架空輸電線路“空天地”山火多維監測技術方案

李鴻達，周愷，張睿哲，趙留學，譚磊

（1.國網北京電力科學研究院，北京 豐臺 100075；2.國網北京市電力公司，北京 西城 100031）

關鍵字：架空輸電線路；山火；多維監測

近年來，我國華北、西南區域森林火災頻發，危及人民群眾人身與財產安全，同時我國電網地理分布廣闊、大量電力線路位處山區，易受山火災害的威脅[1,2]。為加強山火防范，國家應急管理部、北京市及國家電網公司均圍繞森林火災防范曾召開有關會議，山火防范是社會各界共同面對的重大任務。電力系統的穩定運行是國民經濟良好發展的必要保障，森林火災嚴重威脅電力設備安全運行，目前電網森林火災防控形勢嚴峻，輸電線路是電力網絡的主干，在輸電線路附近監測山火的形成與發展，從而實現山火早發現、早預警、早處置，對電網的整體安全具有重大意義。目前已有多種山火監測方式得以應用，但考慮多維度融合監測技術的相關研究較少，單一監測手段難以取得良好效果，本文對輸電線路空天地多維山火監測技術開展研究，為電網防山火工作提供指導。

1 空天地多維度山火監測整體思路

山火監測須考慮不同場景下的針對性監測方式。從時間角度考慮，火情發展可主要分為事中、事后2個階段，目前國內外已有包括基于衛星遙感、激光雷達、紅外探測等技術的山火監測方式[3-5]，對于不同的火情發展階段，須選用適當的監測手段。事中階段是山火發展過程中比較復雜的階段，須綜合應用衛星遙感技術與三光集成技術進行火情事中監測；無人機技術則適用于山火發生后聯動其他監測手段進行現場自主勘查。

2 基于多源衛星的火點監測算法

衛星聯動是重要得山火監測手段，單一種類衛星由于自身空間分辨率、過境時間等參數限值很難起到良好的監測效果，常見監測衛星主要參數如表1所示。

表1 常見監測衛星主要參數

為解決目前遙感火點監測中由于數據的單一性導致火點信息在空間上或時間上存在局限性的問題，利用多源衛星數據在時間上和空間上的最優化布局集成監測火點。經研究，首先利用Himawari-8/AHI數據和FY-4數據在時間序列上進行實時監測。再利用EOS/MODIS數據、NPP/VIIRS、NOAA/AVHRR數據和FY-3/VIRR數據時間上進行插入分析。此方法在不但火點監測的最高時間分辨率達到了10 min，并且最高空間分辨率也得到提高。同時加入中高分辨率衛星數據（GF-4、Landsat8、Sentinel-2），監測精度較高，而火點虛檢率較低，最小識別火災面積為20 m×20 m左右。MODIS、NPP-VIIRS和NOAA-VIIRS火點識別精度能夠滿足實際火點監測需求。與此同時，結合下墊面信息提取結果能夠有效去除工業熱源對火點監測的影響。結合多源衛星和下墊面提取信息能夠實現火點近實時、全天時全面監測，有效降低火災對電網的安全穩定運行帶來的影響。以北京地區為示例研究區域，基于多源衛星的山火檢測基本流程如圖1所示。

圖1 山火檢測基本流程

3 基于三光集成的火點監測技術

通過可見光、紅外雙波段光源的火點監測技術研究，結合計算機視覺技術、圖像增強技術、紅外熱成像技術和視頻結構化等方可實現24 h、各類天氣環境下預警范圍內的火點與煙塵實時監測。三光攝像頭應用模式如圖2所示。

圖2 三光攝像頭應用模式

晝夜連續工作的三光集成型精確山火定位監測儀的硬件包括可見光、紅外和激光探測模塊、衛星導航接收機模塊、360°自動巡航云臺、煙霧探測器模塊、光照度傳感模塊、邊緣計算處理器模塊、無線通信組網模塊、太陽能發電及電源管理模塊等。該設備以邊緣計算處理器為核心，可見光、紅外線和激光探測模塊作為主要的火點發現和測距設備，所有探測數據和控制模式由邊緣計算處理器完成；衛星導航接收機模塊既提供山火定位監測儀的經緯度坐標，又為多個山火定位監測儀聯動多站定位時提供準確的時間同步信息；360°自動巡航云臺作為可見光、紅外線和激光探測模塊的轉動結構，實現大范圍、大視場不間斷探測；煙霧探測器模塊實現周邊煙霧濃度實時探測；光照度傳感模塊實現所處環境的光照度探測，傳感結果輸入邊緣計算處理器，作為晝夜工作模式轉換的依據；無線通信組網模塊為數據回傳和無線組網提供鏈路支持；太陽能發電及電源管理模塊為監測儀提供電源。

圖3 三光集成山火監測設備結構組成

煙霧檢測算法是三光集成設備內置的重要智能圖像算法。算法采用基于視頻序列的深度學習煙霧檢測算法，分析判斷場景中是否有煙霧，提供報警信息，從而起到防止森林火災發生的目的，為用戶在真正的使用中提供輔助決策。深度學習煙霧檢測算法處理流程主要包含以下步驟：輸入原始的圖像數據至目標檢測模塊，產生煙霧檢測鏈表；對多幀結果進行統計及過濾；輸出煙霧報警信號，包括報警標志位和煙霧位置，同時與煙霧探測傳感器進行數據比對；比對中發現煙霧探測傳感器有濃度上升趨勢時，輸出有效的煙霧報警結果，若無上升趨勢，回到最初步驟。設備與算法不斷雙向優化，是保持三光集成山火監測技術實際應用效果的關鍵。

4 無人機火情勘查技術

無人機可搭載搭載傾斜攝影設備、熱成像設備和激光雷達設備等對輸電線路走廊進行數據采集，將所獲得的數據進行加工處理，可形成高精度三維數字模型。分析無人機采集的數據可對輸電設備環境變化情況進行判別和提前預警。典型無人機紅外監測模式下發現的火點如圖4所示。

圖4 無人機紅外監測模式下發現火點

無人機火情勘查技術試驗利用巡護飛機進行林火的探測，相較于地面的巡視觀察，從上向下俯視觀察的優點有：飛機巡護視野寬、機動性更強、不受地形限制，可以快速實現火場周圍及火勢發展的全面觀察。

試驗驗證是校核無人機勘查能力的主要手段。設計無人機火情勘察技術試驗方案如下。試驗設備及物品主要包括無人機系統、云臺相機、視頻結構化設備、可燃物、滅火設備等。根據載重、飛行高度、續航里程、巡航速度、抗風能力等指標選取多套無人機系統；云臺相機應選取支持光學、數碼雙變焦防抖動相機，保證圖片采集質量；智能起落站應選防銹、防塵、防水、防滲箱體，可完成無人機電池充電、無人機收納；視頻結構化設備為通過邊緣計算方法于無人機掛載的圖像設備，基于ARM架構的嵌入式終端，可以結合可見光、熱成像監測設備直接升級使用；同時需要干、濕兩種可燃物與滅火設備。

試驗主要如下進行。

結合大容量輸電線路試驗室以及火災試驗場相關設備，通過模擬山火、煙塵，多次試飛無人機監測火焰、煙塵，校驗檢測的可靠性、及時性。

檢測不同傳輸距離（每隔0.5 km為一個測試點）圖像傳輸、山火數據傳輸、無人機與傳輸終端之間通訊狀況是否正常。同時關注無人機是否會受到電網周圍電磁場影響，分析總結在電網周圍飛行的安全距離。

無人機自動巡航巡檢，主要測試無人機定位準確度、GPS信號強弱、線路規劃功能以及多臺無人機協同檢測。

運用遠程控制搭載滅火設備的無人機測試滅火效果。

5 多維度融合山火監測工作模式

建立高效山火監測模式須綜合應用多維度監測技術，形成融合監測工作模式。衛星遙感技術主要優勢在于監測空間范圍廣，但限于衛星過境時間，監測時間延遲較高；三光集成技術主要優勢在于可持續對目標區域進行精細化監測，但限于設備安裝位置，一般僅能監測輸電通道附近的火情。無人機具備高機動性，通過其他監測手段發現火情后，可根據實際情況安排無人機進行現場勘查與處置。多維度融合監測工作模式主要為：多源衛星發揮空間維度優勢、三光集成設備發揮時間維度優勢，二者互為補充實現常態化多區域山火監測，根據山火實際情況，無人機深入現場開展勘查與處置，無人機采集的數據為上述常態化多區域山火監測的進一步優化提供支持。多維度融合山火監測工作模式如圖5所示。

圖5 多維度融合山火監測工作模式

6 結束語

有效進行山火監測對保障工業設備良好運行和保護人民群眾生命安全具有重大意義，目前山火監測一定程度上存在工作量大、效率較低等問題，須根據實際場景妥善聯動多種監測手段方可起到較好的效果。本文考慮山火事中與事后發展階段，從空天地三個監測維度對基于衛星遙感的山火監測技術、無人機勘查技術進行研究、基于三光集成的火點監測技術，并對多維度融合監測工作模式作出闡述，為電網防災減災工作提供指導。