基于數(shù)字孿生技術(shù)的變電站巡檢路徑?jīng)_突檢測研究

郭江濤，王濤，賈俊強(qiáng)，買合布拜·肖開提，劉璐璐

（國網(wǎng)新疆電力有限公司信息通信公司，新疆烏魯木齊 830000）

隨著工業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，安全穩(wěn)定的供電已經(jīng)成為了企業(yè)發(fā)展和社會生活的基本保障。變電站是整個電力系統(tǒng)傳輸和供電的集結(jié)站，負(fù)責(zé)將電力匯集、交流和調(diào)配。由于變電站直接暴露于自然環(huán)境中，除電力設(shè)備運轉(zhuǎn)帶來的機(jī)械損耗和電力損耗外，還經(jīng)受陽光、雨水等自然侵蝕，這些因素會加速電氣設(shè)備的老化，如果沒有及時發(fā)現(xiàn)故障進(jìn)行下井處理，極有可能導(dǎo)致電氣設(shè)備出現(xiàn)突發(fā)性故障，對整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性構(gòu)成重大威脅。為了避免出現(xiàn)這種現(xiàn)象，在平時就有必要對變電站進(jìn)行定期或不定期的巡檢。

對于巡檢路徑的沖突檢測可以有效提升巡檢的效率，因此，一些學(xué)者針對變電站巡檢路徑規(guī)劃進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1]提出面向變電站機(jī)器人巡檢路線規(guī)劃中的計算研究，依據(jù)離散數(shù)學(xué)原理中的哈密頓回路結(jié)合路徑常規(guī)計算，研究了一種全局巡檢方法，但該方法在極端情況下無法運作，不能完成路徑規(guī)劃。文獻(xiàn)[2]分析了特高壓變電站巡檢機(jī)器人路徑規(guī)劃改進(jìn)的蟻群計算，將蟻群計算和人工勢場計算融合，大大提高了蟻群計算的搜索能力，構(gòu)建仿真環(huán)境完成路徑規(guī)劃。但該方法過度依賴智能機(jī)器人，人工無法操作。

該文在數(shù)字孿生的基礎(chǔ)上對變電站巡檢路徑?jīng)_突檢測進(jìn)行優(yōu)化。數(shù)碼孿生技術(shù)包含了三種要素，即真實空間、虛擬空間和二者之間的數(shù)據(jù)信息流。

1 巡檢路徑數(shù)據(jù)采集

該文采用傾斜攝影技術(shù)采集巡檢路徑數(shù)據(jù)，使用搭載具有傾斜角度的航拍器采集目標(biāo)的全方位信息，解決信息缺失問題。基于傾斜攝影的數(shù)據(jù)采集過程如圖1 所示。

圖1 基于傾斜攝影的數(shù)據(jù)采集過程

根據(jù)圖1 可知，采集方法核心步驟主要分為四步：影像采集、多視影像平差、多視影像密集匹配、紋理映射。

1.1 巡檢影像采集

影像數(shù)據(jù)采集工作主要分為測區(qū)觀察、測區(qū)路線規(guī)劃、測量計劃的制定與實施、數(shù)據(jù)的導(dǎo)出與合成[3-4]。

測區(qū)觀察：測區(qū)觀察的主要目的是觀察待測區(qū)面積的大小以及待測區(qū)內(nèi)建筑的最大高度。根據(jù)這些信息來制定數(shù)據(jù)采集時航拍器的航高航線和制定測量計劃。

測區(qū)路徑規(guī)劃：對測區(qū)路徑的規(guī)劃，須充分考慮被測區(qū)的地理環(huán)境、模型的生成精度等影像因素，以便于選取較為理想的路徑重合度和旁向重合度、測量高度，以確保可以采集到高質(zhì)量的影像數(shù)據(jù)。由經(jīng)驗可得，飛行高度設(shè)置為高出待測區(qū)內(nèi)最高建筑物的30%左右，旁向重合度和航向重合度設(shè)置在65%～85%左右，航拍器的拍攝模式設(shè)置為等間距拍攝[5-6]。

測量計劃的制定與實施：測量時間盡量選擇在晴天的中午12 點之前的3 個小時和下午兩點鐘之后的3 個小時，保證光照充足的同時還需要防止過度的強(qiáng)光照射對影像數(shù)據(jù)采集的影響[7-8]。

數(shù)據(jù)的導(dǎo)出與合成：在航拍器完成測量后，將其中影像數(shù)據(jù)拷貝出來，由于高空氣流、氣壓等影響，會造成航拍器不穩(wěn)定，導(dǎo)致采集的照片角度變化大，并且受空氣質(zhì)量和光照條件的變化等因素的影響，不同時刻所獲得的傾斜影像在亮度、對比度等屬性有所差異。為了消除影響，需要對所獲得的影像照片進(jìn)行色彩修正和光色均勻處理，并刪除缺陷嚴(yán)重的影像。在處理之后需要將對應(yīng)的POS 數(shù)據(jù)一并刪除，保證影像信息與POS 數(shù)據(jù)一一對應(yīng)[9-10]。

1.2 多視影像平差的計算與密集匹配

基于采集的巡檢影像，使用光束法計算多視影像的平差，攝影測量的基本原理為共線方程，共線方程模型為：

式中，x、y為平面坐標(biāo)值，x0、y0、f為影像方位元素，Xa1～Xa4為測量物坐標(biāo)；Xs為樣本閾值，以共線方程為基礎(chǔ)，將其進(jìn)行泰勒展開，得到多視影響的平差。

將最小二乘的計算應(yīng)用在多視圖像中，其具有共線條件的多視圖像匹配計算。根據(jù)核線的幾何位置條件，在核線圖像上進(jìn)行一維空間搜索，通過灰度觀測方程求出測量物的圖像位置[11-12]。通過計算多個相機(jī)拍攝的同一地點的圖像坐標(biāo)來確定像點坐標(biāo)，利用核線約束的最小二乘匹配計算后得到搜索圖像相應(yīng)的地面坐標(biāo)。

2 巡檢路徑?jīng)_突檢測

完成數(shù)據(jù)采集后，便可進(jìn)行基于數(shù)字孿生技術(shù)的巡檢路徑?jīng)_突檢測，通過數(shù)字孿生的虛擬空間運行巡檢設(shè)備[13-14]，對巡檢設(shè)備可能的運動變換進(jìn)行分析，在數(shù)字孿生技術(shù)的虛擬空間中，所有動作變化都可以轉(zhuǎn)換為對稱、平移、旋轉(zhuǎn)，因此可以建立三維線性變換矩陣來表示巡檢的比例變換、對稱變換、旋轉(zhuǎn)變換[15]。

空間坐標(biāo)的變換模式如圖2 所示。

圖2 變換模式

三維空間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可分為平移變換、比例變換以及旋轉(zhuǎn)變換三種形式，對于平移變換主要應(yīng)用的是布爾莎模型，坐標(biāo)的比例變換即為坐標(biāo)按照規(guī)定系數(shù)的變換，旋轉(zhuǎn)變換是通過一定角度完成坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。三種坐標(biāo)轉(zhuǎn)換形式的表達(dá)式為：

①平移變換：模型物體A在真實空間的坐標(biāo)沿一定距離平移到虛擬空間中，物體的大小形狀不發(fā)生改變，布爾莎坐標(biāo)平移轉(zhuǎn)換模型為：

式中，(XA,YA,ZA)為原始坐標(biāo)，為平移后的坐標(biāo)；TA為平移參數(shù)；(ωx,ωy,ωz)為不同坐標(biāo)的平移參數(shù)。

②比例變換：物體在真實空間的體積過大或過小，在轉(zhuǎn)移到虛擬空間時需要將其放大或縮小，其坐標(biāo)比例變換表示為：

③旋轉(zhuǎn)變換：三維物體圍繞某一個坐標(biāo)軸從真實空間轉(zhuǎn)移到虛擬空間時，旋轉(zhuǎn)角度為θ，其矩陣表示為：

為了更好地展現(xiàn)數(shù)字孿生中虛擬空間與真實世界的高度一致性，該文在建立虛擬世界中的每一個物體添加沖突單元，并將剛體一起添加到物體上，來模擬物理世界中的沖突效果，更大程度地還原現(xiàn)實世界中的物理規(guī)則，避免發(fā)生不符合常理的物體間相互穿透的物理現(xiàn)象的出現(xiàn)。在進(jìn)行沖突檢測時需要，每一個對象都使用一個比模型稍大的幾何體包裹，從幾何角度出發(fā)檢測場景中的物體是否發(fā)生接觸，檢測完成之后返回沖突信息[16]。其檢測算法原理如下：

假設(shè)χ1、χ2、χ3和χ4表示虛擬物體周圍N、S、E、W四個方向距離障礙物的長度值，且設(shè)定min(χ1,χ2,χ3,χ4) 是可求的，以R為半徑的圓形區(qū)域是虛擬物體行動安全范圍，假定R′為虛擬物體包圍盒子的探測半徑，則物體在不同方向上是否會發(fā)生沖突的判斷公式可表示為：

通過在數(shù)字孿生虛擬空間中進(jìn)行式（5）的距離計算來完成巡檢路徑?jīng)_突檢測。

3 實驗研究

為驗證該文提出的基于數(shù)字孿生技術(shù)的變電站巡檢路徑?jīng)_突檢測優(yōu)化方法的實際應(yīng)用效果，設(shè)定對比實驗。通過建模軟件Autobesk 3ds max(3DMAX)根據(jù)圖片素材對現(xiàn)場設(shè)備一比一還原現(xiàn)場實時情況，包括運動過程，運動軌跡，建好的模型導(dǎo)入Quixel SUITEL 里面做材質(zhì)貼圖，如模型需要從高模轉(zhuǎn)低模則需要通過拓補(bǔ)軟件TopoGun 轉(zhuǎn)成低模，然后再用烘焙軟件marmoset toolbag 把高模的模型細(xì)節(jié)轉(zhuǎn)移到低模。以上操作完成后，則轉(zhuǎn)出OBJ 格式導(dǎo)入3DMAX 中添加貼圖，設(shè)立實驗，進(jìn)行沖突檢測，通過沖突檢測過程實現(xiàn)巡檢路徑優(yōu)化，3DMAX 圖如圖3 所示。

圖3 3DMAX圖

利用航拍器傾斜攝影技術(shù)采集巡檢場所中物體的三維圖像，對采集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理，去濾波去噪，通過建立共線方程模型計算多視影像平差，進(jìn)行多視影響密集匹配，獲得場景視差圖，利用相機(jī)參數(shù)對視差圖進(jìn)行換算，得出巡檢場所深度信息。利用人工勢場標(biāo)記障礙物，規(guī)劃出避開障礙物的巡檢路線，進(jìn)而獲得障礙物三維坐標(biāo)，進(jìn)行巡檢路徑?jīng)_突檢測。

選用該文提出的基于數(shù)字孿生技術(shù)的變電站巡檢路徑?jīng)_突檢測優(yōu)化方法、文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法完成后對比測試。不同方法的路徑?jīng)_突檢測誤差如表1 所示。

表1 路徑?jīng)_突檢測誤差實驗結(jié)果

根據(jù)表1 可知，文中方法巡檢能力更強(qiáng)，路徑?jīng)_突檢測誤差始終小于等于0.05%，傳統(tǒng)的基于蟻群算法的方法雖然也具備一定的消除路徑?jīng)_突檢測誤差能力，但是其路徑?jīng)_突檢測誤差高于該文方法，相比之下，文中方法具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢。

基于上述測試結(jié)果，進(jìn)一步對不同方法下巡檢延時時間進(jìn)行檢驗，檢驗次數(shù)共5 次，得到的實驗結(jié)果如表2 所示。

表2 巡檢延時時間檢測結(jié)果

在經(jīng)過該文方法優(yōu)化后，延時時間低于0.02 ms，而未進(jìn)行優(yōu)化之前，延時時間始終在0.6 ms 之內(nèi)，無法滿足用戶要求。由此可見，該文提出的基于數(shù)字孿生技術(shù)的變電站巡檢路徑?jīng)_突檢測優(yōu)化方法優(yōu)化能力最強(qiáng)，更適合于實際應(yīng)用。

4 結(jié)束語

變電站的安全問題已然成為了電力領(lǐng)域的重點問題，對于變電站巡檢路徑的沖突檢測以及優(yōu)化可以極大提高變電站的穩(wěn)定性。該文提出了基于數(shù)字孿生技術(shù)的變電站巡檢路徑?jīng)_突檢測優(yōu)化方法，通過數(shù)字孿生技術(shù)對信息進(jìn)行分析，解決了傳統(tǒng)方法的不足，并為后續(xù)研究此方面的學(xué)者提供相關(guān)參考。