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        基于無人機(jī)機(jī)載AI模塊的架空輸電線路巡檢技術(shù)

        2024-12-21 00:00:00陳琨
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2024年16期
        關(guān)鍵詞:巡檢架空輸電線路無人機(jī)

        摘 要:在架空輸電線路的巡檢工作中,由于人工巡檢方式效率較低,難以滿足現(xiàn)代電網(wǎng)需求,因此本文基于無人機(jī)機(jī)載AI模塊對架空輸電線路巡檢技術(shù)進(jìn)行研究。首先,采用YOLOv3算法構(gòu)建AI模塊算法,對輸電線路圖像進(jìn)行精確識別。其次,對損失函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,提高模型的預(yù)測準(zhǔn)確性。最后,基于上述方法對架空輸電線路巡檢過程進(jìn)行規(guī)劃。測試結(jié)果表明,本文所研究的AI模塊在輸電線路巡檢過程中能夠檢測架空輸電線路中存在的缺陷,應(yīng)用效果較好,能夠達(dá)到最初設(shè)計目標(biāo),說明本研究為架空輸電線路的巡檢提供了一種高效的解決方案。

        關(guān)鍵詞:無人機(jī);機(jī)載AI模塊;架空輸電線路;巡檢

        中圖分類號:TM 74" " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        隨著電力網(wǎng)絡(luò)持續(xù)擴(kuò)大,架空輸電線路的巡檢工作越來越重要。常規(guī)的人工巡檢方法存在效率低、人力成本高以及難以覆蓋復(fù)雜地形等問題[1]。因此,開發(fā)一種高效、智能且安全的巡檢技術(shù)已成為電力行業(yè)的迫切需求。

        隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展,引入機(jī)載AI模塊進(jìn)一步提升了無人機(jī)巡檢的智能化水平[2]。采用先進(jìn)的圖像識別和算法技術(shù),機(jī)載AI模塊能夠?qū)旊娋€路進(jìn)行自動識別、定位和缺陷檢測,提高了巡檢的準(zhǔn)確性和效率。

        本文研究基于無人機(jī)機(jī)載AI模塊的架空輸電線路巡檢技術(shù),詳細(xì)介紹了基于YOLOv3算法的AI模塊算法,分析其在圖像識別中的應(yīng)用。分析損失函數(shù)預(yù)測誤差以及模型優(yōu)化方法,提高AI模塊的識別準(zhǔn)確率。利用技術(shù)應(yīng)用測試驗證該技術(shù)在輸電線路巡檢中的實際應(yīng)用效果。本研究為電力行業(yè)提供一種高效、智能和安全的巡檢方案,保障電力網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行。

        1 基于YOLOv3算法的AI模塊算法

        為了對輸電線路進(jìn)行精確識別與檢測,本文引入YOLOv3算法中的圖像識別網(wǎng)絡(luò)模型,將其應(yīng)用于AI模塊中,以提升圖像處理速度,實時回傳檢測結(jié)果,自動生成檢測報告[3]。

        1.1 基于YOLOv3算法對機(jī)載AI模塊進(jìn)行圖像識別

        無人機(jī)巡檢的核心技術(shù)是圖像處理與目標(biāo)檢測,YOLOv3算法具有實時性和魯棒性,其準(zhǔn)確性高,因此備受重視。為精準(zhǔn)定位巡檢目標(biāo)并快速識別缺陷,采用YOLOv3算法構(gòu)建機(jī)載AI模塊,將目標(biāo)檢測轉(zhuǎn)化為單次前向傳播回歸問題,顯著提升識別效率。YOLOv3算法網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        采用圖1中的YOLOv3模型結(jié)構(gòu),將輸入圖像劃分為網(wǎng)格。在每個網(wǎng)格范圍內(nèi)預(yù)測固定數(shù)量的邊界框,為每個邊界框匹配1個置信度得分,匯總網(wǎng)格中各個邊界的置信度得分。

        在YOLOv3的目標(biāo)檢測算法中,每個網(wǎng)格單元i都需要預(yù)測一系列邊界框。根據(jù)中心坐標(biāo)預(yù)測值來確定txi和tyi這些邊界框的位置和尺寸。寬度和高度預(yù)測值twi和thi反映了邊界框的寬度和高度相對于整個圖像的縮放因子[4]。YOLOv3算法的目標(biāo)檢測框架如圖2所示。

        除了位置和尺寸信息外,YOLOv3還為每個邊界框預(yù)測了1個置信度值cib,這個值結(jié)合了邊界框內(nèi)存在目標(biāo)的概率和邊界框預(yù)測的準(zhǔn)確性。算法還預(yù)測了每個邊界框內(nèi)目標(biāo)的類別概率Pr,表示在目標(biāo)存在的情況下,該目標(biāo)屬于某個特定類別的可能性。將預(yù)測框中心約束在特定網(wǎng)格內(nèi),這個過程如公式(1)~公式(4)所示。

        bx=σ(tx)+cx (1)

        by=σ(ty)+cy " (2)

        bw=pwetwnbsp; " " (3)

        bh=pheth " " " "(4)

        式中:bx和by分別為邊界框的中心坐標(biāo);σ為Sigmoid函數(shù),其作用是將tx和ty控制在[0,1];bw和bh分別為邊界框的寬度和高度;cx和cy分別為網(wǎng)格單元左下角x坐標(biāo)和右下角y坐標(biāo);pw和ph分別為先驗框的寬度和高度;etw和eth分別為先驗框左上角tw坐標(biāo)和右上角tk坐標(biāo),tw和th分別為w坐標(biāo)和h坐標(biāo)的寬度和高度實測值。

        結(jié)合置信度值和類別概率值,可以計算每個邊界框內(nèi)目標(biāo)的最終得分,確定包括目的的邊界框,對圖像中的目標(biāo)進(jìn)行精確檢測。

        1.2 損失函數(shù)預(yù)測誤差

        在架空輸電線路巡檢中,基于YOLOv3的機(jī)載AI模塊利用損失函數(shù)評估預(yù)測性能,衡量預(yù)測與實際差異[5]。優(yōu)化損失函數(shù),該模塊能顯著提升對輸電線路以及其潛在缺陷的識別精度,保證巡檢效果。

        YOLOv3算法融合多尺度特征,在3個不同尺度的輸出層中精準(zhǔn)預(yù)測各種大小的目標(biāo)[6],全面評估預(yù)測準(zhǔn)確性,提升模型性能,保證目標(biāo)檢測的精準(zhǔn)度和效率。

        坐標(biāo)損失是YOLOv3優(yōu)化模型精度的關(guān)鍵部分,其使用均方誤差評估預(yù)測與真實邊界框的位置差異,如公式(5)所示。

        (5)

        式中:Lcoord為均方誤差;S2為網(wǎng)格的數(shù)量;B為每個網(wǎng)格預(yù)測的邊界框數(shù)量;i為第i個網(wǎng)格單元;j為第j個邊界框;Iijobj為第i個網(wǎng)格單元的第j個邊界框是否負(fù)責(zé)預(yù)測某個目標(biāo),負(fù)責(zé)為1,不負(fù)責(zé)為0;xi、yi、wi和hi分別為真實邊界框的中心坐標(biāo)、寬度和高度;、、和分別為預(yù)測邊界框的中心坐標(biāo)、寬度和高度;λcoord為坐標(biāo)損失的權(quán)重系數(shù)。

        置信度損失的作用是評估模型對邊界框內(nèi)是否存在目標(biāo)的預(yù)測準(zhǔn)確性,其使用交叉熵?fù)p失函數(shù)來計算,如公式(6)所示。

        (6)

        式中:Iconf為交叉熵?fù)p失函數(shù);Ci和分別為真實和預(yù)測的置信度得分;λnoord為無目標(biāo)邊界框的置信度損失的權(quán)重系數(shù);Iijnoobj為第i個網(wǎng)格單元的第j個邊界框不負(fù)責(zé)預(yù)測某個目標(biāo),不負(fù)責(zé)為1,負(fù)責(zé)為0。

        分類損失的作用是衡量模型對目標(biāo)類別的預(yù)測準(zhǔn)確性,其使用交叉熵?fù)p失函數(shù)來計算,如公式(7)所示。

        (7)

        式中:Lclass為分類損失;classes為所有可能的目標(biāo)類別集合;pi(c)為真實的目標(biāo)類別概率分布,對目標(biāo)c來說,如果第i個網(wǎng)格的第j個邊界框包括該類別的目標(biāo),那么pi(c)=1,如果不包括那么為0;為模型預(yù)測的目標(biāo)類別概率分布,為模型認(rèn)為第i個網(wǎng)格的第j個邊界框內(nèi)目標(biāo)屬于類別c的概率。

        綜上所述,綜合預(yù)測誤差如公式(8)所示。

        L=Lcoord+Lconf+Lclass " " " " (8)

        式中:L為預(yù)測誤差。

        1.3 架空輸電線路巡檢過程

        在架空輸電線路的巡檢過程中,無人機(jī)機(jī)載AI模塊集成了YOLOv3算法,保證巡檢過程的實時性和準(zhǔn)確性。

        在巡檢過程中,AI模塊可以根據(jù)識別結(jié)果自動調(diào)整無人機(jī)的飛行軌跡和拍攝角度,獲取更加全面、清晰的圖像數(shù)據(jù)。AI模塊還可以對巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析和處理,及時發(fā)現(xiàn)并報告潛在缺陷或異常情況,保障電力網(wǎng)絡(luò)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。架空輸電線路巡檢流程如圖3所示。

        無人機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)的航線和航點進(jìn)行自主飛行,并使用搭載的攝像頭實時獲取輸電線路圖像。AI模塊應(yīng)用YOLOv3算法對圖像進(jìn)行目標(biāo)識別,一旦檢測到缺陷,例如線路斷裂或絕緣子破損,模塊就會根據(jù)缺陷的類別和置信度進(jìn)行判斷。如果置信度高于預(yù)設(shè)閾值,那么該缺陷即被視為真實故障,并自動記錄其位置、類型和置信度等信息,生成包括詳細(xì)信息的巡檢報告。如果置信度低于閾值,疑似出現(xiàn)缺陷,AI模塊就會將相關(guān)信息回傳至服務(wù)器進(jìn)行二次識別,以保證識別的準(zhǔn)確性。

        在這個過程中,無人機(jī)不僅能夠?qū)旊娋€路全面、高效地進(jìn)行巡檢,還能夠自動生成詳細(xì)的巡檢報告,為后續(xù)故障處理和維護(hù)工作提供支持。

        2 技術(shù)應(yīng)用測試

        為了驗證本文所提的基于無人機(jī)機(jī)載AI模塊的架空輸電線路巡檢技術(shù)的實際應(yīng)用效果,對集成了YOLOv3算法的AI模塊進(jìn)行測試,評估本文技術(shù)的應(yīng)用性能,測試巡檢過程中的缺陷檢測精度。本次應(yīng)用測試所使用的測試數(shù)據(jù)集包括有缺陷和無缺陷的絕緣子圖像各300張。以文獻(xiàn)[1]中的基于無人機(jī)低空攝影技術(shù)的架空輸電線路智能巡檢技術(shù)以及文獻(xiàn)[2]中的基于人工智能的輸電線路無人機(jī)巡檢技術(shù)為對比技術(shù),進(jìn)行測試。

        為了更準(zhǔn)確地描述模型性能,采用精度均值A(chǔ)m來評價模型準(zhǔn)確度,計算過程如公式(9)所示。

        (9)

        式中:Tp為真正例,即模型正確預(yù)測為有缺陷的圖像數(shù)量;Fp為假正例,即模型錯誤預(yù)測為有缺陷的無缺陷圖像數(shù)量;Tn為真反例,即模型正確預(yù)測為無缺陷的圖像數(shù)量;Fn為假反例,即模型錯誤預(yù)測為無缺陷的有缺陷圖像數(shù)量。

        基于上述準(zhǔn)備進(jìn)行應(yīng)用測試,得到應(yīng)用不同技術(shù)的檢測精度(見表1)。

        根據(jù)表1中的結(jié)果進(jìn)行分析,將本文技術(shù)與文獻(xiàn)[1]技術(shù)和文獻(xiàn)[2]技術(shù)進(jìn)行對比可知,本文技術(shù)在架空輸電線路巡檢中的性能表現(xiàn)優(yōu)異。在表1中,本文技術(shù)的精度均值達(dá)到0.978,遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)[2]技術(shù)的0.917,略高于文獻(xiàn)[1]技術(shù)的0.958。在有缺陷絕緣子的識別方面,本文技術(shù)的精度為0.983,說明模型在識別關(guān)鍵缺陷方面能力出色。無缺陷絕緣子的識別精度也達(dá)到0.973,說明模型在區(qū)分正常與異常狀態(tài)方面的準(zhǔn)確性。

        為了進(jìn)一步驗證本文技術(shù)的應(yīng)用效率,對應(yīng)用不同技術(shù)的圖像處理時間進(jìn)行統(tǒng)計,以單張圖像處理均時以及平均處理速度為指標(biāo),得到應(yīng)用不同技術(shù)的檢測效率(見表2)。

        由表2可知,不同技術(shù)在圖像處理效率和速度方面的差異。其中,本文技術(shù)的單張圖像處理均時僅為8.7 ms,與文獻(xiàn)[1]技術(shù)的9.6 ms和文獻(xiàn)[2]技術(shù)的11.3 ms相比,本文技術(shù)在處理速度方面表現(xiàn)出色。在平均處理速度方面,本文技術(shù)達(dá)到了每秒27.5 幀/s,雖然略低于文獻(xiàn)[1]技術(shù)的29 幀/s,但是明顯高于文獻(xiàn)[2]技術(shù)的33.5 幀/s。雖然文獻(xiàn)[2]技術(shù)的平均處理速度較高,但是其單張圖像處理時間較長,可能影響實際應(yīng)用的連續(xù)性和流暢性。綜上所述,本文技術(shù)在保持較高處理速度的同時,顯著縮短了單張圖像的處理時間,有效提升了巡檢系統(tǒng)的整體效率。

        測試結(jié)果充分驗證了本文技術(shù)在輸電線路巡檢中的準(zhǔn)確性、高效性以及可靠性,為未來架空輸電線路智能巡檢提供了有力的技術(shù)支持。

        3 結(jié)論

        本文研究結(jié)合無人機(jī)與基于YOLOv3算法的AI模塊完成架空輸電線路的智能化巡檢。在圖像識別方面,AI模塊能夠準(zhǔn)確識別輸電線路圖像,并優(yōu)化損失函數(shù)來顯著降低預(yù)測誤差,提升模型性能。在技術(shù)應(yīng)用測試中,AI模塊顯示了出色的缺陷檢測能力,對輸電線路安全運(yùn)行具有重要意義。本文還探討了AI模塊在巡檢過程中的實際應(yīng)用效果。研究結(jié)果表明,基于無人機(jī)機(jī)載AI模塊研究的架空輸電線路巡檢技術(shù)在實際應(yīng)用過程中效果較好,能夠滿足預(yù)期需求。

        參考文獻(xiàn)

        [1]劉宏杰,陳泊遠(yuǎn).基于無人機(jī)低空攝影技術(shù)的架空輸電線路智能巡檢方法[J].電工技術(shù),2024(3):80-83.

        [2]魯杰,陳建,寧巖,等.基于人工智能的輸電線路無人機(jī)巡檢技術(shù)分析[J].中國高新科技,2022(16):44-46.

        [3]嚴(yán)峻超,徐建軍,徐軍波,等.基于“一線兩向”模式下的無人機(jī)輸電線路高效巡檢方式研究[J].電子制作,2023,31(12):106-109.

        [4]朱濤,朱偉,石一輝,等.基于無人機(jī)集群控制輸電線路巡檢技術(shù)研究[J].電力設(shè)備管理,2024(4):114-116.

        [5]劉振華.架空輸電線路無人機(jī)遠(yuǎn)程自主巡檢關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用[J].中文科技期刊數(shù)據(jù)庫(全文版)工程技術(shù),2022(6):153-156.

        [6]聞洪峰.基于AI技術(shù)的無人機(jī)機(jī)載前端智能識別技術(shù)研究[J].信息技術(shù)與信息化,2023(5):208-211.

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