韓虎虎，祁鑫，王鶴飛，李惠翔，齊吉祥

（國(guó)電四子王旗光伏發(fā)電有限公司安全生產(chǎn)部，內(nèi)蒙古烏蘭察布 011800）

在無人機(jī)巡檢過程中，為了保證所采集到的圖像的真實(shí)性，需要對(duì)輸電線路及桿塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行近距離拍攝。由于輸電網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中存在較強(qiáng)的電磁場(chǎng)作用，所以在傳輸過程中電信號(hào)并不能保持絕對(duì)穩(wěn)定的連接狀態(tài)。對(duì)于光伏型發(fā)電網(wǎng)絡(luò)而言，無人機(jī)巡檢線路的設(shè)置，需要同時(shí)考慮基站建設(shè)、雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷囗?xiàng)應(yīng)用性問題[1]。一般情況下，地面基站輸出的電信號(hào)參量可在光伏面板中暫時(shí)寄存，當(dāng)電量主機(jī)接收到動(dòng)作指令或飛行控制信息時(shí)，這些已存儲(chǔ)的電信號(hào)會(huì)根據(jù)電感元件所處的實(shí)時(shí)位置進(jìn)行傳輸，且由于面板結(jié)構(gòu)體維穩(wěn)作用的存在，無人機(jī)巡檢項(xiàng)目同時(shí)具備抗干擾性強(qiáng)、傳輸速率快等多項(xiàng)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

光伏面板是實(shí)現(xiàn)由太陽能到電能轉(zhuǎn)化的應(yīng)用型光伏發(fā)電組件，其質(zhì)量水平的好壞直接影響電信號(hào)傳輸速率及用電行為安全。通常情況下，光伏面板表面的缺陷具有較強(qiáng)隱蔽性，在實(shí)際應(yīng)用過程中，極易出現(xiàn)漏檢或錯(cuò)檢現(xiàn)象，若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決這些問題，不但會(huì)造成傳輸電能迭代步數(shù)的快速增大，也有可能引發(fā)一系列的電能過量損失行為。傳統(tǒng)YOLOv2 網(wǎng)絡(luò)型診斷模型為解決上述問題，對(duì)電信號(hào)特征進(jìn)行實(shí)時(shí)提取，再借助組合核函數(shù)，完成對(duì)光伏面板缺陷問題的識(shí)別與處理[2]。然而此方法對(duì)于能量迭代步數(shù)上升行為的抑制能力有限，并不能較好地解決光伏發(fā)電過程中的交叉熵過量損失問題，為避免上述情況的發(fā)生，提出基于無人機(jī)巡檢的光伏面板缺陷識(shí)別方法。

1 光伏面板缺陷量提取

基于無人機(jī)巡檢的光伏面板缺陷量提取由適宜機(jī)型選擇、巡檢路徑規(guī)劃、維度災(zāi)難系數(shù)計(jì)算三個(gè)處理環(huán)節(jié)組成，具體操作方法如下。

1.1 適宜機(jī)型選擇

適合執(zhí)行光伏面板缺陷識(shí)別任務(wù)的巡檢無人機(jī)主要包含固定翼無人機(jī)、多旋翼無人機(jī)兩種型號(hào)，其具體應(yīng)用優(yōu)缺點(diǎn)如下。

1）固定翼無人機(jī)：該類型巡檢無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間較長(zhǎng)，在大電量荷載條件下，具有極快的飛行速度，能夠同時(shí)搭載多種巡檢設(shè)備。但由于整個(gè)飛行過程中，機(jī)體結(jié)構(gòu)始終采取自主控制的應(yīng)用形式，因此并不能懸停于某個(gè)固定的光伏面板結(jié)構(gòu)上端[3-4]。該類型無人機(jī)設(shè)備只能以俯視角度拍攝電網(wǎng)視頻及圖像，且由于其飛行速度較快，拍攝點(diǎn)與光伏面板之間的物理距離相對(duì)較遠(yuǎn)，所以最終采集到的視頻與圖像都只能反映出輸電線路及輸電桿塔的基本概況。

2）多旋翼無人機(jī)：該類型巡檢無人機(jī)在飛行過程中必須附帶陀螺增穩(wěn)儀結(jié)構(gòu)，且在人工遙控作用的影響下，無人機(jī)可精準(zhǔn)懸停于某個(gè)固定光伏面板結(jié)構(gòu)上端，且機(jī)體靈活性較強(qiáng)，只能在小范圍電網(wǎng)巡檢區(qū)域中執(zhí)行高效率飛行任務(wù)[5-6]。但機(jī)體所能承載的重量值極小，因此只能以鋰電池作為唯一的動(dòng)力支持，故而在實(shí)際飛行過程中，其續(xù)航時(shí)間相對(duì)較短。

1.2 巡檢路徑規(guī)劃

采用無人機(jī)進(jìn)行光伏面板缺陷識(shí)別巡檢時(shí)，其規(guī)劃路徑受到無人機(jī)性能、巡檢任務(wù)等多項(xiàng)約束條件的共同影響[7-8]。R表示無人機(jī)巡檢區(qū)域的規(guī)劃半徑，在點(diǎn)電荷帶電量均值為qˉ、光伏輸電強(qiáng)度為g、電工強(qiáng)度為W的情況下，可將規(guī)劃半徑R定義為：

在巡檢過程中，規(guī)定vmax代表無人機(jī)最大航速，假設(shè)一條航跡中共包含m個(gè)巡檢節(jié)點(diǎn)，在滿足上述物理量條件的情況下，整條巡檢航跡的總航程p需滿足：

式中，e表示起始巡檢節(jié)點(diǎn)系數(shù)，Ie表示無人機(jī)起始巡檢節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，Im表示無人機(jī)巡檢的終點(diǎn)坐標(biāo)。

無人機(jī)巡檢路徑規(guī)劃就是在電網(wǎng)空間中尋找符合光伏面板缺陷識(shí)別條件的飛行路徑，可以借助一系列節(jié)點(diǎn)確定最終的巡檢路徑長(zhǎng)度，且任意兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間只能依靠線段進(jìn)行連接。

1.3 維度災(zāi)難系數(shù)

針對(duì)維度災(zāi)難無人機(jī)巡檢任務(wù)的最主要表現(xiàn)缺點(diǎn)，在光伏面板缺陷識(shí)別過程中，若不能準(zhǔn)確計(jì)算維度災(zāi)難系數(shù)值，不但會(huì)增大光伏面板的缺陷表現(xiàn)強(qiáng)度，也有可能導(dǎo)致錯(cuò)誤識(shí)別行為的出現(xiàn)。實(shí)際上，隨著巡檢路徑規(guī)劃特征的逐漸明朗，維度災(zāi)難系數(shù)指標(biāo)會(huì)呈現(xiàn)明顯的階段性分布態(tài)勢(shì)，一般來說，上一階段的最大計(jì)算數(shù)值可直接作為下一階段的最小參考值結(jié)果[9-10]。規(guī)定x1,x2,…,xn分別代表n個(gè)不同的無人機(jī)巡檢任務(wù)定義項(xiàng)，在階段性極大值為εmax、極小值為εmin的情況下，可將維度災(zāi)難系數(shù)定義為：

其中，表示n個(gè)無人機(jī)巡檢任務(wù)定義項(xiàng)的物理均值。若將維度災(zāi)難系數(shù)看作一項(xiàng)定值參考條件，則可認(rèn)為無人機(jī)飛行器的巡檢路徑越長(zhǎng)，光伏面板缺陷識(shí)別結(jié)果也就越接近真實(shí)表現(xiàn)情況。

2 光伏面板的缺陷識(shí)別

2.1 紋理特征

運(yùn)用無人機(jī)巡檢方法識(shí)別光伏面板缺陷，應(yīng)以電量感應(yīng)圖像的紋理特征定義作為起始處理環(huán)節(jié)。在光伏發(fā)電網(wǎng)絡(luò)中，選取面板結(jié)構(gòu)的原始灰度圖像，使用數(shù)字化定義的方式，標(biāo)定圖像中具有紋理特征的像素對(duì)集合。若巡檢區(qū)域的覆蓋范圍相對(duì)較為廣泛，則具備紋理特征的像素對(duì)集合數(shù)量也相對(duì)較多，反之則相對(duì)較少[11-12]。隨著光伏發(fā)電量的不斷增大，因電量傳輸而產(chǎn)生的信號(hào)迭代步數(shù)值會(huì)對(duì)紋理特征定義結(jié)果產(chǎn)生直接影響，大體上滿足電信號(hào)傳輸量越大，電量迭代步數(shù)值就越大，此時(shí)紋理特征的像素對(duì)數(shù)量水平也相對(duì)更高。設(shè)l1、l2代表光伏面板原始灰度圖像中的兩個(gè)像素參量，β表示光伏電量的數(shù)字化定義系數(shù)，聯(lián)立式（3），可將光伏面板缺陷識(shí)別的紋理特征定義條件表示為：

通過無人機(jī)巡檢方式所獲得的光伏面板原始灰度圖像基本都具有一定強(qiáng)度的色域缺陷，因此為保證最終缺陷識(shí)別結(jié)果的有效性，在實(shí)施應(yīng)用指令之前，必須對(duì)電量信號(hào)的紋理特征進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。

2.2 顏色特征

通常情況下，光伏面板缺陷樣本均值是電信號(hào)數(shù)據(jù)集的零維表達(dá)形式，然而由于無人機(jī)巡檢思想的存在，所有電信號(hào)樣本在零維空間中都會(huì)被壓縮成相對(duì)扁平的存在形式，此時(shí)根據(jù)單純的紋理特征已經(jīng)不能得到絕對(duì)準(zhǔn)確的缺陷識(shí)別結(jié)果，因此應(yīng)在掌握電信號(hào)傳輸差異的同時(shí)，對(duì)面板結(jié)構(gòu)原始灰度圖像的顏色特征參量進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算[13-14]。圖1 反映了光伏面板缺陷圖像中的顏色特征分布情況。

圖1 光伏面板缺陷圖像的顏色特征分布

設(shè)c0代表光伏面板缺陷節(jié)點(diǎn)的初始顏色定義系數(shù)，cn代表光伏面板缺陷節(jié)點(diǎn)的最終顏色定義系數(shù)，Bmin代表最小的缺陷識(shí)別量，Bmax代表最大的缺陷識(shí)別量，k0、kn分別代表兩個(gè)不同的電信號(hào)傳輸差異系數(shù)，在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（4），可將光伏面板缺陷識(shí)別的顏色特征定義條件表示為：

2.3 識(shí)別核函數(shù)構(gòu)造

識(shí)別核函數(shù)具有較強(qiáng)的全局性，在實(shí)施光伏面板缺陷識(shí)別時(shí)，為保證所有電量節(jié)點(diǎn)都能得到相同程度的調(diào)度，應(yīng)在保證無人機(jī)航行巡檢精度的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能多地將缺陷節(jié)點(diǎn)放置在同一條直線上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)后續(xù)識(shí)別指令執(zhí)行強(qiáng)度的有效控制[15-16]。設(shè)S代表光伏面板中的電信號(hào)調(diào)度系數(shù)，a表示缺陷識(shí)別指令的全局化系數(shù)，f表示系數(shù)值為a時(shí)的電量識(shí)別精度值，聯(lián)立上述物理量，可將基于無人機(jī)巡檢的初級(jí)識(shí)別函數(shù)表示為：

設(shè)光伏電感強(qiáng)度為f，在光伏電信號(hào)輸出量為ω的情況下，可將次級(jí)識(shí)別函數(shù)表示為：

取t作為光伏電信號(hào)的折中傳輸點(diǎn)，規(guī)定最大電量缺陷強(qiáng)度值為β，此時(shí)聯(lián)立式（5）、式（7），可將基于無人機(jī)巡檢的光伏面板缺陷識(shí)別核函數(shù)表示為：

式中，φ1、φ2分別代表兩個(gè)不同的光伏面板缺陷節(jié)點(diǎn)識(shí)別系數(shù)。

至此，實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)參量的計(jì)算與處理，在開闊空間中圈定無人機(jī)飛行器的實(shí)時(shí)巡檢范圍，完成光伏面板缺陷識(shí)別方法的設(shè)計(jì)。

3 實(shí)例分析

在光伏發(fā)電網(wǎng)絡(luò)中，以圖2 所示光伏面板結(jié)構(gòu)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，面板缺陷問題的存在，極易導(dǎo)致輸電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)能量迭代步數(shù)的持續(xù)增大，從而促進(jìn)交叉熵的不斷損失。當(dāng)?shù)綌?shù)的增加速度過快時(shí)，交叉熵會(huì)出現(xiàn)明顯的過量損失行為，從而對(duì)輸電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的能量運(yùn)輸有效性造成嚴(yán)重影響。

圖2 光伏面板結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 記錄了應(yīng)用YOLOv2 網(wǎng)絡(luò)型診斷模型、無人機(jī)巡檢識(shí)別方法后，輸電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)能量迭代步數(shù)的實(shí)際數(shù)值變化情況。

圖3 能量迭代步數(shù)

分析圖3 可知，隨著輸電能耗量的增大，能量迭代步數(shù)一直呈現(xiàn)不斷上升的數(shù)值變化趨勢(shì)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，YOLOv2 網(wǎng)絡(luò)型診斷模型對(duì)應(yīng)的迭代步數(shù)均值水平相對(duì)較高，當(dāng)能耗量達(dá)到2 700 kW·h 時(shí)，其最大迭代步數(shù)值達(dá)到了279 步；而無人機(jī)巡檢識(shí)別方法對(duì)應(yīng)的迭代步數(shù)均值水平相對(duì)較低，當(dāng)能耗量達(dá)到2 700 kW·h 時(shí)，其最大迭代步數(shù)值只能達(dá)到267 步，低于YOLOv2 網(wǎng)絡(luò)型診斷模型能量迭代步數(shù)的最大值。

表1 反映了在圖3 所示迭代步數(shù)情況下，應(yīng)用YOLOv2 網(wǎng)絡(luò)型診斷模型、無人機(jī)巡檢識(shí)別方法后，電能交叉熵?fù)p失量的數(shù)值變化情況。

表1 電能交叉熵?fù)p失量

分析表1 可知，YOLOv2 網(wǎng)絡(luò)型診斷模型、無人機(jī)巡檢識(shí)別方法的電能交叉熵?fù)p失量在實(shí)驗(yàn)前期的變化形式基本保持一致，但前者的平均數(shù)值水平略高于后者，當(dāng)?shù)綌?shù)值超過250 步后，YOLOv2 網(wǎng)絡(luò)型診斷模型、無人機(jī)巡檢識(shí)別方法的交叉熵?fù)p失量數(shù)值均出現(xiàn)了較為明顯的上升狀態(tài)，但前者的上升幅度明顯高于后者。

綜上可知，在存在光伏面板缺陷的情況下，應(yīng)用無人機(jī)巡檢識(shí)別方法，既能避免輸電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)能量迭代步數(shù)的快速上升，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電能交叉熵?fù)p失量數(shù)值的有效控制，與YOLOv2 網(wǎng)絡(luò)型診斷模型相比，能夠較好解決光伏發(fā)電過程中的電能過量損失問題。

4 結(jié)束語

隨著無人機(jī)巡檢機(jī)制的應(yīng)用，新型光伏面板缺陷識(shí)別方法在YOLOv2 網(wǎng)絡(luò)型診斷模型的基礎(chǔ)上，對(duì)電信號(hào)傳輸圖像的紋理特征與顏色特征進(jìn)行準(zhǔn)確定義，再借助識(shí)別核函數(shù)，對(duì)已制定無人機(jī)巡檢路徑的實(shí)用性進(jìn)行排查。從實(shí)用性角度來看，應(yīng)用新型識(shí)別方法后，隨著輸電能耗量的增大，能量迭代步數(shù)雖然保持著一貫的上升變化趨勢(shì)，但其實(shí)際上升幅度卻出現(xiàn)了一定程度的縮小，在電信號(hào)傳輸過程中，交叉熵的實(shí)時(shí)損失量也得到了有效控制，在光伏發(fā)電過程中，較好解決了因迭代步數(shù)快速增加而引發(fā)的交叉熵?fù)p失過量問題。