臨近帶電線路基于激光雷達(dá)告警裝置研究與應(yīng)用

劉洋， 馮海青， 翟光林， 王凱旋， 王萌， 秦坤

（安徽送變電工程有限公司）

1 引言

在臨近電體安全施工作業(yè)，需要嚴(yán)格控制作業(yè)安全距離。目前施工主要依靠目測以及吊繩垂地測距等簡單手段進(jìn)行人為距離控制，尤其是在外單位人員參與施工，因施工人員可能對帶電操作安全距離不警覺，容易出現(xiàn)疏漏，有較大的安全隱患。

2 激光雷達(dá)預(yù)警探測儀概述

2.1 功能用途

激光雷達(dá)形成立體防護(hù)面陣和測距傳感器對特殊點位的實時測量，實現(xiàn)在臨近帶電線路作業(yè)時，超出安全距離情況下進(jìn)行聲光告警，以確保安全。

2.2 實現(xiàn)原理

根據(jù)現(xiàn)場施工環(huán)境設(shè)定臨近電體安全作業(yè)距離，通過升降支架把激光雷達(dá)上升至指定高度。利用激光脈沖TOF 飛行時間技術(shù)原理，在激光雷達(dá)工作過程中按設(shè)定的旋轉(zhuǎn)角度、幅度、轉(zhuǎn)速進(jìn)行循環(huán)掃描，形成一個安全作業(yè)工作面，當(dāng)掃描到有異物入侵安全作業(yè)周界閾值時，觸發(fā)報警[1]。

3 輸電網(wǎng)絡(luò)的激光雷達(dá)點云信息收集與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析

3.1 輸電網(wǎng)絡(luò)的激光雷達(dá)點云的采集

為了提高輸電線路對地間距的安全性評估水平，提出一種采用激光雷達(dá)技術(shù)的輸電線路對地間距安全分析。通過激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行輸電線路點云統(tǒng)計分析，從而實現(xiàn)對線路引出地間距的數(shù)據(jù)分析方法。這里，其中，表示了所有輸電線路的激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)分析的有限數(shù)據(jù)集合。由五個元素O=(C，I，P，HC，R，A0)所構(gòu)成的有向圖代表了所有激光點云數(shù)據(jù)物理信息的分布特征。其中，C為所有輸電線路激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)分析定義的集合，I為所有輸電線路激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)分析示例集合[2]。為所有輸電導(dǎo)線電流、電壓等基本物理技術(shù)參數(shù)。

基于給出的輸電線路激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)采集方式，通過信息存儲結(jié)構(gòu)仿真，輸電線路對地安全距離分布的大數(shù)據(jù)分類特性為A={A1，A2，，Am}，通過建立輸電線路對地安全距離特征分布實體庫，在帶寬限制下通過激光雷達(dá)測試，得到輸電線路激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)的特征分布函數(shù)定義為：

式（1）中：I為傳輸線上激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)個數(shù)的采樣時間，w1為傳輸線上激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)的變化權(quán)重，w2為質(zhì)量對應(yīng)特征權(quán)重，R(Gj，i)是中間存儲的傳輸線激光雷達(dá)點云數(shù)的遞歸特征，dis(Gj，i)表示數(shù)據(jù)節(jié)點的歐氏距離，通過強(qiáng)大的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，傳輸上的高灰度激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)可以獲得大數(shù)據(jù)挖掘。

3.2 輸電線路對地安全距離檢測

實現(xiàn)了輸電線路對地安全性間距分布的數(shù)據(jù)特征建模與數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)分析，對輸電線路對地安全性間距的屬性權(quán)重提供了數(shù)據(jù)分層模型，兩個相同寬度的輸電線路對地安全性間距分析的幀順序中的一致性定義為：

給定的輸電線路對地安全性距離特征解析網(wǎng)絡(luò)中S=(U，C∪D，V，f)，C和D依次為輸電線路對地安全性間距分析的激光雷達(dá)探測脈沖順序[9]，并據(jù)此展開了輸電線路的鐳射雷達(dá)點云數(shù)據(jù)信道模擬設(shè)計，將輸電線路的鐳射雷達(dá)點云數(shù)據(jù)的沖激響應(yīng)模式表述為：

基于云數(shù)據(jù)的聚類指向性開展與激光雷達(dá)對點云數(shù)據(jù)之間的信息融合研究，基于數(shù)據(jù)集成結(jié)果性開展輸電網(wǎng)絡(luò)之間的就地安全距離研究。

4 一種基于激光雷達(dá)的告警裝置

4.1 設(shè)計思路

雷達(dá)預(yù)警探測儀依據(jù)開發(fā)功能需求可為分體式與一體式兩種設(shè)計方案思路。分體式方案：采用市面上已有的激光雷達(dá)成熟方案+自主開發(fā)工控BOX，通過對激光雷達(dá)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行底層邏輯的分析與判斷，當(dāng)出現(xiàn)異物入侵安全作業(yè)周界閥值時觸發(fā)報警。一體化方案：把激光雷達(dá)、電池、報警器、數(shù)據(jù)采集與控制板等物理器件通過工業(yè)設(shè)計整合集成為一套整機(jī)，在實現(xiàn)產(chǎn)品功能需求的同時，滿足市場化產(chǎn)品應(yīng)用與推廣目的[3]。

4.2 告警裝置設(shè)計

一種采用了激光雷達(dá)技術(shù)的輸變電過程中電子報警裝置，包括圖像采集設(shè)備、輸變電信息采集設(shè)備、數(shù)據(jù)處理裝置、數(shù)據(jù)安全設(shè)備、北斗定位裝置、移動終端、電子報警裝置顯示裝置、圖像采集設(shè)備。輸變電數(shù)據(jù)收集裝置的輸入輸出端口連接到數(shù)據(jù)處理裝置的輸入與輸出端口，而數(shù)據(jù)處理裝置的輸入輸出端口連接了輸入與輸出端口以及安全裝置接口、電子安全設(shè)備的輸入輸出接口。數(shù)據(jù)終端通過了雙極化天線與移動終端的交互設(shè)備連接，電子安全報警器與移動終端連接，通過輸入輸出端口和移動終端之間的端口分別連接顯示裝置和北斗定位設(shè)備。

報警設(shè)備包括數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺、自動報警裝置、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)存儲裝置和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)裝置。數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺的輸入端連接數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺的輸出端分別連接數(shù)據(jù)存儲和自動報警設(shè)備，數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺交互連接數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)設(shè)備和移動終端。

4.3 設(shè)計優(yōu)勢

根據(jù)以上分析得出，文中提到的采用激光雷達(dá)且運(yùn)用于輸變電過程中的告警設(shè)備，解決了目前輸變電設(shè)備的數(shù)據(jù)保護(hù)需全部通過人員對各專業(yè)系統(tǒng)工作才能完成的問題。

通過對電網(wǎng)項目進(jìn)度控制實施可視化、數(shù)字化、精益化，減少進(jìn)度管理的人為因素和管理要素的干擾，真正提高進(jìn)度管理的規(guī)范化、精細(xì)化管理水平。本實用新型系統(tǒng)采用人工智能、無人機(jī)傾斜攝影等先進(jìn)技術(shù)手段，對電網(wǎng)項目進(jìn)行任務(wù)自動提取，顯著降低了項目管理人員數(shù)據(jù)填報、統(tǒng)計和重復(fù)記錄信息的工作量，顯著降低了基層工作量，同時也為項目管理人員提供了專業(yè)支持，為項目管理人員賦能[4]。

4.4 具體實施方式

本文描述的報警設(shè)備以激光雷達(dá)為基礎(chǔ)，應(yīng)用于輸變電系統(tǒng)工程，分為圖像采集設(shè)備、輸變電信息采集設(shè)備、數(shù)據(jù)處理設(shè)備、數(shù)據(jù)安全設(shè)備、北斗定位設(shè)備、手機(jī)終端、報警裝置和屏幕顯示裝置、圖像采集裝置和輸變電信息采集裝置的輸入輸出端連接到數(shù)據(jù)處理裝置的入口。

輸變電數(shù)據(jù)收集設(shè)備由數(shù)據(jù)處理裝置所連接的設(shè)備數(shù)據(jù)采集裝置、儀器指標(biāo)收集系統(tǒng)和儀器測量系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集設(shè)備能夠收集輸變電的設(shè)備數(shù)據(jù)、設(shè)備指標(biāo)數(shù)據(jù)和儀器測量數(shù)據(jù)，并作為后期統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)。

其中，視頻拍攝設(shè)備從不同方面集中到無人機(jī)上，利用無人機(jī)上的視頻拍攝設(shè)備對工地進(jìn)行拍照采集，進(jìn)行動態(tài)觀察工程進(jìn)度的情況，為工程進(jìn)度控制和工程進(jìn)度的實時數(shù)據(jù)資料。報警安裝系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)監(jiān)控設(shè)備、自動報警設(shè)備、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)存儲設(shè)備和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)設(shè)備，數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺的輸入端與數(shù)據(jù)庫平臺連接，數(shù)據(jù)監(jiān)控設(shè)備的輸出端依次連接與數(shù)據(jù)存儲設(shè)備和自動報警設(shè)備相連，而數(shù)據(jù)監(jiān)控設(shè)備與數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)設(shè)備和移動終端交互設(shè)備相連[5]。

其基本工作機(jī)理是：通過圖像收集設(shè)備和數(shù)據(jù)采集裝置依次收集圖像和當(dāng)前數(shù)據(jù)內(nèi)容，并將所收集的內(nèi)容發(fā)送至數(shù)據(jù)處理裝置中進(jìn)行統(tǒng)一處理，然后數(shù)據(jù)處理裝置再對所收集的圖像信息和當(dāng)前數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行匯總和整理，最后去除無用信息并發(fā)送至數(shù)據(jù)設(shè)備，再經(jīng)過信息案子設(shè)備中實現(xiàn)加密處理，隨后經(jīng)過天線設(shè)備發(fā)送至移動終端。在移動終端中還設(shè)有解碼功能，先對加密數(shù)據(jù)內(nèi)容實現(xiàn)解碼，對已處理出的監(jiān)測數(shù)據(jù)內(nèi)容實現(xiàn)異常監(jiān)測，然后再將異常數(shù)據(jù)信息上傳到指數(shù)告警裝置，同時經(jīng)過北斗定位系統(tǒng)設(shè)備實現(xiàn)定位，并經(jīng)過顯示裝置實現(xiàn)數(shù)字指示。

報警系統(tǒng)在接收到異常信息后，通過內(nèi)部的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)庫中的各種信息資料和索引信息資料，并利用數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)器將數(shù)據(jù)庫中的信息資料和實際接受到的異常數(shù)據(jù)資料聯(lián)系起來信息比對，再利用數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)器收集的不同指標(biāo)數(shù)據(jù)資料和疑似異常根因發(fā)生的告警信息，實現(xiàn)資料保存和報告管理。同時，利用移動終端傳送信息至相應(yīng)的設(shè)備管理部門與維修單位，協(xié)助設(shè)備運(yùn)維管理部門從系統(tǒng)的非正常狀態(tài)中返回。

5 仿真實驗分析

為檢驗本文技術(shù)在進(jìn)行激光雷達(dá)的輸電線路對地間距安全性分析中的使用性能，首先開展了模擬試驗，實驗利用Matlab2007設(shè)計，通過激光雷達(dá)掃描方式獲取了十萬余輸電電壓線路對地安全距離分配信息，資料的最大采樣樣本集規(guī)模為四千，所選擇的安全距離分配閾值為零點五，而激光雷達(dá)的掃描頻段范圍為1200kHz，實驗根據(jù)上述的模擬環(huán)境和參數(shù)選擇，完成了輸電線路的對地間距安全測試，并獲得了輸電線路的激光雷達(dá)云數(shù)字測試圖譜。

研究結(jié)論發(fā)現(xiàn)，使用本文方法可高效進(jìn)行激光雷達(dá)的輸電導(dǎo)線對地距離的計算，距離參數(shù)估計的精度很好，本方法進(jìn)行輸電導(dǎo)線對地安全距離估算的精度也很好，增強(qiáng)了輸電導(dǎo)線的穩(wěn)定性。

6 結(jié)語

研究人員發(fā)現(xiàn)，利用本文方案可高效開展激光雷達(dá)的輸電線路對地間距安全性研究，且間距參數(shù)估算的準(zhǔn)確度也較高。