江少鎮(zhèn)

（廣州供電局有限公司輸電管理所，廣東廣州，510310）

0 引言

近年來，由于高空施工機械過于靠近高壓帶電設備引起的線路短路跳閘事故屢屢發(fā)生，有些還造成大面積停電，致使國民經濟生產損失嚴重，人們生活與社會活動也受到很大影響。探究發(fā)生高空施工機械引起跳閘事故的原因，除了操作人員的疏忽大意外，更重要的是在作業(yè)現(xiàn)場缺少應有的提示，如高壓設備是否帶電、施工設備是否已進入高場強區(qū)、施工設備是否接近規(guī)程規(guī)定的最小安全距離等。吊車防碰撞檢測系統(tǒng)主要解決在吊車施工作業(yè)中，由于施工設備過于靠近高壓線而引起的觸、放電事故，避免因人為疏忽而造成重大人員和財產損失。

1 研究現(xiàn)狀

要有效地實現(xiàn)吊車防撞系統(tǒng)的高壓線檢測報警功能，線纜的檢測和測距是首先需要解決的核心問題。針對高壓傳輸線的檢測和測距，全球科研人員進行了深入而廣泛的研究。

1.1 近電感應線纜檢測

近電感應檢測是指用感應天線檢測高壓帶電設備周圍電場信號的強弱，將檢測到的電場信號通過濾波及信號處理，通過計算測量即可檢測高壓線的電壓和距離。文獻1提出了一種利用近點感應原理檢測高壓線的裝置，結構如圖1所示。作者利用吊車的鋼繩作為傳感器，當鋼繩靠近高壓線進入環(huán)形弱磁場時，鋼繩便可以感應到高壓線的電壓信號，同時又能將電壓信號傳遞給金屬導體。此金屬導體的另一端與初級信號放大電路的輸入端連接，通過對檢測到的弱信號的放大和處理，檢測附近高壓線的電壓等級和距離。

文獻2-5也提出了相似的方案，采用近電感應天線，搭配無線通信模塊及智能控制模塊，實現(xiàn)對高壓線的檢測和測距，如圖2。

圖1 近電感應高壓線檢測裝置

圖2 近電感應高壓線檢測系統(tǒng)框圖

利用近電感應檢測高壓線的優(yōu)點是裝置成本低，因為感應天線價格低廉，甚至可以用塔吊上自有的鋼繩兼做傳感器，不需要另外采用特定的傳感器做檢測取樣，這樣還可以省去傳感器的費用。另外，由于電場在高壓線附近普遍存在，所以該方法還可以實現(xiàn)全方向檢測，只要傳感器靠近高壓線就能有效地進行檢測。但是，該設計也存在著檢測不準確的缺點，高壓線附近的電場情況受環(huán)境影響較大，而且高壓線本身也存在電壓不穩(wěn)定的狀況，因此，要穩(wěn)定的測出高壓線的距離有一定難度。另外，從表1可以看到，近電感應檢測的報警距離小，難以滿足大型吊車的安全施工要求。

表1 近電感應檢測系統(tǒng)的報警距離和電壓等級對應關系

圖3 紅外探測電力線系統(tǒng)

圖5 雙軸掃描激光雷達系統(tǒng)

1.2 紅外探測

在電力線等細長物體的探測中，另一種常見的方法是紅外攝像結合圖像處理對線纜進行識別。日本的Kazuo Yamamoto和Kimio Yamada提出采用高分辨率的紅外探測相機（頻帶響應：8-12um）來獲得圖像，在此基礎上通過圖像處理的方法——圖像分塊、自適應動態(tài)范圍擴展和方向濾波器的處理來增強目標與背景的對比度，最后用擬合出水平或近似水平的線來表示探測的電力線。與此相似，文獻7和文獻8對所獲圖像進行了更為詳細的處理方法。簡要地說，首先將拍攝的彩色圖像通過亮度計算轉換為灰度圖像，并對圖像中邊緣輪廓進行提取，提取后獲得已知區(qū)域形狀；然后采用改進的概率Hough變換方法，對獲得的已知區(qū)域圖像中線段長度和統(tǒng)計次數做自適應調整，實現(xiàn)對已知區(qū)域形狀的輪廓圖像中直線像素的提取和檢測；最后，針對電力線的平行特征，采用直線與方向模板的擬合，這樣就完成了電力線在圖像中的自動識別。

利用紅外探測結合圖像處理的高壓線檢測系統(tǒng)的優(yōu)點是可以在良好的天氣環(huán)境下較清晰地識別出電力線，缺點是在惡劣天氣環(huán)境下無法有效地使用。除此之外，無法判斷目標的距離，系統(tǒng)復雜，價格昂貴也是制約該檢測技術在吊車線纜檢測中應用的重要因素。

1.3 電力線的激光測距

激光測距技術由于測量精度高廣泛應用于各個工程領域。但對于電力線等細長物體的測距不具有明顯的優(yōu)勢，其主要原因是激光具有良好的方向性，而電力線直徑過于細小難以精確瞄準，導致返回的光信號極弱，難以探測。針對這個難點，文獻10提出了一種改進后的激光測距裝置，結構如圖4所示。該測距裝置包括發(fā)射激光信號的激光發(fā)射器和接收反射激光信號的接收器，還具有由多個反射鏡面組成的多面體棱鏡和驅動多面體棱鏡轉動的傳動裝置，激光發(fā)射器發(fā)出激光信號經過多面體棱鏡的轉動反射成扇束面激光信號發(fā)射出去，由于單一激光束對線纜等細狀物需要瞄準測距，而該裝置所發(fā)出的扇束激光將在一定范圍內可覆蓋線纜等，提高了細狀障礙物的發(fā)現(xiàn)能力。同時，該裝置的扇束掃描結構對高壓線纜等細狀障礙物有良好的避障作用，可以在極短的時間內向障礙物發(fā)射多條光束，解決了以往單束激光容易被空氣中的霧氣、泡沫、風塵和蒸汽等顆粒物質遮擋而導致測量數據不準確的問題，提高了激光測距的抗干擾能力。

1.4 雷達系統(tǒng)高壓線檢測

雷達系統(tǒng)分辨率高，掃描范圍較寬，在物體識別和測距的應用上具有很大的優(yōu)勢，即使是細小的電力線也可以準確識別。文獻11使用雙軸掃描1.5um激光雷達探測目標，如圖5。水平方向上采用光纖光學掃描儀，水平掃描角度為31.5°，水平光束間距0.34°。垂直方向上采用掃描角度為32°的往復偏轉反射鏡。實驗結果現(xiàn)實，該雙軸掃描雷達系統(tǒng)的電力線識別率為99.5%，具有很高的可靠性。在該雷達探測系統(tǒng)中，電力線的距離測量則采用脈沖雷達測量，不僅可以探測直徑僅有10mm電力線，而且探測距離也達到了300 -900m。

文獻12則使用集成超寬帶雷達，用極短的脈沖獲得較高的分辨率。同時，較寬的頻帶也能夠探測到更多的目標，抗干擾性能也更好。該雷達系統(tǒng)的最突出特點是集成度高，可以在一塊電路板上完成。其系統(tǒng)框圖如下圖所示。

圖6 集成超寬帶雷達系統(tǒng)框圖

雖然雷達探測系統(tǒng)具有精度高的優(yōu)點，但其結構復雜，價格昂貴，不利于在低成本應用中推廣。并且在惡劣氣候條件下會降低雷達系統(tǒng)性能。

2 研究趨勢

吊車防撞系統(tǒng)中的高壓線檢測必須滿足檢測準確、成本低廉、安裝簡單、拆卸容易等要求，不需要附加其他附屬設施，并且不影響施工操作。因此，本文認為，如何開發(fā)出一套功能豐富、高度集成的小型化檢測系統(tǒng)是研究的主要方向，該系統(tǒng)能檢測高壓線的同時，還應當具備聲光報警功能，無線通信功能以及數據存儲和視頻監(jiān)測功能，同時實現(xiàn)檢測——報警——控制，給高空施工帶來安全保障。

3 總結

本文以當前高空施工事故頻發(fā)為背景，深入討論了在吊車防撞系統(tǒng)中各中可用于高壓線檢測的技術及其實現(xiàn)方法，并結合實際應用分析了各技術的優(yōu)缺點。采用近電感應的探測方法是最為簡單經濟的，但其檢測可靠性較低；在電力線等細長物體的探測中，最為常見的是紅外攝像結合圖像處理的方法，該方法比較適用于百米以上距離的探測，捕捉的電力線范圍越大，越有益于探測的準確度，但該技術受氣候環(huán)境影響較大；激光測距精度高但難以實現(xiàn)全方位檢測；雷達系統(tǒng)檢測準確，識別可靠但價格昂貴，需要開發(fā)小型集成系統(tǒng)以便進一步應用。

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[2]河南省電力公司洛陽供電公司.一種高壓電力設備非接觸智能預警的方法及預警系統(tǒng).中國專利：201110406037.

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[4]丁月明.高電壓現(xiàn)場施工安全距離報警新技術及樣機開發(fā)研究[D].導師：何正浩.:華中科技大學,2011.

[5]上海市電力公司 國家電網公司.南京文道自動化系統(tǒng)有限公司.一種高壓電力設備非接觸式預警系統(tǒng).中國專利：201210514732.

[6]Kazuo Yamamoto,Kimio Yamada,Obstacle Detection for Helicopter Flights by Infrared Images,Proceeding of SPIE(Vol 4363),2001,76-85.

[7]浙江省電力公司紹興電力局南京工程學院.電力線輪廓的快速圖像識別方法.中國專利：200910100169.

[8]河北.電力作業(yè)安全距離聲光報警器.CN103021124A[P].2013-04-03.

[9]湖北.高壓帶電設備下方施工設備安全距離的控制裝置.CN202558479U[P].2012-11-28.

[10]常州大學.無人飛機自動規(guī)避障礙物的系統(tǒng)及其規(guī)避方法.中國專利：201210253722.

[11]K.R.Schulz,S.Scherbarth,U.Fabry，Obstacle Warning System for Helicopters,Proceeding of SPIE(Vol 4723), 2002, 1-8.

[12]R.J.Fontana,J.F.Larrick,J.E.Cade,E.P.Rivers,Jr.,An Ultra Wideband Synthetic Vision Sensor for Airborne Wire Detection,Proceedings of SPIE(Vol 3364),1998,2-10.