單人背包式全景技術在輸電線路巡視中的應用

張云飛

（國網江蘇省電力公司徐州供電公司，江蘇 徐州 221000）

車載全景采集平臺在輸電線路巡視中發揮了重要的作用，給用戶帶來了照片級的真實感。但在輸電線路巡視中，某些輸電線路的桿塔位于湖泊或河流中，需要游泳或坐船方能到達桿塔下方。某些輸電線路的桿塔位于莊稼地中，夏秋季節地里的農作物繁茂，春秋灌溉季節桿塔周圍是很深的泥水，這使得采集車無法到達而導致全景數據采集的失敗[1-2]。雖然采用360°環繞拍攝也可以解決此問題，但此種方式效率低下而無法滿足輸電線路大量實時數據的采集。

作為一陣輔助的日常巡視手段，單人背包式全景技術在對特殊環境條件（如車輛無法到達的野外）和特殊時段（如小麥成熟時節）的輸電線路巡視中具有顯著優勢，具體應用思路為：數據采集人員根據預先設定改好的采集路線，攜帶單人背包式全景采集設備至輸電線路附近，利用攝像部分對設備畫面進行采集，并將采集到的畫面利用無線圖像傳輸模塊實時回傳至后臺管理系統，使后臺管理系統的工作人員可以在第一時間全面掌握設備狀態。和車載全景采集平臺相比，單人背包式全景技術在降低使用和維護費用、適合野外作業、安全系數高等方面具有顯著的優勢，因此不失為解決此問題的一種新思路。

1 基于單人背包式全景技術的輸電線路巡視系統的結構

1.1 單人背包式全景采集設備的結構

單人背包式全景采集設備的結構如圖1所示。

圖1 單人背包式全景采集設備的結構

1）背負系統。能源系統、任務荷載設備及通信系統等都固定在背包架上，通過采用結構構件螺絲或焊接等方式來確保拍攝的穩定性。

2）能源系統。單人背包式全景采集設備的任務荷載設備、通信系統等都會消耗部分電能，實際操作中可以采用鎳氫、鎳鎘及鋰聚合物電池等作為能源系統。

3）任務荷載設備。任務荷載設備是根據單人背包式全景采集設備的具體巡線任務而搭載的設備，通常包括攝像部分、云臺及紅外儀器等。其中攝像部分要求能夠對輸電線路各部分的運行狀態進行清晰采集，并且輕便靈活便于數據采集人員攜帶，對數碼相機、數碼攝像機和微型攝像頭分別進行考察后（見表1），最終確定使用數碼相機。

表1 三種攝像方案的對比

4）通信系統。采集到的全景數據，需要通過無線傳輸的方式傳輸到后臺管理系統。按照傳輸信號的模式，無線傳輸系統可以分為如表2所示的兩類，綜合比對后，本文選擇了模擬圖像傳輸方式。

5）PDA終端。PDA終端實現的功能主要包括：①巡視人員登錄輸電線路巡視系統，對巡視任務和相關資料進行下載；②巡視人員對全部線路臺賬進行查詢，例如當某條輸電線路的某基桿塔被選中后，該桿塔的所有資料將顯示；③對巡視人員的經、緯度位置信息進行記錄，并在地圖上進行顯示；④將巡視人員的經、緯度位置信息與預置線路的坐標信息進行比對，確認其是否按時到達巡視現場；⑤巡視過程中，將缺陷記錄、巡視記錄及GPS坐標信息等實時上傳到后臺管理系統[3]。

表2 無線傳輸系統的對比

1.2 基于單人背包式全景技術的輸電線路巡視系統的結構

基于單人背包式全景技術的輸電線路巡視系統主要由后臺管理系統和單人背包式全景采集設備組成，其中單人背包式全景采集設備主要實現全景數據采集、標準化巡視、線路臺賬查詢、巡視任務下載、巡視到位監督、巡視導航等功能。后臺管理系統主要實現系統維護、臺賬管理、檢測管理、缺陷管理及巡視管理等功能[6]。圖 2為基于單人背包式全景技術的輸電線路巡視系統的結構示意圖。

圖2 基于單人背包式全景技術的輸電線路巡視系統結構

單人背包式全景采集設備的設計已經在前文講述，這里主要對后臺管理系統進行介紹，表3為后臺管理系統的模塊功能。

表3 后臺管理系統的模塊功能

2 輸電線路三維全景的制作過程

利用單人背包式全景采集設備，構建輸電線路三維全景的過程如下：

1）全景數據采集。在采集全景數據前，數據采集人員需要對巡視線路及其周圍環境進行充分調研，事先規劃好拍攝路線并在采集圖上進行標注。完成上述步驟后，數據采集人員攜帶單人背包式全景采集設備，按照規劃好的拍攝路線采集全景數據[4-5]。在采集全景數據的過程中，可能因單人背包式全景采集設備的晃動等造成虛焦、污點等現象，因此數據采集人員在采集過程中要盡量確保身體的平衡，并且采集完畢后對數據進行檢查，一旦發現存在虛焦、污點等現象，就要重新進行數據采集。

2）圖像拼接。在本文中，將采集到的全景數據通過球面投影后進行拼接，并對重疊區域加權融合后形成輸電線路三維全景圖（如圖3所示）。

3 輸電線路缺陷識別的實現

在巡視人員攜帶單人背包式全景采集設備對輸電線路設備進行圖像采集的過程中，由于拍攝角度、環境光線強度、巡視人員身體晃動等會對圖像質量造成影響，并且拍攝距離和角度的不同可能會使同一設備出現不同的形狀，因此會對輸電線路的缺陷識別帶來較大挑戰。本文中利用魯棒性強且實用性好的圖像處理算法來對此問題進行處理，具體流程如圖4所示。

在巡視人員攜帶單人背包式全景采集設備對輸電線路設備進行圖像采集后，單人背包式全景采集設備的模擬圖像傳輸模塊將采集到的設備圖像實時傳輸到后臺管理系統。后臺管理系統對接收到的設備圖像進行接收、存儲、分析和處理，一旦識別出某段線路出現缺陷，系統就將自動用醒目的記號在畫面中進行標示并發出聲光警報，提示工作人員進行處理。如果判斷線路沒有異常，那么仍然顯示其目前的運行狀態[7]。

圖3 全景圖像的拼接

圖4 輸電線路缺陷識別的具體流程

在報警上報模式上，系統提供了兩種方式：①短信報警上報方式，即系統將報警信息智能發送到相關工作人員的手機上，提示工作人員何處、何時發生了何種缺陷；②系統后臺系統在線報警上報方式，即系統采用聲光的方式對后端工作人員發出報警信息，提示后端工作人員及時進行查看和處理[8]。

為了考量輸電線路缺陷識別的應用效果，下面舉例說明：

1）玻璃絕緣子破損缺陷的識別

長期工作在比較惡劣的環節中，玻璃絕緣子難免會發生零值自爆等故障。由于玻璃絕緣子整齊排列且相互間的傾角一致，因此單個玻璃絕緣子發生零值自爆故障后，將使該組玻璃絕緣子輪廓序列出現明顯的缺口，因此在線路巡視圖像中會清晰顯示。基于此，將巡視人員攜帶單人背包式全景采集設備所拍攝的巡視圖像轉換到 HSV空間，在H空間提取并繪制直方圖，在H空間以0.55位閾值進行二值化處理，得到玻璃絕緣子的二值圖像。如果玻璃絕緣子發生零值自爆故障，那么在二值圖像中就會出現一個非常明顯的凹糟[9]。

當系統識別出玻璃絕緣子發生破損時，會對其自動進行標注并發出警報。如果工作人員想要對絕緣子的具體故障及發生位置進行查看，那么可以選中帶有缺陷標注的圖進行放大。

2）導線散股、斷股的識別

作為輸電線路的常見故障，導線散股、斷股的識別對于確保輸電線路的正常運行至關重要。一般而言，在巡視人員攜帶單人背包式全景采集設備所拍攝的巡視圖像中，可以采取如下方法進行導線散股、斷股的識別：對經過預處理的巡視圖像進行膨脹和腐蝕，對孤立的噪聲點進行消除；通過直線擬合圖中的點獲得輸電線路的中心線，以擬合得到的輸電線路中心線為標準計算方差，如果方差較大，那么意味著發生了導線散股、斷股的故障。此外，也可以通過經驗閾值的設定來判斷導線是否發生了拋股故障（圖5為導線散股的識別效果）。

圖5 導線散股的識別效果

4 結論

根據車載全景采集平臺在輸電線路巡視應用中的不足，本文提出了基于單人背包式全景技術的輸電線路巡視方法。通過將巡視人員攜帶單人背包式全景采集設備所拍攝的巡視圖像傳輸到后臺管理系統，后臺管理系統可以生成輸電線路三維全景圖，當某段線路出現缺陷時，系統將自動用醒目的記號在畫面中進行標示并發出聲光警報，提示工作人員進行處理，從而進一步提升巡檢作業的信息處理和統計能力。此外，系統還可以對巡視人員的巡視到勤率等進行統計。

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