蕭振輝, 劉余敏

(廣州供電局有限公司， 廣東 廣州 510000)

0 引言

隨著工業(yè)用電和民用用電量的增加，我國電力設(shè)施建設(shè)隨之增加。我國高壓輸電線不斷應(yīng)用到遠(yuǎn)距離電力輸送中，這種高壓輸電線對我國電力資源的輸送具有重要意義。但是輸電線長期暴露在大氣環(huán)境中，會產(chǎn)生一定的質(zhì)量問題，因此需要定期檢查電力線路，以及時發(fā)現(xiàn)電力線路中存在的問題，減少電路問題帶來的經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)的電力巡線方法一般采用人工測繪[1-2]，已經(jīng)不適用目前的巡線工作。為解決目前電力巡線上的問題，提出一種基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的電力巡線方法，為工業(yè)和民用電等用電提供保障。

三維激光雷達(dá)技術(shù)是一種利用激光測距原理和航空攝影測量原理，快速獲取大面積地球表面三維數(shù)據(jù)的技術(shù)。根據(jù)從發(fā)射目標(biāo)反射回來的信號與發(fā)射信號比較，在處理后，就可以獲得目標(biāo)的相關(guān)信息，如目標(biāo)距離、位置、高度等，從而對物體探測，具有作業(yè)速度快、工作量小、獲取數(shù)據(jù)量大等特點。同時，可快速生成數(shù)字高程模型、數(shù)字表面模型和數(shù)字正射影像等，因此將其應(yīng)用到電力巡線檢測中，具有重要意義。

此次設(shè)計方法首先計算三維激光雷達(dá)到目標(biāo)物的距離，對電力線點云的連通成分分析，獲取電力線激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)，然后對點云數(shù)據(jù)處理，根據(jù)準(zhǔn)確的坐標(biāo)信息完成對電力的巡線。實驗對比結(jié)果表明，此次設(shè)計的基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的電力巡線方法比傳統(tǒng)的巡線方法效率高。

1 基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的電力巡線方法設(shè)計

1.1 電力線激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)獲取

對電力線激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)獲取的目的是將同一電力線的激光雷達(dá)點聚為一類，將不同電力線的激光雷達(dá)點聚為不同類，從而減少巡線時間，以提高電力巡線的效率。

基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的電力巡線過程，如圖1所示。

圖1 三維激光雷達(dá)測量過程

由于三維激光雷達(dá)技術(shù)原理是經(jīng)激光發(fā)射器發(fā)射激光脈沖至目標(biāo)物[3]，在這一過程中，三維激光雷達(dá)高度以及掃描的角度和方向存在差異，因此首先對三維激光雷達(dá)到目標(biāo)物的距離計算，如式(1)。

(1)

式中，i為震蕩器頻率，g為脈沖個數(shù)，c為三維激光雷達(dá)光速，n為被測目標(biāo)。通過上述公式，得到三維激光雷達(dá)到達(dá)目標(biāo)物的位置信息，在此基礎(chǔ)上，借助K-N樹[4]實現(xiàn)電力線點云的連通成分分析，具體步驟如下。

Step1：將待處理的激光點集的電力線路標(biāo)號狀態(tài)設(shè)置為未標(biāo)號，將未標(biāo)號的點集放至統(tǒng)一隊列，同時建立點集的空間索引，設(shè)置點集起點標(biāo)號為O；

Step2：在點集隊列中，順次查找未標(biāo)號的點，若未標(biāo)號的點為空，則結(jié)束標(biāo)號過程，如果標(biāo)號點不為空，將點集隊列中未標(biāo)號的點重建壓入新的隊列，記為種子點隊列；

Step3：以種子點隊列中的第一個未標(biāo)號的點記為種子點[5]，借助K-N樹查找該種子點的臨近點，將臨近點中所有未標(biāo)號的點存入該隊列；

Step4：查看種子點隊列中未標(biāo)號點的數(shù)量，如果數(shù)量不為0，則回到step3步驟，如果未標(biāo)號數(shù)量為0，進(jìn)入下一步驟；

Step5：將種子點隊列中的所有雷達(dá)[6]點標(biāo)記為Ldjgn，并清空種子點隊列。

通過上述過程獲取到電力線激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)，根據(jù)該數(shù)據(jù)查看電力線情況，為電力巡線提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1.2 基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的電力巡線實現(xiàn)

在上述電力線激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)獲取的基礎(chǔ)上，對電力巡線，由于獲得的點云數(shù)據(jù)存在差異和坐標(biāo)等問題，所以先對雷達(dá)點云數(shù)據(jù)處理，再對電力巡線，具體過程如下。

第一，對三維激光雷達(dá)精度校檢，對獲得的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行差分解算，以測量出準(zhǔn)確的電力信息。由于三維激光雷達(dá)在電力巡線[7]過程中會受到多種誤差影響，因此對三維激光雷達(dá)進(jìn)行精度校檢，首先計算三維激光雷達(dá)單機自身參數(shù)的影響，如式(2)。

(2)

式中，S代表點云密度，w代表掃描半徑，p為角分辨率，θ代表掃描半角。通過上述公式，調(diào)節(jié)單機自身參數(shù)，減少單機自身參數(shù)對電力巡線的影響，以獲得準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

第二，確定雷達(dá)目標(biāo)位置，處理差分后的雷達(dá)位置信息，將航跡與姿態(tài)進(jìn)行組合解算[8]，得到精確的位置信息。由于三維激光雷達(dá)系統(tǒng)獲取的點云數(shù)據(jù)不具備坐標(biāo)和空間信息，需要對點云數(shù)據(jù)處理獲得激光點的三維坐標(biāo)值，對點云數(shù)據(jù)處理的流程圖，如圖2所示。

圖2 點云數(shù)據(jù)處理流程圖

第三，激光點云數(shù)據(jù)生成，經(jīng)過上述處理，獲得測點的三維坐標(biāo)信息，由于原點云數(shù)據(jù)生成激光點云數(shù)據(jù)較為復(fù)雜，因此對坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換。假設(shè)激光發(fā)射瞬間測得的掃描距離為Q，則激光腳點[9]在瞬時掃描坐標(biāo)系的坐標(biāo)，如式(3)。

(3)

式中，RSL為掃描坐標(biāo)系到參考坐標(biāo)系[10]的轉(zhuǎn)換因子，Xq、Yq、Zq分別為瞬時掃描坐標(biāo)位置，a、b、q分別代表相應(yīng)坐標(biāo)點的掃描距離。通過上述計算，完成坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，然后根據(jù)基于三維激光雷達(dá)的點云數(shù)據(jù)，在下一步對電力線路進(jìn)行加密濾波和分類。

第四，對電路分檔[11]，確定每一個電力線路檔的三維空間范圍，由于三維激光雷達(dá)獲取的每一個電力線路的連通成分可能包含同一電力線多檔的激光雷達(dá)點，因此將該連通成分以電力線路檔分為相應(yīng)的差分單元，如式(4)。

(4)

式中，m代表電力線路檔，RT為激光雷達(dá)點端點坐標(biāo)，lbcx代表單元拆分因子，z代表檢測檔與檔之間的拐點。

在此基礎(chǔ)上，采用分層隨機抽樣的方法對電力線路的單檔電力線進(jìn)行點云聚類[12]，如式(5)。

(5)

式中，B為分層隨機抽樣因子，u代表電力線劃分因子，ya為電力線路測量值。

通過上述計算，將每一個電力導(dǎo)線的點數(shù)據(jù)劃分到相應(yīng)的根中，獲得準(zhǔn)確的電力線路信息。同時為進(jìn)行可視化的巡線，構(gòu)建交互環(huán)境，真實反應(yīng)電力線路現(xiàn)狀，滿足電力應(yīng)用需求。同時，建立空間數(shù)據(jù)庫，將獲得的電力線路信息與其對應(yīng)的屬性集成并存儲于空間數(shù)據(jù)庫中，同時該數(shù)據(jù)庫中提供線路查詢與分析功能，電力巡線提供可靠基礎(chǔ)，以此完成基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的電力巡線。

2 實驗論證

2.1 實驗方案設(shè)計

為驗證上述設(shè)計的基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的電力巡線方法的有效性，進(jìn)行實驗論證。同時，為使實驗更具說明性，將傳統(tǒng)的電力巡線方法與此次設(shè)計方法對比，評價兩種方法的電力巡線效率，效率評價采用時間開銷作為指標(biāo)。實驗數(shù)據(jù)由Opsdf機載激光測量儀獲取，兩種方法使用相同實驗數(shù)據(jù)，實驗平臺配置包括：ThinkPadW520筆記本，CPU為2.4 GHz，處理器內(nèi)存4 GB，操作系統(tǒng)為Windows XP系統(tǒng)，測試服務(wù)器選用Intel Pentium X2，并利用SHDUFI仿真軟件模擬電力線路環(huán)境。此次實驗環(huán)境，如圖3所示。

圖3 實驗環(huán)境

在實驗平臺中，設(shè)置Dfiyo、Fxfgn、Xfhgj三條電線，這三條電線中故障點數(shù)不同，分別對比兩種電力巡線方法檢查這三條故障電線的時間。

2.2 實驗結(jié)果分析

2.2.1 電力巡線時長對比

此次設(shè)計的基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的電力巡線方法與傳統(tǒng)的電力巡線方法的故障效率，如表1所示。

表1 實驗對比結(jié)果

分析上表可知，第一條Dfiyo線路中故障線路較少，傳統(tǒng)電力巡線時間與此次設(shè)計方法的電力巡線時間相差3.008 min；第二條Fxfgn線路中故障線路點比Fxfgn多，傳統(tǒng)電力巡線時間與此次設(shè)計方法的電力巡線時間相差5.001 min；第三條Xfhgj線路中故障點最多，傳統(tǒng)電力巡線時間與此次設(shè)計方法的電力巡線時間相差7.21 min。

對比可知，在故障點較少時，傳統(tǒng)方法的巡線時間與此次設(shè)計方法的巡線時間相差較小，而隨著故障點的增加，傳統(tǒng)方法的巡線時間與此次設(shè)計方法的巡線時間相差越來越大。綜合實驗結(jié)果得知，在故障點多和少的情況下，此次設(shè)計的基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的電力巡線方法效率均高于傳統(tǒng)方法的巡線效率。因為此次設(shè)計方法參數(shù)少，計算復(fù)雜程度低，無需人工干預(yù)，自適應(yīng)性強；傳統(tǒng)方法需要經(jīng)過初值求解、模型優(yōu)化、線路檢測等過程，導(dǎo)致電力巡線檢測時間過長。因此，通過上述實驗可以證明，此次設(shè)計的基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的電力巡線方法效率較高，能夠及時發(fā)現(xiàn)電力線路中存在的問題，具備實際應(yīng)用意義。

2.2.2 電力巡線的準(zhǔn)確性對比

基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的電力巡線方法與傳統(tǒng)電力巡線方法的準(zhǔn)確率，進(jìn)行實驗對比，如圖4所示。

圖4 電力巡線準(zhǔn)確率對比圖

圖4表示了經(jīng)多次迭代后，三維激光雷達(dá)技術(shù)電力巡線方法和傳統(tǒng)的電力巡線方法的準(zhǔn)確率對比圖。可以看出，每次迭代本文方法的準(zhǔn)確率都高于傳統(tǒng)方法，隨著迭代的次數(shù)增多準(zhǔn)確率也隨之增加。而傳統(tǒng)方法的準(zhǔn)確率明顯低于本文方法，隨著迭代次數(shù)的增多不但未有明顯的改變，還有下降的趨勢。因此，通過本次實驗可以證明，本文中基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的電力巡線方法準(zhǔn)確率較高，在電力巡線的使用中比傳統(tǒng)方法具有更大的優(yōu)勢。

3 總結(jié)

針對傳統(tǒng)的電力巡線方法效率低的情況，設(shè)計了一種基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的電力巡線方法，以滿足電力巡線需求。此次設(shè)計方法首先對電力線激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)獲取，在獲取點云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對其處理，得到準(zhǔn)確的電力線路點的坐標(biāo)信息，根據(jù)坐標(biāo)信息完成對電力信息的查看。實驗對比結(jié)果表明，此次設(shè)計的基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的電力巡線方法比傳統(tǒng)巡線方法效率高，更具備應(yīng)用優(yōu)勢。證明此次設(shè)計的電力巡線方法能夠降低電力部門的巡線預(yù)算、降低勞動強度，減少巡線時間，在短時間內(nèi)查看電力線路中的問題。

希望此次設(shè)計的基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的電力巡線方法為電力巡線提供幫助，為電網(wǎng)發(fā)展提供有力的支持。