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        論無(wú)人機(jī)技術(shù)在光伏面板巡檢中的應(yīng)用

        2021-11-27 12:42:07高紅旭李陽(yáng)杜金昌
        魅力中國(guó) 2021年30期
        關(guān)鍵詞:熱斑面板處理器

        高紅旭 李陽(yáng) 杜金昌

        (中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所,陜西 西安 710000)

        一、項(xiàng)目背景

        在新能源光伏發(fā)電過(guò)程中,熱斑檢測(cè)是必不可少的工作內(nèi)容,及時(shí)而又精確地進(jìn)行熱斑檢測(cè),對(duì)科學(xué)利用太陽(yáng)能進(jìn)行發(fā)電有重要意義。通常,光伏電站地處環(huán)境艱苦之地,如戈壁、沙漠和草原等,它是一個(gè)大規(guī)模的工程,占地廣、設(shè)備多,因此電池被阻礙遮擋照射的范圍和可能性也就相對(duì)更大。由于這些地區(qū)的云層較為稀薄,陽(yáng)光照射力強(qiáng),一旦產(chǎn)生熱斑故障,其電池之間的受光受熱差別較大,發(fā)電組件也相對(duì)會(huì)不穩(wěn)定。同時(shí),這些地區(qū)直接可見(jiàn)樹(shù)葉等遮擋物相對(duì)較少,反而多沙塵或是其他其空氣物質(zhì)遮擋,肉眼難尋,只能通過(guò)掃描檢測(cè)。

        傳統(tǒng)的熱斑檢測(cè),主要是一個(gè)人力檢測(cè)工作過(guò)程,它通過(guò)人工或是升降機(jī)的支撐,將掃描儀高舉,然后再對(duì)熱斑進(jìn)行逐一檢測(cè)和排查。人工排查檢測(cè)就是一項(xiàng)復(fù)雜的工程,它會(huì)耗費(fèi)大量的人力時(shí)間,同時(shí)還不能保證安全,但是無(wú)人機(jī)紅外熱斑檢測(cè)技術(shù)的出現(xiàn)能解決這個(gè)問(wèn)題。無(wú)人機(jī)紅外熱斑檢測(cè),通過(guò)利用無(wú)人機(jī)承載紅外相機(jī)升至上空,并對(duì)熱斑進(jìn)行遙感檢測(cè)和拍攝,最后提供準(zhǔn)確的檢測(cè)數(shù)據(jù)與清晰的航拍圖像,能極大地幫助熱斑故障處理工作的進(jìn)行,保證熱斑處理的精準(zhǔn)性。同時(shí),無(wú)人機(jī)紅外熱斑技術(shù),在大范圍的檢測(cè)情況下,能直接在外圍進(jìn)行檢測(cè),不用斷電或是影響繼續(xù)發(fā)電等工作,其檢測(cè)速度快、操作方便、受外物障礙影響小,大大解決了人力檢測(cè)困難、耗費(fèi)時(shí)間與不及時(shí)等問(wèn)題,能在極大程度上提高工作效率并減少熱斑故障造成的損失[1]。

        將無(wú)人機(jī)紅外熱斑檢測(cè)技術(shù)被使用于光伏電站的熱斑檢測(cè)工作中,它有著傳統(tǒng)熱斑檢測(cè)技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

        (一)相比人工巡檢速度快,效率高。相比人工手持式紅外熱成像檢測(cè)度快,效率高(電站地形平坦,組件安裝離地較低情況下人工手持紅外熱成像儀測(cè)試1MW/2~3 小時(shí);無(wú)人機(jī)測(cè)試1MW/7~8 鐘,無(wú)人機(jī)巡檢速度是人工的20~30 倍)

        (二)無(wú)人機(jī)測(cè)試不受地形環(huán)境限制。對(duì)于農(nóng)光、漁光互補(bǔ)和屋頂電站人工無(wú)測(cè)試較為困難,無(wú)人機(jī)測(cè)試可以避免人工測(cè)試攀爬高作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。特別像水面電站等人工手持紅外熱成像儀無(wú)法測(cè)試。

        二、系統(tǒng)組成

        整個(gè)系統(tǒng)包含四大部分,分別為:巡檢無(wú)人機(jī),差分GPS 地面站,數(shù)據(jù)處理器以及手持客戶終端。

        (一)巡檢無(wú)人機(jī):巡檢無(wú)人機(jī)是數(shù)據(jù)獲取的入口,在光伏面板上方按照指定線路飛行以獲取圖像以及定位信息。

        (二)差分GPS 地面站:當(dāng)GPS 導(dǎo)航信號(hào)可用時(shí),差分GPS 地面站為無(wú)人機(jī)提供厘米級(jí)定位服務(wù),當(dāng)GPS 導(dǎo)航信號(hào)精度降低到一定門(mén)限值時(shí),將通過(guò)與機(jī)載傳感器數(shù)據(jù)融合的方式完成無(wú)人機(jī)高精度定位。

        (三)數(shù)據(jù)處理器:數(shù)據(jù)處理器通過(guò)導(dǎo)入無(wú)人機(jī)巡檢數(shù)據(jù),完成電站全景建圖、光伏面板識(shí)別跟蹤、損毀面板定位以及巡檢報(bào)告生成等核心內(nèi)容,后期將會(huì)在機(jī)載終端完成上述內(nèi)容。

        (四)手持客戶終端:手持客戶終端將導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理器處理完成結(jié)果,實(shí)時(shí)引導(dǎo)工作人員至損壞光伏面板處并發(fā)出聲音告警。

        三、工作流程

        無(wú)人機(jī)主要工作在光伏電站,能夠按照預(yù)設(shè)路線進(jìn)行自動(dòng)巡檢。自動(dòng)記錄紅外視頻、位置和設(shè)備等數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)上傳至圖像數(shù)據(jù)處理器,經(jīng)過(guò)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,給出分析結(jié)果,并將結(jié)果傳輸至手持終端。巡檢人員可使用手持終端查看巡檢結(jié)果及詳細(xì)信息,并通過(guò)導(dǎo)航迅速找到損壞點(diǎn),節(jié)省巡檢時(shí)間[2]。

        圖像數(shù)據(jù)處理器能夠?qū)ρ矙z數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、存儲(chǔ)、查閱。系統(tǒng)能夠?qū)θ藛T賬戶登記進(jìn)行級(jí)別設(shè)定,保證信息安全。

        (一)智能巡檢無(wú)人機(jī)的主要工作流程:

        1.現(xiàn)場(chǎng)人員針對(duì)光伏子陣進(jìn)行區(qū)域劃分,將每個(gè)區(qū)域的邊界標(biāo)記清晰;

        2.現(xiàn)場(chǎng)人員在地圖上選取合理的飛行目標(biāo)點(diǎn),編輯整合完整的飛行航路、起始點(diǎn)和終止點(diǎn);

        3.檢測(cè)無(wú)人機(jī)完好性,并對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)后在控制終端上點(diǎn)擊起飛按鍵;

        4.開(kāi)啟機(jī)載傳感器,包括紅外檢測(cè)設(shè)備、高精度定位設(shè)備、無(wú)線通信設(shè)備、高度檢測(cè)設(shè)備等;

        5.啟動(dòng)無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃模塊,按照預(yù)設(shè)路徑點(diǎn)進(jìn)行巡檢,再無(wú)人機(jī)到達(dá)終止點(diǎn)后自動(dòng)降落完成本次飛行任務(wù);

        6.按照時(shí)間戳存儲(chǔ)光伏面板定位結(jié)果,將探測(cè)到的每個(gè)光伏板的經(jīng)緯度坐標(biāo)存儲(chǔ)到無(wú)人機(jī)系統(tǒng)上;

        7.按照時(shí)間戳存儲(chǔ)紅外探測(cè)圖片,將不同角度拍攝的光伏板圖片按照邏輯編號(hào)存儲(chǔ)到無(wú)人機(jī)系統(tǒng)上;

        (二)圖像數(shù)據(jù)處理器的主要工作流程:

        1.按照時(shí)間戳對(duì)圖像和定位數(shù)據(jù)進(jìn)行排序,通過(guò)線性擬合將每張圖片和定位數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng);

        2.將圖片內(nèi)光伏面板進(jìn)行分割,通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和圖形圖像處理相結(jié)合的方式將圖片中每個(gè)光伏面板數(shù)據(jù)分割出來(lái);

        3.根據(jù)分割結(jié)果對(duì)所有光伏面板進(jìn)行編號(hào),按照行號(hào)列號(hào)的模式進(jìn)行編號(hào);

        4.將一個(gè)光伏子陣的所有光伏板按照行號(hào)列號(hào)進(jìn)行排序,進(jìn)行圖像拼接后生成邏輯拓?fù)鋱D;

        5.對(duì)每塊光伏面板進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí),識(shí)別損壞的光伏板,并將損壞部位在圖片內(nèi)圈出,記錄光伏板的位置;

        6.針對(duì)分析結(jié)果,生成巡檢報(bào)告,記錄損壞率、損壞位置、損壞圖片,并提供手動(dòng)操作接口;

        (三)手持引導(dǎo)終端的主要工作流程:

        1.導(dǎo)入電站數(shù)據(jù)地圖,將圖像數(shù)據(jù)處理器的結(jié)果文件進(jìn)行導(dǎo)入,可在手持終端進(jìn)行可視化操作;

        2.在動(dòng)態(tài)地圖中標(biāo)注出所有損壞光伏面板的位置及邏輯編號(hào);

        3.生成最短引導(dǎo)路徑,根據(jù)手持終端的定位數(shù)據(jù),引導(dǎo)用戶到達(dá)指定區(qū)域;

        4.引導(dǎo)工作人員并發(fā)出聲音告警,可根據(jù)語(yǔ)音的模式進(jìn)行導(dǎo)航,并在到達(dá)指定地點(diǎn)后進(jìn)行聲音提示;

        四、系統(tǒng)特點(diǎn)

        (一)適應(yīng)多種電站類(lèi)型的巡檢

        集中式光伏電站布設(shè)環(huán)境類(lèi)型多樣,包括平地、丘陵、水面(含漂浮式)、農(nóng)光互補(bǔ)、牧光互補(bǔ)等;光伏面板組串支架高度、排列方式、間距、仰角、高差、地面附著物、漂流速度(水面漂浮式電站)各不相同;為實(shí)現(xiàn)最佳的光伏巡檢效果,對(duì)無(wú)人機(jī)拍攝方式及數(shù)據(jù)處理算法都提出了很高的要求。

        本系統(tǒng)采用適應(yīng)各種形式的光伏電站布設(shè)環(huán)境及光伏面板架設(shè)方式的最優(yōu)巡檢技術(shù)方案:采用高精度RTK+GPS測(cè)量設(shè)備,進(jìn)行無(wú)人機(jī)航線的厘米級(jí)精度規(guī)劃,保證無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)飛行,以實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢區(qū)域的安全、高效和全覆蓋觀測(cè);根據(jù)光伏面板地面起伏情況,精確設(shè)定無(wú)人機(jī)作業(yè)飛行高度,保證無(wú)人機(jī)始終和光伏面板相對(duì)高度不變,以實(shí)現(xiàn)觀測(cè)的影像分辨率一致;根據(jù)光伏面板架設(shè)角度,精確設(shè)定觀測(cè)設(shè)備的角度,保證觀測(cè)設(shè)備始終垂直觀測(cè)光伏面板,以獲得光伏面板最大的識(shí)別效率;針對(duì)性的處理不同巡檢場(chǎng)景,采用不同類(lèi)型圖像智能處理識(shí)別算法,保證圖像處理結(jié)果的正確性,以獲得準(zhǔn)確、實(shí)用的光伏面板故障診斷報(bào)告。航線規(guī)劃還綜合滿足了邊界巡邏、輸電線路巡檢等需求。

        該方案具有作業(yè)效率高、故障識(shí)別準(zhǔn)確度高、巡檢過(guò)程可重復(fù)性、一致性強(qiáng)等特點(diǎn),可應(yīng)用于各種不同類(lèi)型的光伏電站巡檢業(yè)務(wù)。

        (二)基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像分割及目標(biāo)識(shí)別技術(shù)

        無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中使用紅外相機(jī)對(duì)光伏面板進(jìn)行拍巡檢取樣,由于光伏面板具有高度相似性,因此在高速狀態(tài)下如何對(duì)不同光伏面板進(jìn)行區(qū)分和檢測(cè)尤為重要。

        為確保對(duì)每塊光伏面板進(jìn)行精確劃分和高效檢測(cè),本項(xiàng)目首先采用多通道濾波等圖像處理方法,結(jié)合無(wú)人機(jī)飛行速度與位置,對(duì)光伏面板進(jìn)行精確劃分,即對(duì)無(wú)人機(jī)巡檢到的所有光伏板進(jìn)行一一編號(hào)并對(duì)單塊面板進(jìn)行分割,然后將編號(hào)后的單塊面板紅熱圖像傳輸至后端處理器,通過(guò)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖像識(shí)別模塊對(duì)每塊光伏面板是否損毀進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)完成后,后端處理器將檢測(cè)異常光伏面板的編號(hào)返回至客戶手持終端,結(jié)合無(wú)人機(jī)飛行定位結(jié)果,即可引導(dǎo)維修人員前往異常處進(jìn)行進(jìn)一步檢測(cè)維修。

        (三)光伏電站全景地圖構(gòu)建技術(shù)(slam)

        在光伏巡檢及運(yùn)維過(guò)程中,運(yùn)維人員往往需要光伏站整體地圖信息作為參考,對(duì)異常光伏面板方位及其他可能影響光伏站運(yùn)行因素進(jìn)行判斷,因此在巡檢完成后,對(duì)所巡檢區(qū)域進(jìn)行地圖構(gòu)建也尤為重要[3]。

        為實(shí)現(xiàn)地圖構(gòu)建技術(shù),首先通過(guò)對(duì)視頻流數(shù)據(jù)進(jìn)行幀抽取,將抽取幀的與高精度定位結(jié)果的時(shí)間序列進(jìn)行對(duì)齊,獲取了每一幀圖像的精確位置后,通過(guò)提取相鄰兩幀圖像的特征點(diǎn),采用特征匹配與相對(duì)位置關(guān)系相結(jié)合的方式對(duì)圖像進(jìn)行拼接與融合處理,最終獲取巡檢范圍內(nèi)的光伏站地圖。

        五、結(jié)論

        基于無(wú)人機(jī)的自動(dòng)化智能光伏巡檢系統(tǒng),采用了無(wú)人機(jī)多傳感器融合定位、熱紅外圖像處理、圖像分析定位、視覺(jué)/慣導(dǎo)SLAM 避障、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷等先進(jìn)技術(shù),在實(shí)踐中切實(shí)解決了用戶的難點(diǎn)與痛點(diǎn),極大提升了用戶的巡檢效率,有效保障了光伏電站的正常運(yùn)行,得到了用戶的廣泛肯定。

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