輸電線路激光防外力破壞智能預警系統研究

孫曉云

（煙臺國網中電電氣有限公司，山東 煙臺 264000）

0 引 言

近年來由于經濟發展，城市、交通基礎建設及個人施工急劇增加，越來越多的工程作業施工時需要在輸電線路側面及下方進行安裝、吊運。由于現場人員很難判斷吊車吊臂與高壓線路的距離，因此輸電線路面臨外力破壞造成供電中斷的威脅日益嚴峻[1-3]。目前影響高壓輸電線路運行安全的因素主要有人為偷盜、挖沙破壞塔基、惡劣的冰災天氣、施工現場塔吊及車輛等設備穿越架空線路、輸電線路走廊高樹成長以及偏遠山區人工巡線困難等[4]。各超高壓輸電網局及電力公司迫切需要采取措施監視和防范發生影響輸電線路安全的各種情況[5,6]。本文針對上述情況，利用激光測距傳感器監測高壓線路，提前預警可能會對輸電線路造成破壞的外力，并智能分析報警圖片，以有效防治外力破壞輸電線路事件的出現。

1 系統概述

輸電線路激光防外破智能預警系統采用先進的軟硬件技術和工業級設計，保證了設備的高可靠性。系統使用成熟的高性能處理器，通過高精度云臺搭載高頻激光傳感器進行水平掃描，由此判斷有無外物入侵。采用邊緣計算，在前端裝置內置高效率算法，可通過軟件修正掃描預警區域，并測定入侵物體，通過算法濾除掉鳥類、漂浮物以及惡劣天氣等干擾，降低誤報率，提高報警準確度。在管控平臺二次識別報警圖片，采用基于深度學習的圖像智能識別技術，進一步提高報警的準確度。

輸電線路激光防外破智能預警系統集合激光掃描、無線傳輸以及圖像智能識別等先進技術，能夠感知大型機械與架空高壓電纜接近的危險程度，實時監測吊臂與高壓輸電線路件的空間距離，當吊臂接近高壓輸電線路時在現場進行聲光報警，并向管控平臺推送報警信息及報警圖片，啟動攝像機拍照，以避免機械臂伸縮移動時過度接近和觸碰架空高壓電力電纜，發生事故。

2 系統結構及總體設計

輸電線路激光防外破智能預警系統主要由前端裝置和管控平臺兩大部分組成，硬件技術成熟穩定，軟件技術先進高效，能夠及時發現入侵警戒區域的大型工程機械吊臂，具有優異的性能，同時設備采用模塊化設計，支持無線接口，可根據需求靈活地提供不同的報警功能。系統平臺采用了先進的基于深度學習的輸電線路圖像智能識別技術，改變了人工輪巡監控畫面低效的工作模式，實現對施工機械、導線異物及煙火的高效識別及報警。采用基于GPU并行計算引擎的浮點運算技術，GPU在并行計算、浮點以及矩陣運算方面具有獨特優勢，而一般訓練檢測過程都是浮點運算，因此在大規模的數據計算應用中利用GPU強大的計算能力，可顯著提高算法的檢測速率，保證識別的實時性[7]。此外采用了特征識別技術，基于顏色、紋理以及邊緣等特征二次過濾應用深度學習技術后的已識別目標，從而達到減少誤報的效果。

2.1 前端裝置

2.1.1 前端裝置結構及功能

電線路激光防外破智能預警前端裝置主要由激光測距傳感器、小型云臺、球形攝像機、聲光警報器、主控板、充放電控制器、4G路由器、太陽能組件以及擴展電池箱組成，結構如圖1所示。

圖1 前端裝置結構圖

主控板采用STM32F4硬件平臺作為核心控制器件，成熟度高，系統穩定。外觀設計采用一體化結構，集成度高，降低了安裝拆卸的復雜程度，便于安裝，操作簡單，適合于多種電壓等級的輸電線路。

輸電線路激光防外破智能預警前端裝置基于激光反射原理，通過云臺將高頻脈沖激光束虛擬成激光幕墻，形成警戒空間。主機安裝于被監測線路鐵塔高壓導線下方安全距離2 m以外，實時對線路走廊進行監控，當發現有超高作業或靠近桿塔的大型機械突破警戒區域時，立即進行現場聲光報警，提示現場相關人員對報警現場給予重視，制止現場違章操作。同時通過無線網絡將報警信息推送給管控平臺，并進行拍照取證，將照片也通過無線發送到管控平臺。

裝置采用邊緣計算，就地對數據進行處理，可以實時發現目標進行報警，大大降低了漏報率。裝置內置了加密芯片，設備全部采用加密通信，保證了數據的安全性，此外裝置內置了定位芯片，能夠實時準確地將地理位置信息上報管控平臺。

2.1.2 前端裝置的技術指標

前端裝置的技術指標如表1所示。

表1 技術指標表

2.2 管控平臺

輸電線路立體綜合防護管控平臺是集臺賬管理、設備狀態管理、數據管理與存儲、報警識別、遠程控制、圖片智能分析、視頻預覽、地理位置定位以及微信推送等功能的綜合管控平臺。以下對臺賬管理模塊、圖像智能識別模塊以及視頻管理模塊做簡單介紹。

2.2.1 臺賬管理模塊

臺賬管理模塊是整個管控平臺的核心模塊，統一的管理和配置設備臺賬，提供各類設備的業務。平臺登錄后如圖2所示，點擊左側列表樹“輸電線路”下的“立體安防”，對設備臺賬進行設置管理。

圖2 管控平臺臺賬管理模塊圖

2.2.2 圖像智能識別模塊

圖像智能識別模塊是該平臺的重點模塊，采用了先進的人工智能深度學習算法，對報警圖片進行二次智能識別，對前端的報警進行二次篩選，大大減少了漏報和誤報的可能性，并將報警的信息、圖片以及地理位置等實時推送到相關人員的微信，極大地降低了巡檢人員的勞動強度。現場圖像識別的結果如圖3所示。

圖3 現場圖像識別結果圖

2.2.3 視頻管理模塊

管控平臺具備實時視頻瀏覽、錄像回放以及云臺遠程控制等功能，可根據客戶的需求對現場的情況進行實時視頻播放或回放歷史錄像，可以讓客戶及時了解到現場的實時情況，而且還可以遠程控制攝像機，便于管理人員隨時隨地察看現場情況。

3 應用場景及成功案例

3.1 應用場景

工程作業施工時，不可避免要在輸電線路側面及下方進行安裝、吊運作業，現場人員很難判斷吊車吊臂與高壓導線間的距離，如果吊臂過于接近高壓導線則會引發觸電事故，目前主要是靠目測估算吊臂與高壓線的安全距離，這種測距方式通常會存在較大誤差，是現場工作的潛在危險源[8,9]。

輸電線路激光防外破智能預警前端裝置安裝在與線路鐵塔上線路安全距離2 m處，通過激光傳感器實時監測大型機械是否在安全距離范圍內，當大型機械突破安全距離，現場激光防外破裝置進行現場聲光報警，并向后臺推送報警信息，提示現場所有人員及負責人及時對現場情況指導，杜絕事故的發生。安裝應用如圖4所示。

圖4 安裝位置圖

3.2 成功案例

輸電線路激光防外破智能預警系統已在北京220 kV安左一線、220 kV都苑二線、110 kV韓尚一線、110 kV嶺杏西支線、110 kV康延杏西支線、110 kV王航線、110 kV湖門線以及110 kV清清線等線路部署運行，涉及多個屬地公司，共計投入50余套，對線路保護區內進行不間斷實時監控，解決了只靠看護人員目測監視吊臂與高壓線的安全距離存在不確定性的問題，提高了現場施工人員的安全意識，杜絕發生大型機械碰線事故，保障了現場人員生命安全[10]。案例現場使用結果如圖5所示。

圖6 案例現場使用結果

4 結 論

輸電線路激光防外破智能預警系統集成了激光檢測技術、圖像采集和存儲技術、無線通信技術以及圖像智能識別技術。對目標物的識別率高且準確性高，能夠有效預警輸電線路可能遭到的外力破壞，提高輸電線路的安全性和可靠性，減少巡檢人員的數量和巡檢次數，降低故障搶修的次數和成本，為企業和人們帶來了極大的經濟效益。