王澤武
(國(guó)網(wǎng)武威供電公司,甘肅 武威 733000)
盡管中國(guó)的輸電線路距離很長(zhǎng),但在線監(jiān)測(cè)和檢查的信息卻不全面、不可靠,而且變電站存在信息不對(duì)稱的問(wèn)題,導(dǎo)致智能電網(wǎng)運(yùn)行不平衡。當(dāng)前電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為傳輸線檢測(cè)技術(shù)提供了新的研究和應(yīng)用方向,提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的輸電線智能檢測(cè)系統(tǒng)的基本框架,并根據(jù)系統(tǒng)配置和功能要求,分析了輸電線路能量技術(shù)、全自動(dòng)無(wú)人機(jī)檢測(cè)技術(shù)、檢驗(yàn)數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、檢驗(yàn)圖像目標(biāo)檢測(cè)和智能故障識(shí)別技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù),可以有效地集成輸電線路的智能檢驗(yàn)系統(tǒng),以增加經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益,對(duì)工程有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。
巡檢任務(wù)是對(duì)線路本身、輔助設(shè)施、電力設(shè)施以及設(shè)施所在的環(huán)境進(jìn)行檢查,清楚地掌握檢查范圍內(nèi)傳輸線的具體操作,并發(fā)現(xiàn)和檢查任何可能導(dǎo)致故障的原因,在傳輸線運(yùn)行期間確保了線路的穩(wěn)定運(yùn)行。目前傳輸線的檢查主要包括故障檢查、正常檢查和特殊檢查。過(guò)去,無(wú)論進(jìn)行哪種檢查,都是采用人工地面檢查,只有在突發(fā)特殊情況時(shí),才會(huì)出現(xiàn)人員燈塔巡視的情況,這種巡檢模式的應(yīng)用無(wú)法發(fā)揮出最佳的巡檢作用和功能。
傳統(tǒng)的人工檢查方法的應(yīng)用無(wú)法滿足當(dāng)前階段根據(jù)不同線路的運(yùn)行狀況而不同的檢查要求,從而影響了檢查工作的效率,電力公司很難準(zhǔn)確、及時(shí)地確定傳輸線具體的運(yùn)行狀況和條件,這無(wú)助于線路保護(hù),不僅造成人力資源的浪費(fèi),而且影響輸電線路的穩(wěn)定安全運(yùn)行[1]。
該系統(tǒng)結(jié)合了全球定位系統(tǒng)(GPS)、手持計(jì)算機(jī)設(shè)備(PDA)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的最新研發(fā)成果。無(wú)需在線路上安裝信息識(shí)別介質(zhì),配備了便攜式照明設(shè)備、筆記本計(jì)算機(jī)和PDA。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域中,工作人員可以完成線路檢查定和規(guī)范記錄。可以采用無(wú)線網(wǎng)技術(shù)隨時(shí)隨地處理故障問(wèn)題,缺陷處理和出勤率識(shí)別正逐漸標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化和信息化。數(shù)據(jù)服務(wù)器收集記錄客戶端計(jì)算機(jī)上的各種信息,完成數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)、查詢、分析、匯總和報(bào)告輸出,有效地監(jiān)督從缺陷發(fā)現(xiàn)到缺陷處理的整個(gè)過(guò)程,并實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的閉環(huán)控制。同時(shí),實(shí)現(xiàn)了PDCA 的高效循環(huán)[1]。手持式計(jì)算機(jī)可以通過(guò)串行端口直接連接到裝有PDA同步程序的客戶端計(jì)算機(jī),不僅可以下載編輯的工作說(shuō)明,還可以在工作現(xiàn)場(chǎng)記錄數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)多級(jí)組織垂直檢查運(yùn)營(yíng)管理模式,上級(jí)部門可以隨時(shí)查詢、分析和計(jì)算下級(jí)機(jī)構(gòu)的檢查數(shù)據(jù)。
開(kāi)發(fā)該系統(tǒng)時(shí)需考慮到該系統(tǒng)必須具有更強(qiáng)大的功能、新技術(shù)以及更長(zhǎng)的生命周期,以便該系統(tǒng)能夠與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)保持同步。因此,系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采用了更加先進(jìn)、流行、穩(wěn)定和成熟的技術(shù)。該系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu),指明了技術(shù)發(fā)展的方向。B/S 體系結(jié)構(gòu)具有許多優(yōu)點(diǎn),特別是當(dāng)軟件系統(tǒng)的改進(jìn)和升級(jí)變得更加頻繁時(shí),B/S 體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品顯然會(huì)顯示出更加便捷的功能。無(wú)論有多少用戶,即使有多個(gè)分支機(jī)構(gòu)也不會(huì)增加維護(hù)和升級(jí)工作量,在服務(wù)器上就可以執(zhí)行此操作。如果位于遠(yuǎn)程位置,則只需要將服務(wù)器連接到互聯(lián)網(wǎng),大量節(jié)省人力、時(shí)間和金錢,可以立即進(jìn)行維護(hù)和升級(jí)。因此,智能檢測(cè)系統(tǒng)采用基于Web 的企業(yè)計(jì)算機(jī)客戶端,整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行在Windows98 或更高版本的操作系統(tǒng)上,在WindowsXP 操作系統(tǒng)上運(yùn)行最佳,并且易于操作[2]。
目前的輸電線路巡檢方式大致可以分為人工、機(jī)器人、直升機(jī)、無(wú)人機(jī)4 種。檢查時(shí),使用電線桿等輔助設(shè)備完成電氣設(shè)備檢查。當(dāng)線路位于偏遠(yuǎn)地區(qū)時(shí),大大增加了操作人員的巡檢難度,尤其是在惡劣的環(huán)境中。隨著電力建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大,勞動(dòng)量和運(yùn)維強(qiáng)度也隨之增加,增加了操作人員的工作強(qiáng)度,但巡檢效率卻不盡如人意,傳統(tǒng)的檢驗(yàn)方法非常浪費(fèi)人力。同時(shí),常規(guī)的檢查方式給工人帶來(lái)了很大的風(fēng)險(xiǎn),尤其是在懸崖、山地等惡劣地形,在雨、雪、冰凍等極端天氣下,往往對(duì)人身安全構(gòu)成威脅。輸電線路具有分布廣、地理環(huán)境惡劣、地形復(fù)雜,人工巡檢方式面臨時(shí)間長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)大、強(qiáng)度高、效率低等諸多問(wèn)題。機(jī)器人巡檢具有巡檢距離短、巡檢速度慢、越障困難等缺點(diǎn),應(yīng)用范圍有限;載人直升機(jī)航跡檢查法由于投資成本高、人力多、管理復(fù)雜、技術(shù)儲(chǔ)備繁雜等原因,并未得到廣泛應(yīng)用;而無(wú)人機(jī)巡檢方法以其小型化、低成本、質(zhì)量輕、操作方便等明顯優(yōu)勢(shì)越來(lái)越受到電力企業(yè)的歡迎,在輸電線路巡檢領(lǐng)域的重要性日益凸顯。無(wú)人機(jī)有助于解決交通不便的地區(qū)、林區(qū)、山區(qū)、河流、污染區(qū)、高架電報(bào)塔等難以維護(hù)和存在盲點(diǎn)的輸電線路段問(wèn)題。提高了巡檢的質(zhì)量和效率,降低了輸電線路的運(yùn)維成本,保護(hù)了巡檢人員的人身安全。但無(wú)人機(jī)巡檢方法也存在一些問(wèn)題,需要探索和改進(jìn)。大部分無(wú)人機(jī)巡檢任務(wù)因缺乏配套機(jī)巢而無(wú)法移動(dòng),只能巡檢部分線路缺陷,無(wú)人機(jī)巡檢完成后仍需人工進(jìn)行圖像缺陷分析。經(jīng)過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn),目前的無(wú)人機(jī)巡檢還存在誤檢率高、人工成本高、難度大、難以保證檢驗(yàn)質(zhì)量等問(wèn)題[3]。
現(xiàn)有的檢驗(yàn)方法是檢驗(yàn)人員攜帶紙質(zhì)檢驗(yàn)工作簿,對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn),然后人工書寫檢驗(yàn)結(jié)果,巡檢結(jié)束將巡檢記錄冊(cè)匯總到電網(wǎng)中心備案,并根據(jù)故障記錄采取必要的維修措施。這種使用紙質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)工作表的檢驗(yàn)方法價(jià)格昂貴且攜帶不便。手工創(chuàng)建檢驗(yàn)記錄容易出現(xiàn)遺漏、錯(cuò)誤等人為錯(cuò)誤,不適合信息統(tǒng)計(jì)分析和檢驗(yàn)。
利用無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)輸電線路智能巡檢可以對(duì)各種輸入信息進(jìn)行整合處理,包括無(wú)人機(jī)姿態(tài)、飛行環(huán)境、指揮信息等,命令信息包括來(lái)自遙控器的控制命令。通過(guò)控制地面控制命令和控制系統(tǒng)設(shè)置的控制命令的集成,無(wú)人機(jī)可以自主飛行并收集有關(guān)輸電線路的信息,完成對(duì)輸電線路的智能巡檢。無(wú)人機(jī)在輸電線路智能巡檢過(guò)程中,既要實(shí)現(xiàn)起降、定軌導(dǎo)航等基本功能,又要實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)避障。在保障飛行安全的同時(shí),實(shí)現(xiàn)輸電線路智能巡檢[4]。
6.1.1 數(shù)據(jù)同步功能
服務(wù)器使用通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綑z查員的手持服務(wù)器,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。采用傳感器同步技術(shù),可以按小時(shí)匯總信息,并且可以將分析信息傳輸?shù)矫總€(gè)終端,從而可以更快地檢查傳輸線和變電站。
6.1.2 信息查詢功能
傳輸和邊線檢查員使用手持終端查詢信息,確定線路故障和隱患的位置以及自己的位置,以便員工可以到達(dá)正確的檢查點(diǎn),節(jié)省故障位置的時(shí)間并進(jìn)行傳輸,可以提高線路巡檢工作效率。
6.1.3 導(dǎo)航功能
檢查人員可以使用輸變電前端檢查系統(tǒng)進(jìn)行定位和導(dǎo)航。導(dǎo)航功能可以幫助員工快速到達(dá)工作場(chǎng)所,并可以幫助無(wú)人機(jī)制定最佳的檢查路線。無(wú)人機(jī)的巡邏路線被記錄并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中,通過(guò)比較在后臺(tái)檢查路線的更改,并及時(shí)更新數(shù)據(jù)。
6.1.4 數(shù)據(jù)收集功能
前端檢查系統(tǒng)使用各種傳感器來(lái)協(xié)同工作以收集坐標(biāo)和圖像數(shù)據(jù)。傳輸線檢查器使用便攜式終端來(lái)設(shè)置需要數(shù)據(jù)收集的線的位置,獲取各種數(shù)據(jù)(例如目標(biāo)檢查點(diǎn)的坐標(biāo)),然后創(chuàng)建圖像或數(shù)字模型,并將其傳輸?shù)椒?wù)器進(jìn)行處理,在目的地點(diǎn)執(zhí)行傳輸和轉(zhuǎn)換線路條件的特定分析[4]。
可見(jiàn)光遙感巡檢是使用圖像穩(wěn)定設(shè)備,照相機(jī)和其他可見(jiàn)光收集設(shè)備來(lái)檢查用肉眼可以看到的電氣設(shè)備的特性變化,設(shè)備要求簡(jiǎn)單,故障檢測(cè)范圍較寬,廣泛用于無(wú)人機(jī)線路檢查。由于無(wú)人機(jī)性能特征的差異,在執(zhí)行可見(jiàn)光遙感時(shí),旋轉(zhuǎn)翼無(wú)人機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)的工作模式和焦點(diǎn)存在明顯差異。旋翼無(wú)人機(jī)通常用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手動(dòng)檢查方法。飛行員在檢查地點(diǎn)附近起飛,并使用機(jī)載可見(jiàn)光圖像采集設(shè)備進(jìn)行檢查。監(jiān)視的主要目標(biāo)是架空線,包括地線、絕緣子和配件,以及操作點(diǎn)附近的線路通道中的異常情況和隱藏的缺陷。固定翼無(wú)人機(jī)通常從固定的機(jī)場(chǎng)或臨時(shí)起飛點(diǎn)起飛,沿著架空線或既定路線飛行,并不斷拍攝這些線路的照片并將其連接起來(lái),以形成全景視圖或視頻記錄。監(jiān)視的主要目標(biāo)是線路通道和周圍區(qū)域,沿線路的跨越環(huán)境以及其他宏觀條件,監(jiān)測(cè)了明顯的設(shè)備故障,例如桿塔倒伏和斷開(kāi)連接。
智能電力檢查安全隱患監(jiān)控是通過(guò)3 步分析和評(píng)估來(lái)監(jiān)督每個(gè)運(yùn)維檢查工作的過(guò)程,以確保運(yùn)維工作的完成,并防止運(yùn)維檢查過(guò)程中的隱患。首先,在執(zhí)行每個(gè)運(yùn)維任務(wù)之前,將維護(hù)事件、時(shí)間和環(huán)境因素、運(yùn)維人員與分析相關(guān)聯(lián),以評(píng)估運(yùn)維風(fēng)險(xiǎn)和評(píng)估相應(yīng)監(jiān)控的當(dāng)前水平。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)果進(jìn)行維護(hù)管理工作。其次,在運(yùn)維工作的實(shí)施過(guò)程中,采用北斗定位技術(shù)和面部識(shí)別技術(shù)對(duì)運(yùn)維人員的心理狀態(tài)、運(yùn)維檢查軌跡、耗時(shí)等指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,避免了檢查過(guò)程中不必要的錯(cuò)誤,導(dǎo)致檢查失敗并帶來(lái)安全隱患。最后,結(jié)合運(yùn)維前后的監(jiān)控情況,對(duì)運(yùn)維工作進(jìn)行全面評(píng)估,根據(jù)評(píng)估結(jié)果評(píng)估維護(hù)人員的工作,并使用總體評(píng)估和人員評(píng)估結(jié)果作為監(jiān)督的重要指標(biāo)[5]。
在現(xiàn)場(chǎng)檢查過(guò)程中收集的設(shè)備缺陷數(shù)據(jù)通過(guò)智能手機(jī)傳輸?shù)较到y(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫(kù)?,F(xiàn)場(chǎng)記錄包括缺陷記錄、維護(hù)記錄、設(shè)備帳戶、缺陷通知、設(shè)備文件、線路圖、技術(shù)問(wèn)題和解答等。檢驗(yàn)管理人員可以分析和查詢生產(chǎn)線上的特定條件,以對(duì)生產(chǎn)線的維護(hù)缺陷計(jì)劃進(jìn)行分類和確定。通過(guò)查詢查找生產(chǎn)線中的缺陷,計(jì)算生產(chǎn)線缺陷報(bào)告,對(duì)查詢的缺陷記錄進(jìn)行分類、管理和清除,發(fā)布清除任務(wù)、匯總和打印。智能手機(jī)由檢查員攜帶,對(duì)檢查員的管理也就是對(duì)智能手機(jī)的管理。通過(guò)實(shí)時(shí)讀取智能手機(jī)的GPS 數(shù)據(jù),檢查速度是否到位,并自動(dòng)生成巡邏軌跡圖,以監(jiān)控巡邏人員的位置和工作狀態(tài),并可以隨時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)了解錯(cuò)誤信息,為現(xiàn)場(chǎng)人員提供遠(yuǎn)程技術(shù)支持。巡檢管理人員可以通過(guò)智能手機(jī)實(shí)時(shí)跟蹤在現(xiàn)場(chǎng)巡邏的人員,并根據(jù)巡邏人員發(fā)送的現(xiàn)場(chǎng)消息發(fā)送調(diào)度指令,協(xié)調(diào)檢查任務(wù)。
檢查管理人員根據(jù)檢查工作的規(guī)定和實(shí)際情況,制定不同類型的檢查工作,以滿足各種輸電線路的檢查需要。用于此檢查的智能手機(jī)編號(hào)、線路號(hào)、檢查要求、檢查類型和強(qiáng)制檢查點(diǎn),并且線路檢查可以使用多個(gè)智能設(shè)備。可以檢查同一條線或多條線,避免了由于同一桿或平行安裝而導(dǎo)致線檢查不一致的情況,可以精確控制檢查員的檢查路徑,提高檢查工作質(zhì)量。設(shè)置掃描作業(yè)后,檢查管理員將作業(yè)設(shè)置為已釋放狀態(tài),檢查人員登錄系統(tǒng)以確認(rèn)檢查作業(yè)通過(guò)身份驗(yàn)證并需要完成。巡邏作業(yè)信息包括要巡邏的線路(由起點(diǎn)和終點(diǎn)標(biāo)記),所需的檢查點(diǎn),工作的截止日期和完成時(shí)間,工作狀態(tài)以及要檢查的每個(gè)點(diǎn)的狀態(tài)。巡檢員可以通過(guò)USB 接口將巡檢作業(yè)下載到智能手機(jī),然后啟動(dòng)線路巡檢作業(yè)[5]。
由于現(xiàn)代工業(yè)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,整個(gè)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)也在快速增長(zhǎng),為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展,各行業(yè)必須對(duì)過(guò)去的工業(yè)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn),以實(shí)現(xiàn)自身的飛躍,不斷前進(jìn),獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。這一理念推動(dòng)了整個(gè)社會(huì)的快速發(fā)展,中國(guó)的電力系統(tǒng)管理也不例外。考慮到中國(guó)電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分布,在檢查高壓輸出線路時(shí),具有廣泛易受各種地形環(huán)境影響的特點(diǎn)。因此,在輸電線路巡檢中可以利用在線監(jiān)測(cè)技術(shù)及時(shí)監(jiān)測(cè)全線運(yùn)行情況,保障中國(guó)電力系統(tǒng)安全。例如,某電力單位想通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)對(duì)±500 kV 輸電線路整個(gè)電力線路的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控。這也是在線稽查技術(shù)首次運(yùn)行到高壓電輸出線路的巡查工作中,通過(guò)最后的巡查結(jié)果發(fā)現(xiàn),這項(xiàng)技術(shù)在安裝運(yùn)行中,需要通過(guò)前端監(jiān)測(cè)分機(jī)和監(jiān)控后臺(tái)這2 方面的組成方可對(duì)整個(gè)線路進(jìn)行全面的檢查,該裝置主要利用太陽(yáng)能電池從能量采集中獲取能量,并依靠GPRS+3G/4G 雙通道通信方式檢測(cè)全線信息,這樣可以保證整線檢測(cè)的穩(wěn)定性。
與手動(dòng)控制的無(wú)人機(jī)相比,無(wú)人機(jī)巡檢技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的自動(dòng)飛行、自動(dòng)定位和精準(zhǔn)拍攝功能,減少人員參與,進(jìn)一步提高巡檢質(zhì)量和效率?,F(xiàn)有的技術(shù)路徑主要有建模與定位技術(shù)以及示教航線學(xué)習(xí)2種。其中,建模與定位技術(shù)是通過(guò)三維點(diǎn)云軌跡規(guī)劃,實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自主巡檢。而示教航線學(xué)習(xí)是由熟悉輸電線路的巡檢員控制無(wú)人機(jī)對(duì)輸電線路進(jìn)行巡檢。在巡檢過(guò)程中,無(wú)人機(jī)會(huì)記錄準(zhǔn)確的航點(diǎn)位置信息,并將其存儲(chǔ)在任務(wù)列表中。當(dāng)下一次執(zhí)行巡檢時(shí),無(wú)人機(jī)將根據(jù)存儲(chǔ)的信息自動(dòng)完成巡檢任務(wù)。點(diǎn)云采集可通過(guò)激光雷達(dá)掃描或斜射實(shí)現(xiàn),激光雷達(dá)掃描技術(shù)具有精度高、全天候、數(shù)據(jù)處理速度快、采集方式多樣等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)激光雷達(dá)掃描獲取高精度激光點(diǎn)云,構(gòu)建三維地圖模型,提取關(guān)鍵特征空間參數(shù)?;谌S地圖模型的深度學(xué)習(xí)算法用于路線規(guī)劃,可以自動(dòng)選擇正確的航點(diǎn)進(jìn)行復(fù)雜的檢查。根據(jù)規(guī)劃軌跡,無(wú)人機(jī)可根據(jù)RTK 定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)自主巡檢。此外,基于人工智能路徑預(yù)測(cè)和人工智能目標(biāo)識(shí)別的輸電線路全自主飛行技術(shù)正在研究和應(yīng)用中。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)搭載板載AⅠ邊緣計(jì)算模塊和集成5G 模塊,實(shí)現(xiàn)前端AⅠ目標(biāo)識(shí)別跟蹤、高清圖視頻實(shí)時(shí)傳輸、遠(yuǎn)程控制等功能。應(yīng)用開(kāi)發(fā)無(wú)人機(jī)自主巡檢技術(shù),采用人工訓(xùn)練、點(diǎn)云規(guī)劃等方法逐步構(gòu)建自主巡檢路線庫(kù),逐步推進(jìn)路線自動(dòng)創(chuàng)建和調(diào)用、“一鍵操作”和標(biāo)準(zhǔn)化巡檢拍攝,結(jié)合前端智能識(shí)別模塊、5G、邊緣計(jì)算等技術(shù),實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自動(dòng)規(guī)劃路線,有效提高無(wú)人機(jī)作業(yè)質(zhì)量和效率。
當(dāng)前,對(duì)檢查數(shù)據(jù)進(jìn)行智能處理是無(wú)人機(jī)的一項(xiàng)緊迫任務(wù),也是對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行完全自主檢查的關(guān)鍵技術(shù),例如通過(guò)機(jī)器視覺(jué)輔助定位,機(jī)器視覺(jué)或激光雷達(dá)集成來(lái)獲取檢查圖像。近年來(lái),隨著人工智能技術(shù)的興起,例如多傳感器無(wú)人機(jī)的定位和導(dǎo)航,機(jī)器視覺(jué)尤其是圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展,在用于無(wú)人機(jī)的圖像數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域取得了具體的研究成果,并且已經(jīng)通過(guò)多次技術(shù)驗(yàn)證,具有廣泛的應(yīng)用范圍。