伍 鵬,盧朝成,顏 真,韓 聰,康合敏,諸葛葳

（國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司南平供電公司,南平 353016）

0 引言

我國(guó)十分重視電力系統(tǒng)發(fā)展,所需要的電力設(shè)施遍布全國(guó)各地［1］。但是,電力系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到氣候環(huán)境因素影響,出現(xiàn)斷股、銹蝕、磨損等問(wèn)題,給社會(huì)和居民帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失［2］?；诖?供電部門十分重視電力設(shè)施的安全運(yùn)行,以此設(shè)計(jì)電力巡檢系統(tǒng),提前發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備存在的老化、磨損、銹蝕等質(zhì)量問(wèn)題,保證電力系統(tǒng)運(yùn)行安全［3］。然而,電力巡檢系統(tǒng)在巡檢過(guò)程中受磁場(chǎng)、風(fēng)等因素影響,其跟蹤巡檢目標(biāo)時(shí)會(huì)降低巡檢效率、產(chǎn)生較高的巡檢成本,且跟蹤巡檢目標(biāo)定位存在偏差［4］。為此,電力巡檢目標(biāo)跟蹤技術(shù)得以發(fā)展。

目前,國(guó)內(nèi)外將跟蹤技術(shù)分為目標(biāo)偵測(cè)、檢測(cè)區(qū)域規(guī)劃、定位目標(biāo)、軌跡估計(jì)、軌跡預(yù)測(cè)、目標(biāo)通告六個(gè)階段,研究出集中式、分布式、以節(jié)點(diǎn)為中心、以位置為中心、二進(jìn)制探測(cè)、信息驅(qū)動(dòng)、傳送樹、雙元檢測(cè)、粒子濾波等目標(biāo)跟蹤算法［5-6］。在國(guó)內(nèi)外研究基礎(chǔ)上,相關(guān)學(xué)者提出如下觀點(diǎn):文獻(xiàn)［7］將空中目標(biāo)作為研究對(duì)象,運(yùn)用YOLOv4算法、KCF算法和深度學(xué)習(xí)算法,分別對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)、跟蹤、分類,實(shí)現(xiàn)了空中目標(biāo)的跟蹤。文獻(xiàn)［8］將3D多目標(biāo)跟蹤作為研究對(duì)象,采用激光技術(shù)檢測(cè)跟蹤目標(biāo),通過(guò)Kalman濾波器預(yù)測(cè)跟蹤目標(biāo)行動(dòng)位置,最后運(yùn)用貪婪算法,根據(jù)目標(biāo)位置跟蹤3D多目標(biāo)。

在實(shí)時(shí)跟蹤電力巡檢目標(biāo)時(shí),上述學(xué)者研究的跟蹤技術(shù)存在跟蹤目標(biāo)軌跡與實(shí)際軌跡擬合度低的問(wèn)題,為此本文提出了基于GPS定位技術(shù)的電力巡檢目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤平臺(tái)設(shè)計(jì)。

1 電力巡檢目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)電力巡檢目標(biāo)跟蹤需求,以電力巡檢系統(tǒng)為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了如圖1所示的電力巡檢目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)。

圖1 電力巡檢目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware structure of power patrol inspection target real-time tracking platform

如圖1所示,電力巡檢目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)將平臺(tái)分為了電力巡檢目標(biāo)GPS定位跟蹤運(yùn)行控制模塊、周邊環(huán)境信息采集模塊、電源模塊、通信模塊和中央控制系統(tǒng)五部分。

中央控制系統(tǒng)主要由服務(wù)器、PC、電力巡檢管理人員以及其他用戶組成,主要功能為設(shè)定電力巡檢目標(biāo)和控制其他模塊。電力巡檢管理人員通過(guò)PC端下達(dá)電力巡檢指令,確定電力巡檢目標(biāo)。服務(wù)器會(huì)依據(jù)這一指令控制通信模塊傳輸中央控制模塊信息,實(shí)現(xiàn)電力巡檢目標(biāo)跟蹤。

根據(jù)中央控制系統(tǒng)下發(fā)的通信信息,GPS定位跟蹤運(yùn)行控制模塊的主要功能為:集中控制基于GPS定位技術(shù)的電力巡檢設(shè)備各運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)作,讓電力巡檢設(shè)備可以根據(jù)巡檢目標(biāo)位置進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間巡檢運(yùn)動(dòng),為實(shí)時(shí)跟蹤平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)提供硬件控制基礎(chǔ)。同時(shí),電力巡檢設(shè)備會(huì)將遠(yuǎn)程控制反饋的信息反饋給中央控制系統(tǒng)。

電源模塊主要功能是為平臺(tái)硬件設(shè)備供電、轉(zhuǎn)換、監(jiān)測(cè)電壓［9］?？紤]到電力巡檢設(shè)備運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、巡檢位置等問(wèn)題,此次設(shè)計(jì)平臺(tái)選擇電池供電方式為平臺(tái)各個(gè)硬件設(shè)備供電。當(dāng)電池電量不能滿足硬件設(shè)備運(yùn)行需求時(shí),電池模塊向中央控制系統(tǒng)發(fā)出電量過(guò)低報(bào)警,通知平臺(tái)操控人員為平臺(tái)更換電池。

信息采集模塊的主要功能為:采用高清紅外一體攝像機(jī)、溫度傳感器等感知設(shè)備捕捉電力巡檢設(shè)備及巡檢區(qū)域環(huán)境,為定位電力巡檢目標(biāo)的軟件設(shè)計(jì)提供電力巡檢目標(biāo)跟蹤路徑的選擇依據(jù)。

通信模塊的主要功能為傳送中央控制系統(tǒng)的指令?？紤]到電力巡檢設(shè)備的運(yùn)行距離,選擇4G無(wú)線通信方式實(shí)現(xiàn)平臺(tái)通信。

2 基于GPS定位技術(shù)的電力巡檢目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

跟蹤平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)的流程如圖2所示。

圖2 基于GPS定位技術(shù)的電力巡檢目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)流程Fig.2 Software design process of real-time tracking platform for power patrol inspection target based on GPS positioning technology

2.1 基于GPS定位技術(shù)定位電力巡檢目標(biāo)

為了精確定位電力巡檢目標(biāo),采用GPS定位技術(shù)和BD-2定位技術(shù)共同確定電力巡檢目標(biāo)位置?；诖?采用此次研究選擇的定位技術(shù),所組成的定位模型如圖3所示。

由圖3可知,受GPS和BD-2定位技術(shù)時(shí)間基準(zhǔn)影響,此次設(shè)計(jì)的組合定位模型在定位時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)接收時(shí)鐘差［10］。為此,通過(guò)GPS定位技術(shù)與BD-2定位技術(shù)的單個(gè)定位數(shù)學(xué)方程,得到如圖3所示的組合定位模型數(shù)學(xué)方程,則有

圖3 GPS與BD-2組合定位模型Fig.3 Combined localization model of GPS and BD-2

由式（1）可知,GPS定位技術(shù)和BD-2定位技術(shù)的接收時(shí)鐘差不相同,為此需要求解信號(hào)接收機(jī)的鐘差。假設(shè)信號(hào)發(fā)射衛(wèi)星的數(shù)量為N,依據(jù)信號(hào)接收機(jī)衛(wèi)星星歷和觀測(cè)信息寫出的偽距方程組為

式（4）中,Δu為接收的增量信號(hào)矩陣［13］。忽略觀測(cè)隨機(jī)誤差,引入最小二乘法,加權(quán)融合Δd,得到跟蹤目標(biāo)定位結(jié)果Δx,則有

式（5）中,ω為偽距觀測(cè)量權(quán)重比。根據(jù)式（5）,即可實(shí)時(shí)獲取電力巡檢跟蹤目標(biāo)位置。依據(jù)圖3的GPS與BD-2組合定位模型,設(shè)計(jì)電力巡檢目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤算法,實(shí)時(shí)跟蹤電力巡檢目標(biāo)。

2.2 設(shè)計(jì)電力巡檢目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤算法

基于GPS與BD-2組合定位模型實(shí)時(shí)定位到的電力巡檢目標(biāo),設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)跟蹤算法如下:

1）初始化定位模型定位到的電力巡檢目標(biāo),將其記為基樣本ε。

2）采用置換矩陣K變換跟蹤目標(biāo)得到負(fù)樣本,則有

式（6）中,1表示正樣本,0表示負(fù)樣本。依據(jù)式（6）所示的置換矩陣,可以讓電力巡檢目標(biāo)的基樣本ε向下偏移一個(gè)元素,形成循環(huán)偏移樣本

式（7）中,j為基樣本中的第j個(gè)元素,M為基樣本的循環(huán)偏移次數(shù)［14］。

3）用嶺回歸計(jì)算循環(huán)偏移樣本,為不同偏移下得到的樣本賦權(quán),則有

式（8）中,G為離散Fourier變換矩陣,diag（·）為構(gòu)造對(duì)角矩陣函數(shù),ε′為的共軛運(yùn)算,⊙表示向量之間的點(diǎn)乘,為ε經(jīng)離散Fourier變換后的樣本,δ為正則化參數(shù),為每個(gè)樣本回歸值組成的列向量。

4）依據(jù)式（8）賦予的權(quán)值,引入核函數(shù)生成回歸函數(shù)模型f(χ),提取樣本位置特征,則有

式（9）中,β為β1、β2、…、βj組成的學(xué)習(xí)列向量,λ為任意兩個(gè)樣本映射到高維空間的相關(guān)矩陣,χ為樣本位置特征。

5）采用式（10）訓(xùn)練式（9）所示的回歸函數(shù)模型

式（10）中,φ為濾波參數(shù),λ1為λ的第一行元素,^y為f（χ）得到的回歸值。

6）采用式（9）再次提取樣本位置特征,并尋找樣本峰值位置變化,以此來(lái)更新β和χ的值

式（11）中,χ′為更新后輸出的位置,η為學(xué)習(xí)速率因子,β′為更新后的學(xué)習(xí)參數(shù)［15］。

依據(jù)式（11）,更新后得到的樣本位置值即為目標(biāo)跟蹤結(jié)果。重復(fù)上述步驟1～步驟6,即可實(shí)現(xiàn)電力巡檢目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤。

3 跟蹤實(shí)驗(yàn)及分析

將某區(qū)域的某一段輸電線桿塔作為電力巡檢目標(biāo),在硬盤為5400轉(zhuǎn)/s、DDR3型4GB內(nèi)存、1600MHz主頻、CPU為Core i5-4200U、獨(dú)立顯卡為ADM Radeon HD8670M的計(jì)算機(jī)上搭建此次設(shè)計(jì)的平臺(tái),測(cè)試此次設(shè)計(jì)的基于GPS定位技術(shù)的電力巡檢目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤平臺(tái)的可行性。

3.1 算法收斂性測(cè)試

KCF算法使用的HOG特征包含16個(gè)bin,大小為3×3。模型學(xué)習(xí)速率為0.02,最大進(jìn)化迭代數(shù)為500,慣性權(quán)重為1.0。正則化參數(shù)設(shè)置為0.02,高斯核函數(shù)設(shè)為0.5。針對(duì)不同距離下的目標(biāo),實(shí)驗(yàn)選取了不同的搜索窗口與目標(biāo)尺寸的邊長(zhǎng)比值（padding值）進(jìn)行跟蹤實(shí)驗(yàn),確定了能穩(wěn)定跟蹤不同尺寸的最優(yōu)padding值為2.05。本文算法、文獻(xiàn)［8］算法的目標(biāo)函數(shù)訓(xùn)練波動(dòng)情況如圖4所示。

由圖4可知,本文方法目標(biāo)函數(shù)在20組時(shí)即達(dá)到最優(yōu)padding值。與其他方法相比,本文方法收斂速度更快,說(shuō)明了本文方法具有較好的收斂性。

圖4 收斂性測(cè)試結(jié)果Fig.4 Test results of convergence

3.2 電力巡檢目標(biāo)

此次實(shí)驗(yàn)選擇的輸電線路共有16個(gè)桿塔,每個(gè)桿塔上都有6個(gè)陶瓷避雷器、6個(gè)導(dǎo)線線夾、2個(gè)地線線夾,每個(gè)設(shè)備上都存在不同大小的螺絲。當(dāng)避雷器和線夾上的螺絲出現(xiàn)故障時(shí),會(huì)出現(xiàn)避雷器和電線線路脫落問(wèn)題,極易產(chǎn)生電力磁場(chǎng),遇到明火時(shí)出現(xiàn)火災(zāi)。

將此次實(shí)驗(yàn)選擇的輸電線路及其桿塔放置在(x,y)二維坐標(biāo)系中,得到如圖5所示的輸電線和桿塔位置圖。

圖5 輸電線和桿塔位置圖Fig.5 Location diagram of power transmission lines and power tower

3.3 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)此次實(shí)驗(yàn)確定的實(shí)驗(yàn)對(duì)象,將圖5中的A點(diǎn)設(shè)置為無(wú)人機(jī)巡檢起始點(diǎn),電力巡檢無(wú)人機(jī)的速度設(shè)置為16m/s,安裝在無(wú)人機(jī)上的DSP編碼器以1s的時(shí)間間隔獲得GPS定位技術(shù)和BD-2定位技術(shù)定位組合模型采集的巡檢無(wú)人機(jī)跟蹤電力巡檢目標(biāo)軌跡。實(shí)驗(yàn)分為跟蹤單個(gè)目標(biāo)和跟蹤多個(gè)目標(biāo)兩部分,其實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下:

1）第一部分:單個(gè)目標(biāo)跟蹤。在圖5中,設(shè)置B點(diǎn)作為跟蹤單個(gè)目標(biāo)的位置,B點(diǎn)位置無(wú)人機(jī)在(x,y)二維坐標(biāo)系x軸方向上的夾角為63.2°,y軸方向上的夾角為26.8°,C點(diǎn)位置無(wú)人機(jī)在(x,y)二維坐標(biāo)系上屬于原點(diǎn),則A點(diǎn)和B點(diǎn)之間的距離為200m。將DSP編碼器采集到的目標(biāo)跟蹤軌跡數(shù)據(jù)分解映射到x軸和y軸方向上,對(duì)比軌跡擬合度。

2）第二部分:多個(gè)目標(biāo)跟蹤。在電力巡檢目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤的實(shí)際應(yīng)用中,巡檢任務(wù)多面對(duì)多個(gè)目標(biāo),多個(gè)目標(biāo)的跟蹤效果也體現(xiàn)出跟蹤平臺(tái)的靈活性,因此進(jìn)行多個(gè)目標(biāo)的跟蹤測(cè)試。以A點(diǎn)作為桿塔巡檢初始位置,使用電力巡檢無(wú)人機(jī)巡檢圖5中的16個(gè)桿塔,在C點(diǎn)處結(jié)束桿塔巡檢。將DSP編碼器采集到的目標(biāo)跟蹤軌跡數(shù)據(jù)分解到x軸和y軸方向上,對(duì)比軌跡擬合度。

為了體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的客觀性,將文獻(xiàn)［8］中的目標(biāo)跟蹤方法作為對(duì)比方法,檢驗(yàn)本文方法和對(duì)比方法的目標(biāo)跟蹤效果。

3.4 分析結(jié)果

（1）單個(gè)目標(biāo)的跟蹤分析

單個(gè)目標(biāo)的跟蹤軌跡與其實(shí)際軌跡的擬合如圖6所示。

由圖6可知,此次的設(shè)計(jì)平臺(tái)在跟蹤單個(gè)電力巡檢目標(biāo)時(shí),與文獻(xiàn)［8］方法的跟蹤軌跡相比,本文跟蹤軌跡與實(shí)際軌跡的重合程度較高,和實(shí)際軌跡誤差較小,表明本文方法具有較優(yōu)的跟蹤效果:這是因?yàn)楸疚臉?gòu)建的GPS定位技術(shù)和BD-2定位技術(shù)定位組合模型能夠準(zhǔn)確定位每一個(gè)電力巡檢目標(biāo),同時(shí)利用KCF算法實(shí)現(xiàn)了電力巡檢目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤。

圖6 單個(gè)巡檢目標(biāo)的軌跡擬合Fig.6 Trajectory fitting diagram of single patrol inspection target

（2）多個(gè)目標(biāo)的跟蹤分析

多個(gè)目標(biāo)的跟蹤軌跡與其實(shí)際軌跡的擬合如圖7所示。

由圖7可知,文獻(xiàn)［8］方法應(yīng)用下,跟蹤多個(gè)電力巡檢目標(biāo)時(shí),未檢查到一些跟蹤目標(biāo)。而與文獻(xiàn)［8］方法的跟蹤軌跡相比,本文跟蹤軌跡與實(shí)際軌跡的擬合度明顯較高,即在跟蹤多個(gè)電力巡檢目標(biāo)時(shí),利用GPS定位技術(shù)和BD-2定位技術(shù)構(gòu)建的定位組合模型能夠準(zhǔn)確定位每一個(gè)目標(biāo),可以同時(shí)跟蹤多個(gè)電力巡檢目標(biāo),具有較優(yōu)的跟蹤效果。

圖7 多個(gè)巡檢目標(biāo)的軌跡擬合Fig.7 Trajectory fitting diagram of multiple patrol inspection targets

4 結(jié)論

本文的設(shè)計(jì)從電力巡檢設(shè)備角度出發(fā),針對(duì)電力巡檢設(shè)備巡檢電力目標(biāo)時(shí)可能存在的問(wèn)題,通過(guò)引入GPS定位技術(shù),減少了跟蹤目標(biāo)數(shù)量對(duì)平臺(tái)跟蹤效果的影響,同時(shí)還提高了跟蹤軌跡與實(shí)際軌跡的擬合度。但是,此次研究未曾考慮電力巡檢目標(biāo)跟蹤過(guò)程中可能受到的外界干擾問(wèn)題。因此在今后的工作中,還需深入研究平臺(tái)跟蹤算法的抗干擾能力,進(jìn)一步提高平臺(tái)跟蹤電力巡檢目標(biāo)的精度。