劉 洋 唐繼朋

（1. 國網(wǎng)天津市電力公司物資公司，天津 300304；2. 國網(wǎng)天津市電力公司，天津 300010）

0 引言

輸變電工程項目技術(shù)復(fù)雜、啟動資金規(guī)模較大，使得工程質(zhì)量檢測，成為工程項目管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在施工調(diào)試等階段中，影響工程質(zhì)量的相關(guān)因素較多，直接關(guān)系到輸變電工程投運后的安全經(jīng)濟性［1，2］。若輸變電工程線路設(shè)備出現(xiàn)事故，則會為供電用戶帶來極大不便，因此，對輸變電工程進行質(zhì)量檢測，及時解決輸變電工程相關(guān)事故，保護導(dǎo)線設(shè)備安全，具有重要意義［3，4］。

現(xiàn)階段，輸變電工程質(zhì)檢方法相關(guān)研究取得較大發(fā)展，文獻［5］采用基于集中監(jiān)控大數(shù)據(jù)的工程質(zhì)檢方法，搭建監(jiān)控信息分析中心，但該方法未充分整合分類監(jiān)控信息，影響了異物覆蓋檢測效果。文獻［6］采用基于大數(shù)據(jù)挖掘的工程質(zhì)檢方法，挖掘輸變電線路設(shè)備告警信息，但該方法挖掘歷史數(shù)據(jù)存在缺失，異物覆蓋檢測效果不佳。文獻［7］采用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工程質(zhì)檢方法，物聯(lián)網(wǎng)采集輸變電工程線路設(shè)備的形態(tài)信息，監(jiān)測管理輸變電設(shè)備，但該方法的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)覆蓋面積重疊區(qū)域較大，異物覆蓋檢測厚度和體積同樣較低。

針對以上問題，提出基于三維技術(shù)的輸變電工程智能化質(zhì)檢方法，通過激光掃描采集點云數(shù)據(jù)，建立輸變電工程區(qū)域范圍內(nèi)的三維模型，及時清除輸變電線路設(shè)備故障隱患。

1 基于三維技術(shù)的輸變電工程智能化質(zhì)檢方法設(shè)計

1.1 定位輸變電工程線路設(shè)備空間坐標(biāo)

采集輸變電工程地域范圍內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)，定位導(dǎo)線、電力設(shè)備空間坐標(biāo)。在無人機上安裝激光掃描儀，配置光源和圖像采集卡，設(shè)置激光掃描儀掃描參數(shù)，包括掃描頻率、擺動角度等，在輸變電工程的地域范圍內(nèi)，布設(shè)無人機飛行航線，令無人機進入航線，并向掃描鏡發(fā)射激光，通過掃瞄鏡的運動反射，確保激光覆蓋輸變電工程的整個地域范圍［8］。利用光電接收裝置，接收輸變電線路、電力設(shè)備、地面反射的激光束，根據(jù)激光束傳輸間隔，以及無人機采集輸變電工程數(shù)據(jù)時的位置姿態(tài)，得到激光設(shè)備至地面的距離。在無人機上安裝CCD 工業(yè)相機，獲得輸變電線路和設(shè)備的數(shù)碼影像數(shù)據(jù)，判斷激光掃描儀采集的點云數(shù)據(jù)類型，輔助輸變電工程的圖像采集［9］。設(shè)任意一點的物理坐標(biāo)為(u，v )、像素坐標(biāo)為(x，y )，平面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換公式為：

其中ax、ay分別為像素在x方向、y方向上的物理長度，(u0，v0) 為物理坐標(biāo)原點，在像素坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。轉(zhuǎn)換像素坐標(biāo)和激光掃描儀坐標(biāo)，關(guān)系式為：

其中k1、k2分別為激光掃描儀的內(nèi)參數(shù)矩陣、外參數(shù)矩陣，取決于世界坐標(biāo)系和激光掃描儀坐標(biāo)系的相對位置，f為激光發(fā)射頻率，(X1，Y1)，Z1為激光掃描儀坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值［10］。利用激光掃描時，地面、無人機、飛行距離之間的三角形幾何關(guān)系，轉(zhuǎn)換兩個三維直角坐標(biāo)系，使其通過旋轉(zhuǎn)和平移等操作，能夠重合在一起，設(shè)地面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值為(X2，Y2，Z2)，轉(zhuǎn)換關(guān)系式為：

其中R、T分別為旋轉(zhuǎn)矩陣、平移矩陣。通過以上坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到像素點的實際三維坐標(biāo)。至此完成輸變電工程線路設(shè)備空間坐標(biāo)的定位。

1.2 基于三維技術(shù)建立輸變電工程三維模型

導(dǎo)入空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，利用三維技術(shù)，建立輸變電工程三維模型。預(yù)處理激光點云圖像，提取輸變電線路設(shè)備特征點，采用LOG 去噪算子，在圖像全局上設(shè)置相同的高斯分布參數(shù)，過濾點云數(shù)據(jù)的高斯噪聲，使灰度值差值較大的像素點，取周圍像素點的平均灰度值，高斯濾波函數(shù)表達(dá)式為：

其中b為高斯濾波參數(shù)，由LOG 去噪算子的寬度決定，g(x，y)為去噪后的點云圖像。設(shè)置原始點云圖像的判別式，去除小于LOG 函數(shù)值的像素點，得到過濾圖像，卷積過濾圖像和濾波圖像，利用拉普拉斯算子，增強低強度的像素邊緣，對濾波圖像進行二階導(dǎo)數(shù)增強處理，增強后的圖像h(x，y) 為：

其中?表示卷積操作，u(x，y)為過濾圖像［11］?？紤]背景光線影響，圖像部分邊緣強度較低，為此計 算 像 素 點(x，y )的 梯 度 幅 值M(x，y)和 矢 量c(x，y)，避免低強度邊緣與噪聲點混淆，表達(dá)式為：

通過梯度幅值M(x，y)，去除邊緣像素點的干擾線，通過梯度方向c(x，y)，確定邊緣像素點的法線方向，從而定位圖像中輸變電線路設(shè)備的邊緣，盡量多的保留目標(biāo)邊緣［12］。設(shè)置一個2×2 的窗口，沿著目標(biāo)邊緣的像素點移動，采用邊緣輪廓局部重構(gòu)的方法，跟蹤目標(biāo)邊緣的高頻像素，描述激光圖像的動態(tài)約束邊界點，識別特征像素點，并對其進行幾何定位。動態(tài)約束分布集Q表達(dá)式為

其中P、N分別為導(dǎo)線設(shè)備x方向的邊緣長度、y方向的邊緣長度，d(x，y)為(x，y)位置的像素點空間分布距離。將約束集Q作為量化中心，引入一個核函數(shù)和學(xué)習(xí)參量，對邊緣像素點進行融合處理，提取LOG 量化特征點。匹配圖像特征點，計算點云圖像中各個位置的像素點相關(guān)系數(shù)，找到相關(guān)系數(shù)最大的點作為最佳匹配點，相關(guān)系數(shù)f表達(dá)式為：

其中U(x，y)為(x，y)位置的像素點灰度值，R為匹配像素點的相似性尺度范圍為圖像全局像素點的灰度均值［13］。設(shè)定相關(guān)系數(shù)f的閾值，縮小特征點匹配范圍，多次收斂迭代下，得到f值最大的像素點，將其作為最佳匹配點，匹配激光掃描儀不同掃描角度下的點云圖像，得到用于三維建模的幾何頂點數(shù)據(jù)。利用三維技術(shù)，把幾何頂點的光柵數(shù)據(jù)，寫入CAD 軟件的幀緩沖器，將幾何頂點轉(zhuǎn)換為圖形片元，統(tǒng)計幾何頂點的空間三維坐標(biāo)(X2，Y2，Z2)，導(dǎo)入CAD 中的三維圖形庫，生成輸變電工程區(qū)域內(nèi)的曲面造型，再把導(dǎo)線設(shè)備紋理顏色，映射粘貼至三維模型。至此完成基于三維技術(shù)的輸變電工程三維模型建立。

1.3 智能化質(zhì)檢輸變電工程線路設(shè)備

視覺監(jiān)測輸變電工程三維模型，智能化檢測導(dǎo)線設(shè)備故障。通過輸變電工程三維模型，顯示輸變電工程地域范圍內(nèi)的地形數(shù)據(jù)，對三維模型進行旋轉(zhuǎn)和縮放，使其與基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)無縫結(jié)合。考慮匹配數(shù)據(jù)為特征點匹配得到的數(shù)據(jù)，由此判定場景中灰度變化較大的點，為實際中導(dǎo)線設(shè)備異物覆蓋的點云數(shù)據(jù)，根據(jù)模型顯示的異物形態(tài)，判定相應(yīng)的異物類別，包括鳥害、覆冰等。當(dāng)電力設(shè)備表面存在異物時，其覆蓋體積V為：

其中v1為三維模型上的異物包絡(luò)體積，v2為未覆蓋時的電力設(shè)備體積［14］。擬合異物覆蓋的三維網(wǎng)格，當(dāng)導(dǎo)線表面存在異物時，整根導(dǎo)線的覆蓋厚度H為：

其中m表示導(dǎo)線上含有的異物覆蓋截面數(shù)量，n為異物覆蓋截面的平均厚度，F(xiàn)為輸變電線路半徑，Ei為第i個網(wǎng)格點對應(yīng)的覆蓋截面厚度，I為每個截面邊界具有的網(wǎng)點數(shù)量。圈定輸變電線路的連通域，將三維模型中的導(dǎo)線擬合為直線，通過導(dǎo)線網(wǎng)格點到擬合直線的距離，計算第i個網(wǎng)格點對應(yīng)的輸變電線路偏離度Bi，公式為：

其中Di為第i個網(wǎng)格點到擬合直線的距離［15］。設(shè)定偏離度的限值范圍，留下范圍內(nèi)的網(wǎng)格點，去除超過限值的網(wǎng)格點，模擬出實際輸電線路的連接情況，判定導(dǎo)線是否存在斷股故障。遍歷三維場景中的輸變電線路設(shè)備，得到導(dǎo)線設(shè)備外貌形態(tài)和表面特征，檢測套管、絕緣子有無損壞和爆裂、破裂，絕緣套、導(dǎo)線是否脫落，防雨罩、端子箱、接地箱等是否安裝牢固，斷路器和變壓器等支架有無變形，電纜、襯墊、金屬支架有無磨損破壞、是否安裝完整或發(fā)生移位。至此完成輸變電工程線路設(shè)備的智能化檢測，實現(xiàn)基于三維技術(shù)的輸變電工程智能化質(zhì)檢方法設(shè)計。

2 實驗論證分析

將此次設(shè)計方法，與基于集中監(jiān)控大數(shù)據(jù)的工程質(zhì)檢方法、基于大數(shù)據(jù)挖掘的工程質(zhì)檢方法、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工程質(zhì)檢方法，進行對比實驗，比較四種方法對導(dǎo)線設(shè)備異物覆蓋的檢測情況。

2.1 實驗準(zhǔn)備

選取某地區(qū)輸變電工程作為實驗對象，該工程項目為500 kV 主供電網(wǎng)，鋪設(shè)36.8 千米輸變電線路，占地面積為29183 平方米，是省內(nèi)500 kV 主網(wǎng)架重要組成部分，共建立87基鐵塔，采用全線雙回路架設(shè)，安裝了多臺100萬千伏安變壓器，導(dǎo)線為鋼芯鉛絞線，多次跨越鐵路和高速公路，4種方法分別對該工程導(dǎo)線設(shè)備進行質(zhì)量檢測。設(shè)計方法在輸變電工程區(qū)域范圍內(nèi)布設(shè)無人機航線，選擇直升機型號為Bell?206L?4，體積為35 cm×35 cm×60 cm，重量為12.8 kg，設(shè)置激光掃描參數(shù)和攝像參數(shù)，具體如表1 所示。

表1 激光掃描參數(shù)和攝影參數(shù)

激光掃描儀的波長安全等級為4 級，激光雷達(dá)分辨率為±4 cm，工業(yè)相機另配備80 mm 鏡頭，最低像元分辨率為10 cm，保持快門速度不變，優(yōu)先自動曝光快門，使其與飛行速度相匹配。該輸變電工程受地域天氣影響，覆冰災(zāi)害嚴(yán)重，激光掃描點云數(shù)據(jù)、以及攝像機拍攝的覆冰圖像如圖1 所示。

圖1 輸變電線路設(shè)備采集圖像顯示

將1∶10 萬比例尺的激光掃描點云數(shù)據(jù)，作為三維模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立圖2 所示的輸變電工程三維模型，再通過拍攝的導(dǎo)線覆冰圖像、絕緣子覆冰圖像，精確說明模型中的物體類別。

圖2 輸變電工程三維建模輸出

對三維模型進行縮放等操作，找到灰度異常的覆冰點，并與圖1 所示的拍攝圖像進行對比，掌握導(dǎo)線絕緣子覆冰情況。

2.2 實驗結(jié)果

4種分別檢測實驗區(qū)域內(nèi)的導(dǎo)線覆冰點、絕緣子覆冰點，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 覆冰點檢測統(tǒng)計結(jié)果

在所有覆冰點中，找到四種方法都檢測到的覆冰點，由圖3 可知，這樣的導(dǎo)線覆冰點有500個左右，絕緣子覆冰點有400個左右，在以上覆冰點處布置監(jiān)控點，進一步檢查導(dǎo)線覆冰厚度、絕緣子覆冰體積。4 種方法對導(dǎo)線覆冰厚度的質(zhì)檢結(jié)果如圖4所示。

圖4 導(dǎo)線覆冰厚度檢測實驗對比結(jié)果

由圖4 可知，設(shè)計方法檢測的導(dǎo)線覆冰平均厚度為43.7 mm，基于集中監(jiān)控大數(shù)據(jù)的工程質(zhì)檢方法檢測的平均厚度為33.1 mm，基于大數(shù)據(jù)挖掘的工程質(zhì)檢方法檢測的平均厚度為28.4 mm，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工程質(zhì)檢方法檢測的平均厚度為21.8 mm，設(shè)計方法檢測的導(dǎo)線覆冰厚度分別高出10.6 mm、15.3 mm、21.9 mm。由手工測量可知，四種方法的檢測厚度都小于實際厚度，但設(shè)計方法檢測厚度與實際值最為貼近。

在400 片絕緣子中，選出100 片安裝位置接近的絕緣子，對其進行編號，四種方法對絕緣子覆冰體積的質(zhì)檢結(jié)果如圖5 所示。

圖5 絕緣子覆冰體積檢測實驗對比結(jié)果

由圖5 可知，設(shè)計方法檢測的絕緣子覆冰平均體積為1.23m3，基于集中監(jiān)控大數(shù)據(jù)的工程質(zhì)檢方法檢測的平均體積為1.01m3，基于大數(shù)據(jù)挖掘的工程質(zhì)檢方法檢測的平均體積為0.88m3，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工程質(zhì)檢方法檢測的平均體積為0.81m3，設(shè)計方法檢測的絕緣子覆冰體積分別多出0.22m3、0.35m3、0.42m3。由手工測量可知，四種方法的檢測體積同樣都小于實際體積，但設(shè)計方法檢測體積與實際值最為貼近。綜上所述，此次設(shè)計方法質(zhì)檢輸變電線路設(shè)備時，增加了導(dǎo)線覆冰厚度和絕緣子覆冰體積，具有較高的檢測精度，與實際覆冰情況更加接近，能夠幫助質(zhì)檢人員準(zhǔn)確判斷覆冰程度，為覆冰災(zāi)害的事故預(yù)防提供可靠依據(jù)。

3 結(jié)束語

此次研究結(jié)合三維技術(shù)，設(shè)計了一種輸變電工程智能化質(zhì)檢方法，增加了異物覆蓋的檢查厚度和檢測體積，更加接近實際覆蓋厚度和覆蓋體積。但此次研究仍存在一定不足，在今后的研究中，會對覆蓋厚度和覆蓋體積進行編程，當(dāng)檢測值超過一定數(shù)值時，對其進行自動報警，幫助質(zhì)檢人員迅速預(yù)防。