俯視角、側(cè)視角對(duì)比可知，當(dāng)導(dǎo)線從高大樹(shù)木側(cè)方通過(guò)時(shí)，由于側(cè)方地物高點(diǎn)滿(mǎn)足安全距離要求，網(wǎng)格法認(rèn)為地物高點(diǎn)所在網(wǎng)格無(wú)隱患可能，跳過(guò)最近距離檢測(cè)導(dǎo)致漏檢。而本文提出的基于球體包含原理采用更為嚴(yán)密的隱患判斷依據(jù)，針對(duì)側(cè)方高大地物情況仍能夠保證正確的檢測(cè)結(jié)果。

圖12 本文方法與網(wǎng)格法隱患檢測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.12 Comparison of hidden danger detection results between this method and grid method

3 結(jié) 論

本文提出了一種基于等線長(zhǎng)點(diǎn)集化和球體包含原理的通道隱患快速檢測(cè)方法，在保證隱患檢測(cè)精度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)通道隱患檢測(cè)速度。

1)提出了基于等線長(zhǎng)間隔的GIM電力線離散點(diǎn)集方法，將電力線局部區(qū)域視為空間直線分布實(shí)現(xiàn)線長(zhǎng)間隔到水平間隔的改正計(jì)算，克服現(xiàn)有等水平間隔采樣離散點(diǎn)集在電力線上分布并不均勻，跨越檔距較大、掛點(diǎn)高程懸殊特殊檔最近點(diǎn)定位偏差增大的問(wèn)題。

2)針對(duì)網(wǎng)格法檢測(cè)速度優(yōu)化算法存在漏檢問(wèn)題，在該方法的基礎(chǔ)上引入球體包含原理，采用嚴(yán)密的數(shù)學(xué)原理來(lái)對(duì)網(wǎng)格內(nèi)地物點(diǎn)是否存在隱患可能性進(jìn)行判定，以避免高大樹(shù)木、建筑隱患點(diǎn)漏檢的問(wèn)題。

3)經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文提出的等線長(zhǎng)間隔采樣方法無(wú)論在檔距較小、掛點(diǎn)高程相近的普通檔以及跨越檔距較大、掛點(diǎn)高程懸殊的特殊檔均能夠保證采樣點(diǎn)分布均勻，將最近點(diǎn)定位限差控制在目標(biāo)范圍內(nèi)；基于球體包含原理的隱患快速檢測(cè)方法能夠在保證檢測(cè)精度的前提下將隱患檢測(cè)耗時(shí)優(yōu)化為原本耗時(shí)的6.9%。