一種智能便攜式架空電力通信光纜損傷定位儀的研制

車玉蘭　陶彤　萬錦華　蘇旭祥　郭雷

摘 要：研制一種懸空架設(shè)光纜的智能巡檢裝置。利用3D圖像實(shí)時處理技術(shù)，利用AI算法針對圖像不變量特征選用歸一化方法的具體原則，自動識別圖像中光纜的故障特征；解決多模塊數(shù)據(jù)同步傳輸問題以及信號之間相互干擾的問題；采用光電編碼傳感器，利用光柵原理獲得精確的故障定位距離，減少誤差。

關(guān)鍵詞：架空；電力通信光纜；智能巡檢

中圖分類號：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）13-0037-02

隨著的電力通信基礎(chǔ)設(shè)施的大量建設(shè)，戶外敷設(shè)的各種線纜的數(shù)量也在飛速增加。其中相當(dāng)一部分為戶外懸空架設(shè)的ADSS光纜，這些光纜容易受到電腐蝕和外力破壞而造成損傷。此外，近年來國內(nèi)生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)，各種鳥類繁衍數(shù)量激增，鳥類啄傷光纜引起光纜損壞的事故頻繁發(fā)生。目前盡管防鳥害光纜裝置的使用在一定程度上減少了鳥類對光纜的損害，但它們各有弊端、收效甚微。光纜發(fā)生故障時，無法快速、準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)。主要原因有：在測量故障點(diǎn)時，因光纜接續(xù)點(diǎn)產(chǎn)生的信號衰耗點(diǎn)（如光纜中的熔接接續(xù)點(diǎn)、機(jī)械接續(xù)點(diǎn)、耦合連接器等），這些衰耗點(diǎn)影響OTDR精度誤差；實(shí)地排查階段，依賴人力進(jìn)行現(xiàn)場逐段人眼進(jìn)行故障識別，依靠人工按桿線檔距推算故障點(diǎn)距測量點(diǎn)的位置，但因光纜余纜及弧垂等不確定因素致使人工推算也往往不準(zhǔn)確，而且誤差距離越大故障點(diǎn)排查越困難。在光纜發(fā)生損壞威脅光纜可靠運(yùn)行時，如何快速、準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)，成為擺在我們面前亟待解決的問題。

1 成果創(chuàng)新點(diǎn)及先進(jìn)性

研制一種懸空架設(shè)光纜的智能巡檢裝置。解決光纜故障定位不準(zhǔn)、無法快速定位光纜故障點(diǎn)的問題，提高光纜運(yùn)行的可靠性。

創(chuàng)新點(diǎn)1：裝置利用3D圖像實(shí)時處理技術(shù)，采集光纜一周360度的高清圖像數(shù)據(jù)。采用BCH編碼的數(shù)據(jù)分組，有效提高數(shù)據(jù)傳輸速率以及抗干擾能力，將光纜表面圖像實(shí)時高速傳輸至地面。

創(chuàng)新點(diǎn)2：利用AI算法針對圖像不變量特征選用歸一化方法的具體原則，自動識別圖像中光纜的故障特征，諸如裂紋、孔洞、銹蝕和附著物等問題，記錄該故障發(fā)生位置，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，幫助操作人員進(jìn)一步確定故障點(diǎn)位置。

創(chuàng)新點(diǎn)3：解決多模塊數(shù)據(jù)同步傳輸問題以及信號之間相互干擾的問題，提高數(shù)據(jù)傳輸速率和準(zhǔn)確性，避免圖像傳輸延時，以提高設(shè)備整體電磁兼容水平。

創(chuàng)新點(diǎn)4：采用光電編碼傳感器，利用光柵原理獲得精確的故障定位距離，減少誤差。

創(chuàng)新點(diǎn)5：利用仿生脊柱原理設(shè)計(jì)巡線機(jī)器人的動力裝置，能夠適應(yīng)各種直徑光纜，并且具有較好的越障能力。

2 技術(shù)方案及原理

2.1 理論研究

本項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)主要依據(jù)無線通信理論、圖像識別優(yōu)化理論、人工智能理論、電磁兼容理論等，具體內(nèi)容如下：

2.1.1 無線傳輸理論依據(jù)

在發(fā)送端，高速數(shù)據(jù)碼流經(jīng)信道編碼、交織以及數(shù)字調(diào)制之后，通過串/并轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€并行的低速數(shù)據(jù)碼流，再通過快速逆傅立葉變換調(diào)制到相互正交的多個子載波上進(jìn)行并行傳輸，經(jīng)并/串轉(zhuǎn)換、插入保護(hù)間隔和數(shù)/模轉(zhuǎn)換之后，通過射頻發(fā)射機(jī)送入無線信道中傳輸。在接收端，無線傳輸系統(tǒng)對所接收到的無線信號進(jìn)行與發(fā)射端相反的操作，在信宿端還原出原始的發(fā)送信號。

2.1.2 圖像識別優(yōu)化理論依據(jù)

在圖像識別特征提取上，圖像分類算法一般將目標(biāo)作為一種特殊的視覺，對目標(biāo)進(jìn)行識別采用一些明顯特征，利用HGO算子、SIFT等算子對目標(biāo)進(jìn)行特征描述。使用高斯混合模型對圖像特征進(jìn)行建模，再應(yīng)用貝葉斯分類器對圖像進(jìn)行層次分類，然后根據(jù)貝葉斯準(zhǔn)則分類新的圖像，從而找到含有目標(biāo)特征的圖片，最后利用傅里葉原理對圖像信號進(jìn)行降噪處理提高圖像的清晰度。

2.1.3 人工智能深入學(xué)習(xí)

第一階段是信號的前向傳播階段，將需要擬合的函數(shù)的自變量作為輸入層各個節(jié)點(diǎn)的輸入，再將各個輸入層的輸出通過某個線性函數(shù)聯(lián)結(jié)起來，通過非線性函數(shù)的計(jì)算，最后到達(dá)輸出層；第二階段是誤差的反向傳播階段，對輸出層的輸出和實(shí)際函數(shù)的因變量的誤差組成某個代價函數(shù)，從輸出層到隱含層，最后到輸入層，依次計(jì)算代價函數(shù)對各層的權(quán)重和偏置值的梯度。對這兩個過程不斷迭代，最終使得總體的誤差不斷降低。

2.1.4 電磁兼容理論

在信號傳導(dǎo)過程中可能形成共模騷擾和差模騷擾，在無線通信過程中也會相互耦合。因此，研究電路板參數(shù)從而抑制傳導(dǎo)電磁騷擾，研究不同信號的時頻特性從而有效分配帶寬防止出現(xiàn)無線通信號相互影響的問題。

2.2 方案設(shè)計(jì)

（1）采用微型高清攝像頭組成三維圖像采集矩陣。采用高清微型攝像頭組成360度圖像采集系統(tǒng)，全方位獲得光纜周圍實(shí)時圖像信息。（2）設(shè)計(jì)無線傳輸系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)。根據(jù)圖像數(shù)據(jù)量和傳輸距離，選擇合適的無線傳輸協(xié)議，編寫傳輸程序和控制方案，設(shè)計(jì)抗干擾能力強(qiáng)的無線傳輸模塊，調(diào)試軟件和硬件的匹配度。（3）設(shè)計(jì)圖像識別和顯示算法和硬件。根據(jù)光纜表面損壞特征，確定圖像識別判據(jù)和算法。根據(jù)數(shù)據(jù)量和精確度設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)以支撐算法功能。結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)后臺實(shí)時顯示圖像的硬件設(shè)備。（4）故障定位。采用光電編碼傳感器精確控制裝置位移，結(jié)合無線控制設(shè)備實(shí)時記錄裝置位移距離，在發(fā)現(xiàn)故障時能夠精確記錄故障距離。（5）機(jī)械動力部分。利用仿生脊柱智能調(diào)節(jié)驅(qū)動輪位置，使得驅(qū)動輪能夠緊密貼合光纜，從而保證巡線裝置在光纜上可靠行走，同時具有較好的越障性能。

2.3 裝置研制

2.3.1 編寫相算法程序

無線視頻傳輸系統(tǒng)部分實(shí)現(xiàn)流程圖如圖1所示。由視頻采集設(shè)備獲取的視頻信息首先經(jīng)過視頻信源編碼器進(jìn)行壓縮，打包成固定長度或變長的傳輸分組，發(fā)射機(jī)經(jīng)無線信道將打包好的視頻傳輸分組發(fā)送至接收端。在接收端，接收機(jī)對接收到的視頻分組進(jìn)行與發(fā)送端相對應(yīng)的處理后，送入視頻信源解碼器進(jìn)行解碼，恢復(fù)出發(fā)送的視頻信息。

2.3.2 圖像識別部分

首先將圖像分成許多小的連通區(qū)域，再采集單元中各個像素點(diǎn)的梯度組成梯度方向直方圖。為了提高光照變化和陰影處的效果，可以把這些局部的梯度方向直方圖映射到更大的范圍。首先對圖像灰度化并將原圖劃分成n*n的細(xì)胞單元，再計(jì)算出每個細(xì)胞單元每個像素點(diǎn)的梯度，最后統(tǒng)計(jì)每個像素點(diǎn)的個數(shù)，形成每個細(xì)施單元的特征。

2.3.3 人工深入學(xué)習(xí)圖像

這種算法主要分為兩個過程，第一，訓(xùn)練過程：獲取一部分帶標(biāo)簽的訓(xùn)練圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過類目均衡化、圖像規(guī)整化等預(yù)處理操作后對圖像提取顏色、紋理、邊緣等特征，作為模型的訓(xùn)練集，用于訓(xùn)練分類模型。第二，測試過程：用上一步得到的圖像分類模型預(yù)測未標(biāo)注的測試集，并與其真實(shí)類別對比估計(jì)圖像分類模型的分類準(zhǔn)確率。

2.3.4 電路設(shè)計(jì)部分

完善PCB板電磁兼容性能，制作無線傳輸模塊主控CPU等印刷PCB電路板試制板，試制動力驅(qū)動部分。

2.3.5 軟硬件調(diào)試

將軟件寫入硬件PCB板內(nèi)，調(diào)試相關(guān)功能，對軟硬件進(jìn)行適當(dāng)修改以達(dá)到最佳效果。

3 主要構(gòu)成部分

硬件主要包括兩部分：巡線裝置、后臺操作主機(jī)。巡線裝置包括圖像采集部分、無線傳輸模塊、數(shù)據(jù)分析運(yùn)算CPU、機(jī)械動力部分和太陽能供電系統(tǒng)。后臺操作主機(jī)包括液晶顯示屏、無線傳輸模塊、數(shù)據(jù)分析運(yùn)算CPU。裝置構(gòu)成示意圖，如圖2所示。

4 推廣前景

目前，電網(wǎng)電力通信光纜數(shù)量多，檢修任務(wù)繁重，使用一種智能巡檢裝置完成懸空架設(shè)的電力通信光纜的日常巡檢、故障定位等工作，降低高空作業(yè)風(fēng)險，節(jié)約大量的人力成本和物力成本，極大提高光纜故障定位的準(zhǔn)確性以及光纜業(yè)務(wù)恢復(fù)的及時性。

參考文獻(xiàn)

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