基于无人机多传感器数据采集的电力线路安全巡检及智能诊断-彭向阳

第41卷第1期：159-166高电压技术Vol.41,No.1:159-1662015年1月31日HighVoltageEngineeringJanuary31,2015DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.2015.01.022基于无人机多传感器数据采集的电力线路安全巡检及智能诊断彭向阳1，陈驰2,3，饶章权1，杨必胜2,3，麦晓明1，王柯1（1.广东电网公司电力科学研究院，广州510080；2.武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，武汉430079；3.武汉大学时空数据智能获取技术与应用教育部工程研究中心，武汉430079）摘要：为满足电力线路应急处置和安全巡检业务的高效、自动化处理需求，设计研发了一套无人直升机多传感器电力线路安全巡检系统。首先，通过高精度同步授时与标定，统一机载紫外、红外、可见光以及激光传感器的时间、空间基准。其次，无人机通过机载多传感器同步采集输电线路的高精度3维激光点云、高分辨率航空影像、红外视频、紫外视频，进行多源数据的独立与融合处理，完成对线路通道的安全距离检测、线路设备异常发热及异常放电检测，实现对输电线路不同缺陷和隐患的智能诊断。最后输出标准诊断报表，以供现场勘察确认。为验证无人机多传感器巡检系统的功能，开展了实际带电运行线路巡检试验。巡检结果表明，无人机巡检系统对线路缺陷与隐患的检测结果与人工现场勘察结果一致。该系统能发现输电线路多种运行缺陷和安全隐患，为运行单位提供相应的检修维护决策依据，还能提供缺陷或隐患位置的可视化场景信息，方便人工辅助诊断和排查，提高输电线路巡检效率。关键词：无人直升机；输电线路；安全巡检；多传感器；智能诊断；多源数据SafetyInspectionandIntelligentDiagnosisofTransmissionLineBasedonUnmannedHelicopterofMultiSensorDataAcquisitionPENGXiangyang1,CHENChi2,3,RAOZhangquan1,YANGBisheng2,3,MAIXiaoming1,WANGKe1(1.ElectricPowerResearchInstitute,GuangdongPowerGridCorporation,Guangzhou510080,China;2.StateKeyLaboratoryofInformationEngineeringinSurveying,MappingandRemoteSensing,WuhanUniversity,Wuhan430079,China;3.EngineeringResearchCenterforSpatio-temporalDataSmartAcquisitionandApplicationofMinistryofEducationofChina,WuhanUniversity,Wuhan430079,China)1Abstract：Tomeetthedemandofeffective,automatedpower-lineemergencemanagementandmaintenanceinspection,wedevelopedamulti-sensorpower-lineinspectionsystemofunmannedhelicopter.Firstly,throughprecisetimesynchro-nizationandcalibration,thesystemunifiesthetimeandspacecriteriaofitssensor,includingultravioletsensors,infraredsensors,visible-lightsensors,andlasersensors.Then,themultipleon-boardsensorscollectimagesoftransmissionlinessimultaneouslyincludingprecision3-Dlaserpointclouds,high-resolutionaerialimages,infraredvideoimages,andul-travioletvideoimages.Thesefusedmulti-sourcedataareputthroughintelligentdiagnosisreciprocallyandindependentlytoaccomplishthedetectionofdefectandhazardonpowerlines,aswellasthedetectionsofsafedistanceandabnormalheat.Finally,diagnosisreportsaregivenforon-the-spotinvestigation.Weconductedinspectiontestsofactuallinestove-rifytheproposedunmannedhelicopterinspectionsystem’sfunctions.Itisobtainedthatthesystemachievesthesamediagnosisresultsasthatmadebyskilledpower-lineinspectiontechnicians.Thesystemisabletofindmultiplekindsofdefectsandsafetyrisksoftransmissionlinesandaccordinglyprovidedecisionbasisforoperationcompanies.Italsoof-fersvisualizationmodelsandsceneinformationofdefectsorhazardpositions,whichisusefulforartificialauxiliarydiagnosisandimprovingtheefficiencyandreliabilityoffaultdetections.Keywords：unmannedhelicopter;transmissionline;safetyinspection;multisensor;intelligentdiagnosis;multi-sourcedata———————基金资助项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)(2012CB725301)；国家自然科学基金(41371431)；中国南方电网公司重点科技项目(K-GD2013-030)。ProjectsupportedbyNationalBasicResearchProgramofChina(973Program)(2012CB725301),NationalNaturalScienceFoundationofChina(41371431),KeyScienceandTechnologyProjectofChinaSouthernPowerGridCo.,Ltd.(K-GD2013-030).160高电压技术2015,41(1)0引言电力系统架空输电线路规模大，所处自然环境复杂恶劣，这对输电线路的稳定运行带来不利影响，需要通过定期巡视和维护预防事故的发生。传统的输电线路巡检多采用人工方式，巡线作业强度大、周期长，对于一些地形复杂甚至危险的地区，难以开展巡线工作。相较于传统的人工巡检方式，目前通用的航空摄影测量技术虽然在一定程度上降低了人员的野外劳动强度，缩短了工期，但是在植被覆盖地区的断面量测精度较低[1-2]。近年来，随着传感器和遥感技术的不断进步，利用无人直升机多传感器获取多源数据已经成为可能，为解决上述问题提供了新思路和有利条件。利用机载传感器系统进行电力巡线是近年来国内外应用较为广泛的一项高新技术，采用该技术，可以在不停电的情况下，经过飞行直接获取电力线走廊内的高分辨率影像和精确的空间3维信息，利用这种方法，可以大幅度提高巡线工作的效率，减少大量野外作业量，降低巡线成本。巡检获取的数据不仅可为输电线路台帐数据提供参考，也可通过专业分析处理(如高程分析，3维可视化管理等)为电网管理和维护提供多源数据支持[3]。葡萄牙的Powerlinemaintenanceinspection(PLMI)系统、美国的TransmissionInspectionandMaintenanceSys-tem(TIMS)系统以及德国的IntegratedhelicopterCorridorMapping(IHCM)等都是基于遥感技术的电力巡线系统[4-6]。我国云南电网、华北电网等的相关部门也对直升机巡线进行了研究和应用[7-10]。但是当前有人直升机巡线空间定位的量测精度不高，且获取的多源数据大多分开处理，没有集成为一个整体，处理起来也比较麻烦[11]。本文针对我国高压、特高压电力线路日常安全维护和应急处置等业务的需求，开展复杂地形条件下长距离、超视距无人直升机电力线路安全巡检和智能诊断系统关键技术研究[12-15]，研制了基于无人直升机(unmannedaerialvechicle,UAV)多传感器集成的电力线路安全巡检软、硬件系统，完成了无人机巡检系统性能测试和实际线路适应性巡检试验，实现了省级电网的示范应用，对推动我国无人机软硬件研发能力提升，促进我国电网安全、高效、智能巡检和应急保障技术发展进步具有参考意义。1系统设计1.1多源数据采集系统无人机中、低空数据采集技术作为空间数据获取的一项重要手段，具有续航时间长、飞行成本低、数据分辨率高、调度机动灵活等优点，可实现数据实时传输，并可进入高危地区探测，是卫星遥感与传统航空摄影测量的有力补充，国外已形成与卫星遥感和普通航空遥感并行蓬勃发展的局面。尤其是在重大自然灾害应急响应、阴云天气低空光学影像获取、局部地区及时遥感、低空大比例尺高精度测绘及分布式日常低空遥感监测等情况下，无人机航空遥感系统拥有卫星遥感和普通航空遥感不可取代的作用。将无人机应用于电力线巡线以及电力设施的安全状态评价，可充分利用其在成本、时效性等各方面的优越性，很好地解决目前使用人工方式存在的种种问题。本文使用的无人机多传感器数据采集系统可以获取电力线路走廊海量高精度机载激光扫描(lightdetectionandranging，LiDAR)点云数据、高分辨率航空数码影像、热红外影像以及紫外影像等。该数据采集系统主要由以下几个部分组成：激光器、可见光检测仪、红外热成像仪、紫外摄像仪、接收器、全球定位系统(globalpositioningsystem，GPS)、惯性测量单元(inertialmeasurementunit，IMU)组成的定位、定姿系统(positionandorientationsystem，POS)、飞行计划和管理系统以及数据存储系统等，其整体架构如图1所示。传统直升机巡线时多采用红外热像仪、可见光相机等传感器，通过人工操作进行数据采集，获取的数据相对独立，且各数据帧没有明确的位置信息，各传感器数据之间无关联，难以实现统一的数据管理与多源数据对比分析等应用。无人直升机平台上搭载的各型传感器数据的采样频率、时间参考基准与时间精度各不相同，并且各传感器所采集的原始数据处于不同坐标参考系下，输出数据难以在同一个时间、空间基准上进行管理。将各个传感器所采集的数据进行融合诊断处理分析，需要解决时间基准和空间基准的问题。本文提出一种使用GPS时间作为时间基准，通过同步授时的方法统一各传感器时空基准，实现POS数据、影像与红外、紫外视频流数据、点云数据等多类型数据的同步获取，统一各传感器的时间、空间基准，具体同步流程见图2。彭向阳，陈驰，饶章权，等：基于无人机多传感器数据采集的电力线路安全巡检及智能诊断161图1无人直升机多传感器数据采集系统Fig.1Multi-sensorsdataacquisitionsystemofunmannedhelicop