基于输电线路三维信息的无人机智能巡检技术研究

1　引言

为满足我国经济及居民生活对电量快速增长的需求，高压、特高压线路里程快速增长，截至2016年底，220kV电压等级及以上的输电线路里程已超过170万km。无人机巡检系统通过搭载可见光采集、激光雷达等设备，通过人工操控实现了输电线路运行信息的精细化采集，并对输电线路三维信息进行建模展示。较传统的人工巡检方式，巡检效率有了大幅提高。现有无人机巡检工作主要依靠人工操控来完成，对巡检人员的操控能力、操控经验要求高，而且易出现疲劳巡检的情况，导致撞击导线、坠机的风险。

如何快速、有效地构建输电线路三维模型，制定自主巡检路线是制约无人机智能巡检的主要因素。麦晓明等利用激光扫描技术获取输电线路走廊数据，并进行三维建模恢复，实现了走廊信息的可视化展示，但是海量的激光点云数据严重制约了三维场景的建模速度。闫丰亭研究了基于地理信息系统（GIS）的三维地形计算，以卫星照片作为地形纹理映射的基础，设并完成了相关数据格式转换算法，但整体计算量较大。基于输电线路无人机实际巡检的需求，本文以地理信息系统（GIS）为输电线路信息源，首先以构建非参数化部件输电线路三维建模方式，抽象化展示杆塔的走向、部件的分布及杆塔间导线的连接分布；其次，计算待巡检部件的三维空间位置，并进行坐标点排序，确定各部件与杆塔、部件间的全局与局部相对位置关系；最后，结合线路走向，形成无人机巡检的航迹及悬停点信息，指导无人机完成输电线路信息的自动采集任务。

2　基于部件的输电线路三维建模技术

输电线路主要由杆塔、导线及其附属部件组成，输电线路的建设有严格的建设标准与建设规范，并且绝大部分杆塔的塔头与塔基具有相似的结构。因此，在进行输电线路三维抽象建模时，基于非参数部件方法，对输电线路各部件依据建设标准进行分解，利用各部件功能关系进行组合，以实现输电线路三维杆塔及其附属部件的灵活三维重建，从而降低建模的工作量与工作难度。

2.1　输电线路部件属性信息构建

为快速获取输电线路部件的属性信息，对接国家电网GIS系统，提取输电线路杆塔GPS信息、杆塔塔型和电压等级，并根据系列电压等级的输电线路设计规范及输电线路施工标准，获取输电线路附属部件信息，形成输电线路部件属性信息的.xml文件。根据输电线路部件属性信息表，可以完成输电线路的三维抽象模型建模，方法流程如图1所示。

图1　输电线路三维建模流程

2.2　输电线路部件库与三维建模

输电线路部件库主要是为三维建模提供快速的模型，本文将输电线路的三维模型分为：塔头、塔基、附属部件及导线4个部分。首先，通过CAD软件对不同类型的塔头、塔基、附属部件进行三维建模；其次，对不同部件间的空间关系进行记录和维护，以满足输电线路三维模型拼接的需求。

通过对接国网GIS系统获取杆塔信息。塔头主要类型有干字型、酒杯型和猫头型；杆塔按受力性质分为悬垂型和耐张型杆；杆塔按回路数可分为单回路、双回路和多回路；杆塔按用途可分为悬垂型杆塔、耐张直线杆塔、耐张转角杆塔、耐张终端杆塔、跨越杆塔和换位杆塔。各型杆塔塔头结构如图2所示。

图2　输电线路各型杆塔塔头模型

输电线路杆塔的塔基通常具有相似的结构，塔基间的不同主要在于角铁的排列方式和高度两方面，而在实际的无人机巡检中并不关心角铁的排列形态。因此，本文将塔基抽象成一种形态，如图3所示。塔基的高度与电压等级有密切的关系，如表1所示。

图3　杆塔塔基模型

表1　输电线路塔基高度与电压等级对应表

2.3　基于功能关系的杆塔三维重建

杆塔的各部件有明确的功能用途，塔头主要用于悬挂绝缘子与金具等部件，塔基主要用来支撑塔头与大地的连接。基于此，根据对接国网GIS获取到的杆塔型号，自动搜索塔头模型并匹配该塔头的塔基、绝缘子等部件。首先，根据塔头与塔基的功能关系完成杆塔主体的拼接；其次，将绝缘子等部件附着到杆塔主体上，结果如图4所示。

图4　输电线路三维重建结果

2.4　输电线路精细参数调整

对输电线路进行抽象的三维空间建模，除了对本体的几何模型构建外，还要对线路模型的精细参数进行调整。首先，根据相邻的杆塔坐标，对三维空间模型进行走向调整；其次，对三维模型进行几何等比例修正，使模型能够准确表示输电线路实物的物理特性。

3.2　无人机智能巡检路径规划

巡检应用的无人机具备悬停功能，可实现从一个悬停点到下一个悬停点的直线飞行。依据输电线路走向及悬停点信息，规划智能巡检路径。智能巡检路径按照以下步骤：

（1）对接国网GIS系统，获取杆塔GPS信息及作业班组GPS信息，确定杆塔、线路的走向及无人机巡检前进方向。

（2）根据安全作业距离及导线走向，计算无人机巡检的基准航迹路线。即巡检全局航迹，如果到达目标点，则结束算法。

（3）将每个悬停点依据垂直方向、前进方向、水平方向进行折线型排序，生成局部航迹。

（4）无人机依据三维局部航迹完成一基杆塔巡检后，飞回原全局航迹，继续转至（2）进行飞行。

4　实验测试

4.1　建模结果

以邹川输电线路的某段线路为测试样例，利用非参数的部件重构模式对杆塔进行三维重建，如图5（a）所示。同时，利用无人机携带激光雷达（分辨率为15~20点/m²）对输电线路进行激光扫描并对点云数据进行三维重建，如图5（b）所示。

                                                                                                    （a）非参数部件三维重建                （b）激光扫描三维重建

图5　三维重建

利用本文方法对杆塔进行建模可以在保证巡检精度的前提下，实现输电线路杆塔的快速三维建模，提高了建模的效率，具体对比结果如表2所示。

表2　杆塔重建效果对比

4.2　基于输电线路三维信息的无人机巡检路径规划与智能采集

输电线路精细巡检对象主要包括绝缘子、线路挂点等部件，根据邹川走线路杆塔型号及部件类型，对杆塔单侧悬停巡检路径进行规划，线夹A（15.56，45.31）、绝缘子串B（15.56，46.86），横担C（15.56，51.90），地线挂点D（16.08，55.67），二维巡检路径结果如图6所示。

图6　悬停路径规划

传统的输电线路巡检方式为人工操控无人机平台进行数据采集，完成一基杆塔的巡检大约耗时20min，利用智能采集系统进行采集，耗时平均约5min，工作效率可提高4倍以上，而且极大地降低了巡检人员的劳动强度。

5　结论

本文利用非参数部件方式对输电线路杆塔进行了三维建模恢复，具有较高的灵活度且建模效率较高，虽然建模结果较激光点云建模有所误差，但是可以满足输电线路巡检工作的实际应用需求。结合部件位置，制定悬停点并进行路径规划，指导无人机平台进行自主巡检飞行，提高了巡检的智能化水平与巡检的效率。本文从巡检需求、建模速度方面出发，重建的三维模型涉及的部件较少，后期为提高三维建模的复杂度，可以增加均压环、间隔棒等金具结构部件。

参考文献

[1]丁亚洲．无人机倾斜摄影技术在特高压输电线路路径优化中的应用研究[J]．低碳技术，2016，（24）．

[2]张祥全，苏进军．架空输电线路无人机巡检技术[M]．北京：中国电力出版社，2016．

[3]麦晓明，陈驰，彭向阳，等．输电线路走廊三维可视化技术和系统设计[J]．中国电力，2015，48（2）．

[4]闫丰亭．大规模三维地形建模与渲染的研究及改进[D]．青岛：山东科技大学，2011．

[5]兰蕊，刘旭生．输电线路GIS系统中电力线路要素模型库的建立[J]．山西大同大学学报（自然科学版），2011，27（3）．

[6]金龙哲．输电线路运行[M]．北京：中国电力出版社，2010．

基金项目：国网山东省电力公司科技项目资助（项目编号：2017A-124）

（作者严文涛供职于国网山东省电力公司信息通信公司）