李鴻達(dá)，周愷，張睿哲，趙留學(xué)，譚磊

（1.國網(wǎng)北京電力科學(xué)研究院，北京 豐臺 100075；2.國網(wǎng)北京市電力公司，北京 西城 100031）

關(guān)鍵字：架空輸電線路；山火；多維監(jiān)測

近年來，我國華北、西南區(qū)域森林火災(zāi)頻發(fā)，危及人民群眾人身與財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)我國電網(wǎng)地理分布廣闊、大量電力線路位處山區(qū)，易受山火災(zāi)害的威脅[1,2]。為加強(qiáng)山火防范，國家應(yīng)急管理部、北京市及國家電網(wǎng)公司均圍繞森林火災(zāi)防范曾召開有關(guān)會議，山火防范是社會各界共同面對的重大任務(wù)。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是國民經(jīng)濟(jì)良好發(fā)展的必要保障，森林火災(zāi)嚴(yán)重威脅電力設(shè)備安全運(yùn)行，目前電網(wǎng)森林火災(zāi)防控形勢嚴(yán)峻，輸電線路是電力網(wǎng)絡(luò)的主干，在輸電線路附近監(jiān)測山火的形成與發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)山火早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警、早處置，對電網(wǎng)的整體安全具有重大意義。目前已有多種山火監(jiān)測方式得以應(yīng)用，但考慮多維度融合監(jiān)測技術(shù)的相關(guān)研究較少，單一監(jiān)測手段難以取得良好效果，本文對輸電線路空天地多維山火監(jiān)測技術(shù)開展研究，為電網(wǎng)防山火工作提供指導(dǎo)。

1 空天地多維度山火監(jiān)測整體思路

山火監(jiān)測須考慮不同場景下的針對性監(jiān)測方式。從時(shí)間角度考慮，火情發(fā)展可主要分為事中、事后2個階段，目前國內(nèi)外已有包括基于衛(wèi)星遙感、激光雷達(dá)、紅外探測等技術(shù)的山火監(jiān)測方式[3-5]，對于不同的火情發(fā)展階段，須選用適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測手段。事中階段是山火發(fā)展過程中比較復(fù)雜的階段，須綜合應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)與三光集成技術(shù)進(jìn)行火情事中監(jiān)測；無人機(jī)技術(shù)則適用于山火發(fā)生后聯(lián)動其他監(jiān)測手段進(jìn)行現(xiàn)場自主勘查。

2 基于多源衛(wèi)星的火點(diǎn)監(jiān)測算法

衛(wèi)星聯(lián)動是重要得山火監(jiān)測手段，單一種類衛(wèi)星由于自身空間分辨率、過境時(shí)間等參數(shù)限值很難起到良好的監(jiān)測效果，常見監(jiān)測衛(wèi)星主要參數(shù)如表1所示。

表1 常見監(jiān)測衛(wèi)星主要參數(shù)

為解決目前遙感火點(diǎn)監(jiān)測中由于數(shù)據(jù)的單一性導(dǎo)致火點(diǎn)信息在空間上或時(shí)間上存在局限性的問題，利用多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)在時(shí)間上和空間上的最優(yōu)化布局集成監(jiān)測火點(diǎn)。經(jīng)研究，首先利用Himawari-8/AHI數(shù)據(jù)和FY-4數(shù)據(jù)在時(shí)間序列上進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。再利用EOS/MODIS數(shù)據(jù)、NPP/VIIRS、NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)和FY-3/VIRR數(shù)據(jù)時(shí)間上進(jìn)行插入分析。此方法在不但火點(diǎn)監(jiān)測的最高時(shí)間分辨率達(dá)到了10 min，并且最高空間分辨率也得到提高。同時(shí)加入中高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)（GF-4、Landsat8、Sentinel-2），監(jiān)測精度較高，而火點(diǎn)虛檢率較低，最小識別火災(zāi)面積為20 m×20 m左右。MODIS、NPP-VIIRS和NOAA-VIIRS火點(diǎn)識別精度能夠滿足實(shí)際火點(diǎn)監(jiān)測需求。與此同時(shí)，結(jié)合下墊面信息提取結(jié)果能夠有效去除工業(yè)熱源對火點(diǎn)監(jiān)測的影響。結(jié)合多源衛(wèi)星和下墊面提取信息能夠?qū)崿F(xiàn)火點(diǎn)近實(shí)時(shí)、全天時(shí)全面監(jiān)測，有效降低火災(zāi)對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來的影響。以北京地區(qū)為示例研究區(qū)域，基于多源衛(wèi)星的山火檢測基本流程如圖1所示。

圖1 山火檢測基本流程

3 基于三光集成的火點(diǎn)監(jiān)測技術(shù)

通過可見光、紅外雙波段光源的火點(diǎn)監(jiān)測技術(shù)研究，結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)、圖像增強(qiáng)技術(shù)、紅外熱成像技術(shù)和視頻結(jié)構(gòu)化等方可實(shí)現(xiàn)24 h、各類天氣環(huán)境下預(yù)警范圍內(nèi)的火點(diǎn)與煙塵實(shí)時(shí)監(jiān)測。三光攝像頭應(yīng)用模式如圖2所示。

圖2 三光攝像頭應(yīng)用模式

晝夜連續(xù)工作的三光集成型精確山火定位監(jiān)測儀的硬件包括可見光、紅外和激光探測模塊、衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)模塊、360°自動巡航云臺、煙霧探測器模塊、光照度傳感模塊、邊緣計(jì)算處理器模塊、無線通信組網(wǎng)模塊、太陽能發(fā)電及電源管理模塊等。該設(shè)備以邊緣計(jì)算處理器為核心，可見光、紅外線和激光探測模塊作為主要的火點(diǎn)發(fā)現(xiàn)和測距設(shè)備，所有探測數(shù)據(jù)和控制模式由邊緣計(jì)算處理器完成；衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)模塊既提供山火定位監(jiān)測儀的經(jīng)緯度坐標(biāo)，又為多個山火定位監(jiān)測儀聯(lián)動多站定位時(shí)提供準(zhǔn)確的時(shí)間同步信息；360°自動巡航云臺作為可見光、紅外線和激光探測模塊的轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)大范圍、大視場不間斷探測；煙霧探測器模塊實(shí)現(xiàn)周邊煙霧濃度實(shí)時(shí)探測；光照度傳感模塊實(shí)現(xiàn)所處環(huán)境的光照度探測，傳感結(jié)果輸入邊緣計(jì)算處理器，作為晝夜工作模式轉(zhuǎn)換的依據(jù)；無線通信組網(wǎng)模塊為數(shù)據(jù)回傳和無線組網(wǎng)提供鏈路支持；太陽能發(fā)電及電源管理模塊為監(jiān)測儀提供電源。

圖3 三光集成山火監(jiān)測設(shè)備結(jié)構(gòu)組成

煙霧檢測算法是三光集成設(shè)備內(nèi)置的重要智能圖像算法。算法采用基于視頻序列的深度學(xué)習(xí)煙霧檢測算法，分析判斷場景中是否有煙霧，提供報(bào)警信息，從而起到防止森林火災(zāi)發(fā)生的目的，為用戶在真正的使用中提供輔助決策。深度學(xué)習(xí)煙霧檢測算法處理流程主要包含以下步驟：輸入原始的圖像數(shù)據(jù)至目標(biāo)檢測模塊，產(chǎn)生煙霧檢測鏈表；對多幀結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及過濾；輸出煙霧報(bào)警信號，包括報(bào)警標(biāo)志位和煙霧位置，同時(shí)與煙霧探測傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)比對；比對中發(fā)現(xiàn)煙霧探測傳感器有濃度上升趨勢時(shí)，輸出有效的煙霧報(bào)警結(jié)果，若無上升趨勢，回到最初步驟。設(shè)備與算法不斷雙向優(yōu)化，是保持三光集成山火監(jiān)測技術(shù)實(shí)際應(yīng)用效果的關(guān)鍵。

4 無人機(jī)火情勘查技術(shù)

無人機(jī)可搭載搭載傾斜攝影設(shè)備、熱成像設(shè)備和激光雷達(dá)設(shè)備等對輸電線路走廊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，可形成高精度三維數(shù)字模型。分析無人機(jī)采集的數(shù)據(jù)可對輸電設(shè)備環(huán)境變化情況進(jìn)行判別和提前預(yù)警。典型無人機(jī)紅外監(jiān)測模式下發(fā)現(xiàn)的火點(diǎn)如圖4所示。

圖4 無人機(jī)紅外監(jiān)測模式下發(fā)現(xiàn)火點(diǎn)

無人機(jī)火情勘查技術(shù)試驗(yàn)利用巡護(hù)飛機(jī)進(jìn)行林火的探測，相較于地面的巡視觀察，從上向下俯視觀察的優(yōu)點(diǎn)有：飛機(jī)巡護(hù)視野寬、機(jī)動性更強(qiáng)、不受地形限制，可以快速實(shí)現(xiàn)火場周圍及火勢發(fā)展的全面觀察。

試驗(yàn)驗(yàn)證是校核無人機(jī)勘查能力的主要手段。設(shè)計(jì)無人機(jī)火情勘察技術(shù)試驗(yàn)方案如下。試驗(yàn)設(shè)備及物品主要包括無人機(jī)系統(tǒng)、云臺相機(jī)、視頻結(jié)構(gòu)化設(shè)備、可燃物、滅火設(shè)備等。根據(jù)載重、飛行高度、續(xù)航里程、巡航速度、抗風(fēng)能力等指標(biāo)選取多套無人機(jī)系統(tǒng)；云臺相機(jī)應(yīng)選取支持光學(xué)、數(shù)碼雙變焦防抖動相機(jī)，保證圖片采集質(zhì)量；智能起落站應(yīng)選防銹、防塵、防水、防滲箱體，可完成無人機(jī)電池充電、無人機(jī)收納；視頻結(jié)構(gòu)化設(shè)備為通過邊緣計(jì)算方法于無人機(jī)掛載的圖像設(shè)備，基于ARM架構(gòu)的嵌入式終端，可以結(jié)合可見光、熱成像監(jiān)測設(shè)備直接升級使用；同時(shí)需要干、濕兩種可燃物與滅火設(shè)備。

試驗(yàn)主要如下進(jìn)行。

結(jié)合大容量輸電線路試驗(yàn)室以及火災(zāi)試驗(yàn)場相關(guān)設(shè)備，通過模擬山火、煙塵，多次試飛無人機(jī)監(jiān)測火焰、煙塵，校驗(yàn)檢測的可靠性、及時(shí)性。

檢測不同傳輸距離（每隔0.5 km為一個測試點(diǎn)）圖像傳輸、山火數(shù)據(jù)傳輸、無人機(jī)與傳輸終端之間通訊狀況是否正常。同時(shí)關(guān)注無人機(jī)是否會受到電網(wǎng)周圍電磁場影響，分析總結(jié)在電網(wǎng)周圍飛行的安全距離。

無人機(jī)自動巡航巡檢，主要測試無人機(jī)定位準(zhǔn)確度、GPS信號強(qiáng)弱、線路規(guī)劃功能以及多臺無人機(jī)協(xié)同檢測。

運(yùn)用遠(yuǎn)程控制搭載滅火設(shè)備的無人機(jī)測試滅火效果。

5 多維度融合山火監(jiān)測工作模式

建立高效山火監(jiān)測模式須綜合應(yīng)用多維度監(jiān)測技術(shù)，形成融合監(jiān)測工作模式。衛(wèi)星遙感技術(shù)主要優(yōu)勢在于監(jiān)測空間范圍廣，但限于衛(wèi)星過境時(shí)間，監(jiān)測時(shí)間延遲較高；三光集成技術(shù)主要優(yōu)勢在于可持續(xù)對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行精細(xì)化監(jiān)測，但限于設(shè)備安裝位置，一般僅能監(jiān)測輸電通道附近的火情。無人機(jī)具備高機(jī)動性，通過其他監(jiān)測手段發(fā)現(xiàn)火情后，可根據(jù)實(shí)際情況安排無人機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場勘查與處置。多維度融合監(jiān)測工作模式主要為：多源衛(wèi)星發(fā)揮空間維度優(yōu)勢、三光集成設(shè)備發(fā)揮時(shí)間維度優(yōu)勢，二者互為補(bǔ)充實(shí)現(xiàn)常態(tài)化多區(qū)域山火監(jiān)測，根據(jù)山火實(shí)際情況，無人機(jī)深入現(xiàn)場開展勘查與處置，無人機(jī)采集的數(shù)據(jù)為上述常態(tài)化多區(qū)域山火監(jiān)測的進(jìn)一步優(yōu)化提供支持。多維度融合山火監(jiān)測工作模式如圖5所示。

圖5 多維度融合山火監(jiān)測工作模式

6 結(jié)束語

有效進(jìn)行山火監(jiān)測對保障工業(yè)設(shè)備良好運(yùn)行和保護(hù)人民群眾生命安全具有重大意義，目前山火監(jiān)測一定程度上存在工作量大、效率較低等問題，須根據(jù)實(shí)際場景妥善聯(lián)動多種監(jiān)測手段方可起到較好的效果。本文考慮山火事中與事后發(fā)展階段，從空天地三個監(jiān)測維度對基于衛(wèi)星遙感的山火監(jiān)測技術(shù)、無人機(jī)勘查技術(shù)進(jìn)行研究、基于三光集成的火點(diǎn)監(jiān)測技術(shù)，并對多維度融合監(jiān)測工作模式作出闡述，為電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)工作提供指導(dǎo)。