錢志杰 周冬成 嚴(yán)申劼 萬建軍 徐建鋒＊ 俞開云

（1、紹興建元電力集團(tuán)有限公司，浙江 紹興 312000 2、國網(wǎng)紹興供電公司，浙江 紹興 312000）

變電所日常關(guān)聯(lián)的電力設(shè)備及裝置數(shù)量是較多的，電路布設(shè)繁雜，一旦出現(xiàn)故障，便需要帶電施工掃描，在特定的環(huán)境下，實現(xiàn)多方向、多目標(biāo)掃描避障[1]。傳統(tǒng)的掃描壁障通常是采用單向識別或者異常捕捉的方式，先對變電所電路異常位置進(jìn)行定位，與此同時，利用專業(yè)的設(shè)備，對特定區(qū)域掃描識別，進(jìn)而實現(xiàn)避障的目標(biāo)[2]。這種方式雖然可以完成預(yù)期的避障任務(wù)，但是在實際應(yīng)用的過程中，常常會受到外部因素的影響，造成多維度的避障誤差，嚴(yán)重的甚至?xí)ψ冸娝年P(guān)聯(lián)電路造成損壞，形成更大的經(jīng)濟(jì)損失[3]。因此，對基于激光雷達(dá)的變電所帶電施工掃描避障技術(shù)進(jìn)行研究與分析。

1 變電所帶電施工掃描避障技術(shù)

1.1 ORB 避障特征點提取

激光雷達(dá)對于目標(biāo)對象或者電路異常位置的掃描一般是針對于存在的特征點，依據(jù)特征的變動，定位對應(yīng)的特征點，以此來完成掃描任務(wù)[4-6]?？梢栽谧冸娝┕さ倪^程中，標(biāo)定區(qū)域安裝EKF 或者UKF 型號的濾波器，獲取基礎(chǔ)的避障信號，結(jié)合控制平臺，獲取相機(jī)位姿和建圖初始數(shù)值信息[7]。隨后，采用SLAM法建立施工覆蓋線程，改進(jìn)后計算處描述算子。此時的描述點每一個層級均需要設(shè)定對應(yīng)的ORB 特征目標(biāo)，根據(jù)其日常自變化的規(guī)律，定位出核心點的異常點，也就是避障特征點。

消除一部分不合理的特征值，計算出此時的初始灰度值，一般需要控制在1.05～2.35 之間即可。將雷達(dá)獲取的數(shù)值與核心異常點相關(guān)聯(lián)，逐漸形成特征描述算子，此時，需要采用二進(jìn)制的方式，計算出實時灰度值，具體如公式（1）所示：

1.2 近電感應(yīng)進(jìn)行多維監(jiān)測

在變電所中安裝信號放大器，將裝置捕捉的信號無限放大，確保電壓信號與電場強(qiáng)度成正比，形成穩(wěn)定的監(jiān)測環(huán)境。關(guān)聯(lián)電場及施工區(qū)域周圍的所有感應(yīng)裝置，控制系統(tǒng)中設(shè)定多維監(jiān)測目標(biāo)。根據(jù)避障需求，不斷調(diào)整監(jiān)測距離及范圍，明確雷達(dá)避障的有效區(qū)域。隨后，根據(jù)上述獲取的ORB 避障特征點，采用ORB.SLAM算法計算出避障單元誤差，具體如公式（2）所示：

公式（2）中：H 表示避障單元誤差，g 表示避障預(yù)設(shè)距離，β 表示異常算子數(shù)量，i 表示單次描述頻率，通過上述計算，最終可以得出實際的避障單元誤差，劃定對應(yīng)的避障誤差標(biāo)準(zhǔn)，通過調(diào)整監(jiān)測維度，結(jié)合近電感應(yīng)技術(shù)，完成多方向的避障數(shù)據(jù)信息實時監(jiān)測。

1.3 引導(dǎo)式激光電子避障圍欄構(gòu)建

建立平移避障矩陣來搭建電力圍欄的框架，在定位到合適的旋轉(zhuǎn)避障點之后，根據(jù)電荷的運動規(guī)律，結(jié)合激光雷達(dá)，進(jìn)行多方向定位，并將提取的特征點進(jìn)行三角化處理，并形成電子避障描述圖示，具體如圖1 所示。

根據(jù)圖1，可以完成對電子避障圍欄描述的分析與框架設(shè)計。在標(biāo)定的三角避障范圍之內(nèi)，植入引導(dǎo)式的描述結(jié)構(gòu)，搭配識別指令應(yīng)用，定位變電所帶電施工時的異常位置點，當(dāng)避障延伸距離到達(dá)一定的標(biāo)準(zhǔn)時，預(yù)設(shè)坐標(biāo)會與相位坐標(biāo)系實現(xiàn)重合，激光雷達(dá)光心之間的距離通常在10.5 以上。通過激光電子避障圍欄，計算出避障的重疊覆蓋比，根據(jù)得出的避障重疊覆蓋比，再結(jié)合雷達(dá)感應(yīng)技術(shù)，可以進(jìn)一步明確對施工避障的距離單元區(qū)域范圍。不斷調(diào)整引導(dǎo)避障目標(biāo)，利用激光電子避障圍欄，設(shè)定對應(yīng)的避障防護(hù)環(huán)境，完成對引導(dǎo)式激光電子避障圍欄的構(gòu)建。

圖1 電子避障圍欄描述圖示

1.4 避障監(jiān)測警報結(jié)構(gòu)建立

針對于變電所帶電施工的多元性及靈活性，針對于不同的區(qū)域，可以安裝關(guān)聯(lián)對應(yīng)的警報程序。通常可以劃定為兩種警報形式，分別是屏幕警報和聲光警報。在基礎(chǔ)場景中設(shè)定識別程序，針對于帶電物體或者電子圍欄作出初始識別，利用激光雷達(dá)裝置，獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)及信息，在3D 場景中掃描定向的障礙物。需要注意的是，此時指的障礙物一般是固態(tài)障礙物，而針對于動態(tài)障礙物，可以采用動態(tài)辨識方式，獲取激光雷達(dá)掃描的點云數(shù)據(jù)，識別的距離默認(rèn)為1m。一旦帶電施工過程中出現(xiàn)障礙物或者異常，主控系統(tǒng)中會立刻發(fā)生警報，在安全范圍1m 之內(nèi)的物體點云數(shù)據(jù)會顯示紅色，在2m 左右的物體點云數(shù)據(jù)顯示黃色，2m 之外的顯示綠色，同時控制屏端顯示“報警：即將發(fā)生碰撞”并發(fā)出報警聲音。

1.5 改進(jìn)DBSCAN 激光雷達(dá)避障模型設(shè)計

首先明確警報區(qū)域，采用定向操作的方式，轉(zhuǎn)換避障視角遠(yuǎn)近，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，對模型進(jìn)行基礎(chǔ)訓(xùn)練。點云控制平臺中的LidarService 會選擇當(dāng)前掃描障礙點云對比場景，決定是否發(fā)出對應(yīng)警報。在標(biāo)定的范圍之內(nèi)，進(jìn)行避障視角的重置，結(jié)合碰撞體的解析原理及點云避障執(zhí)行視角，計算出單向的避障反射率，具體如公式（3）所示：

1.6 多目標(biāo)聚類掃描矩陣構(gòu)建

通常情況下，變電所的代表施工動態(tài)性相對較強(qiáng)，并且涉及到多個關(guān)聯(lián)位置，所以，可以采用多目標(biāo)的聚類避障方式，搭配激光雷達(dá)應(yīng)用。以多目標(biāo)聚類掃描矩陣的方式展開分析，設(shè)定矩陣的單質(zhì)距離在15m 以上，預(yù)設(shè)的避障時限在0.2～0.5 之間。劃定多目標(biāo)避障矩陣的原理，完成結(jié)構(gòu)排布設(shè)定，在標(biāo)定的范圍之內(nèi)，利用改進(jìn)DBSCAN 雷達(dá)模型，將所需要避障的區(qū)域劃分為幾簇，每一簇均需要設(shè)定關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的避障監(jiān)測節(jié)點，形成任意形狀聚類目標(biāo)，隨著變電站電力的供應(yīng)，電荷移動的方向及狀態(tài)也會發(fā)生相關(guān)的變化，形成多維聚類掃描避避障機(jī)制，在標(biāo)定的聚類空間中，關(guān)聯(lián)相應(yīng)的避障范圍，以預(yù)設(shè)的基礎(chǔ)避障目標(biāo)以及邊緣目標(biāo)設(shè)定在矩陣之內(nèi)，調(diào)整相應(yīng)的指標(biāo)參數(shù)，營造穩(wěn)定、可靠的聚類掃描避障環(huán)境，與避障模型相結(jié)合，可以實現(xiàn)首次避障，并完成對多目標(biāo)聚類掃描矩陣的構(gòu)建。

1.7 等效多傳感處理實現(xiàn)施工掃描避障

在激光雷達(dá)行安裝一個多傳感器，與主控平臺相連接。將所有的約束避障指令轉(zhuǎn)化為多傳感避讓指令，計算得出避障殘差項，利用激光雷達(dá)在標(biāo)定的區(qū)域之中等效識別掃描，標(biāo)記區(qū)域之內(nèi)的障礙物，并將圖片、視頻等資料以特定的信號格式傳輸至管控平臺之中，施工人員可以根據(jù)得出的數(shù)值盡量避開異常區(qū)域。使用二維激光雷達(dá)SLAM獲取氣壓計以及超聲波傳感器收集的數(shù)值、信息，待帶電施工基本避繞過障礙物時關(guān)閉激光雷達(dá)，在同一位置上，以不同傾斜角度進(jìn)行相位對比，并計算出位姿耦合值，具體如公式（4）所示：

2 實例分析

2.1 實力背景

本次主要是對基于激光雷達(dá)的變電所帶電施工掃描避障技術(shù)實際應(yīng)用效果進(jìn)行分析與研究。考慮到最終實例分析結(jié)果的真實性與可靠性，本文選擇紹興市大興電氣承裝有限公司下屬的變電所A 作為測試的主要目標(biāo)對象。設(shè)定傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換避障測試組、傳統(tǒng)定向多傳感避障測試組、激光雷達(dá)避障測試組，以對比的形式展開分析。測試需要在穩(wěn)定、安全的環(huán)境下進(jìn)行，所以，在測定之前，需要核驗設(shè)備及裝置是否處于穩(wěn)定的運行狀態(tài)，并確保不存在影響最終測試結(jié)果外部因素，核定無誤后，開始實例分析。

2.2 A 變電所避障實證

根據(jù)上述多A 變電所帶電施工項目的掃描避障現(xiàn)狀的分析，結(jié)合實際的避障需求及標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行實證分析。首先，標(biāo)定激光類雷達(dá)的覆蓋范圍，在區(qū)域之中布設(shè)一定數(shù)量的雷達(dá)避障監(jiān)測節(jié)點。利用激光雷達(dá)構(gòu)建逆觀測模型，投入一束激光，當(dāng)其經(jīng)過若干柵格后碰到障礙物返回，即可完成設(shè)計。計算激光雷達(dá)避障測試組響應(yīng)時間，并進(jìn)行最終測定分析，具體如表1 所示。

表1 測試結(jié)果對比分析表

根據(jù)表1，表明在實際應(yīng)用的過程中，對于施工區(qū)域內(nèi)障礙物的識別速度較迅速，效果更佳，具有實際的應(yīng)用價值。

結(jié)束語

綜上所述，便是對基于激光雷達(dá)的變電所帶電施工掃描避障技術(shù)的研究和討論。與傳統(tǒng)的單向避障方法相對比，本文融合激光雷達(dá)技術(shù)，在上述基礎(chǔ)中，進(jìn)一步擴(kuò)大了避障的覆蓋范圍，設(shè)定多方向的避障處理目標(biāo)，加速施工的同時，還可以保證施工人員的安全。激光雷達(dá)可以更好地避免避障誤差的出現(xiàn)，從根源上增強(qiáng)整體的避障識別精度，將帶電施工的水平偏差控制在合理的范圍之內(nèi)，通過功能化及模塊化的并行化流處理模式，再結(jié)合雙目視覺避障輔助平臺，逐步營造更加穩(wěn)定、安全的避障模式，一定程度上簡化了變電所整體的管理避障工作，為后續(xù)的應(yīng)用提供理論依據(jù)。