基于GPS定位導(dǎo)航的電力巡檢PDA系統(tǒng)研發(fā)

王素珍，劉樹坤，張德華，靳奉祥

1.青島理工大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，山東青島2665202.山東科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266520

基于GPS定位導(dǎo)航的電力巡檢PDA系統(tǒng)研發(fā)

王素珍1，劉樹坤1，張德華1，靳奉祥2

1.青島理工大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，山東青島266520
2.山東科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266520

本文以電力網(wǎng)的安全運(yùn)營(yíng)和線路巡檢的高效、可靠性為主旨，研發(fā)基于GPS定位導(dǎo)航的電力巡檢PDA系統(tǒng)。該系統(tǒng)以嵌入式GIS技術(shù)為核心，結(jié)合GPRS無線通信技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，結(jié)合Saga-Husa自適應(yīng)濾波與強(qiáng)跟蹤kalman濾波算法并以收斂性判斷為依據(jù)，構(gòu)建了改進(jìn)的自適應(yīng)濾波算法來提高PDA上的GPS定位精度，實(shí)現(xiàn)巡檢過程的精確定位和數(shù)據(jù)采集，并智能導(dǎo)航野外巡檢路徑，通過GPRS和USB端口實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器端的數(shù)據(jù)交互，確保巡檢管理層人員實(shí)時(shí)掌握并監(jiān)督管理野外巡檢任務(wù)的執(zhí)行情況。

智能巡檢系統(tǒng)；GPS定位導(dǎo)航；Saga-Husa自適應(yīng)濾波；強(qiáng)跟蹤卡爾曼濾波；改進(jìn)的自適應(yīng)濾波

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及我國(guó)電力事業(yè)的不斷前進(jìn)，電力行業(yè)與人民生產(chǎn)、生活的聯(lián)系日益緊密［1］。電力線路的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)的安全具有重要的意義，而電力巡檢是保證輸變電線路安全運(yùn)行、提高輸供電系統(tǒng)可靠性、降低電力線路故障發(fā)生率的基礎(chǔ)工作。在傳統(tǒng)巡檢過程中，會(huì)經(jīng)常受到如工作人員自身因素以及外部環(huán)境因素等的影響，不能保證巡檢過程的效率和巡檢結(jié)果的準(zhǔn)確率，難以避免的會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)檢、漏檢、缺陷描述混亂等問題。如何對(duì)電網(wǎng)設(shè)備及線路進(jìn)行可靠的監(jiān)控管理，實(shí)時(shí)掌控設(shè)備和線路的運(yùn)行狀態(tài)，使得工作人員能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行檢修，保證電力線路長(zhǎng)期安全與穩(wěn)定運(yùn)行顯得尤為重要［2］。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外使用的電力巡檢方式有人工巡檢、智能機(jī)器人巡檢、無人機(jī)巡檢和直升機(jī)巡檢等，其中后三種巡檢方式由于其成本較大，并且技術(shù)不夠成熟，目前只適用于實(shí)驗(yàn)室研究以及小范圍內(nèi)使用，而人工巡檢方式因其靈活度高、便利性強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，使得在電力巡檢中得到廣泛使用。其中PDA是一種技術(shù)比較先進(jìn)的移動(dòng)設(shè)備，具有體積小、功能性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高及可移動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)［3］，可以對(duì)設(shè)備及線路進(jìn)行拍攝并配合文字將故障上傳給管理中心。目前PDA一般使用的操作系統(tǒng)是W indowsMobile，此系統(tǒng)屬于封閉系統(tǒng)，綜合性能不如開源的Android系統(tǒng)，利用Android的高度可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性來開發(fā)PDA已成趨勢(shì)。并且現(xiàn)階段終端組成模式一般為PDA+GPS，并沒有引入GIS技術(shù)，圖像處理及分析方面顯得力不從心。

本文通過對(duì)目前國(guó)內(nèi)外電力巡檢方式以及PDA技術(shù)現(xiàn)狀的分析，提出了以GIS技術(shù)為核心，以電力網(wǎng)絡(luò)的廣域地理空間分布為依托，結(jié)合GPRS無線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、Android嵌入式開發(fā)技術(shù)以及GPS定位導(dǎo)航技術(shù)，研發(fā)電力巡檢PDA系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠直觀展示巡檢人員的巡視路徑和到位情況，能夠?yàn)檠矙z人員提供實(shí)時(shí)的信息查詢和路徑導(dǎo)航等服務(wù)，并且能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)整個(gè)巡檢過程的無紙化操作［4］，使得傳統(tǒng)工作中不容易解決的問題得到了解決，從而使得電網(wǎng)巡檢變得及時(shí)、快速、高效、準(zhǔn)確。

1　電力巡檢PDA系統(tǒng)構(gòu)建

1.1PDA硬件設(shè)計(jì)

電力巡檢用PDA手持設(shè)備，分為最小系統(tǒng)、人機(jī)接口和外圍擴(kuò)展設(shè)備三部分，其最小系統(tǒng)又包括RAM、CPU、外部存儲(chǔ)器以及少量的外圍電路，如時(shí)鐘單元、電源模塊等［5］，在充分考慮到系統(tǒng)對(duì)低功耗、存儲(chǔ)量大、功能多以及對(duì)未來功能擴(kuò)展的要求，采用三星S3C6410A 32位處理器，其最高運(yùn)行頻率可達(dá)667MHz；其配套的外圍存儲(chǔ)設(shè)備選用常用的2G Nand FLASH+128M RAM形式；考慮到系統(tǒng)的擴(kuò)展性，設(shè)計(jì)了一個(gè)SD卡接口。

PDA人機(jī)接口部分，采用4.7寸彩色LCD觸摸顯示屏代替?zhèn)鹘y(tǒng)的按鍵模式，既減少PDA體積又降低了硬件成本，其顯示屏更具有較好的顯示亮度，對(duì)比度高，顏色鮮艷，層次感強(qiáng)［6］。

PDA外圍擴(kuò)展設(shè)備部分，通信方面采用GPRS（華為GTM 900C）模塊和USB通信接口，作為PDA與指揮中心系統(tǒng)的通信方式；提供1路800萬高清攝像頭、1個(gè)麥克風(fēng)接口以及1個(gè)音頻輸出接口，以方便巡檢人員記錄巡檢信息；考慮到巡檢時(shí)對(duì)定位精度要求較高，選用u-blox公司的LEA-5S高靈敏度GPS模塊，并輔以陀螺儀模塊實(shí)現(xiàn)精確定位導(dǎo)航功能。考慮到巡檢線路較長(zhǎng)且多在野外進(jìn)行，采用3000mAh大容量電池，具有超強(qiáng)續(xù)航能力；考慮到系統(tǒng)在工作過程中可能出現(xiàn)死機(jī)情況，提供一個(gè)復(fù)位開關(guān)按鈕；設(shè)計(jì)了一個(gè)JTAG調(diào)試接口，以方便系統(tǒng)調(diào)試。PDA硬件平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　硬件總結(jié)構(gòu)Fig.1 Totalstructureof hardware

1.2PDA軟件設(shè)計(jì)

巡檢PDA系統(tǒng)在開發(fā)過程中，采用目前應(yīng)用比較廣泛的開源的Android系統(tǒng)作為操作系統(tǒng)。由于Android嵌入式操作系統(tǒng)平臺(tái)集成了SQLite嵌入式數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫具有使系統(tǒng)運(yùn)行流暢、數(shù)據(jù)完整性和安全性高和占用系統(tǒng)資源少等特點(diǎn)，故采用SQLite作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，用于存儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并結(jié)合ArcGISMobile開發(fā)嵌入式GIS操作平臺(tái)［7］。由Android開發(fā)的巡檢系統(tǒng)采用MVC （Model-View-Controller）模式實(shí)現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)交換層、業(yè)務(wù)邏輯層、控制層和用戶視圖層。其層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)MVC層次結(jié)構(gòu)Fig.2ThehierarchicalstructureMVC system

整個(gè)操作平臺(tái)又被劃分為通信管理、用戶管理、任務(wù)管理、導(dǎo)航和缺陷管理等5個(gè)模塊，每個(gè)模塊的功能如下：

（1）通信管理模塊：用于管理巡檢過程中的GPS信號(hào)和GPRS信號(hào)，同時(shí)可以手動(dòng)進(jìn)行GPS信號(hào)和GPRS信號(hào)的連接和斷開；

（2）用戶管理模塊：為巡視人員提供登陸系統(tǒng)和退出系統(tǒng)的操作界面；

（3）任務(wù)管理模塊：巡檢人員通過GPRS或USB接口把巡檢任務(wù)下載到手持PDA，便可以選擇要執(zhí)行的任務(wù)，并可獲得設(shè)備提示和巡檢記錄等相關(guān)信息；

（4）導(dǎo)航模塊：在巡檢人員選擇導(dǎo)航任務(wù)后，在GIS地圖上生成該任務(wù)的最優(yōu)巡檢路徑，并實(shí)時(shí)定位顯示巡檢人員當(dāng)下所處的位置；

（5）缺陷管理模塊：巡查人員對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的缺陷進(jìn)行選擇登記，對(duì)于非常規(guī)缺陷也可進(jìn)行手動(dòng)錄入。并可選擇通過GPRS無線通信功能實(shí)時(shí)傳輸故障信息或在巡檢結(jié)束后通過USB口傳輸故障信息。

SQLite數(shù)據(jù)庫由客戶端和服務(wù)器兩個(gè)部分組成，客戶端通過向服務(wù)器發(fā)送HTTP請(qǐng)求，使兩者建立起連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步［8］。本設(shè)計(jì)中SQLite數(shù)據(jù)庫按具體功能被劃分為基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫、線路及設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫、人員調(diào)度信息數(shù)據(jù)庫、缺陷標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫和專家知識(shí)數(shù)據(jù)庫。

（1）基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫：用于存儲(chǔ)電力線路的模型及其周邊地區(qū)的地理信息數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)；

（2）線路及設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫：用于存儲(chǔ)線路及設(shè)備的屬性和運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，以及對(duì)設(shè)備的模型進(jìn)行統(tǒng)一管理；

（3）人員調(diào)度信息數(shù)據(jù)庫：用于存儲(chǔ)所有工作人員的基本信息和相關(guān)工作數(shù)據(jù)；

（4）巡檢缺陷標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫：是根據(jù)電力線路相關(guān)設(shè)備的具體運(yùn)行狀況，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建的電力巡檢缺陷標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)線路設(shè)備各環(huán)節(jié)缺陷的規(guī)范化描述，并根據(jù)線路規(guī)劃的實(shí)際情況進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整管理與維護(hù)，避免因缺陷描述混亂或檢修不當(dāng)造成的后續(xù)責(zé)任事故；

（5）專家知識(shí)數(shù)據(jù)庫：存儲(chǔ)了與故障評(píng)定和解決辦法相關(guān)的專家知識(shí)，是系統(tǒng)的核心，能夠輔助系統(tǒng)管理人員提高系統(tǒng)的調(diào)度水平。

PDA終端采用的數(shù)據(jù)庫和設(shè)計(jì)語言與后臺(tái)管理PC端相同，其它區(qū)別為在設(shè)計(jì)模式上使用的是PDA+GPS模式，并通過WebService進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，完成與PC端的定位和實(shí)時(shí)通信的功能。

基于GPS定位導(dǎo)航的電力巡檢PDA系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　巡檢PDA系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.3 The overallstructure of inspection PDA system

1.3PDA功能實(shí)現(xiàn)

在設(shè)計(jì)過程中，利用Java開發(fā)應(yīng)用程序和用戶界面，通過該巡檢PDA系統(tǒng)能夠?qū)ρ矙z路線上安全隱患進(jìn)行評(píng)估、預(yù)測(cè)并顯示，為巡檢人員提供最優(yōu)巡檢路徑導(dǎo)航，能夠?qū)崟r(shí)的監(jiān)督巡檢人員的出勤狀態(tài)。各功能的實(shí)現(xiàn)流程介紹如下。

1.3.1巡檢導(dǎo)航巡檢人員在進(jìn)行野外電力巡檢的時(shí)候，先要通過輸入用戶名和密碼登錄該終端，查看是否有巡檢任務(wù)。如果沒有，則等待任務(wù)下達(dá)，如果有，則通過GPRS或USB下載該任務(wù)，查看任務(wù)分配情況以及巡檢計(jì)劃，PDA生成此次的最優(yōu)巡檢路徑，開始巡檢任務(wù)。巡檢人員到達(dá)待檢查點(diǎn)后，系統(tǒng)對(duì)巡檢人員定位信息進(jìn)行顯示。檢查設(shè)備和線路是否故障，若發(fā)現(xiàn)故障，則將故障信息和相關(guān)圖片發(fā)送到指揮調(diào)度中心，由維修人員根據(jù)巡檢記錄對(duì)設(shè)備維修，待處理完故障后，手持PDA自動(dòng)進(jìn)入指向下一待檢查點(diǎn)的導(dǎo)航，直至整個(gè)巡檢任務(wù)結(jié)束時(shí)，生成本次的巡檢報(bào)告。在整個(gè)巡檢過程中手持PDA實(shí)時(shí)接收并更新來自指揮調(diào)度中心的調(diào)度內(nèi)容。系統(tǒng)的巡檢導(dǎo)航流程如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)巡檢導(dǎo)航流程Fig.4 The navigation processof inspection system

1.3.2最優(yōu)導(dǎo)航路徑PDA系統(tǒng)通過統(tǒng)計(jì)待檢查點(diǎn)，以及結(jié)合以往的優(yōu)秀巡檢路徑，生成更加優(yōu)化的巡檢路徑，并評(píng)估優(yōu)化后巡檢路徑的巡檢時(shí)間、人數(shù)和困難程度等成本。在巡檢人員巡檢過程中記錄巡檢人員的巡檢軌跡，并在巡檢結(jié)束后，生成此次巡檢的成本。通過巡檢人員對(duì)本次巡檢的反饋，對(duì)巡檢路徑進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。若已經(jīng)為最優(yōu)巡檢路徑，則將該最優(yōu)軌跡作為以后巡檢的導(dǎo)航路徑。系統(tǒng)的最優(yōu)導(dǎo)航路徑的生成流程如圖5所示。

圖5　最優(yōu)導(dǎo)航路徑生成流程Fig.5The generated processof optimalnavigation path

1.3.3安全隱患預(yù)測(cè)PDA小系統(tǒng)結(jié)合專家知識(shí)數(shù)據(jù)庫，通過分析線路各待檢查點(diǎn)的故障、地形和環(huán)境等歷史信息，再結(jié)合線路途徑地區(qū)未來一段時(shí)間線路的工作負(fù)荷、調(diào)度和周邊環(huán)境等因素，預(yù)測(cè)線路各待檢查點(diǎn)可能出現(xiàn)的安全隱患，并生成隱患信息統(tǒng)計(jì)表和專題圖。實(shí)現(xiàn)電力線路的隱患發(fā)現(xiàn)、上報(bào)、預(yù)評(píng)估和上傳管理，并以圖形、數(shù)據(jù)報(bào)表等直觀方式在手持PDA的GIS地圖中對(duì)隱患進(jìn)行標(biāo)注［9］。系統(tǒng)的安全隱患預(yù)測(cè)流程如圖6所示。

圖6　安全隱患預(yù)測(cè)流程Fig.6The processof prediction for a safe risk

1.3.4切片地圖服務(wù)由于用戶通過瀏覽器對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行訪問，在訪問過程中，頁面上會(huì)顯示大量的地圖，受寬帶和網(wǎng)速的影響，用戶通常需要等待很久才能瀏覽到完整的地圖，因此需要利用瓦片技術(shù)將需要展示的地圖切割成眾多的地圖切片，并將地圖切片緩存在服務(wù)器中。當(dāng)界面上需要以地圖形式展示某些數(shù)據(jù)時(shí)，只需將界面請(qǐng)求的地圖切片傳輸至界面并進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合，有效的降低了界面與服務(wù)器間的數(shù)據(jù)傳輸量。同時(shí)，當(dāng)客戶端對(duì)地圖進(jìn)行修改時(shí)，存放在緩存中的地圖切片必須做出相應(yīng)的變化，從而保證數(shù)據(jù)的一致性。為了降低GIS的響應(yīng)時(shí)間，不能對(duì)緩存內(nèi)的所有切片進(jìn)行瀏覽和更新操作，只有通過動(dòng)態(tài)的計(jì)算，只對(duì)指定的切片執(zhí)行更新和瀏覽操作，從而有效的解決了服務(wù)器請(qǐng)求數(shù)量和響應(yīng)時(shí)間的矛盾［10］。

①瓦片地圖切片組織形式

GIS服務(wù)器按照預(yù)定的比例尺將當(dāng)前地圖切割成眾多的切片，并以圖7的形式存放到緩存中，切片的數(shù)量隨比例尺的大小指數(shù)增長(zhǎng)。當(dāng)客戶端向服務(wù)器發(fā)送地圖請(qǐng)求時(shí)，請(qǐng)求信息中包括切片的行、列和比例等屬性［11］。服務(wù)器可以經(jīng)由這些屬性來進(jìn)行定位并返回對(duì)應(yīng)的切片。

②切片地圖檢索算法

當(dāng)客戶端向服務(wù)器發(fā)送地圖訪問請(qǐng)求時(shí)，請(qǐng)求參數(shù)以json的格式發(fā)送，請(qǐng)求內(nèi)部參數(shù)包括：srs（切片對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系）、layers（切片地圖數(shù)據(jù)源的名稱）、bbox（切片地圖的右下角（Xmin，Ymax）、左上角（Xmax，Ymin）、w idth（帶顯示地圖寬度）、height（待顯示地圖的高度）和format（切片地圖格式）。

當(dāng)服務(wù)器將切片地圖存放在緩存內(nèi)部時(shí)便已經(jīng)知道每一級(jí)分辨率下的切片大小，通過切片的大小便可以計(jì)算出每級(jí)比例尺對(duì)應(yīng)的地圖的分辨率，分辨率的計(jì)算公式如下：

服務(wù)器根據(jù)客戶端預(yù)先設(shè)定的切片地圖的大小以及發(fā)送的參數(shù)，可以判定所需要的地圖是處于什么比例，是否需要將所請(qǐng)求的地圖完成重組。如果要進(jìn)行重組，則需要按照來自于客戶端的參數(shù)右下角（Xmax，Ymin）、左下角（Xmax，Ymin）、w idth和height等確定切片地圖的列（Col）和行（Row）。具體的計(jì)算公式如下：

其中，zoom為比例尺的級(jí)數(shù)，Xmax、Xmin、Ymin、Ymax分別為切片左上角點(diǎn)（Xmax，Ymin）和右上角點(diǎn)（Xmin，Ymax）。MapXmax、MapXmin、MapYmax、MapYmin代表圖層的實(shí)際地理范圍。

③地圖顯示流程

服務(wù)器先把地圖切成若干切片，并存儲(chǔ)在專門的切片數(shù)據(jù)庫中，假如某一地圖的像素為1280*512，則該地圖便包括比例尺為256*256的切片5*2張。地圖顯示流程如圖8所示，當(dāng)服務(wù)器接收到客戶端傳來的請(qǐng)求時(shí)，便根據(jù)收到的數(shù)據(jù)信息算出客戶端所需地圖的切片信息，然后把這些切片重新組合再傳送回客戶端。

圖7　地圖切片在緩存中的存放格式Fig.7The stored format ofmap slices in the cache

圖8　地圖顯示處理流程Fig.8The processof exhibition inmap

2　GPS定位導(dǎo)航算法實(shí)現(xiàn)

在野外巡檢時(shí)，PDA自身元器件的不穩(wěn)定性以及電力網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境中的不確定因素都會(huì)對(duì)GPS定位精度產(chǎn)生影響，采用常規(guī)的濾波器很難保證其收斂性和穩(wěn)定性。因此，本文采用了一種基于濾波的收斂性判據(jù)，結(jié)合Saga-Husa自適應(yīng)濾波、強(qiáng)跟蹤kalman濾波以及改進(jìn)的自適應(yīng)濾波算法，以提高GPS的定位精度，確保野外巡檢人員按任務(wù)定制路線進(jìn)行巡檢，從而有效避免錯(cuò)檢、漏檢以及誤檢情況的發(fā)生。

2.1Saga-Husa自適應(yīng)濾波

Saga-Husa自適應(yīng)濾波通過時(shí)變?cè)肼暯y(tǒng)計(jì)估值器，利用觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行遞推濾波，實(shí)時(shí)修正和估計(jì)觀測(cè)噪聲和系統(tǒng)噪聲的特性，來提高濾波精度、抑制濾波發(fā)散、降低模型誤差［12］。線性離線時(shí)間系統(tǒng)：

式中Xk為系統(tǒng)n維狀態(tài)向量，Φk，k-1為系統(tǒng)n×n維狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，Hk為m×n維觀測(cè)矩陣，Zk為系統(tǒng)的m維觀測(cè)序列。Vk為協(xié)方陣的正態(tài)白噪聲序列，Wk為相互獨(dú)立的帶時(shí)變均值。

式中Qk為過程噪聲Wk的p×p維對(duì)稱非負(fù)定方差陣，δkj為kronecker-δ函數(shù)，Rk為觀測(cè)噪聲Vk的m×m維對(duì)稱正定方差陣。

Saga-Husa自適應(yīng)濾波算法可描述如下所示：

狀態(tài)估計(jì)：

狀態(tài)一步預(yù)測(cè)：

預(yù)測(cè)估計(jì)：

增益矩陣：

一步預(yù)測(cè)誤差陣：

估計(jì)誤差方陣：

2.2強(qiáng)跟蹤kalman算法

為了加強(qiáng)濾波器的穩(wěn)定性，采用強(qiáng)跟蹤kalman算法將加權(quán)系數(shù)λk+1和狀態(tài)估計(jì)協(xié)方差陣相乘。該方法可以將突變狀態(tài)的較強(qiáng)跟蹤能力保持到濾波器趨于穩(wěn)定狀態(tài)，并且降低了對(duì)噪聲統(tǒng)計(jì)特性和初值的敏感性［13］。

其中

2.3改進(jìn)的自適應(yīng)濾波算法

針對(duì)上述兩種算法各自的優(yōu)缺點(diǎn)，將Saga-Husa自適應(yīng)濾波算法和強(qiáng)跟蹤kalman濾波算法相結(jié)合，利用收斂性判據(jù)來判斷發(fā)散趨勢(shì)，如果發(fā)散，則采用強(qiáng)跟蹤kalman濾波算法；如果不發(fā)散，那么采用Saga-Husa算法。通過該種結(jié)合，既能抑制濾波發(fā)散又能保證濾波精度和效率。

所以公式（23）可以判斷濾波器是否收斂。

如果式（23）滿足條件，此時(shí)濾波器正常工作，可使用Saga-Husa算法來展開最優(yōu)值估計(jì)；如果式（23）不成立，此時(shí)濾波器發(fā)散，說明實(shí)際誤差超過理論誤差β倍，可以通過式（19）加權(quán)系數(shù)λk+1來調(diào)整Pk+1，k的值，從而抑制濾波發(fā)散［15］。

2.4仿真結(jié)果分析

通過上述三種算法來分別對(duì)狀態(tài)變量進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)。設(shè)置參數(shù)為：初始位置誤差為30m；仿真時(shí)間為400 s；加速度計(jì)零偏為2x10-4g；陀螺漂移為0.02o/h；平臺(tái)姿態(tài)角誤差為300"；速度誤差為0.5m/s。

圖9所示為系統(tǒng)誤差ess在強(qiáng)跟蹤濾波算法、Saga-Husa算法和改進(jìn)的卡爾曼濾波算法下的濾波結(jié)果，其濾波穩(wěn)態(tài)值分別是7.36m、15.93m、4.23m。在初始條件相同的情況下，通過比較能夠發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)的卡爾曼濾波算法有效的改善了系統(tǒng)狀態(tài)變量的濾波效果。

圖9　系統(tǒng)濾波效果仿真圖Fig.9Simulation effect of system filter

2.5實(shí)驗(yàn)分析

電力線路野外巡檢GPS導(dǎo)航的業(yè)務(wù)流程如圖10所示。即PDA上的GPS接收的數(shù)據(jù)先經(jīng)過濾波處理后獲得高精度的地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)，然后與任務(wù)定制巡檢路徑進(jìn)行實(shí)時(shí)匹配，匹配成功后再導(dǎo)航至下一巡檢點(diǎn)。

在實(shí)際的野外巡檢中，巡檢人員會(huì)因設(shè)備、個(gè)人、天氣等因素，出現(xiàn)錯(cuò)檢、漏檢或誤檢等狀況，圖11是對(duì)GPS采集信號(hào)未進(jìn)行任何濾波處理形成的任務(wù)巡檢軌跡，圖12是進(jìn)行濾波處理后的任務(wù)巡檢軌跡。可以看出，未經(jīng)過濾波改進(jìn)的巡檢導(dǎo)航路徑，遺漏了圖12中的4、5號(hào)兩個(gè)待檢查點(diǎn)。

圖10　PDA導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)流程Fig.10 The process of PDA navigation

3　系統(tǒng)應(yīng)用

導(dǎo)航功能：實(shí)時(shí)的定位巡檢工作人員的具體位置，并在GIS地圖上對(duì)巡檢路徑進(jìn)行最優(yōu)規(guī)劃，并結(jié)合規(guī)劃路徑對(duì)各檢查點(diǎn)進(jìn)行排序和標(biāo)號(hào)，以防漏檢［16］。導(dǎo)航功能界面如圖12所示。

圖11　濾波處理前的巡檢軌跡Fig.11 Inspection track before filtering process

圖12　導(dǎo)航功能界面Fig.12 Interface of navigation function

故障預(yù)測(cè)：系統(tǒng)根據(jù)以往的巡檢歷史記錄和專家知識(shí)，對(duì)各待檢查點(diǎn)可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行評(píng)估、預(yù)測(cè)［17］。并在定位到巡檢人員進(jìn)入待檢查點(diǎn)范圍時(shí)，以嵌入式圖形界面的方式顯示故障預(yù)測(cè)信息，巡檢人員在巡檢完畢后通過點(diǎn)擊界面反饋巡檢結(jié)果。故障預(yù)測(cè)信息界面如圖13所示。

任務(wù)管理：巡檢人員能夠?qū)DA切換到任務(wù)管理界面，通過該界面巡檢人員能夠查詢此次巡檢任務(wù)中各檢查點(diǎn)的具體任務(wù)細(xì)節(jié)，以及各檢查點(diǎn)的具體位置和距離目前位置的詳細(xì)距離。任務(wù)管理界面如圖14所示。

圖13　故障信息預(yù)測(cè)界面Fig.13 Interface of prediction for a breakdown

4　結(jié)論

基于高精度智能定位導(dǎo)航GPS技術(shù)的PDA巡檢系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了巡檢工作的智能化和信息化，為巡檢人員提供實(shí)時(shí)導(dǎo)航服務(wù)和最優(yōu)巡檢路徑，引導(dǎo)巡檢人員按照指定的路線來巡檢，防止漏檢、錯(cuò)檢和重復(fù)巡檢，明顯的提高了巡檢過程的效率和準(zhǔn)確率。PDA巡檢系統(tǒng)在實(shí)際試運(yùn)營(yíng)中，取得了良好的應(yīng)用效果，必將有利于提高線路和設(shè)備的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，其應(yīng)用價(jià)值良好，具有很大的推廣性。

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Development for the Power Inspection PDA System Based on GPS Positioning and Navigation

WANG Su-zhen1，LIU Shu-kun1，ZHANGDe-hua1，JIN Feng-xiang2
1.College ofAutomation Engineering/Qingdao TechnologicalUniversity，Qingdao 266520，China
2.College ofGeomatics/Shandong University ofScience and Technology，Qingdao 266520，China

Aim ing at the safety operation，the high efficiency and reliability of line inspection of power grid，this paper invented a power line inspection PDA system based on GPS positioning and navigation.The system used embedded GIS technology as the core combing w ith GPRSwireless communication and database technology.The Saga-Husa adaptive filter and strong tracking Kalman filtering algorithm were also adopted to construct amodified adaptive filtering algorithm for improving the accuracy of the GPS positioning accuracy on PDA w ith the convergence guaranteed.The precise positioning， data collection of the inspection process，and the intelligent inspection path navigating were achieved.Data interaction with the server was implemented by GPRS and USB port to ensure inspection management staff to control and supervise the dynam ic statusof field inspection tasks in a real timemanner.

Intelligent patrol system；GPS positioning and navigation；Saga-Husa adaptive filtering algorithm；the strong-tracking Kalman filtering algorithm；the improved adaptive filtering algorithm

TM 723

A

1000-2324（2016）04-0540-08

2016-04-29

2016-05-25

青島市開發(fā)區(qū)科技攻關(guān)基金項(xiàng)目（A2013-107）

王素珍（1975-），女，博士后，副教授，主要從事電氣自動(dòng)化及智能技術(shù)系統(tǒng)的研發(fā).E-mail：wangsuzhen2020@163.com