CN113419559B - 基于输电线路gim模型的三维航线规划巡视系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于输电线路GIM模型的三维航线规划巡视系统，主要由应用层、业务层、框架层、数据访问层四个层级组成；软件菜单栏按钮直接访问的是应用层中功能模块，开展输电线路GIM模型三维航线规划，业务层根据所访问的功能模块内容通过业务需求调用框架层的接口，若操作中涉及到数据读写部分的信息展现，功能模块会调用数据访问层中的数据信息。本发明还公开了一种基于输电线路GIM模型的三维航线规划巡视方法，通过GIM模型解析、航点三维计算、航线自动规划、安全距离校验及航线导出等步骤来实现三维可视化场景的航线规划。
Description
技术领域
本发明涉及无人机航线规划技术领域，具体涉及一种基于输电线路GIM模型的三维航线规划巡视系统及方法。
背景技术
架空输电线路一般长达几公里到几百公里，线路设备长期露置在大自然的环境中运行，面临恶劣气候的侵袭、外力破坏、异物挂线导致的相接短路等问题，这些因素随时威胁着线路的安全运行。为了保证线路的安全运行，需定期开展巡线工作。目前的巡线方式主要依靠人工巡检携带望远镜等设备或利用无人机开展自主巡检，但在无人机巡视方面，需人工示教一次后，方可实现输电线路巡视，在带电设备间精准录制航线航点对基层工作人员的飞控水平有较高的要求。此外，逐基铁塔进行航点录制，需要耗费大量的人力；最后，录制的航点与周边设备间未进行安全距离校验，自动飞行时存在一定的安全隐患。
CN109002055A公开了一种基于无人机的高精度自动巡检方法及系统。该方法根据杆塔的数据设计航线线路。CN107515003A公开了一种规划飞机巡视输电线路飞行航线的方法，该方法将需巡视的路杆塔和站点信息批量导入卫星地图软件，形成输电线路路径，并在输电线路路径的基础上添加巡检飞行全景信息，建立机巡线路全景信息路径；利用GA寻优算法对步骤S2确定的各临时起降点、各临时起降点所辖飞行航点进行分析，提示辅助操作选取各临时起降点、各临时起降点所辖飞行航点并形成航线，实现输电线路和起降点、飞行航点的交互可视化。
CN109358644A公开了一种无人机自动巡视航线路的生成方法，包括：获取线路杆塔的三维形态数据，对三维形状数据进行刺点操作得到线路杆塔的多个检测点；根据预设的位置约束条件确定多个检测点对应的相同数量的多个巡航点，生成包括多个巡航点的巡视航线。
GIM（Grid Information Model）电网信息模型,由于具有数字化、可视化、信息化以及可模拟和集成化等优势，逐渐成为电力设计院数字移交的必要文件，其在输变电项目整个生命周期中扮演着非常重要的角色。GIM模型包含三维实体的几何元素信息、非几何信息、几何模型间的逻辑以及相应的程序编码。现有技术中尚无基于输电线路GIM模型进行三维航线规划的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于输电线路GIM模型的三维航线规划巡视系统及方法，通过GIM模型解析、航点三维计算、航线自动规划、安全距离校验及航线导出等步骤来实现三维可视化场景的航线规划。
本发明通过下述技术方案来实现：
基于输电线路GIM模型的三维航线规划巡视系统，主要由应用层、业务层、框架层、数据访问层四个层级组成；软件菜单栏按钮直接访问的是应用层中功能模块，开展输电线路GIM模型三维航线规划，业务层根据所访问的功能模块内容通过业务需求调用框架层的接口，若操作中涉及到数据读写部分的信息展现，功能模块会调用数据访问层中的数据信息；
所述应用层中的功能模块包括：地形数据模块、模型数据模块、航线规划模块、模型查看模块；所述地形数据模块支持导入地形影像及地形高程数据TIF文件，并在软件界面解析展现，为导入的输电线路GIM模型提供地形数据支撑；所述模型数据模块主要对导入节后的输电线路GIM模型，进行铁塔模型数据库管理，为航线规划提供模型数据支撑；所述航线规划模块对选中的输电线路GIM模型进行航点规划、航线检验，实现三维场景中的航线规划；所述模型查看模块控制输电线路GIM模型中杆塔层级架构功能面板的显隐以及杆塔上航点管理功能面板的显隐。
进一步优选，所述业务层包括业务对象类模块和业务逻辑处理类模块，提供业务对象的业务结构和业务对象的通用工具，将应用层需要所用的接口均做好相应的封装。
进一步优选，所述框架层包括D3Station开发框架、OSG/OSGEarth地图引擎、命令管理器、交互工具、工程管理等。
进一步优选，所述数据访问层包括通用工具库、Knode类模块、GIM解析接口、线程池、通用库组件、GIS本地数据接口、XML文件接口。数据访问层包含地型文件，GIM文件、工程数据的xml/xmdx文件。在数据访问层提供的GIM文件的解析和GIS服务解析地形文件；数据访问层提供xml文件的读取和保存。
基于输电线路GIM模型的三维航线规划巡视方法，包括如下步骤：
步骤１、GIM模型解析：在模型数据模块中导入输电线路GIM模型，对导入的输电线路GIM模型进行解析，通过文件解析器逐级解析输电线路GIM模型中的cbm、dev、phm文件，得到场景结构数据；通过模型构造器将mod，stl模型转换至osgb文件，解析输电线路GIM模型中的fam文件，完成模型的属性信息填充工作；获取IGimNode数据以及osg图像节点，利用三维模型展示平台读取解析信息，在三维场景展现模型数据，构建基于GIS空间信息的输电线路三维可视化场景，通过输电线路三维可视化场景可快速查看各个塔位、铁塔基础台账数据以及周围环境的信息，实现基础数据的关联展现；
步骤２、航点三维计算：选取目标点，通过约束条件自动生成最优航点；
选择单基铁塔GIM模型进行航点规划，在输电线路三维可视化场景中点击输电线路GIM模型表面目标点，获取目标点经纬度、高程信息。同时，根据当前在输电线路三维可视化场景对输电线路GIM模型的查看视角，结合航点与目标点之间默认输入的拍照距离参数，计算生成对应航点。依据航点与目标点连线在地面的投影与正北方向的夹角生成无人机偏转角，连线与水平方向间的夹角生成云台俯仰角等参数信息，实现航点参数信息的自动生成；
步骤３、航线自动规划：通过三维模型轻量化展现及数据解析技术对所导入输电线路GIM模型进行加载展现，获取各输电线路GIM模型中铁塔类型、铁塔型号、杆塔经纬度、呼高等参数信息，基于输电线路GIM模型与规划航线建立的关联关系，对已规划好的铁塔航线存为航线数据库；
步骤４、安全距离校验；
步骤５、航线导出：航线规划后，导出加密航线信息文件；
步骤６、自动飞行。
具体地，步骤４中，安全距离校验的具体过程为：针对当前输电线路GIM模型中所有的航点、航线信息，遍历输电线路GIM模型结构中所有三角面，使用计算点在三角面片内的投影点计算最短距离是否满足要求，并得到相对于模型的最短距离，实现对输电线路GIM模型中无人机飞行路径与线路模型进行安全净距校验，以制定安全可靠的输电线路巡视航线。
本发明具有如下有益效果：
1、在三维可视化场景基于输电线路设计阶段GIM模型进行航线航点规划，选取目标点，通过约束条件系统自动生成最优巡视角度的航点，完成线路航线规划，降低对基层工作人员飞控技术水平的要求。
2、三维数字模型和GIS空间信息结合，设置安全距离后生成的航点与周边地物、铁塔设备间进行安全距离校验，提前发现飞行安全隐患。根据约束条件自动计算无人机在设备模型中的最优航拍位置信息，提升航线规划效率，减少户外人工示教录制航线工作量。
3、通过输电线路GIM模型解析展现、航点规划、航线方案自动匹配、航线安全距离校验及航线连接导出等主要功能来实现三维可视化场景的航线规划。根据航线路径，对无人机飞行路径与线路模型进行安全距离校验，减少现场飞行事故发生概率；对于同类型铁塔可通过航线方案匹配套用，提高航线规划效率。
附图说明
图1是本发明的基于输电线路GIM模型的三维航线规划巡视系统总体逻辑框架结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细阐明。
参照图1，基于输电线路GIM模型的三维航线规划巡视系统，主要由应用层、业务层、框架层、数据访问层四个层级组成；软件菜单栏按钮直接访问的是应用层中功能模块，开展输电线路GIM模型三维航线规划，业务层根据所访问的功能模块内容通过业务需求调用框架层的接口，若操作中涉及到数据读写部分的信息展现，功能模块会调用数据访问层中的数据信息。
应用层中的功能模块包括：地形数据模块、模型数据模块、航线规划模块、模型查看模块。地形数据模块支持导入地形影像及地形高程数据TIF文件，并在软件界面解析展现，为导入的输电线路GIM模型提供地形数据支撑。模型数据模块主要对导入节后的输电线路GIM模型，进行铁塔模型数据库管理，为航线规划提供模型数据支撑。航线规划模块对选中的输电线路GIM模型进行航点规划、航线检验，实现三维场景中的航线规划。模型查看模块可控制输电线路GIM模型中杆塔层级架构功能面板的显隐以及杆塔上航点管理功能面板的显隐。
业务层包括业务对象类模块和业务逻辑处理类模块，提供业务对象的业务结构和业务对象的通用工具，将应用层需要所用的接口均做好相应的封装。
框架层包括D3Station开发框架、OSG/OSGEarth地图引擎、命令管理器、交互工具、工程管理等。
数据访问层包括通用工具库、Knode类模块、GIM解析接口、线程池、通用库组件、GIS本地数据接口、XML文件接口。数据访问层包含地型文件，GIM文件、工程数据的xml/xmdx文件。在数据访问层提供的GIM文件的解析和GIS服务解析地形文件；数据访问层提供xml文件的读取和保存。
基于输电线路GIM模型的三维航线规划巡视方法，在三维可视化场景导入输电线路GIM模型，在单个铁塔模型表面点击获取航拍目标点的坐标、高程信息，同时结合当前GIM模型当前旋转查看视角，自动计算生成对应的航点，所生成的航点经过安全距离校验后，可存为航线方案，对相同塔型的铁塔可直接套用,随后导出航线信息，APP端解析航线信息文件，执行自动飞巡。具体步骤如下：
步骤１、GIM模型解析：在模型数据模块中导入输电线路GIM模型，根据国家电网公司基建部所提出的《输变电工程三维设计模型交互规范》当中的相关规定，对导入的输电线路GIM模型进行解析，通过文件解析器逐级解析输电线路GIM模型中的cbm、dev、phm文件，得到场景结构数据；通过模型构造器将mod，stl模型转换至osgb文件，解析输电线路GIM模型中的fam文件，完成模型的属性信息填充工作；获取IGimNode数据以及osg图像节点，利用三维模型展示平台读取解析信息，在三维场景展现模型数据，构建基于GIS空间信息的输电线路三维可视化场景，通过输电线路三维可视化场景可快速查看各个塔位、铁塔基础台账数据以及周围环境的信息，实现基础数据的关联展现，为后期三维规划自主巡检提供数据支撑。
步骤２、航点三维计算：选取目标点，通过约束条件自动生成最优航点。具体过程为：选择单基铁塔GIM模型进行航点规划，在输电线路三维可视化场景中点击输电线路GIM模型表面目标点，获取目标点经纬度、高程信息。同时，根据当前在输电线路三维可视化场景对输电线路GIM模型的查看视角，结合航点与目标点之间默认输入的拍照距离参数，计算生成对应航点。依据航点与目标点连线在地面的投影与正北方向的夹角生成无人机偏转角，连线与水平方向间的夹角生成云台俯仰角等参数信息，实现航点参数信息的自动生成。
航点坐标转换过程如下：
1)基于输电线路GIM模型参考坐标系，在输电线路GIM模型上选取目标点，结合无人机与目标点拍摄距离、偏航角、云台俯仰角等参数得到相应的航点，记录相对于坐标系下的航点相对坐标。
2)根据输电线路GIM模型实际放置的经纬度坐标，转换成对应3度带下的投影坐标。
3)依据投影坐标和航点的相对坐标计算出航点在杆塔的3度带投影坐标，然后根据投影坐标转换成经纬度坐标，得出航点的实际经纬度、高程坐标。
步骤３、航线自动规划：通过三维模型轻量化展现及数据解析技术对所导入输电线路GIM模型进行加载展现，获取各输电线路GIM模型中铁塔类型、铁塔型号、杆塔经纬度、呼高等参数信息，基于输电线路GIM模型与规划航线建立的关联关系，对已规划好的铁塔航线存为航线数据库。后续铁塔航线规划过程中，将自动匹配调用航线方案库中相同类型、型号的铁塔航线方案进行航线自动规划，对于匹配后因杆塔呼高不同导致的目标点、航点错位问题，后期仅需人工微调自动规划的航点，生成符合要求的航线，大幅提升航线规划效率。
步骤４、安全距离校验：针对当前输电线路GIM模型中所有的航点、航线信息，遍历输电线路GIM模型结构中所有三角面，使用计算点在三角面片内的投影点计算最短距离是否满足要求，并得到相对于模型的最短距离，实现对输电线路GIM模型中无人机飞行路径与线路模型进行安全净距校验，以制定安全可靠的输电线路巡视航线。
步骤５、航线导出：航线规划后，导出加密航线信息文件。
步骤６、自动飞行：无人机自主巡检APP加载巡视航线数据，可结合巡视作业区段，创建多段自主巡检任务，通过飞行状态检测（RTK信号检测），可实现中间障碍区避开飞行及中断点继续飞行。
本发明利用大疆所提供的Mobile SDK底层SDK平台丰富的API接口，使用任务控制模块中的Waypoint Missoin技术，结合解析解密航线中的航点坐标信息，实现无人机的航线自动飞行。
本发明步骤２中，航点规划时主要通过求交器来实现。手动标定目标点时，需要支持点选返回输电线路GIM模型上的坐标点。而场景中拾取模型使用的求交器一般为射线求交器，这种求交器仅适用于含三角面的模型实体。而航线规划模块中的设置目标点功能。默认earth视图中的点选使用LineSegmentIntersector求交器进行求交，已验证不存在性能风险。
本发明步骤４中通过设置安全距离，结合GIS空间信息，验证航点与杆塔设备间的距离是否符合安全距离。使用osgNode与点数据进行最短距离计算；使用osg::NodeVisitor，派生三角面访问器基类（CTranglesVisitor），然后读取塔模型、串模型及相应的导线模型的osg::Node数据，accept三角面访问器，遍历模型所有三角面，使用计算点在在三角面片内的投影点计算最短距离是否满足要求，并得到相对于输电线路GIM模型的最短距离。
本实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.基于输电线路GIM模型的三维航线规划巡视方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤1、GIM模型解析：在模型数据模块中导入输电线路GIM模型，对导入的输电线路GIM模型进行解析，通过文件解析器逐级解析输电线路GIM模型中的cbm、dev、phm文件，得到场景结构数据；通过模型构造器将mod，stl模型转换至osgb文件，解析输电线路GIM模型中的fam文件，完成模型的属性信息填充工作；获取IGimNode数据以及osg图像节点，利用三维模型展示平台读取解析信息，在三维场景展现模型数据，构建基于GIS空间信息的输电线路三维可视化场景，通过输电线路三维可视化场景可快速查看各个塔位、铁塔基础台账数据以及周围环境的信息，实现基础数据的关联展现；
步骤２、航点三维计算：选取目标点，通过约束条件自动生成最优航点；
选择单基铁塔GIM模型进行航点规划，在输电线路三维可视化场景中点击输电线路GIM模型表面目标点，获取目标点经纬度、高程信息；同时，根据当前在输电线路三维可视化场景对输电线路GIM模型的查看视角，结合航点与目标点之间默认输入的拍照距离参数，计算生成对应航点；依据航点与目标点连线在地面的投影与正北方向的夹角生成无人机偏转角，连线与水平方向间的夹角生成云台俯仰角参数信息，实现航点参数信息的自动生成；
步骤３、航线自动规划：通过三维模型轻量化展现及数据解析技术对所导入输电线路GIM模型进行加载展现，获取各输电线路GIM模型中铁塔类型、铁塔型号、杆塔经纬度、呼高参数信息，基于输电线路GIM模型与规划航线建立的关联关系，对已规划好的铁塔航线存为航线数据库；
步骤４、安全距离校验；
步骤５、航线导出：航线规划后，导出加密航线信息文件；
步骤６、自动飞行。
2.如权利要求1所述基于输电线路GIM模型的三维航线规划巡视方法，其特征是，步骤４中，安全距离校验的具体过程为：针对当前输电线路GIM模型中所有的航点、航线信息，遍历输电线路GIM模型结构中所有三角面，使用计算点在三角面片内的投影点计算最短距离是否满足要求，并得到相对于模型的最短距离，实现对输电线路GIM模型中无人机飞行路径与线路模型进行安全净距校验，以制定安全可靠的输电线路巡视航线。
3.一种用于实施权利要求1或2所述的基于输电线路GIM模型的三维航线规划巡视方法的系统，其特征是，由应用层、业务层、框架层、数据访问层四个层级组成；软件菜单栏按钮直接访问的是应用层中功能模块，开展输电线路GIM模型三维航线规划，业务层根据所访问的功能模块内容通过业务需求调用框架层的接口，若操作中涉及到数据读写部分的信息展现，功能模块会调用数据访问层中的数据信息；
所述应用层中的功能模块包括：地形数据模块、模型数据模块、航线规划模块、模型查看模块；所述地形数据模块支持导入地形影像及地形高程数据TIF文件，并在软件界面解析展现，为导入的输电线路GIM模型提供地形数据支撑；所述模型数据模块主要对导入节后的输电线路GIM模型，进行铁塔模型数据库管理，为航线规划提供模型数据支撑；所述航线规划模块对选中的输电线路GIM模型进行航点规划、航线检验，实现三维场景中的航线规划；所述模型查看模块控制输电线路GIM模型中杆塔层级架构功能面板的显隐以及杆塔上航点管理功能面板的显隐。
4.如权利要求3所述的用于实施基于输电线路GIM模型的三维航线规划巡视方法的系统，其特征是，所述业务层包括业务对象类模块和业务逻辑处理类模块，提供业务对象的业务结构和业务对象的通用工具。
5.如权利要求3所述的用于实施基于输电线路GIM模型的三维航线规划巡视方法的系统，所述框架层包括D3Station开发框架、OSG/OSGEarth地图引擎、命令管理器、交互工具、工程管理。
6.如权利要求3所述的用于实施基于输电线路GIM模型的三维航线规划巡视方法的系统，所述数据访问层包括通用工具库、Knode类模块、GIM解析接口、线程池、通用库组件、GIS本地数据接口、XML文件接口。
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