CN106657882A - 基于无人机的输变电系统实时监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种输变电系统监控方法，属于电力监控技术领域，具体涉及一种基于无人机的输变电系统实时监控方法。本发明应用图像处理技术对无人机采集的图像进行平滑和锐化优化，解决了硬件造成的图像质量问题，融合图像识别和故障检测技术，实现了自动识别和故障检测，开发了输电线路无人机监控系统，实现了基于输电线路真实三维数据的智能优化自动、半自动规划选线、林木砍伐量和房屋拆迁量自动统计。实现了对线路基础保护距离检测及安全预警。

Description

基于无人机的输变电系统实时监控方法

技术领域

本发明涉及一种输变电系统监控方法，属于电力监控技术领域，具体涉及一种基于无人机的输变电系统实时监控方法。

背景技术

我国地理复杂，地势西高东低，山地、高原面积广大，有相当一部分架空输电线路需要通过森林、高山、河流等地势复杂地带，存在大量的无人区、交通死区和通讯盲区，给输电线路的勘测设计、运行维护带来了巨大挑战和困难，特别是在冰雪灾害等恶劣天气更是如此。传统的地面人工方式因周期长、效率低、回索性差、时效性低等不足，已不能适应现代电网，特别是超高压、特高压电网的规划设计与运行维护要求，急需通过现代化的科技手段与人工方式协同实现对输电线路的规划设计和运行维护，降低劳动强度和人力消耗，减少成本，缩短输电线路建设、巡检和故障解决时间，从而最大程度地保障国民经济的正常运行。

随着科技的发展，采用有人、无人飞行器搭建可见光、红外、紫外等专用器械或测量仪器对输电线路开展巡检作业，为解决当前困境的提供了经济有效的技术方案，也是当前的国内外电力行业的共同关注的实施例。

无人飞行器具有飞行低速、悬停时间长、扰动气流小的独特飞行优势，可实现各种地形下的输电线路超/近距离、多角度巡检作业，另外，相对于载人直升机，无人飞行器具有体积小、重量轻、便携、灵活机动、起降条件友好等优点，更适合于山区输电线路和恶劣气候条件下特殊重点区域监视，能与直升机巡检模式形成有效补充。

目前无人机巡线实用化最主要的技术瓶颈是无人驾驶飞机负重有限且飞行速度、飞行高度均受到限制，需要研究解决在较高速和较远距的条件下实现输电线路一体化检测、飞机自动跟踪和控制、检测仪器自动分析和调整、图像的快速准确处理和故障识别等问题。

无人机立体航巡视图像智能处理与状态评估也是制约无人机能否在实际中应用的重要因素之一。输电线路立体航巡视图智能处理，包括图像预处理、图像检测和模式识别等关键技术。当前，现有技术的研究主要集中在图像采集的稳定性和图像质量的改善上，主要应用于摄像机的智能控制方面，输电线路故障的识别与定位方面研究较少；现有技术在输电线路提取与识别、弧垂测量等方面已有初步成果，但对导线覆冰厚度、导线灼伤、导地线断股、绝缘子污闪等重要缺陷的图像监测方法研究较少。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种基于无人机的输变电系统实时监控方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的上述的技术问题，提供了一种基于无人机的输变电系统实时监控方法。该方法提出了一种新的无人机监控系统，并应用图像处理技术对无人机采集的图像进行平滑和锐化优化，解决了硬件造成的图像质量问题，融合图像识别和故障检测技术，实现了自动识别和故障检测，开发了输电线路无人机巡检图像处理系统。

本发明具有如下优点：(1)开发了输电线路无人机监控系统，应用图像处理技术对无人机采集的图像进行平滑和锐化优化，解决了硬件造成的图像质量问题，融合图像识别和故障检测技术，实现了自动识别和故障检测。

(2)实现了基于输电线路真实三维数据的智能优化自动、半自动规划选线、林木砍伐量和房屋拆迁量自动统计，实现了对线路基础保护距离检测及安全预警。

附图说明

图1是利用本发明进行通道激光数据扫描巡航的示意图；图2-1是架空导线覆冰前的绞线图；图2-2是经过边缘提取后的导线边缘图；图3-1是覆冰导线灰度图；图3-2是覆冰导线二值图；图3-3是覆冰导线边缘图；图4是导线约伤后的示意图；图5是远程视频传输逻辑图；图6是本实施例的视频传输系统示意图；图7是基于三维激光雷达测量技术的输电线路规划设计流程示意图；图8是基于卫星遥感影像的线路初选图；图9是基于地形图数据的线路初选图；图10是激光雷达测量系统采集的输电线路走廊数据成果索引示意图；图11是智能选线技术路线流程图；图12是自动规划线路三维效果图；图13是DLG中房屋矢量数据；图14是方形直线塔8个塔基断面方向示意图；图15是方形转角塔8个塔基断面方向示意图；图16是基于传统传统线路运行维护流程示意图；图17是基于三维激光雷达测量技术的输电线路运行流程示意图；图18是边相导线对树示意图；图19是护坡预设计效果。

具体实施方式

实施例：

1、无人机巡检工作模式

本实施例中主要围绕创建无人机输电线路立体航巡的研究目标，研究无人机巡检任务的各种工作模式，并在此基础上，开展线路设备及通道状态识别和评估、决策分析、应急指挥等技术手段和管理策略。

无人机可搭载图像采集和三维激光雷达等任务设备，具有飞行低速、可悬停的独特飞行优势，可克服复杂地形对巡检作业的影响，实现各种地形下的输电线路多任务巡检作业；可以进行长距离人工控制航巡或自动导航巡视，以及对设备故障和异常情况进行短距离或定点巡查，实现多角度巡视检查；可以通过无人机进行全景拍摄和三维激光数据建模，形成全景化线路走廊通道，实现线路全景式巡视管理。

1)无人机巡检工作方案

开展无人机多层次、多任务的航巡工作，是实现无人机线路立体航巡的基础。

(1)无人机中远距离航巡模式

主要完成线路常规的巡视检查任务，或搭载其他特定任务设备完成专项工作任务，如无人机三维激光雷达数据采集，以建立三维实景化线路走廊。

本任务模式适用于大中型无人直升机，具有一定的续航能力和载重要求。

无人机中远距离航巡模式宜采用自动巡检方案，其适用于输电线路一般需要每月巡检一次，无人飞行器可以很方便的用来对输电线路进行巡检，大大节省人力物力。

自动巡检需提前设置线路航巡轨道，可以采用如下两种方式：

a.人工预先干预模式：首先采用人工方式对杆塔、绝缘子、线路进行巡查，记录下重要点的GPS信息，如起始杆塔位置、弧垂位置、下一个杆塔位置，并对其进行存储，并输入到无人飞行器存储器中，以后巡查即按该次记录的点进行自主导航。

b.自主导航模式：直接输入各杆塔的GPS坐标，设定航线与航向，对杆塔、绝缘子、线路进行巡查。

以本实施例研究中在武汉凤凰山实训线路航巡为例，无人机的巡线航迹将按工作任务要求沿着输电线路设置来回往返的航向。无人机将在在线路的一侧斜上方100米处飞行，飞行航速在7m/s左右，自动航巡完成采集任务。飞行过程中的可见光图像和其他采集任务信息实时的回传到指挥保障车。

(2)无人机短距离或定点巡检模式

主要采取定点查找方案，通过人工飞行控制方式对设备缺陷和异常情况进行专项巡查，或对现场进行航拍、应急指挥监控等。本任务模式适用于小型无人机，如四旋翼飞行器。

定点查找方案的适用范围：当线路保护装置告警后，我们往往只能知道大致范围和原因，由于某些缺陷靠人工很难发现，而且人工作业耗时耗力，风险也较大，因此无人飞行器可以很方便地用来查找故障，具体来说又分为几种情况：一是当仅知道故障大致范围，而无法精确定位故障地点时，对故障点进行查找。二是当发现故障或异常情况时，需要对缺陷进行详细检查，取得图像供技术人员进行分析。

在采取短距离或定点检查时，本实施例研究中还具体开展无人机巡线作业移动式指挥决策研究。

定点查找方案的工作模式如下：

a.对杆塔、绝缘子及金具进行检查时，以5m/s速度到达铁塔附近大约30米左右，然后缓慢飞近目标，当到达目标高度及约10米时，稳定飞行器，控制云台的角度利用摄像机和照相机进行拍照；

b.对导地线及金具进行检查时，以5m/s速度到达导地线附近大约30米左右，然后控制云台平视，飞行器缓缓飞近目标，当到达目标高度及约10米时，稳定飞行器进行拍摄。

采用四旋翼无人飞行器在线路短距离巡检中，也可进行自动导航工作模式：

在进行巡检工作前，将要巡检的工作区域按照每0.6公里为一个区段进行划分，确保每个区域的中间点附近可以由无人飞行器运输/指挥/保障车到达，以此点为无人飞行器的起飞点。

巡检工作开始时，将输电线路无人飞行器巡检系统运输到起飞点。在此展开地面站，检查无人飞行器机械、飞控、通信等子系统。检查完毕后，启动无人飞行器开始巡检工作。无人飞行器的巡线航迹将沿着输电线完成一个单程0.6公里，全程1.2公里的C形航向。无人飞行器将在首先在线路的一侧斜上方30米处飞行，在线路终点跨越输电线到另一侧斜上方30米处巡线飞行0.6公里。在线路的另一端终点再次跨越输电线飞行0.6公里。最后返回运输/指挥/保障车附近降落。飞行过程中的可见光和红外图像信息实时的回传到运输/指挥/保障车。同时，当无人飞行器返回地面后，收集机载设备记录下的数据，在地面站上对数据分析进行深入分析。对于其他的巡线区段同上述巡检方式。

(3)、相关技术要求

关于无人机与输电线路的相对位置。飞行前即初步制定了从线路侧面飞行和上方飞行两个方案。但若考虑安全性的话，在线路上方飞行虽然易于对线路设备全面的进行检查拍摄，却存在极大安全隐患，不推荐使用该方式。综合分析可知，重点采取的工作模式应为在线路侧面飞行。为此，发明人组织了数次实地的飞行工作试验，并确认侧面飞行基本能满足巡检的拍摄要求，只是对最远端输电设备的巡检效果相对稍差。

关于无人机与输电线路的相对距离。从工作效果上看，离线路越近，检查和拍摄的效果越好，但安全上却是不允许的，必须控制一定的安全距离裕度，寻找最佳的相对距离。当然这也跟飞机的安全性能有一定的关系。发明人组织的实地飞行工作试验证明，四旋翼飞行器进行巡检工作时，保持离边导线10m的相对距离为佳，必要时可短时控制在5m，但不得进一步突破。无人直升机航巡时宜在线路侧上方30～50m外(对地相对高度约100m左右)。

关于无人机的巡航高度。由于吊舱设备安装在飞机底部，为便于巡检检查和吊舱设备的最佳拍摄，无人飞行器最好是在线路的斜上方飞行。一般而言，采用一定角度俯视的效果最好。

(4)、相关安全要求

无人机巡检是在高空作业，存在一定的安全风险，安全性是无人机巡检中压倒一切的问题,飞行安全必须事前分析预想，提前进行防范，制定控制措施。对安全的控制应从人员设备、工作环境和天气影响等几方面控制。

人员设备上，无人机的设备状况应按航空安全管理要求进行检查控制，不违反航空管制要求是飞行安全性的有效保证。在无人机巡检工作中，安全隐患容易发生在人身上，例如驾驶员的飞行能力、精神状况，以及工作人员的配合不当干扰飞机操作等，这些都是必须控制的。因此，飞行过程建议实行操作员负责制，飞机操作员操作前必须确保自身的精神状况，带病或精力不济都不得强行飞行；根据当时天气状况、自身巡线飞行经验、身体状况等因素，操作员可综合决策做出能否进行某项飞行动作的决定，其他人员不得强行干预。同时，操作员和巡线员在飞行前应研究确定飞行路线、休息地点、提示危险地带等一系列有关飞行安全的问题，进行充分的准备。除此之外，工作人员应配备必要的安全防护装备。

工作环境上，影响飞行安全的因素较多，例如如航道内不易发现的障碍物，线路工作环境中线路设备(如不易注意的线路避雷线、发电站及变电站的避雷针等)、交叉跨越及邻居线路或山体等，均是容易发生危险的地方。无人机飞行除自动导航外，主要是目视飞行，靠操控员的目视来发现危急飞行安全的目标，因此，飞行应在可见度较好的天气下进行，这样也便于发现障碍物；另一方面，操作者应避免对着太阳飞行,防止视线受到干扰；三是应强调巡线飞行时，操作员要有意识地随时与线路保持视线接触,以便保持无人飞行器与线路的安全距离；最后需要强调的是，危险区域及迷失线路时,飞机要拔高,飞离危险处，禁止低空飞行。除此之外，无人机巡线工作应避免在危险区域飞行，禁止在平行线路中间、线路上方及变电站和发电厂上方飞行。对于飞行安全的控制，驾驶员及工作人员必须熟悉工作现场环境，应设置必要的飞行指示标志和建立危险标识系统，定义邻近区(如定义线路两侧50m内)、设置标识牌/球、建立飞行巡线专用地图等。

天气影响上，结合无人机主要靠目视操作的现状，一般应在良好的天气状况下作业，大风、雷雨等天气禁止飞行，另外禁止夜航巡检。工作中，应注意尽量在背风线路侧飞行，避免顺风悬停。超高压线路相对线路距离长，位于不同的地理区域，天气的变化也不一样，航巡前必须掌握线路区域的天气状况，确保飞行安全。

2)通道激光数据扫描巡航方案

在无人机航巡任务中，搭载三维激光雷达设备进行通道激光点云数据扫描采集，以建立全景化线路通道走廊，实现相应的生产指挥、状态评估等立体航巡的高级应用功能。

参考相关规范、前期在规划选线中的经验、设备性能和工程需求，在规划选线的要求基础上，本实施例针对线路运行维护增加了如下数据采集要求：

以实际输电线路为中线，采集范围不少于线路两侧各100m，线路起点、终点处纵向各向外延伸20m。

实验应进行多次不同高度及速度飞行，以得到不同的点云密度和精度数据。其中最优数据的要求如下：

影像地面分辨率优于0.05m；点密度优于30p/m2；高程精度优于0.15m；平面精度优于0.2m。

经飞行场地实地踏勘，确定飞行范围。根据杆塔的高度及周围设施分布情况确定航向、飞行高度以及航带间的重叠度，确保扫描无遗漏、无死角。根据飞行平台的具体特点，设定了5条航线，飞行相对航高在100m，航间距为35m，飞行速度在3-8m/s。飞行区间的平面范围为1400m×200m。

2无人机立体航巡视图像智能处理与状态评估技术

图像处理技术和GPS技术在电力系统领域中的应用使直升机自动巡检成为可能，同时也为无人机在电力巡检中的应用奠定了基础。输电线路立体航巡视图智能处理，包括图像预处理、图像检测和模式识别等关键技术。当前，国外研究成果主要集中在图像采集的稳定性和图像质量的改善上，主要应用于摄像机的智能控制方面，输电线路故障的识别与定位方面研究较少；国内研究在输电线路提取与识别、弧垂测量等方面已有初步成果，但对导线覆冰厚度、导线灼伤、导地线断股、绝缘子污闪等重要缺陷的图像监测方法研究较少，因此本节主要利用图像智能处理技术对导线覆冰厚度、导线灼伤、绝缘子污闪等重要缺陷展开研究，并开发软件实现。

2.1导线覆冰厚度检测算法

在输变电系统中，输电线路的覆冰现象十分普遍，覆冰可引起导线舞动、倒杆、断线及绝缘子闪络等重大事故，严重威胁到电力系统的安全运行，并造成巨大的经济损失。本系统通过图像处理技术对导地线覆冰厚度进行检测，符合现代输电线路智能化发展的方向。

覆冰厚度计算的主要依据覆冰前后的上下边缘的像素点的差值，通过像素差值转化为覆冰后的厚度。如图2-1为架空导线覆冰前的绞线图，经过边缘提取后的边缘图像如图2-2。

如图3-1至图3-3所示，图3-1覆冰导线灰度图，先对其阈值分割，将其转化为二值图，如图3-2，最后采用Canny算子对图3-2进行边缘检测得到图3-3，统计上下边缘的总像素，计算导线覆冰后上下边缘的平均像素。

2.2导线灼伤点检测算法

导线遭雷击后容易出现灼伤点甚至出现断线，人眼容易察觉雷击断线，但难以判断雷击后灼伤点面积，故本系统对雷击后导线出现灼伤点进行分析和检测，可为输电线路故障提供参考。

从图4中可以看到，导线出现灼伤后，其灼伤区域呈现为白色，正而常导线在图像中颜色应为黑褐色，因此导线处和灼伤处灰度值具有明显差别，故可通过统计灼伤处的像素点总数所占的百分比占该段导线的面积百分比来确定其损伤的程度。

3.基于无人机的输电线路实时监控及应急指挥技术

研究远程图像传输系统的主要目的是将无人机拍摄的输电线路现场视频信息传回后方生产应急指挥中心，实现作业现场情况的实时监控和指挥，为远程应急指挥提供有力的技术保障，提高输电线路应急指挥的机动性和快速反应能力，确保对突发缺陷的实时监控和快速应急响应。

无人机视图的输电线路实时监控及应急指挥技术由无人机地面站、远程移动视频传输设备、后方指挥中心三大节点组成，如图5所示。其中，地面站主要用于接收无人机发射回的图像视频信号，相当于一部无人地面接收机，作为远程传输的信号源；远程视频传输设备先采集视频图像，进行压缩编码，接着通过网络将压缩视频数据发送到服务器；指挥中心为视频图像远程传输的接受端，对于现场视频信息进行接收，便于远程监控和应急指挥。

3.1图像与视频数据采集及远程传输

图像与视频数据采集设备主要实现以下功能：图像采集设备主要对输电线、杆塔、金具等目标物体的观测进行高分辨率照片的采集，进而分析线路设备缺损状况；地面操控人员则根据机载摄像机的视频信息，对无人飞行器进行飞行控制。

目前，由于无人飞行器通讯传输一般为通视情况下有效进行，且无人飞行器对搭载设备体积和重量的限定导致了发射机功率的有限，所以其通讯距离为4-5公里，不利于信息的远程传输。为确保无人飞行器拍摄的视频与图像信息及时回传至三四百公里外(按湖北省内运维线路计算)的后方生产指挥中心，发明人将无人机的地面信息接收系统与远程无线视频传输技术相结合，实现应急指挥系统的实时监控功能。

1)网络传输模式的选择

目前实现视频图像远程传输的技术主要有微波无线网桥、COFDM、CDMA/GPRS/3G等。

微波无线网桥：工作频点为2.4G、5.8G，但主要用来固定点对固定点的数据传输，无法应用在高速移动的无人飞行器和地面指挥车之间的无线通信。

COFDM：COFDM(编码正交频分复用)调制技术是最新的无线传输技术，在实际使用中实现了“抗阻挡”、“非视距”、“动中通”的高速数据传输(2-20Mbps)，表现出卓越的“绕射”、“穿透”性能。数字视频传输模块采用COFDM技术，将无人飞行器搭载的摄像机所采集电力线路与铁塔的图像实时传输到地面站，无线链路抗干扰性好，并具有加密功能，与飞行远程遥控任务、自动驾驶任务完美兼容，优良的无线链路特性保证了高速飞行中的稳定传输。

GSM/GPRS/3G：GSM/GPRS为移动通信公网技术，很成熟，但传输速率一般在100Kbps左右，无法传输大于2Mbps的高质量图像；且保密机制不健全，视频画面延时5～10秒钟，无法满足无人飞行器通讯实时性的要求。而CDMA 3G作为电信行业的成熟通信网络，性能稳定，易于实现，且具备较强的文字与图片传输能力。

通过上述网络传输技术的对比分析，本实施例选用电信的CDMA 3G作为视频图像远程传输技术的承载网络。

2)传输设备的设计

远程视频传输装置是本研究环节的核心内容，其是一个集视频采集、实时压缩及处理、网络传输等功能为一体的嵌入式设备，该装置的逻辑图如图6所示。

其中各个模块的功能和技术细节如下：

①视频采集模块

主要是将地面站视频信号输入采集，可以提供不间断的信息源，视频采集模拟视频序列中的每帧图像，并在采集下一帧图像之前把这些数据传入PC系统。

②实时压缩及处理模块

其中图像编码是视频远程传输系统中最关键的一步，视频压缩编码采用H.264编码，它采用"回归基本"的简洁设计，不用众多的选项，获得比H.263++好得多的压缩性能。

③网络传输模块

网络传输中最大问题为无线信道中存在着Rayleigh衰减和多用户干扰，降低了重建图像的质量。为了实现良好质量的视频传输，必须结合无线信道的传输特性，采取一定的容错措施。发明人通过测试发现，2张CDMA卡比单纯1张CDMA卡传输图像更加流畅，且将事故现场的图像经过压缩和分组后通过CDMA无线网络传输到监控中心。

将视频采集模块、实时压缩及处理模块、网络传输模块按照上述的技术要求搭建成图像装传输装置。

4.基于无人机的输电线路规划设计

1)规划选线

用无人直升机搭载激光雷达测量技术可以快速对线路走廊进行高精度三维测量，从而为输电线路的设计、运行、维护、管理企业和专业人员提供更快速、更高效和更科学的手段。采用激光雷达测量系统，可以直接采集线路走廊高精度激光点云和高分辨率航空数码影像，进而获得高精度三维线路走廊地形地貌、线路设施设备，以及走廊地物的精确三维空间信息，包括杆塔、挂线点位置、电线弧垂、树木、建筑物等，从而为输电线路规划设计、运行维护提供高精度测量数据成果。

a.总体思路概述

输电线路对穿越空间有着严格条件限制，是一项极为细致与复杂的工作。一般而言，输电线路选线是先在1:10000或者1:50000地形图上初步确定一条较好的路径，结合各重点区域踏勘进行局部变动。地形图资料一般由测绘机构提供。由于传统的图纸是二维的，三维信息只能依靠等高线或高程注记来表现，产品单一、不直观，设计人员提交的最终设计成果也是图纸和文字说明资料。由于我国现用的小比例尺地形图大多是20世纪70-80年代或更早测绘的，因而无法较精确的反映出当前地形、地物的状况；采用常规手段所施测地形图，速度慢、工期长，且由于人工野外选线工作很大程度上受到设计人员的经验和视野影响，只能尽量保证线路能走通，很难进行优化；所以现在设计单位普遍采用遥感影像来做线路的初选，该技术可以将野外现场较大范围内的三维环境搬到室内，设计人员可以在室内充分熟悉掌握线路地理环境信息，相对于传统工测手段来说，更容易实现路径和塔位优化。

无人直升机搭载激光雷达测量技术相对于航空摄影测量技术，不仅能为设计人员提供更准确、更主观的线路走廊野外真实环境信息，而且这些信息是全数字化的，能为多种常规软硬件支持，操作和应用更加灵活方便，应用该技术不仅会大大节约设计、勘测费用，缩短作业周期，使设计更为合理，而且能快速实现复杂电力、电网信息的网络化和可视化管理，可以产生很好的经济效益及社会效益。

b.总体技术流程

在掌握激光雷达测量技术的基础上，结合输电线路选线作业流程要求，发明人设计了基于无人直升激光雷达测量技术的输电线路规划设计流程(如图7所示)，流程关键环节描述如下：

(1)首先，以1:10000或1:50000的地形图数据或卫星遥感影像数据为参考，初步确定一条较好的输电线路路径，完成线路初选并输出路径成果。如图8、图9所示。

(2)基于初选线路路径，4，航带宽度通常为2-3km。对采集的激光雷达数据进行加工处理，得到激光点云数据、数字正射影像DOM、数字表面模型DSM、数字高程模型DEM和数字线划图DLG，并将这些数据提供给设计部门进行路径初步优化。如图10所示。

(3)测量专业技术人员利用激光雷达数据输出调绘图，并进行外业调绘。

(4)结合激光雷达数据、调绘成果数据和其他辅助数据，设计人员在专门定制开发的输电线路优化选线设计软件(如本实施例中的“输电线路三维实景应用管理系统”)中，进行线路路径自动选择、线路路径人工优化、预排塔位，并输出路径成果、影像路径图、三维景观等选线设计成果。

(5)利用选线设计成果到现场进行终勘定位和施工放样。

(6)选线的测量设计成果也可以为后期电网三维可视化管理提供基础数据。

c.工程实践

利用数据产品DEM、DOM和DLG，可以在软件平台(本试验中应用的是武汉大学开发的“输电线路三维实景应用管理系统”)中构建逼真的三维场景，设计人员可以从不同的视角查看线路周围的地物、地貌特征，可以量测各种有影响的地物距离线路的距离，可以通过放大、缩小、漫游还可以看到全路径的地形条件，可以综合考虑沿线的交通运输、施工和运行维护的难易程度、对地物的影响及受地形的影响等，从而使线路走径更合理更经济，对附近环境和居民的影响降低到最小。本实施例首次在软件平台中成功实现了智能选线、房屋拆迁量自动统计、林木砍伐量自动统计和塔基断面自动获取等功能。

(1)智能选线

首先，用户需要将外业调绘资料录入软件平台，根据对选线结果的影响因素大小，可将影响因素进行分级。录入完成后，再进行相关参数设置、线路起始点坐标输入和导引点选择等，然后系统就会根据实际地形地貌及复杂约束条件等限制进行运算分析。通过对生成的多条路径进行比较分析，最终确定并生成符合条件的两条最优路径，在系统中进行显示。具体实现技术路线如流程图11所示：

其中，设置分为参数设置和线路设置，参数设置包括耐张段最大长度、耐张段最小长度、最大转角度数和最大坡度等；线路设置包括：线路名、电压等级、起始点坐标(人工输入、读取文件或鼠标点击等)等，如图12所示。

(2)人工编辑

人工编辑是用户通过三维场景的实时观测，对智能选线结果存在不足的地方进行人为干预，编辑修改以达到最佳规划效果。设计人员可以利用系统提供的人工编辑功能，如添加支线、自动连线、插入杆塔和移动杆塔等功能在二维平面内进行线路的编辑处理；

(3)房屋拆迁量自动统计

本实施例采集获取输电线路拆迁区房屋信息，并自动生成输电线路拆迁量计算报表。主要步骤如下：

(a)利用三维激光雷达数据生成的数字正射影像DOM叠加点云数据，精确获取输电线路拆迁区房屋轮廓和房屋点云数据，用此数据生成数字建筑物模型DBM，对DBM进行坡度计算以确定房屋类型；

(b)用数字高程模型DEM对数字建筑物模型DBM进行归一化，结合房屋类型，计算房屋平均对地高度，生成房屋高度数据集，以获得拆迁区房屋高度；

(c)用拆迁区房屋高度数据集获取房屋层高；

(d)用c、b的结果确定房屋层数、房屋面积；

(e)用上述结果结合线路路径信息输出输电线路拆迁量计算报表。

步骤(a)对DBM进行坡度计算以确定房屋类型是指，计算DBM中每个房屋区域中心与中心临近格网间的高差，以此高差计算房屋表面坡度。

设定拆迁区坡度阈值为4°-6°，判定表面坡度与阈值的关系，以此判定平顶房与尖顶房，分别对它们进行计数和编号输出。当线路路径确定下来以后，可以设定一个缓冲区，从中可以提取DLG中的房屋矢量数据，通过量测房屋高度来判断房屋的层数，然后计算出整个缓冲区域内的房屋总面积，见图13，从而估算赔偿费用，使输电线路建设成本预算更科学。

(4)林木砍伐量自动统计

林木的走向、分布对输电线路的设计和运行有重要影响，杆塔的选址受到林木覆盖地区地质条件的影响，林木地区微气象微地形条件的改变也会对线路的设计产生影响。一般情况下，输电线路都有不同程度的经过各类植物覆盖的地区，输电线路的设计都要考虑林木跨越的影响，无论是已经开发和利用的田地、针叶林、阔叶林，还是未经开发的自然保护区，因此，合理选择输电线路路径和走向，在避免砍伐林木尤其是稀有保护植物和减少输电线路投资两方面达到协调，是经济合理设计架空线路的关键性问题。利用DEM和DSM可以得到树木高度，结合DOM和外业调绘资料，能够确定树木类型。

根据最终确定的线路路径，设定缓冲区范围，提取DLG中的林木矢量文件自动提取需砍伐的林木范围并计算需砍伐的林木面积，估算林木赔偿费用。

(5)塔基断面的自动高精度获取

由于线路结构专业需要，在施工图阶段需要对每一级塔位的塔基断面图进行测量。在以往的工程经验中，经常发生由于转角塔塔基位置地形变化较大而导致改线的情况。因此有必要在对线路电气人员选线完成以后的每一级转角塔位进行室内塔基断面图的自动高精度绘制。传统的航测技术由于高程精度较差，无法满足工程需要。而由三维激光雷达技术获取的DEM高程精度远高于传统航测技术，因此使塔基断面图的自动高精度绘制成为现实。

在线路路径确定以后，可在DEM中提取塔位中心高程作为原点高程，并提取8个方向的高程断面。塔基断面8个方向示意图如图14所示，ABCD为四个塔腿的方向，相互夹角为90°，与后退方向夹角依次为45°、135°、225°和315°。EFGH为其余四个方向，相互夹角为90°。ABCD和EFGH相邻两个方向夹角为45°。

图15是方形转角塔8个塔基断面方向示意图，ABCD为四个塔腿的方向，相互夹角为90°，E和G为线路前进方向和后退方向的角平分线，ABCD四腿与E方向夹角依次为45°、135°、225°和315°。EFGH为其余四个方向，相互夹角为90°。ABCD和EFGH相邻两个方向夹角为45°。

当选线结果确定以后，可以对某塔位进行塔基断面图输出。

2)运行维护

运行维护主要是针对已有线路进行维护管理，主要包括设备量测、状态评估、边坡距离量测以及护坡设计等；其中，设备量测主要指通过人工方式对导线间距、导线对地距离、两档弧垂等实施例进行量测，系统负责对量测值进行预警分析；状态评估则是根据线路周边环境变化及带电导线的空气间隙距离威胁程度等分为三个等级进行预警，不同等级缓冲区以不同颜色划分；边坡距离量测以及护坡预设计主要是通过用户对三维虚拟场景当中地形地貌进行观察分析和根据实际需要，决策杆塔地形的护坡设计。

a.总体思路概述

输电线路运维包括对杆塔、导地线的距离测量、通道保护区内的房障树障清理、边坡的量测等工作，系统平台的测量与评估等模块功能的主要目的就是快速、简明地了解线路杆塔设备情况，减少缺陷对输电线路的影响，从而提高运维水平。

电力设备空间距离过过近，会引发相互之间放电故障。对于架空线路的各类类距离，《架空送电线线路运行规规程》中有着明确的规定，线路带电设备之间的距离有着严格的规定，但随着运行时间的变长和环境因因素的影响，其距离会发生变化。一旦带电设备之间的距离过近，造成较严重的缺陷。为了防止此类缺陷的发生，在不影响带电设备运行和保证安全的情况下，测量线路设备之间的距离就显得尤为重要。由于人工户外工作很大程度上受制于设计人员的经验和视野，只能尽量保证量测尽量准确，而三维激光雷达可以将线路现场的三维环境建立在系统平台上，测量人员可以在准确掌握线路状况，相对于传统手段来说，更容易实现精确化和可控化。

b.总体技术流程

基于传统的线路运行维护，是通过线路现有运维管理模式，依托层级流程化管理实现，主要体现为一线维护人员对线路设备巡查发现相关问题，以纸质、电子版本报送上级管理部门后，其安排技术测量相关人员现场实际完成数据采集工作，包括导地线等设备相对距离测量、线路保护区内树障、房障统计分析处理、线路杆塔基础保护区边坡变化情况等。图16为基于传统线路运行维护流程示意图。

在掌握激光雷达测量技术的基础上，结合输电线路运维作业流程要求，发明人设计了基于无人直升机搭载激光雷达测量技术的输电线路运行维护流程，如图17所示。

c.工程实践

利用基础测绘产品DEM、DOM和DLG，可以在本实施例研发的“输电线路三维实景应用管理系统”中构建三维实景，工作人员可以从不同的视角查看线路周边的地物、地貌特征，量测各目标地物与线路间的距离，通过放大、缩小、漫游查看全路径地形条件，综合考虑沿线交通运输、施工和运行维护的难易程度、对地物的影响及受地形的影响等，实现线路走径更合理更经济，对附近环境和居民的影响降低到最小。通过本研究，在输电线路运行维护应用方面，成功实现了设备量测、状态评估、边坡测量及预警、护坡预设计等功能，应用效果上具有三维全景性展示、直观测量和多任务管理等特点。

①设备量测

无人直升机激光雷达经过扫描后能够根据各类运行安全距离要求，实现同时测量多个任务如：导线弧垂、交叉跨越、导线对地面危险物(树木、房屋、河流、输电线路、高速公路等)等实施例的测量。在本研究中基于使用激光点云可以实现空间距离的精确测量，重点应用在输电线路的运维管理中可以建立三维实景化输电线路走廊，全景展示输电线路设备状态，能够实现任一空间内的距离量测，可以对交叉跨越、导线弧垂、相间距离等数据信息进行多任务测量及展示，直观进行测量数据分析和判别，提供新的运行维护管理手段。

本实施例研究中，使用LiDAR设备扫描后测得的数据与实际应用情况设置的输电设备标准值进行比较：若扫描测得的数据小于标准值，则系统报警，并用红色字体标示；大于标准值则监测合格，用蓝色字体标示。测量结果导出成Excel文件保存。在本研究中为便于将成果在实际中得到有效应用于，相关运行标准值的设定权限可根据输电线路设备电压等级、杆塔形式、地形环境等外部因素调整设置，结果输出到EXCEL表格

②状态评估

在输电线路施工初期，为了架设输电线路，往往需要看法清理出输电线路通道，经过一段时间运行变化的线路通道周围的树木、岩土环境、房屋等外部环境也会发生一定的变化。为了能够有效的保障输电设备安全，真正的做到动态掌握设备周边情况，分类统计各种隐患故障，提供安全预警，并推行开展输电设备状态检修，就需要能够实时动态的掌握线路周边情况。在本研究中利用三维实景平台实景图像、实现多任务同时量测等功能特点，对于通道树木的安全控制提出了缓冲区的概念，根据线路周边环境变化及带电导线的空气间隙距离威胁程度等分为三个等级进行预警归纳，以便及时处理威胁到线路设备安全的对象，监测掌握存在的潜在隐患。在实际运维中要应用到的工程测量，必须根据电压等级、杆塔形式、基础形式、杆塔地质特征、树木种类等综合因素来考虑设定缓冲区域的各项数值，便于制定针对性分析方案和技术人员的管理。以500kV输电线路为例进行理论模型研究，如图18所示。

本研究中，利用平台全景图像化展示、多任务数据的特点，进行缓冲区设置，以500kV线路为例，缓冲区需考虑如下因素：

一级缓冲区：将运规中规定的导线对树最大风偏L＝7m的距离定为限定值。设定导线对地距离h1＝22m，设定该杂树种的生产高度为h2＝18m为例，那么其树与边相导线距离d’＝15+5.7＝20.7m，考虑弧垂及风偏的安全裕度，第一级缓冲区划分可设定21m，其颜色划分为红色。

二级缓冲区界定值L＝15m，d’＝29.5，考虑弧垂及风偏的安全裕度，第二级缓冲区划分可设定30m，其颜色划分为蓝色。

三级缓冲区界定值L＝20m，d’＝34.5，考虑弧垂及风偏的安全裕度，第三级缓冲区划分可设定35m，其颜色划分为绿色。

③边坡距离量测

由于杆塔基础问题造成的事故时有发生，线路杆塔基础存在于不同的地质条件环境中，容易受外界环境影响。杆塔基础的设计和施工要综合考虑对基础周边岩土环境的影响，针对杆塔基础型式及沿线土质特点，以岩石嵌固基础和掏挖基础为例，设定不同保护范围值如下：

表1 500kV输电线路杆塔基础保护范围

本研究中，主要以输电线路经常发生的边坡坍塌及防护来开展研究。在基于边坡距离直接测量的基础上，考虑基础型式的保护范围设定标准值；考虑运行防护范围设定预警值。当扫描得到的范围小于基础保护范围值，显示“预警”，提示红色警示色。当扫描得到的范围大于基础保护范围值，软件显示“合格”，提示蓝色警示色。基础的保护范围值由软件使用人员设定。根据塔位的具体情况，采取合理有效的护坡方式，既是塔位安全稳定的保证，也能减少对塔基环境的破坏。

④护坡预设计

由于杆塔基础所处的地质条件或在勘测、设计过程中的失误、施工质量不良、泥石流等自然灾害以及运行过程中发生的外破事件等诸多原因，均可能造成杆塔基础的变形、不均匀沉降，致使杆塔倾斜甚至倒塔。另外由于规划变更、高速公路修建等原因使得输电线路的运行条件发生变化，安全距离不够，这些都成为输电线路安全稳定运行的隐患。因此开展杆塔的基础加固、基础纠偏、基础移位、基础顶升等改造设计方法以应对上述情况的发生具有非常重要的现实意义。

本研究中，可以对需要修筑护坡的位置、效果、范围进行界定，同时设定修筑范围进行土方量估算，最后对护坡色修筑范围进行评估。

(a)范围界定：通过对点云数据处理，并依靠现场拍摄的塌方彩色图片对比。依据《架空送电线路运行规程》要求，依照不同的护坡保护范围，选择性的对杆塔基础周边边坡土壤变化部分进行护坡设计。在系统中可以直观判断护坡修筑的位置和范围，一般以警戒值为界进行选定。

(b)土方量计算：虽然杆塔基础改造处理在实际工程中成功应用的经验越来越多，但是在杆塔基础改造的过程中过多的依赖人为经验。计算机仿真技术研究可以模拟计算出基础改造施工中的土石方量，改变过去人为经验的状况，模拟杆塔的结构、受力情况的变化以及作业过程中的安全、稳定控制等方面。

(c)效果评估：为保证杆塔在施工过程中的绝对安全，我们将扫描后的三维实景模型进行处理建模对于可能存在滑坡危险的塔基地形进行编辑设计，并设置护坡类型(即外表纹理)。在建立输电线路实景杆塔模型的基础上，应用杆塔基础的的模块化设计和分析，为基础改造方法提供科学评价和理论指导。依据上述流程，得出效果图如图19所示。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种基于无人机的输变电系统实时监控方法，其特征在于，无人机系统包括：无人机地面站、远程移动视频传输设备、后方指挥中心，其中，地面站主要用于接收无人机发射回的图像视频信号，相当于一部无人地面接收机，作为远程传输的信号源；远程视频传输设备先采集视频图像，进行压缩编码，并通过网络将压缩视频数据发送到服务器；指挥中心为视频图像远程传输的接受端，对于现场视频信息进行接收；

远程视频传输设备包括：视频采集模块，用于将地面站视频信号输入采集，可提供不间断的信息源，视频采集模拟视频序列中的每帧图像，并在采集下一帧图像之前把这些数据传入PC系统；实时压缩及处理模块，用于图像编码，视频压缩编码采用H.264编码；网络传输模块，将事故现场的图像经过压缩和分组后通过多个无线网络传输到监控中心；

当无人飞行器进行巡线作业时，监控人员可使用电视墙、PC、笔记本等观测载体，通过有线和无线方式观看视频；

并且无人飞行器进行巡线作业具体包括以下步骤：

覆冰厚度检测步骤，用于计算导线的覆冰厚度，包括：提取架空导线覆冰前的导线图并进行边缘处理得到导线边缘图像；利用无人机拍摄导线覆冰图像并转换为导线灰度图，然后进行阈值分割，将其转化为二值图像；最后采用Canny算子对二值图像进行边缘检测，统计上下边缘的总像素，根据覆冰前的导线边缘图像计算导线覆冰后上下边缘的平均像素；

导线灼伤检测步骤，利用无人机拍摄导线图像，对图像进行二值处理，计算处理后的图像中导线颜色为白色区域的像素点在导线像素点中所占的比例；

并且，利用无人机进行图像的拍摄时，包括以下选择步骤：中远距离航巡步骤，无人机短距离及定点巡检步骤；

其中，中远距离航巡步骤用于完成线路常规的巡视检查任务，或搭载其他特定任务设备完成专项工作任务，如无人机三维激光雷达数据采集，以建立三维实景化线路走廊；无人机飞行过程中的可见光图像和其他采集任务信息实时的回传到指挥保障车；自动巡检需提前设置线路航巡轨道，可以采用如下两种方式：(1)人工预先干预模式：首先采用人工方式对杆塔、绝缘子、线路进行巡查，记录下重要点的GPS信息，如起始杆塔位置、弧垂位置、下一个杆塔位置，并对其进行存储，并输入到无人飞行器存储器中，以后巡查即按该次记录的点进行自主导航。(2)自主导航模式：直接输入各杆塔的GPS坐标，设定航线与航向，对杆塔、绝缘子、线路进行巡查；

其中，无人机短距离及定点巡检步骤主要用于采取定点查找方案，通过人工飞行控制方式对设备缺陷和异常情况进行专项巡查，或对现场进行航拍、应急指挥监控等；定点查找方案的适用范围包括：当仅知道故障大致范围，而无法精确定位故障地点时，对故障点进行查找，和/或当发现故障或异常情况时，需要对缺陷进行详细检查，取得图像供技术人员进行分析；

定点查找方案的工作模式如下：(1)对杆塔、绝缘子及金具进行检查时，以5m/s速度到达铁塔附近大约30米左右，然后缓慢飞近目标，当到达目标高度及约10米时，稳定飞行器，控制云台的角度利用摄像机和照相机进行拍照，(2)对导地线及金具进行检查时，以5m/s速度到达导地线附近大约30米左右，然后控制云台平视，飞行器缓缓飞近目标，当到达目标高度及约10米时，稳定飞行器进行拍摄；

在线路短距离巡检中，可进行自动导航工作模式：在进行巡检工作前，将要巡检的工作区域按照每0.6公里为一个区段进行划分，确保每个区域的中间点附近可以由无人飞行器运输/指挥/保障车到达，以此点为无人飞行器的起飞点；巡检工作开始时，将输电线路无人飞行器巡检系统运输到起飞点；在此展开地面站，检查无人飞行器机械、飞控、通信等子系统；检查完毕后，启动无人飞行器开始巡检工作；飞行过程中的可见光和红外图像信息实时的回传到运输/指挥/保障车，同时，当无人飞行器返回地面后，收集机载设备记录下的数据，在地面站上对数据分析进行深入分析，对于其他的巡线区段同上述巡检方式；

并且，在利用无人机进行图像拍摄时，还搭载三维激光雷达设备进行通道激光点云数据扫描采集，以建立全景化线路通道走廊，实现相应的生产指挥、状态评估等立体航巡的高级应用。

2.根据权利要求1所述的基于无人机的输变电系统实时监控方法，其特征在于，当利用四旋翼飞行器进行巡检工作时，保持离边导线5m以上距离；当采用无人直升机航巡时宜在线路侧上方30-50m外。

3.根据权利要求1所述的基于无人机的输变电系统实时监控方法，其特征在于，以多次不同高度及速度飞行，以得到不同的点云密度和精度数据，其中最优数据的要求如下：影像地面分辨率优于0.05m；点密度优于30p/m2；高程精度优于0.15m；平面精度优于0.2m。