樊志強(qiáng)

摘? 要：本文設(shè)計(jì)了基于三維GIS的無(wú)人機(jī)巡檢管控系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)地形數(shù)據(jù)和三維線路實(shí)現(xiàn)航線規(guī)劃、巡檢任務(wù)、三維導(dǎo)航、狀態(tài)監(jiān)控等功能;系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與不同無(wú)人機(jī)型飛控系統(tǒng)、中繼設(shè)備、避障系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊;系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化預(yù)警功能，其中包括遙測(cè)參數(shù)預(yù)警、測(cè)控半徑預(yù)警、逼近線路預(yù)警等;系統(tǒng)建立歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、航跡數(shù)據(jù)、巡檢成果數(shù)據(jù)、飛機(jī)設(shè)備狀態(tài)參數(shù)、飛行日志等進(jìn)行管理;系統(tǒng)結(jié)合實(shí)際需求并創(chuàng)新應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)拍攝、圖像識(shí)別分析、高端儀器設(shè)備搭載等;系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)拓展應(yīng)用，根據(jù)具體應(yīng)用需求實(shí)現(xiàn)三維高級(jí)空間分析功能。

關(guān)鍵詞：三維GIS無(wú)人機(jī)? 巡檢管理系統(tǒng)? 圖像識(shí)別? 系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：P208? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）10（a）-0126-03

Abstract： This paper designs a UAV patrol control system based on 3D GIS. According to terrain data and three-dimensional lines， the system realizes route planning， patrol task， three-dimensional navigation， status monitoring and other functions; realizes data communication with flight control system， relay equipment and obstacle avoidance system of different unmanned aircraft; realizes intelligent early warning function. It includes telemetry parameter early warning， measurement and control radius early warning， approach line early warning， etc.; the system establishes a historical database to manage the three-dimensional basic data， track data， inspection results data， aircraft equipment status parameters， flight logs， etc.; the system combines the actual needs and innovative applications to achieve fixed-point shooting， image recognition and analysis， high-end instrument and equipment carrying， etc.; the system unified implementation of the expansion of applications， according to the specific application needs to achieve three-dimensional advanced spatial analysis function.

Key Words： 3D GIS UAV; Patrol management system; Image recognition; System

隨著國(guó)家電網(wǎng)的發(fā)展，輸電線路電壓等級(jí)的不斷提高，線路的巡線作業(yè)對(duì)維護(hù)區(qū)域的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行越來(lái)越重要。無(wú)論傳統(tǒng)地面巡線方式還是有人直升機(jī)巡線方式在效率、安全、成本等方面已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代電網(wǎng)發(fā)展的廣泛需求。而無(wú)人機(jī)作為有人直升機(jī)巡線的有效補(bǔ)充，提高了巡檢效率，更大程度上避免了當(dāng)前載人直升機(jī)巡線員的人身安全隱患。

無(wú)人機(jī)巡檢作為智能化機(jī)器巡檢的重要技術(shù)手段，已在國(guó)家電網(wǎng)系統(tǒng)開(kāi)展了較多應(yīng)用。而開(kāi)發(fā)基于電網(wǎng)GIS無(wú)人機(jī)精細(xì)化航線管理與測(cè)控導(dǎo)航系統(tǒng)，為無(wú)人機(jī)在電力線路巡視和大范圍防災(zāi)減災(zāi)巡視提供了有力的輔助工具。這也是智能化電網(wǎng)建設(shè)的亮點(diǎn)，也是電網(wǎng)監(jiān)控手段的重大革新。因此本文設(shè)計(jì)了基于三維GIS的無(wú)人機(jī)巡檢管控系統(tǒng)，提高了巡檢工作效率。

1? 系統(tǒng)需求分析

本系統(tǒng)可以完成無(wú)人機(jī)的航跡規(guī)劃、數(shù)據(jù)鏈管理、機(jī)載任務(wù)設(shè)備控制，同時(shí)以數(shù)字和圖形形式提供飛機(jī)飛行狀態(tài)、圖像偵查信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)全系統(tǒng)的監(jiān)控?；谌S空間地理信息的無(wú)人機(jī)精細(xì)化航線管理與測(cè)控導(dǎo)航技術(shù)將為無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的飛行操縱、指揮控制等提供空間可視化的操縱平臺(tái)，本項(xiàng)目將以三維地圖為背景設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)地面導(dǎo)航監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)三維航路的規(guī)劃、生成和執(zhí)行;自主起降點(diǎn)的規(guī)劃與確認(rèn);地理信息、電網(wǎng)信息、飛機(jī)狀態(tài)信息、通信鏈路信息的集成展示;與飛控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互接口。

2? 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能架構(gòu)

系統(tǒng)包含功能有：工具箱、參數(shù)設(shè)置、飛行控制、參數(shù)展示、中繼管理、避障管理、預(yù)設(shè)預(yù)警、三維空間分析、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、外部接口管理。

巡檢管理系統(tǒng)功能架構(gòu)圖工具箱中包含功能有：測(cè)量工具、三維操作欄、坐標(biāo)查詢、定位器;參數(shù)設(shè)置中包含功能有飛行參數(shù)設(shè)置、預(yù)警參數(shù)設(shè)置;飛行控制中包含功能有航線規(guī)劃、航線發(fā)送、航跡回放;參數(shù)展示包含功能有飛行參數(shù)、中繼參數(shù)、避障參數(shù);中繼管理包含功能有設(shè)備自檢管理、休眠喚醒管理、鏈路模式管理、中壓電量管理;避障管理包含功能有雷達(dá)開(kāi)關(guān)管理、場(chǎng)強(qiáng)儀管理、設(shè)備狀態(tài)管理;預(yù)設(shè)預(yù)警管理包含功能有飛行參數(shù)預(yù)警、逼近線路預(yù)警、測(cè)控半徑預(yù)警;三維空間分析包含功能有至高點(diǎn)分析、二點(diǎn)透視分析、信號(hào)盲區(qū)分析、剖面圖分析;數(shù)據(jù)庫(kù)管理包含功能有航線管理、航跡管理、日志管理;外部接口管理包含功能有與飛控接口、與中繼接口、與避障接口。

系統(tǒng)配置三維模型庫(kù)、三維地圖庫(kù)以及巡檢業(yè)務(wù)庫(kù)，用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)使用C++編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)為ORACLE10g，三維平臺(tái)為3d earth express，開(kāi)發(fā)模式為C/S模式。

本系統(tǒng)基于二三維GIS技術(shù)和無(wú)人機(jī)通訊控制技術(shù)，在功能設(shè)計(jì)上以空間關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)構(gòu)建服務(wù)端和客戶端應(yīng)用功能。服務(wù)端具備遙感影像等數(shù)據(jù)的采集、分析處理、輔助決策等功能，客戶端充分考慮用戶實(shí)際需求定制了巡檢任務(wù)、航跡規(guī)劃、狀態(tài)監(jiān)控、三維導(dǎo)航等應(yīng)用模塊。具體功能設(shè)計(jì)構(gòu)建見(jiàn)圖1。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)管理設(shè)計(jì)

（1）航線管理，數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶規(guī)劃的無(wú)人機(jī)飛行航線可以進(jìn)行導(dǎo)出、刪除、查詢、備份管理功能。

（2）航跡管理，數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)歷史飛行的航跡數(shù)據(jù)可以進(jìn)行導(dǎo)出、刪除、查詢、備份管理功能。

（3）歷史任務(wù)，提供歷史任務(wù)數(shù)據(jù)的查詢和統(tǒng)計(jì)功能。

（4）巡檢數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)載設(shè)備（紅外、紫外、可見(jiàn)光、高清相機(jī)等）采集的歷史圖片和歷史數(shù)據(jù)提供查詢和統(tǒng)計(jì)入口。

（5）日志管理。數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊的日志管理，日志包括航線日志、中繼日志、航跡日志三種，可以對(duì)三種日志進(jìn)行查詢、刪除、備份、導(dǎo)出功能操作。

2.3 系統(tǒng)關(guān)鍵功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.3.1 定點(diǎn)拍攝

系統(tǒng)結(jié)合不同類型無(wú)人機(jī)硬件和操控系統(tǒng)，考慮實(shí)地氣流、機(jī)身和攝像設(shè)備姿態(tài)等因素設(shè)置無(wú)人機(jī)飛行軌跡自動(dòng)識(shí)別桿塔方位，從而實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度定點(diǎn)拍攝采集。以多旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)單基桿塔巡檢為例：?jiǎn)位芈分本€塔巡檢。

控制無(wú)人機(jī)安全穩(wěn)定上升到桿塔的左斜上方，先對(duì)左半部分的地線支架0進(jìn)行拍照檢測(cè)，再依次對(duì)如圖2所示的1、2、3絕緣子串進(jìn)行拍照，最后對(duì)右半部分地線支架檢測(cè)。在此過(guò)程中同時(shí)對(duì)跳線、各類線夾以及固定裝置的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，可見(jiàn)光相機(jī)和紅外熱像儀同時(shí)工作。在無(wú)人機(jī)上升和下降的過(guò)程中對(duì)桿塔塔材和零部件進(jìn)行拍照檢測(cè)。

2.3.2 雙回路直線塔巡檢

雙回路直線桿塔模型和巡檢順序圖如圖3所示。

為了確保無(wú)人機(jī)墜下時(shí)不會(huì)對(duì)輸電線路安全造成威脅，在所有的巡檢過(guò)程中，無(wú)人機(jī)都不得位于導(dǎo)線正上方或從導(dǎo)線上方飛過(guò)。雙回路直線塔中絕緣子串拍攝角度與單回路直線塔中1絕緣子串和3絕緣子串角度相同。相機(jī)和紅外熱成像儀所拍攝檢測(cè)的對(duì)象也相同。在無(wú)人機(jī)上升和下降的過(guò)程中對(duì)桿塔進(jìn)行拍照檢測(cè)。

2.3.3 圖像識(shí)別分析

系統(tǒng)對(duì)采集的圖像可根據(jù)參數(shù)設(shè)定自動(dòng)進(jìn)行識(shí)別篩選，過(guò)濾掉模糊不清的圖像。其次對(duì)清晰的圖像進(jìn)行分析處理，計(jì)算該點(diǎn)故障特征值發(fā)現(xiàn)疑似故障受損圖，并對(duì)故障圖按不同的類型設(shè)定進(jìn)行分類存儲(chǔ)。

系統(tǒng)可結(jié)合不同類型無(wú)人機(jī)型搭載可見(jiàn)光成像設(shè)備、紅外熱成像儀、紫外成像儀、激光成像儀等，采集的不同類型數(shù)據(jù)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)識(shí)別分類自動(dòng)傳送分析處理。

3? 結(jié)語(yǔ)

“基于電網(wǎng)GIS平臺(tái)的無(wú)人機(jī)綜合巡檢控制系統(tǒng)”在實(shí)現(xiàn)與無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)、中繼設(shè)備、避障系統(tǒng)通訊的前提下，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)電力線路巡視業(yè)務(wù)功能和定點(diǎn)巡視業(yè)務(wù)功能的定制與開(kāi)發(fā);實(shí)現(xiàn)航線自動(dòng)規(guī)劃、模擬飛行巡檢、三維展示、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、測(cè)控導(dǎo)航和數(shù)據(jù)管理等功能，提高無(wú)人機(jī)巡檢系統(tǒng)易用性，降低系統(tǒng)使用難度和門檻，提高無(wú)人機(jī)巡檢的智能化水平。為無(wú)人機(jī)在電力行業(yè)應(yīng)用提供輔助決策的工具，真正意義上提高電網(wǎng)及設(shè)備的巡視工作效率、降低運(yùn)營(yíng)成本，提高維護(hù)工作效率。

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