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基于無人機(jī)的輸變電系統(tǒng)巡檢方法與流程

文檔序號(hào):12127820閱讀:1163來源:國(guó)知局
基于無人機(jī)的輸變電系統(tǒng)巡檢方法與流程

本發(fā)明涉及一種輸變電系統(tǒng)巡檢方法,屬于電力巡檢技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種基于無人機(jī)的輸變電系統(tǒng)巡檢方法。



背景技術(shù):

我國(guó)地理復(fù)雜,地勢(shì)西高東低,山地、高原面積廣大,有相當(dāng)一部分架空輸電線路需要通過森林、高山、河流等地勢(shì)復(fù)雜地帶,存在大量的無人區(qū)、交通死區(qū)和通訊盲區(qū),給輸電線路的勘測(cè)設(shè)計(jì)、運(yùn)行維護(hù)帶來了巨大挑戰(zhàn)和困難,特別是在冰雪災(zāi)害等惡劣天氣更是如此。傳統(tǒng)的地面人工方式因周期長(zhǎng)、效率低、回索性差、時(shí)效性低等不足,已不能適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng),特別是超高壓、特高壓電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)與運(yùn)行維護(hù)要求,急需通過現(xiàn)代化的科技手段與人工方式協(xié)同實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路的規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù),降低勞動(dòng)強(qiáng)度和人力消耗,減少成本,縮短輸電線路建設(shè)、巡檢和故障解決時(shí)間,從而最大程度地保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)的正常運(yùn)行。

隨著科技的發(fā)展,采用有人、無人飛行器搭建可見光、紅外、紫外等專用器械或測(cè)量?jī)x器對(duì)輸電線路開展巡檢作業(yè),為解決當(dāng)前困境的提供了經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)方案,也是當(dāng)前的國(guó)內(nèi)外電力行業(yè)的共同關(guān)注的實(shí)施例。

無人飛行器具有飛行低速、懸停時(shí)間長(zhǎng)、擾動(dòng)氣流小的獨(dú)特飛行優(yōu)勢(shì),可實(shí)現(xiàn)各種地形下的輸電線路超/近距離、多角度巡檢作業(yè),另外,相對(duì)于載人直升機(jī),無人飛行器具有體積小、重量輕、便攜、靈活機(jī)動(dòng)、起降條件友好等優(yōu)點(diǎn),更適合于山區(qū)輸電線路和惡劣氣候條件下特殊重點(diǎn)區(qū)域監(jiān)視,能與直升機(jī)巡檢模式形成有效補(bǔ)充。

目前無人機(jī)巡線實(shí)用化最主要的技術(shù)瓶頸是無人駕駛飛機(jī)負(fù)重有限且飛行速度、飛行高度均受到限制,需要研究解決在較高速和較遠(yuǎn)距的條件下實(shí)現(xiàn)輸電線路一體化檢測(cè)、飛機(jī)自動(dòng)跟蹤和控制、檢測(cè)儀器自動(dòng)分析和調(diào)整、圖像的快速準(zhǔn)確處理和故障識(shí)別等問題。

無人機(jī)立體航巡視圖像智能處理與狀態(tài)評(píng)估也是制約無人機(jī)能否在實(shí)際中應(yīng)用的重要因素之一。輸電線路立體航巡視圖智能處理,包括圖像預(yù)處理、圖像檢測(cè)和模式識(shí)別等關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)前,現(xiàn)有技術(shù)的研究主要集中在圖像采集的穩(wěn)定性和圖像質(zhì)量的改善上,主要應(yīng)用于攝像機(jī)的智能控制方面,輸電線路故障的識(shí)別與定位方面研究較少;現(xiàn)有技術(shù)在輸電線路提取與識(shí)別、弧垂測(cè)量等方面已有初步成果,但對(duì)導(dǎo)線覆冰厚度、導(dǎo)線灼傷、導(dǎo)地線斷股、絕緣子污閃等重要缺陷的圖像監(jiān)測(cè)方法研究較少。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述的技術(shù)問題,提供了一種基于無人機(jī)的輸變電系統(tǒng)巡檢方法。該方法應(yīng)用圖像處理技術(shù)對(duì)無人機(jī)采集的圖像進(jìn)行平滑和銳化優(yōu)化,解決了硬件造成的圖像質(zhì)量問題,融合圖像識(shí)別和故障檢測(cè)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)識(shí)別和故障檢測(cè),開發(fā)了輸電線路無人機(jī)巡檢圖像處理系統(tǒng)。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)應(yīng)用圖像處理技術(shù)對(duì)無人機(jī)采集的圖像進(jìn)行平滑和銳化優(yōu)化,解決了硬件造成的圖像質(zhì)量問題,融合圖像識(shí)別和故障檢測(cè)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)識(shí)別和故障檢測(cè),開發(fā)了輸電線路無人機(jī)巡檢圖像處理系統(tǒng)。(2)實(shí)現(xiàn)了基于輸電線路真實(shí)三維數(shù)據(jù)的智能優(yōu)化自動(dòng)、半自動(dòng)規(guī)劃選線、林木砍伐量和房屋拆遷量自動(dòng)統(tǒng)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)線路基礎(chǔ)保護(hù)距離檢測(cè)及安全預(yù)警。

附圖說明

圖1是利用本發(fā)明進(jìn)行通道激光數(shù)據(jù)掃描巡航的示意圖;圖2-1是架空導(dǎo)線覆冰前的絞線圖;圖2-2是經(jīng)過邊緣提取后的導(dǎo)線邊緣圖;圖3-1是覆冰導(dǎo)線灰度圖;圖3-2是覆冰導(dǎo)線二值圖;圖3-3是覆冰導(dǎo)線邊緣圖;圖4是導(dǎo)線約傷后的示意圖;圖5是遠(yuǎn)程視頻傳輸邏輯圖;圖6是本實(shí)施例的視頻傳輸系統(tǒng)示意圖;圖7是基于三維激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)的輸電線路規(guī)劃設(shè)計(jì)流程示意圖;圖8是基于衛(wèi)星遙感影像的線路初選圖;圖9是基于地形圖數(shù)據(jù)的線路初選圖;圖10是激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)采集的輸電線路走廊數(shù)據(jù)成果索引示意圖;圖11是智能選線技術(shù)路線流程圖;圖12是自動(dòng)規(guī)劃線路三維效果圖;圖13是DLG中房屋矢量數(shù)據(jù);圖14是方形直線塔8個(gè)塔基斷面方向示意圖;圖15是方形轉(zhuǎn)角塔8個(gè)塔基斷面方向示意圖;圖16是基于傳統(tǒng)傳統(tǒng)線路運(yùn)行維護(hù)流程示意圖;圖17是基于三維激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)的輸電線路運(yùn)行流程示意圖;圖18是邊相導(dǎo)線對(duì)樹示意圖;圖19是護(hù)坡預(yù)設(shè)計(jì)效果。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例:

1、無人機(jī)巡檢工作模式

本實(shí)施例中主要圍繞創(chuàng)建無人機(jī)輸電線路立體航巡的研究目標(biāo),研究無人機(jī)巡檢任務(wù)的各種工作模式,并在此基礎(chǔ)上,開展線路設(shè)備及通道狀態(tài)識(shí)別和評(píng)估、決策分析、應(yīng)急指揮等技術(shù)手段和管理策略。

無人機(jī)可搭載圖像采集和三維激光雷達(dá)等任務(wù)設(shè)備,具有飛行低速、可懸停的獨(dú)特飛行優(yōu)勢(shì),可克服復(fù)雜地形對(duì)巡檢作業(yè)的影響,實(shí)現(xiàn)各種地形下的輸電線路多任務(wù)巡檢作業(yè);可以進(jìn)行長(zhǎng)距離人工控制航巡或自動(dòng)導(dǎo)航巡視,以及對(duì)設(shè)備故障和異常情況進(jìn)行短距離或定點(diǎn)巡查,實(shí)現(xiàn)多角度巡視檢查;可以通過無人機(jī)進(jìn)行全景拍攝和三維激光數(shù)據(jù)建模,形成全景化線路走廊通道,實(shí)現(xiàn)線路全景式巡視管理。

1)無人機(jī)巡檢工作方案

開展無人機(jī)多層次、多任務(wù)的航巡工作,是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)線路立體航巡的基礎(chǔ)。

(1)無人機(jī)中遠(yuǎn)距離航巡模式

主要完成線路常規(guī)的巡視檢查任務(wù),或搭載其他特定任務(wù)設(shè)備完成專項(xiàng)工作任務(wù),如無人機(jī)三維激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集,以建立三維實(shí)景化線路走廊。

本任務(wù)模式適用于大中型無人直升機(jī),具有一定的續(xù)航能力和載重要求。

無人機(jī)中遠(yuǎn)距離航巡模式宜采用自動(dòng)巡檢方案,其適用于輸電線路一般需要每月巡檢一次,無人飛行器可以很方便的用來對(duì)輸電線路進(jìn)行巡檢,大大節(jié)省人力物力。

自動(dòng)巡檢需提前設(shè)置線路航巡軌道,可以采用如下兩種方式:

a.人工預(yù)先干預(yù)模式:首先采用人工方式對(duì)桿塔、絕緣子、線路進(jìn)行巡查,記錄下重要點(diǎn)的GPS信息,如起始桿塔位置、弧垂位置、下一個(gè)桿塔位置,并對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ),并輸入到無人飛行器存儲(chǔ)器中,以后巡查即按該次記錄的點(diǎn)進(jìn)行自主導(dǎo)航。

b.自主導(dǎo)航模式:直接輸入各桿塔的GPS坐標(biāo),設(shè)定航線與航向,對(duì)桿塔、絕緣子、線路進(jìn)行巡查。

以本實(shí)施例研究中在武漢鳳凰山實(shí)訓(xùn)線路航巡為例,無人機(jī)的巡線航跡將按工作任務(wù)要求沿著輸電線路設(shè)置來回往返的航向。無人機(jī)將在在線路的一側(cè)斜上方100米處飛行,飛行航速在7m/s左右,自動(dòng)航巡完成采集任務(wù)。飛行過程中的可見光圖像和其他采集任務(wù)信息實(shí)時(shí)的回傳到指揮保障車。

(2)無人機(jī)短距離或定點(diǎn)巡檢模式

主要采取定點(diǎn)查找方案,通過人工飛行控制方式對(duì)設(shè)備缺陷和異常情況進(jìn)行專項(xiàng)巡查,或?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行航拍、應(yīng)急指揮監(jiān)控等。本任務(wù)模式適用于小型無人機(jī),如四旋翼飛行器。

定點(diǎn)查找方案的適用范圍:當(dāng)線路保護(hù)裝置告警后,我們往往只能知道大致范圍和原因,由于某些缺陷靠人工很難發(fā)現(xiàn),而且人工作業(yè)耗時(shí)耗力,風(fēng)險(xiǎn)也較大,因此無人飛行器可以很方便地用來查找故障,具體來說又分為幾種情況:一是當(dāng)僅知道故障大致范圍,而無法精確定位故障地點(diǎn)時(shí),對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行查找。二是當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障或異常情況時(shí),需要對(duì)缺陷進(jìn)行詳細(xì)檢查,取得圖像供技術(shù)人員進(jìn)行分析。

在采取短距離或定點(diǎn)檢查時(shí),本實(shí)施例研究中還具體開展無人機(jī)巡線作業(yè)移動(dòng)式指揮決策研究。

定點(diǎn)查找方案的工作模式如下:

a.對(duì)桿塔、絕緣子及金具進(jìn)行檢查時(shí),以5m/s速度到達(dá)鐵塔附近大約30米左右,然后緩慢飛近目標(biāo),當(dāng)?shù)竭_(dá)目標(biāo)高度及約10米時(shí),穩(wěn)定飛行器,控制云臺(tái)的角度利用攝像機(jī)和照相機(jī)進(jìn)行拍照;

b.對(duì)導(dǎo)地線及金具進(jìn)行檢查時(shí),以5m/s速度到達(dá)導(dǎo)地線附近大約30米左右,然后控制云臺(tái)平視,飛行器緩緩飛近目標(biāo),當(dāng)?shù)竭_(dá)目標(biāo)高度及約10米時(shí),穩(wěn)定飛行器進(jìn)行拍攝。

采用四旋翼無人飛行器在線路短距離巡檢中,也可進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)航工作模式:

在進(jìn)行巡檢工作前,將要巡檢的工作區(qū)域按照每0.6公里為一個(gè)區(qū)段進(jìn)行劃分,確保每個(gè)區(qū)域的中間點(diǎn)附近可以由無人飛行器運(yùn)輸/指揮/保障車到達(dá),以此點(diǎn)為無人飛行器的起飛點(diǎn)。

巡檢工作開始時(shí),將輸電線路無人飛行器巡檢系統(tǒng)運(yùn)輸?shù)狡痫w點(diǎn)。在此展開地面站,檢查無人飛行器機(jī)械、飛控、通信等子系統(tǒng)。檢查完畢后,啟動(dòng)無人飛行器開始巡檢工作。無人飛行器的巡線航跡將沿著輸電線完成一個(gè)單程0.6公里,全程1.2公里的C形航向。無人飛行器將在首先在線路的一側(cè)斜上方30米處飛行,在線路終點(diǎn)跨越輸電線到另一側(cè)斜上方30米處巡線飛行0.6公里。在線路的另一端終點(diǎn)再次跨越輸電線飛行0.6公里。最后返回運(yùn)輸/指揮/保障車附近降落。飛行過程中的可見光和紅外圖像信息實(shí)時(shí)的回傳到運(yùn)輸/指揮/保障車。同時(shí),當(dāng)無人飛行器返回地面后,收集機(jī)載設(shè)備記錄下的數(shù)據(jù),在地面站上對(duì)數(shù)據(jù)分析進(jìn)行深入分析。對(duì)于其他的巡線區(qū)段同上述巡檢方式。

(3)、相關(guān)技術(shù)要求

關(guān)于無人機(jī)與輸電線路的相對(duì)位置。飛行前即初步制定了從線路側(cè)面飛行和上方飛行兩個(gè)方案。但若考慮安全性的話,在線路上方飛行雖然易于對(duì)線路設(shè)備全面的進(jìn)行檢查拍攝,卻存在極大安全隱患,不推薦使用該方式。綜合分析可知,重點(diǎn)采取的工作模式應(yīng)為在線路側(cè)面飛行。為此,發(fā)明人組織了數(shù)次實(shí)地的飛行工作試驗(yàn),并確認(rèn)側(cè)面飛行基本能滿足巡檢的拍攝要求,只是對(duì)最遠(yuǎn)端輸電設(shè)備的巡檢效果相對(duì)稍差。

關(guān)于無人機(jī)與輸電線路的相對(duì)距離。從工作效果上看,離線路越近,檢查和拍攝的效果越好,但安全上卻是不允許的,必須控制一定的安全距離裕度,尋找最佳的相對(duì)距離。當(dāng)然這也跟飛機(jī)的安全性能有一定的關(guān)系。發(fā)明人組織的實(shí)地飛行工作試驗(yàn)證明,四旋翼飛行器進(jìn)行巡檢工作時(shí),保持離邊導(dǎo)線10m的相對(duì)距離為佳,必要時(shí)可短時(shí)控制在5m,但不得進(jìn)一步突破。無人直升機(jī)航巡時(shí)宜在線路側(cè)上方30~50m外(對(duì)地相對(duì)高度約100m左右)。

關(guān)于無人機(jī)的巡航高度。由于吊艙設(shè)備安裝在飛機(jī)底部,為便于巡檢檢查和吊艙設(shè)備的最佳拍攝,無人飛行器最好是在線路的斜上方飛行。一般而言,采用一定角度俯視的效果最好。

(4)、相關(guān)安全要求

無人機(jī)巡檢是在高空作業(yè),存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn),安全性是無人機(jī)巡檢中壓倒一切的問題,飛行安全必須事前分析預(yù)想,提前進(jìn)行防范,制定控制措施。對(duì)安全的控制應(yīng)從人員設(shè)備、工作環(huán)境和天氣影響等幾方面控制。

人員設(shè)備上,無人機(jī)的設(shè)備狀況應(yīng)按航空安全管理要求進(jìn)行檢查控制,不違反航空管制要求是飛行安全性的有效保證。在無人機(jī)巡檢工作中,安全隱患容易發(fā)生在人身上,例如駕駛員的飛行能力、精神狀況,以及工作人員的配合不當(dāng)干擾飛機(jī)操作等,這些都是必須控制的。因此,飛行過程建議實(shí)行操作員負(fù)責(zé)制,飛機(jī)操作員操作前必須確保自身的精神狀況,帶病或精力不濟(jì)都不得強(qiáng)行飛行;根據(jù)當(dāng)時(shí)天氣狀況、自身巡線飛行經(jīng)驗(yàn)、身體狀況等因素,操作員可綜合決策做出能否進(jìn)行某項(xiàng)飛行動(dòng)作的決定,其他人員不得強(qiáng)行干預(yù)。同時(shí),操作員和巡線員在飛行前應(yīng)研究確定飛行路線、休息地點(diǎn)、提示危險(xiǎn)地帶等一系列有關(guān)飛行安全的問題,進(jìn)行充分的準(zhǔn)備。除此之外,工作人員應(yīng)配備必要的安全防護(hù)裝備。

工作環(huán)境上,影響飛行安全的因素較多,例如如航道內(nèi)不易發(fā)現(xiàn)的障礙物,線路工作環(huán)境中線路設(shè)備(如不易注意的線路避雷線、發(fā)電站及變電站的避雷針等)、交叉跨越及鄰居線路或山體等,均是容易發(fā)生危險(xiǎn)的地方。無人機(jī)飛行除自動(dòng)導(dǎo)航外,主要是目視飛行,靠操控員的目視來發(fā)現(xiàn)危急飛行安全的目標(biāo),因此,飛行應(yīng)在可見度較好的天氣下進(jìn)行,這樣也便于發(fā)現(xiàn)障礙物;另一方面,操作者應(yīng)避免對(duì)著太陽飛行,防止視線受到干擾;三是應(yīng)強(qiáng)調(diào)巡線飛行時(shí),操作員要有意識(shí)地隨時(shí)與線路保持視線接觸,以便保持無人飛行器與線路的安全距離;最后需要強(qiáng)調(diào)的是,危險(xiǎn)區(qū)域及迷失線路時(shí),飛機(jī)要拔高,飛離危險(xiǎn)處,禁止低空飛行。除此之外,無人機(jī)巡線工作應(yīng)避免在危險(xiǎn)區(qū)域飛行,禁止在平行線路中間、線路上方及變電站和發(fā)電廠上方飛行。對(duì)于飛行安全的控制,駕駛員及工作人員必須熟悉工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境,應(yīng)設(shè)置必要的飛行指示標(biāo)志和建立危險(xiǎn)標(biāo)識(shí)系統(tǒng),定義鄰近區(qū)(如定義線路兩側(cè)50m內(nèi))、設(shè)置標(biāo)識(shí)牌/球、建立飛行巡線專用地圖等。

天氣影響上,結(jié)合無人機(jī)主要靠目視操作的現(xiàn)狀,一般應(yīng)在良好的天氣狀況下作業(yè),大風(fēng)、雷雨等天氣禁止飛行,另外禁止夜航巡檢。工作中,應(yīng)注意盡量在背風(fēng)線路側(cè)飛行,避免順風(fēng)懸停。超高壓線路相對(duì)線路距離長(zhǎng),位于不同的地理區(qū)域,天氣的變化也不一樣,航巡前必須掌握線路區(qū)域的天氣狀況,確保飛行安全。

2)通道激光數(shù)據(jù)掃描巡航方案

在無人機(jī)航巡任務(wù)中,搭載三維激光雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行通道激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描采集,以建立全景化線路通道走廊,實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的生產(chǎn)指揮、狀態(tài)評(píng)估等立體航巡的高級(jí)應(yīng)用功能。

參考相關(guān)規(guī)范、前期在規(guī)劃選線中的經(jīng)驗(yàn)、設(shè)備性能和工程需求,在規(guī)劃選線的要求基礎(chǔ)上,本實(shí)施例針對(duì)線路運(yùn)行維護(hù)增加了如下數(shù)據(jù)采集要求:

以實(shí)際輸電線路為中線,采集范圍不少于線路兩側(cè)各100m,線路起點(diǎn)、終點(diǎn)處縱向各向外延伸20m。

實(shí)驗(yàn)應(yīng)進(jìn)行多次不同高度及速度飛行,以得到不同的點(diǎn)云密度和精度數(shù)據(jù)。其中最優(yōu)數(shù)據(jù)的要求如下:

影像地面分辨率優(yōu)于0.05m;點(diǎn)密度優(yōu)于30p/m2;高程精度優(yōu)于0.15m;平面精度優(yōu)于0.2m。

經(jīng)飛行場(chǎng)地實(shí)地踏勘,確定飛行范圍。根據(jù)桿塔的高度及周圍設(shè)施分布情況確定航向、飛行高度以及航帶間的重疊度,確保掃描無遺漏、無死角。根據(jù)飛行平臺(tái)的具體特點(diǎn),設(shè)定了5條航線,飛行相對(duì)航高在100m,航間距為35m,飛行速度在3-8m/s。飛行區(qū)間的平面范圍為1400m×200m。

2無人機(jī)立體航巡視圖像智能處理與狀態(tài)評(píng)估技術(shù)

圖像處理技術(shù)和GPS技術(shù)在電力系統(tǒng)領(lǐng)域中的應(yīng)用使直升機(jī)自動(dòng)巡檢成為可能,同時(shí)也為無人機(jī)在電力巡檢中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。輸電線路立體航巡視圖智能處理,包括圖像預(yù)處理、圖像檢測(cè)和模式識(shí)別等關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)前,國(guó)外研究成果主要集中在圖像采集的穩(wěn)定性和圖像質(zhì)量的改善上,主要應(yīng)用于攝像機(jī)的智能控制方面,輸電線路故障的識(shí)別與定位方面研究較少;國(guó)內(nèi)研究在輸電線路提取與識(shí)別、弧垂測(cè)量等方面已有初步成果,但對(duì)導(dǎo)線覆冰厚度、導(dǎo)線灼傷、導(dǎo)地線斷股、絕緣子污閃等重要缺陷的圖像監(jiān)測(cè)方法研究較少,因此本節(jié)主要利用圖像智能處理技術(shù)對(duì)導(dǎo)線覆冰厚度、導(dǎo)線灼傷、絕緣子污閃等重要缺陷展開研究,并開發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)。

2.1導(dǎo)線覆冰厚度檢測(cè)算法

在輸變電系統(tǒng)中,輸電線路的覆冰現(xiàn)象十分普遍,覆冰可引起導(dǎo)線舞動(dòng)、倒桿、斷線及絕緣子閃絡(luò)等重大事故,嚴(yán)重威脅到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行,并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。本系統(tǒng)通過圖像處理技術(shù)對(duì)導(dǎo)地線覆冰厚度進(jìn)行檢測(cè),符合現(xiàn)代輸電線路智能化發(fā)展的方向。

覆冰厚度計(jì)算的主要依據(jù)覆冰前后的上下邊緣的像素點(diǎn)的差值,通過像素差值轉(zhuǎn)化為覆冰后的厚度。如圖2-1為架空導(dǎo)線覆冰前的絞線圖,經(jīng)過邊緣提取后的邊緣圖像如圖2-2。

如圖3-1至圖3-3所示,圖3-1覆冰導(dǎo)線灰度圖,先對(duì)其閾值分割,將其轉(zhuǎn)化為二值圖,如圖3-2,最后采用Canny算子對(duì)圖3-2進(jìn)行邊緣檢測(cè)得到圖3-3,統(tǒng)計(jì)上下邊緣的總像素,計(jì)算導(dǎo)線覆冰后上下邊緣的平均像素。

2.2導(dǎo)線灼傷點(diǎn)檢測(cè)算法

導(dǎo)線遭雷擊后容易出現(xiàn)灼傷點(diǎn)甚至出現(xiàn)斷線,人眼容易察覺雷擊斷線,但難以判斷雷擊后灼傷點(diǎn)面積,故本系統(tǒng)對(duì)雷擊后導(dǎo)線出現(xiàn)灼傷點(diǎn)進(jìn)行分析和檢測(cè),可為輸電線路故障提供參考。

從圖4中可以看到,導(dǎo)線出現(xiàn)灼傷后,其灼傷區(qū)域呈現(xiàn)為白色,正而常導(dǎo)線在圖像中顏色應(yīng)為黑褐色,因此導(dǎo)線處和灼傷處灰度值具有明顯差別,故可通過統(tǒng)計(jì)灼傷處的像素點(diǎn)總數(shù)所占的百分比占該段導(dǎo)線的面積百分比來確定其損傷的程度。

3.基于無人機(jī)的輸電線路實(shí)時(shí)監(jiān)控及應(yīng)急指揮技術(shù)

研究遠(yuǎn)程圖像傳輸系統(tǒng)的主要目的是將無人機(jī)拍攝的輸電線路現(xiàn)場(chǎng)視頻信息傳回后方生產(chǎn)應(yīng)急指揮中心,實(shí)現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控和指揮,為遠(yuǎn)程應(yīng)急指揮提供有力的技術(shù)保障,提高輸電線路應(yīng)急指揮的機(jī)動(dòng)性和快速反應(yīng)能力,確保對(duì)突發(fā)缺陷的實(shí)時(shí)監(jiān)控和快速應(yīng)急響應(yīng)。

無人機(jī)視圖的輸電線路實(shí)時(shí)監(jiān)控及應(yīng)急指揮技術(shù)由無人機(jī)地面站、遠(yuǎn)程移動(dòng)視頻傳輸設(shè)備、后方指揮中心三大節(jié)點(diǎn)組成,如圖5所示。其中,地面站主要用于接收無人機(jī)發(fā)射回的圖像視頻信號(hào),相當(dāng)于一部無人地面接收機(jī),作為遠(yuǎn)程傳輸?shù)男盘?hào)源;遠(yuǎn)程視頻傳輸設(shè)備先采集視頻圖像,進(jìn)行壓縮編碼,接著通過網(wǎng)絡(luò)將壓縮視頻數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器;指揮中心為視頻圖像遠(yuǎn)程傳輸?shù)慕邮芏耍瑢?duì)于現(xiàn)場(chǎng)視頻信息進(jìn)行接收,便于遠(yuǎn)程監(jiān)控和應(yīng)急指揮。

3.1圖像與視頻數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程傳輸

圖像與視頻數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)以下功能:圖像采集設(shè)備主要對(duì)輸電線、桿塔、金具等目標(biāo)物體的觀測(cè)進(jìn)行高分辨率照片的采集,進(jìn)而分析線路設(shè)備缺損狀況;地面操控人員則根據(jù)機(jī)載攝像機(jī)的視頻信息,對(duì)無人飛行器進(jìn)行飛行控制。

目前,由于無人飛行器通訊傳輸一般為通視情況下有效進(jìn)行,且無人飛行器對(duì)搭載設(shè)備體積和重量的限定導(dǎo)致了發(fā)射機(jī)功率的有限,所以其通訊距離為4-5公里,不利于信息的遠(yuǎn)程傳輸。為確保無人飛行器拍攝的視頻與圖像信息及時(shí)回傳至三四百公里外(按湖北省內(nèi)運(yùn)維線路計(jì)算)的后方生產(chǎn)指揮中心,發(fā)明人將無人機(jī)的地面信息接收系統(tǒng)與遠(yuǎn)程無線視頻傳輸技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)應(yīng)急指揮系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。

1)網(wǎng)絡(luò)傳輸模式的選擇

目前實(shí)現(xiàn)視頻圖像遠(yuǎn)程傳輸?shù)募夹g(shù)主要有微波無線網(wǎng)橋、COFDM、CDMA/GPRS/3G等。微波無線網(wǎng)橋:工作頻點(diǎn)為2.4G、5.8G,但主要用來固定點(diǎn)對(duì)固定點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸,無法應(yīng)用在高速移動(dòng)的無人飛行器和地面指揮車之間的無線通信。

COFDM:COFDM(編碼正交頻分復(fù)用)調(diào)制技術(shù)是最新的無線傳輸技術(shù),在實(shí)際使用中實(shí)現(xiàn)了“抗阻擋”、“非視距”、“動(dòng)中通”的高速數(shù)據(jù)傳輸(2-20Mbps),表現(xiàn)出卓越的“繞射”、“穿透”性能。數(shù)字視頻傳輸模塊采用COFDM技術(shù),將無人飛行器搭載的攝像機(jī)所采集電力線路與鐵塔的圖像實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛嬲?,無線鏈路抗干擾性好,并具有加密功能,與飛行遠(yuǎn)程遙控任務(wù)、自動(dòng)駕駛?cè)蝿?wù)完美兼容,優(yōu)良的無線鏈路特性保證了高速飛行中的穩(wěn)定傳輸。

GSM/GPRS/3G:GSM/GPRS為移動(dòng)通信公網(wǎng)技術(shù),很成熟,但傳輸速率一般在100Kbps左右,無法傳輸大于2Mbps的高質(zhì)量圖像;且保密機(jī)制不健全,視頻畫面延時(shí)5~10秒鐘,無法滿足無人飛行器通訊實(shí)時(shí)性的要求。而CDMA 3G作為電信行業(yè)的成熟通信網(wǎng)絡(luò),性能穩(wěn)定,易于實(shí)現(xiàn),且具備較強(qiáng)的文字與圖片傳輸能力。

通過上述網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的對(duì)比分析,本實(shí)施例選用電信的CDMA 3G作為視頻圖像遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)的承載網(wǎng)絡(luò)。

2)傳輸設(shè)備的設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程視頻傳輸裝置是本研究環(huán)節(jié)的核心內(nèi)容,其是一個(gè)集視頻采集、實(shí)時(shí)壓縮及處理、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ転橐惑w的嵌入式設(shè)備,該裝置的邏輯圖如圖6所示。

其中各個(gè)模塊的功能和技術(shù)細(xì)節(jié)如下:

①視頻采集模塊

主要是將地面站視頻信號(hào)輸入采集,可以提供不間斷的信息源,視頻采集模擬視頻序列中的每幀圖像,并在采集下一幀圖像之前把這些數(shù)據(jù)傳入PC系統(tǒng)。

②實(shí)時(shí)壓縮及處理模塊

其中圖像編碼是視頻遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)中最關(guān)鍵的一步,視頻壓縮編碼采用H.264編碼,它采用"回歸基本"的簡(jiǎn)潔設(shè)計(jì),不用眾多的選項(xiàng),獲得比H.263++好得多的壓縮性能。

③網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

網(wǎng)絡(luò)傳輸中最大問題為無線信道中存在著Rayleigh衰減和多用戶干擾,降低了重建圖像的質(zhì)量。為了實(shí)現(xiàn)良好質(zhì)量的視頻傳輸,必須結(jié)合無線信道的傳輸特性,采取一定的容錯(cuò)措施。發(fā)明人通過測(cè)試發(fā)現(xiàn),2張CDMA卡比單純1張CDMA卡傳輸圖像更加流暢,且將事故現(xiàn)場(chǎng)的圖像經(jīng)過壓縮和分組后通過CDMA無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。

將視頻采集模塊、實(shí)時(shí)壓縮及處理模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊按照上述的技術(shù)要求搭建成圖像裝傳輸裝置。

4.基于無人機(jī)的輸電線路規(guī)劃設(shè)計(jì)

1)規(guī)劃選線

用無人直升機(jī)搭載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)可以快速對(duì)線路走廊進(jìn)行高精度三維測(cè)量,從而為輸電線路的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)、管理企業(yè)和專業(yè)人員提供更快速、更高效和更科學(xué)的手段。采用激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng),可以直接采集線路走廊高精度激光點(diǎn)云和高分辨率航空數(shù)碼影像,進(jìn)而獲得高精度三維線路走廊地形地貌、線路設(shè)施設(shè)備,以及走廊地物的精確三維空間信息,包括桿塔、掛線點(diǎn)位置、電線弧垂、樹木、建筑物等,從而為輸電線路規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行維護(hù)提供高精度測(cè)量數(shù)據(jù)成果。

a.總體思路概述

輸電線路對(duì)穿越空間有著嚴(yán)格條件限制,是一項(xiàng)極為細(xì)致與復(fù)雜的工作。一般而言,輸電線路選線是先在1:10000或者1:50000地形圖上初步確定一條較好的路徑,結(jié)合各重點(diǎn)區(qū)域踏勘進(jìn)行局部變動(dòng)。地形圖資料一般由測(cè)繪機(jī)構(gòu)提供。由于傳統(tǒng)的圖紙是二維的,三維信息只能依靠等高線或高程注記來表現(xiàn),產(chǎn)品單一、不直觀,設(shè)計(jì)人員提交的最終設(shè)計(jì)成果也是圖紙和文字說明資料。由于我國(guó)現(xiàn)用的小比例尺地形圖大多是20世紀(jì)70-80年代或更早測(cè)繪的,因而無法較精確的反映出當(dāng)前地形、地物的狀況;采用常規(guī)手段所施測(cè)地形圖,速度慢、工期長(zhǎng),且由于人工野外選線工作很大程度上受到設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和視野影響,只能盡量保證線路能走通,很難進(jìn)行優(yōu)化;所以現(xiàn)在設(shè)計(jì)單位普遍采用遙感影像來做線路的初選,該技術(shù)可以將野外現(xiàn)場(chǎng)較大范圍內(nèi)的三維環(huán)境搬到室內(nèi),設(shè)計(jì)人員可以在室內(nèi)充分熟悉掌握線路地理環(huán)境信息,相對(duì)于傳統(tǒng)工測(cè)手段來說,更容易實(shí)現(xiàn)路徑和塔位優(yōu)化。

無人直升機(jī)搭載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)相對(duì)于航空攝影測(cè)量技術(shù),不僅能為設(shè)計(jì)人員提供更準(zhǔn)確、更主觀的線路走廊野外真實(shí)環(huán)境信息,而且這些信息是全數(shù)字化的,能為多種常規(guī)軟硬件支持,操作和應(yīng)用更加靈活方便,應(yīng)用該技術(shù)不僅會(huì)大大節(jié)約設(shè)計(jì)、勘測(cè)費(fèi)用,縮短作業(yè)周期,使設(shè)計(jì)更為合理,而且能快速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電力、電網(wǎng)信息的網(wǎng)絡(luò)化和可視化管理,可以產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。

b.總體技術(shù)流程

在掌握激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合輸電線路選線作業(yè)流程要求,發(fā)明人設(shè)計(jì)了基于無人直升激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)的輸電線路規(guī)劃設(shè)計(jì)流程(如圖7所示),流程關(guān)鍵環(huán)節(jié)描述如下:

(1)首先,以1:10000或1:50000的地形圖數(shù)據(jù)或衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)為參考,初步確定一條較好的輸電線路路徑,完成線路初選并輸出路徑成果。如圖8、圖9所示。

(2)基于初選線路路徑,4,航帶寬度通常為2-3km。對(duì)采集的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理,得到激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)、數(shù)字正射影像DOM、數(shù)字表面模型DSM、數(shù)字高程模型DEM和數(shù)字線劃圖DLG,并將這些數(shù)據(jù)提供給設(shè)計(jì)部門進(jìn)行路徑初步優(yōu)化。如圖10所示。(3)測(cè)量專業(yè)技術(shù)人員利用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)輸出調(diào)繪圖,并進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪。(4)結(jié)合激光雷達(dá)數(shù)據(jù)、調(diào)繪成果數(shù)據(jù)和其他輔助數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)人員在專門定制開發(fā)的輸電線路優(yōu)化選線設(shè)計(jì)軟件(如本實(shí)施例中的“輸電線路三維實(shí)景應(yīng)用管理系統(tǒng)”)中,進(jìn)行線路路徑自動(dòng)選擇、線路路徑人工優(yōu)化、預(yù)排塔位,并輸出路徑成果、影像路徑圖、三維景觀等選線設(shè)計(jì)成果。

(5)利用選線設(shè)計(jì)成果到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行終勘定位和施工放樣。

(6)選線的測(cè)量設(shè)計(jì)成果也可以為后期電網(wǎng)三維可視化管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

c.工程實(shí)踐

利用數(shù)據(jù)產(chǎn)品DEM、DOM和DLG,可以在軟件平臺(tái)(本試驗(yàn)中應(yīng)用的是武漢大學(xué)開發(fā)的“輸電線路三維實(shí)景應(yīng)用管理系統(tǒng)”)中構(gòu)建逼真的三維場(chǎng)景,設(shè)計(jì)人員可以從不同的視角查看線路周圍的地物、地貌特征,可以量測(cè)各種有影響的地物距離線路的距離,可以通過放大、縮小、漫游還可以看到全路徑的地形條件,可以綜合考慮沿線的交通運(yùn)輸、施工和運(yùn)行維護(hù)的難易程度、對(duì)地物的影響及受地形的影響等,從而使線路走徑更合理更經(jīng)濟(jì),對(duì)附近環(huán)境和居民的影響降低到最小。本實(shí)施例首次在軟件平臺(tái)中成功實(shí)現(xiàn)了智能選線、房屋拆遷量自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、林木砍伐量自動(dòng)統(tǒng)計(jì)和塔基斷面自動(dòng)獲取等功能。

(1)智能選線

首先,用戶需要將外業(yè)調(diào)繪資料錄入軟件平臺(tái),根據(jù)對(duì)選線結(jié)果的影響因素大小,可將影響因素進(jìn)行分級(jí)。錄入完成后,再進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置、線路起始點(diǎn)坐標(biāo)輸入和導(dǎo)引點(diǎn)選擇等,然后系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)實(shí)際地形地貌及復(fù)雜約束條件等限制進(jìn)行運(yùn)算分析。通過對(duì)生成的多條路徑進(jìn)行比較分析,最終確定并生成符合條件的兩條最優(yōu)路徑,在系統(tǒng)中進(jìn)行顯示。具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)路線如流程圖11所示:

其中,設(shè)置分為參數(shù)設(shè)置和線路設(shè)置,參數(shù)設(shè)置包括耐張段最大長(zhǎng)度、耐張段最小長(zhǎng)度、最大轉(zhuǎn)角度數(shù)和最大坡度等;線路設(shè)置包括:線路名、電壓等級(jí)、起始點(diǎn)坐標(biāo)(人工輸入、讀取文件或鼠標(biāo)點(diǎn)擊等)等,如圖12所示。

(2)人工編輯

人工編輯是用戶通過三維場(chǎng)景的實(shí)時(shí)觀測(cè),對(duì)智能選線結(jié)果存在不足的地方進(jìn)行人為干預(yù),編輯修改以達(dá)到最佳規(guī)劃效果。設(shè)計(jì)人員可以利用系統(tǒng)提供的人工編輯功能,如添加支線、自動(dòng)連線、插入桿塔和移動(dòng)桿塔等功能在二維平面內(nèi)進(jìn)行線路的編輯處理;

(3)房屋拆遷量自動(dòng)統(tǒng)計(jì)

本實(shí)施例采集獲取輸電線路拆遷區(qū)房屋信息,并自動(dòng)生成輸電線路拆遷量計(jì)算報(bào)表。主要步驟如下:(a)利用三維激光雷達(dá)數(shù)據(jù)生成的數(shù)字正射影像DOM疊加點(diǎn)云數(shù)據(jù),精確獲取輸電線路拆遷區(qū)房屋輪廓和房屋點(diǎn)云數(shù)據(jù),用此數(shù)據(jù)生成數(shù)字建筑物模型DBM,對(duì)DBM進(jìn)行坡度計(jì)算以確定房屋類型;(b)用數(shù)字高程模型DEM對(duì)數(shù)字建筑物模型DBM進(jìn)行歸一化,結(jié)合房屋類型,計(jì)算房屋平均對(duì)地高度,生成房屋高度數(shù)據(jù)集,以獲得拆遷區(qū)房屋高度;(c)用拆遷區(qū)房屋高度數(shù)據(jù)集獲取房屋層高;(d)用c、b的結(jié)果確定房屋層數(shù)、房屋面積;(e)用上述結(jié)果結(jié)合線路路徑信息輸出輸電線路拆遷量計(jì)算報(bào)表。

步驟(a)對(duì)DBM進(jìn)行坡度計(jì)算以確定房屋類型是指,計(jì)算DBM中每個(gè)房屋區(qū)域中心與中心臨近格網(wǎng)間的高差,以此高差計(jì)算房屋表面坡度。

設(shè)定拆遷區(qū)坡度閾值為4°-6°,判定表面坡度與閾值的關(guān)系,以此判定平頂房與尖頂房,分別對(duì)它們進(jìn)行計(jì)數(shù)和編號(hào)輸出。當(dāng)線路路徑確定下來以后,可以設(shè)定一個(gè)緩沖區(qū),從中可以提取DLG中的房屋矢量數(shù)據(jù),通過量測(cè)房屋高度來判斷房屋的層數(shù),然后計(jì)算出整個(gè)緩沖區(qū)域內(nèi)的房屋總面積,見圖13,從而估算賠償費(fèi)用,使輸電線路建設(shè)成本預(yù)算更科學(xué)。

(4)林木砍伐量自動(dòng)統(tǒng)計(jì)

林木的走向、分布對(duì)輸電線路的設(shè)計(jì)和運(yùn)行有重要影響,桿塔的選址受到林木覆蓋地區(qū)地質(zhì)條件的影響,林木地區(qū)微氣象微地形條件的改變也會(huì)對(duì)線路的設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響。一般情況下,輸電線路都有不同程度的經(jīng)過各類植物覆蓋的地區(qū),輸電線路的設(shè)計(jì)都要考慮林木跨越的影響,無論是已經(jīng)開發(fā)和利用的田地、針葉林、闊葉林,還是未經(jīng)開發(fā)的自然保護(hù)區(qū),因此,合理選擇輸電線路路徑和走向,在避免砍伐林木尤其是稀有保護(hù)植物和減少輸電線路投資兩方面達(dá)到協(xié)調(diào),是經(jīng)濟(jì)合理設(shè)計(jì)架空線路的關(guān)鍵性問題。利用DEM和DSM可以得到樹木高度,結(jié)合DOM和外業(yè)調(diào)繪資料,能夠確定樹木類型。

根據(jù)最終確定的線路路徑,設(shè)定緩沖區(qū)范圍,提取DLG中的林木矢量文件自動(dòng)提取需砍伐的林木范圍并計(jì)算需砍伐的林木面積,估算林木賠償費(fèi)用。

(5)塔基斷面的自動(dòng)高精度獲取

由于線路結(jié)構(gòu)專業(yè)需要,在施工圖階段需要對(duì)每一級(jí)塔位的塔基斷面圖進(jìn)行測(cè)量。在以往的工程經(jīng)驗(yàn)中,經(jīng)常發(fā)生由于轉(zhuǎn)角塔塔基位置地形變化較大而導(dǎo)致改線的情況。因此有必要在對(duì)線路電氣人員選線完成以后的每一級(jí)轉(zhuǎn)角塔位進(jìn)行室內(nèi)塔基斷面圖的自動(dòng)高精度繪制。傳統(tǒng)的航測(cè)技術(shù)由于高程精度較差,無法滿足工程需要。而由三維激光雷達(dá)技術(shù)獲取的DEM高程精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)航測(cè)技術(shù),因此使塔基斷面圖的自動(dòng)高精度繪制成為現(xiàn)實(shí)。

在線路路徑確定以后,可在DEM中提取塔位中心高程作為原點(diǎn)高程,并提取8個(gè)方向的高程斷面。塔基斷面8個(gè)方向示意圖如圖14所示,ABCD為四個(gè)塔腿的方向,相互夾角為90°,與后退方向夾角依次為45°、135°、225°和315°。EFGH為其余四個(gè)方向,相互夾角為90°。ABCD和EFGH相鄰兩個(gè)方向夾角為45°。

圖15是方形轉(zhuǎn)角塔8個(gè)塔基斷面方向示意圖,ABCD為四個(gè)塔腿的方向,相互夾角為90°,E和G為線路前進(jìn)方向和后退方向的角平分線,ABCD四腿與E方向夾角依次為45°、135°、225°和315°。EFGH為其余四個(gè)方向,相互夾角為90°。ABCD和EFGH相鄰兩個(gè)方向夾角為45°。

當(dāng)選線結(jié)果確定以后,可以對(duì)某塔位進(jìn)行塔基斷面圖輸出。

2)運(yùn)行維護(hù)

運(yùn)行維護(hù)主要是針對(duì)已有線路進(jìn)行維護(hù)管理,主要包括設(shè)備量測(cè)、狀態(tài)評(píng)估、邊坡距離量測(cè)以及護(hù)坡設(shè)計(jì)等;其中,設(shè)備量測(cè)主要指通過人工方式對(duì)導(dǎo)線間距、導(dǎo)線對(duì)地距離、兩檔弧垂等實(shí)施例進(jìn)行量測(cè),系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)量測(cè)值進(jìn)行預(yù)警分析;狀態(tài)評(píng)估則是根據(jù)線路周邊環(huán)境變化及帶電導(dǎo)線的空氣間隙距離威脅程度等分為三個(gè)等級(jí)進(jìn)行預(yù)警,不同等級(jí)緩沖區(qū)以不同顏色劃分;邊坡距離量測(cè)以及護(hù)坡預(yù)設(shè)計(jì)主要是通過用戶對(duì)三維虛擬場(chǎng)景當(dāng)中地形地貌進(jìn)行觀察分析和根據(jù)實(shí)際需要,決策桿塔地形的護(hù)坡設(shè)計(jì)。

a.總體思路概述

輸電線路運(yùn)維包括對(duì)桿塔、導(dǎo)地線的距離測(cè)量、通道保護(hù)區(qū)內(nèi)的房障樹障清理、邊坡的量測(cè)等工作,系統(tǒng)平臺(tái)的測(cè)量與評(píng)估等模塊功能的主要目的就是快速、簡(jiǎn)明地了解線路桿塔設(shè)備情況,減少缺陷對(duì)輸電線路的影響,從而提高運(yùn)維水平。

電力設(shè)備空間距離過過近,會(huì)引發(fā)相互之間放電故障。對(duì)于架空線路的各類類距離,《架空送電線線路運(yùn)行規(guī)規(guī)程》中有著明確的規(guī)定,線路帶電設(shè)備之間的距離有著嚴(yán)格的規(guī)定,但隨著運(yùn)行時(shí)間的變長(zhǎng)和環(huán)境因因素的影響,其距離會(huì)發(fā)生變化。一旦帶電設(shè)備之間的距離過近,造成較嚴(yán)重的缺陷。為了防止此類缺陷的發(fā)生,在不影響帶電設(shè)備運(yùn)行和保證安全的情況下,測(cè)量線路設(shè)備之間的距離就顯得尤為重要。由于人工戶外工作很大程度上受制于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和視野,只能盡量保證量測(cè)盡量準(zhǔn)確,而三維激光雷達(dá)可以將線路現(xiàn)場(chǎng)的三維環(huán)境建立在系統(tǒng)平臺(tái)上,測(cè)量人員可以在準(zhǔn)確掌握線路狀況,相對(duì)于傳統(tǒng)手段來說,更容易實(shí)現(xiàn)精確化和可控化。

b.總體技術(shù)流程

基于傳統(tǒng)的線路運(yùn)行維護(hù),是通過線路現(xiàn)有運(yùn)維管理模式,依托層級(jí)流程化管理實(shí)現(xiàn),主要體現(xiàn)為一線維護(hù)人員對(duì)線路設(shè)備巡查發(fā)現(xiàn)相關(guān)問題,以紙質(zhì)、電子版本報(bào)送上級(jí)管理部門后,其安排技術(shù)測(cè)量相關(guān)人員現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際完成數(shù)據(jù)采集工作,包括導(dǎo)地線等設(shè)備相對(duì)距離測(cè)量、線路保護(hù)區(qū)內(nèi)樹障、房障統(tǒng)計(jì)分析處理、線路桿塔基礎(chǔ)保護(hù)區(qū)邊坡變化情況等。圖16為基于傳統(tǒng)線路運(yùn)行維護(hù)流程示意圖。

在掌握激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合輸電線路運(yùn)維作業(yè)流程要求,發(fā)明人設(shè)計(jì)了基于無人直升機(jī)搭載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)的輸電線路運(yùn)行維護(hù)流程,如圖17所示。

c.工程實(shí)踐

利用基礎(chǔ)測(cè)繪產(chǎn)品DEM、DOM和DLG,可以在本實(shí)施例研發(fā)的“輸電線路三維實(shí)景應(yīng)用管理系統(tǒng)”中構(gòu)建三維實(shí)景,工作人員可以從不同的視角查看線路周邊的地物、地貌特征,量測(cè)各目標(biāo)地物與線路間的距離,通過放大、縮小、漫游查看全路徑地形條件,綜合考慮沿線交通運(yùn)輸、施工和運(yùn)行維護(hù)的難易程度、對(duì)地物的影響及受地形的影響等,實(shí)現(xiàn)線路走徑更合理更經(jīng)濟(jì),對(duì)附近環(huán)境和居民的影響降低到最小。通過本研究,在輸電線路運(yùn)行維護(hù)應(yīng)用方面,成功實(shí)現(xiàn)了設(shè)備量測(cè)、狀態(tài)評(píng)估、邊坡測(cè)量及預(yù)警、護(hù)坡預(yù)設(shè)計(jì)等功能,應(yīng)用效果上具有三維全景性展示、直觀測(cè)量和多任務(wù)管理等特點(diǎn)。

①設(shè)備量測(cè)

無人直升機(jī)激光雷達(dá)經(jīng)過掃描后能夠根據(jù)各類運(yùn)行安全距離要求,實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)量多個(gè)任務(wù)如:導(dǎo)線弧垂、交叉跨越、導(dǎo)線對(duì)地面危險(xiǎn)物(樹木、房屋、河流、輸電線路、高速公路等)等實(shí)施例的測(cè)量。在本研究中基于使用激光點(diǎn)云可以實(shí)現(xiàn)空間距離的精確測(cè)量,重點(diǎn)應(yīng)用在輸電線路的運(yùn)維管理中可以建立三維實(shí)景化輸電線路走廊,全景展示輸電線路設(shè)備狀態(tài),能夠?qū)崿F(xiàn)任一空間內(nèi)的距離量測(cè),可以對(duì)交叉跨越、導(dǎo)線弧垂、相間距離等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行多任務(wù)測(cè)量及展示,直觀進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)分析和判別,提供新的運(yùn)行維護(hù)管理手段。

本實(shí)施例研究中,使用LiDAR設(shè)備掃描后測(cè)得的數(shù)據(jù)與實(shí)際應(yīng)用情況設(shè)置的輸電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較:若掃描測(cè)得的數(shù)據(jù)小于標(biāo)準(zhǔn)值,則系統(tǒng)報(bào)警,并用紅色字體標(biāo)示;大于標(biāo)準(zhǔn)值則監(jiān)測(cè)合格,用藍(lán)色字體標(biāo)示。測(cè)量結(jié)果導(dǎo)出成Excel文件保存。在本研究中為便于將成果在實(shí)際中得到有效應(yīng)用于,相關(guān)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)值的設(shè)定權(quán)限可根據(jù)輸電線路設(shè)備電壓等級(jí)、桿塔形式、地形環(huán)境等外部因素調(diào)整設(shè)置,結(jié)果輸出到EXCEL表格

②狀態(tài)評(píng)估

在輸電線路施工初期,為了架設(shè)輸電線路,往往需要看法清理出輸電線路通道,經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行變化的線路通道周圍的樹木、巖土環(huán)境、房屋等外部環(huán)境也會(huì)發(fā)生一定的變化。為了能夠有效的保障輸電設(shè)備安全,真正的做到動(dòng)態(tài)掌握設(shè)備周邊情況,分類統(tǒng)計(jì)各種隱患故障,提供安全預(yù)警,并推行開展輸電設(shè)備狀態(tài)檢修,就需要能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)的掌握線路周邊情況。在本研究中利用三維實(shí)景平臺(tái)實(shí)景圖像、實(shí)現(xiàn)多任務(wù)同時(shí)量測(cè)等功能特點(diǎn),對(duì)于通道樹木的安全控制提出了緩沖區(qū)的概念,根據(jù)線路周邊環(huán)境變化及帶電導(dǎo)線的空氣間隙距離威脅程度等分為三個(gè)等級(jí)進(jìn)行預(yù)警歸納,以便及時(shí)處理威脅到線路設(shè)備安全的對(duì)象,監(jiān)測(cè)掌握存在的潛在隱患。在實(shí)際運(yùn)維中要應(yīng)用到的工程測(cè)量,必須根據(jù)電壓等級(jí)、桿塔形式、基礎(chǔ)形式、桿塔地質(zhì)特征、樹木種類等綜合因素來考慮設(shè)定緩沖區(qū)域的各項(xiàng)數(shù)值,便于制定針對(duì)性分析方案和技術(shù)人員的管理。以500kV輸電線路為例進(jìn)行理論模型研究,如圖18所示。

本研究中,利用平臺(tái)全景圖像化展示、多任務(wù)數(shù)據(jù)的特點(diǎn),進(jìn)行緩沖區(qū)設(shè)置,以500kV線路為例,緩沖區(qū)需考慮如下因素:

一級(jí)緩沖區(qū):將運(yùn)規(guī)中規(guī)定的導(dǎo)線對(duì)樹最大風(fēng)偏L=7m的距離定為限定值。設(shè)定導(dǎo)線對(duì)地距離h1=22m,設(shè)定該雜樹種的生產(chǎn)高度為h2=18m為例,那么其樹與邊相導(dǎo)線距離d’=15+5.7=20.7m,考慮弧垂及風(fēng)偏的安全裕度,第一級(jí)緩沖區(qū)劃分可設(shè)定21m,其顏色劃分為紅色。

二級(jí)緩沖區(qū)界定值L=15m,d’=29.5,考慮弧垂及風(fēng)偏的安全裕度,第二級(jí)緩沖區(qū)劃分可設(shè)定30m,其顏色劃分為藍(lán)色。

三級(jí)緩沖區(qū)界定值L=20m,d’=34.5,考慮弧垂及風(fēng)偏的安全裕度,第三級(jí)緩沖區(qū)劃分可設(shè)定35m,其顏色劃分為綠色。

③邊坡距離量測(cè)

由于桿塔基礎(chǔ)問題造成的事故時(shí)有發(fā)生,線路桿塔基礎(chǔ)存在于不同的地質(zhì)條件環(huán)境中,容易受外界環(huán)境影響。桿塔基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和施工要綜合考慮對(duì)基礎(chǔ)周邊巖土環(huán)境的影響,針對(duì)桿塔基礎(chǔ)型式及沿線土質(zhì)特點(diǎn),以巖石嵌固基礎(chǔ)和掏挖基礎(chǔ)為例,設(shè)定不同保護(hù)范圍值如下:

表1 500kV輸電線路桿塔基礎(chǔ)保護(hù)范圍

本研究中,主要以輸電線路經(jīng)常發(fā)生的邊坡坍塌及防護(hù)來開展研究。在基于邊坡距離直接測(cè)量的基礎(chǔ)上,考慮基礎(chǔ)型式的保護(hù)范圍設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值;考慮運(yùn)行防護(hù)范圍設(shè)定預(yù)警值。當(dāng)掃描得到的范圍小于基礎(chǔ)保護(hù)范圍值,顯示“預(yù)警”,提示紅色警示色。當(dāng)掃描得到的范圍大于基礎(chǔ)保護(hù)范圍值,軟件顯示“合格”,提示藍(lán)色警示色?;A(chǔ)的保護(hù)范圍值由軟件使用人員設(shè)定。根據(jù)塔位的具體情況,采取合理有效的護(hù)坡方式,既是塔位安全穩(wěn)定的保證,也能減少對(duì)塔基環(huán)境的破壞。

④護(hù)坡預(yù)設(shè)計(jì)

由于桿塔基礎(chǔ)所處的地質(zhì)條件或在勘測(cè)、設(shè)計(jì)過程中的失誤、施工質(zhì)量不良、泥石流等自然災(zāi)害以及運(yùn)行過程中發(fā)生的外破事件等諸多原因,均可能造成桿塔基礎(chǔ)的變形、不均勻沉降,致使桿塔傾斜甚至倒塔。另外由于規(guī)劃變更、高速公路修建等原因使得輸電線路的運(yùn)行條件發(fā)生變化,安全距離不夠,這些都成為輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的隱患。因此開展桿塔的基礎(chǔ)加固、基礎(chǔ)糾偏、基礎(chǔ)移位、基礎(chǔ)頂升等改造設(shè)計(jì)方法以應(yīng)對(duì)上述情況的發(fā)生具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本研究中,可以對(duì)需要修筑護(hù)坡的位置、效果、范圍進(jìn)行界定,同時(shí)設(shè)定修筑范圍進(jìn)行土方量估算,最后對(duì)護(hù)坡色修筑范圍進(jìn)行評(píng)估。

(a)范圍界定:通過對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理,并依靠現(xiàn)場(chǎng)拍攝的塌方彩色圖片對(duì)比。依據(jù)《架空送電線路運(yùn)行規(guī)程》要求,依照不同的護(hù)坡保護(hù)范圍,選擇性的對(duì)桿塔基礎(chǔ)周邊邊坡土壤變化部分進(jìn)行護(hù)坡設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)中可以直觀判斷護(hù)坡修筑的位置和范圍,一般以警戒值為界進(jìn)行選定。

(b)土方量計(jì)算:雖然桿塔基礎(chǔ)改造處理在實(shí)際工程中成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)越來越多,但是在桿塔基礎(chǔ)改造的過程中過多的依賴人為經(jīng)驗(yàn)。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)研究可以模擬計(jì)算出基礎(chǔ)改造施工中的土石方量,改變過去人為經(jīng)驗(yàn)的狀況,模擬桿塔的結(jié)構(gòu)、受力情況的變化以及作業(yè)過程中的安全、穩(wěn)定控制等方面。

(c)效果評(píng)估:為保證桿塔在施工過程中的絕對(duì)安全,我們將掃描后的三維實(shí)景模型進(jìn)行處理建模對(duì)于可能存在滑坡危險(xiǎn)的塔基地形進(jìn)行編輯設(shè)計(jì),并設(shè)置護(hù)坡類型(即外表紋理)。在建立輸電線路實(shí)景桿塔模型的基礎(chǔ)上,應(yīng)用桿塔基礎(chǔ)的的模塊化設(shè)計(jì)和分析,為基礎(chǔ)改造方法提供科學(xué)評(píng)價(jià)和理論指導(dǎo)。

依據(jù)上述流程,得出效果圖如圖19所示。

本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代,但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。

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