計算機(jī)視覺在高壓線路巡檢中的應(yīng)用

胡正杰 祁帥濤

摘要：為解決現(xiàn)有高壓線路巡檢過程中存在的智能化水平低、巡檢效率不高的問題，結(jié)合計算機(jī)視覺技術(shù)的發(fā)展，提出其在高壓線路巡檢中變電站智能監(jiān)測和高壓線路異物清除系統(tǒng)兩種應(yīng)用場景。

關(guān)鍵詞：線路巡檢;智能監(jiān)測;異物清除

一、引言

為滿足我國用電量日益增長的需求，高壓輸電線路鋪設(shè)量也愈來愈長，已達(dá)100萬千米，覆蓋范圍極其廣大。而線路巡檢作為長距離高壓線路正常運轉(zhuǎn)的重要維護(hù)方法，正面臨著檢驗作業(yè)強(qiáng)度大、檢驗周期長，部分巡檢線路環(huán)境惡劣不宜人工巡檢等問題，現(xiàn)有人工巡檢方法面臨巨大挑戰(zhàn)。因此，國家電網(wǎng)公司急需探索新技術(shù)，提高線路巡檢效率和安全性。

二、現(xiàn)有線路巡檢方法

目前，現(xiàn)有高壓線路巡檢方式主要分為以下4種：人工巡檢、機(jī)器人巡檢、直升機(jī)巡檢和無人機(jī)巡檢。

（一）人工巡檢。人工巡檢是指以人力為主體、采用人力覆蓋方式對需檢高壓線路進(jìn)行巡檢，工作方式落后、缺乏自動化、人力成本極高、艱險地區(qū)安全隱患高、覆蓋能力差，且缺乏數(shù)據(jù)的積累和互通。

（二）機(jī)器人巡檢。巡檢機(jī)器人是一種用于檢查輸電導(dǎo)線是否破損、防震錘是否松動的自動化巡查裝置。由于巡檢機(jī)器人能夠在帶電狀態(tài)下工作，所以可取代傳統(tǒng)的人工巡檢方式，特別是在條件艱苦、位置偏遠(yuǎn)的山區(qū)以及跨越河湖的地區(qū)，采用人工巡檢的方式對巡檢人員有較大的安全隱患和威脅，可采用機(jī)器人巡檢的方式。但使用機(jī)器人進(jìn)行高壓線路檢查時，由于機(jī)器人移動速度較慢、越障能力不足，造成其應(yīng)用范圍有限。

（三）直升機(jī)巡檢。直升機(jī)巡檢是指使用直升機(jī)搭載相機(jī)（可見光或者紅外），沿著高壓輸電線路采集圖像并進(jìn)行檢查，相比前兩種巡檢方式而言，其維護(hù)和檢修效率相對較高。但由于使用直升機(jī)進(jìn)行巡檢需要投入大量人力并且成本太高，因此利用直升機(jī)進(jìn)行線路巡檢性價比太低。

（四）無人機(jī)巡檢。近年來，無人機(jī)技術(shù)的成熟使得其在高壓電線路巡檢中的應(yīng)用成為現(xiàn)實并保持高速發(fā)展的態(tài)勢。相比直升機(jī)巡檢，無人機(jī)無需載人拍攝，機(jī)體小、成本低，操作簡單。對比上述三種巡檢方式，其優(yōu)缺點也很明顯。缺點是巡檢精度有所下降;優(yōu)點是靈活便攜、成本較低、設(shè)備操作簡單、可觀測范圍廣、不存在安全隱患等，另外，采用無人機(jī)巡檢，不需要改造線路，更易與人工巡檢等方式融合，是當(dāng)前電網(wǎng)的主要推廣方向。當(dāng)前，貴州、青海等省份已相繼開展山區(qū)、河流等復(fù)雜難達(dá)地形下的無人機(jī)巡檢實驗。

據(jù)國家電網(wǎng)發(fā)布數(shù)據(jù)，采用無人機(jī)巡檢的效率是人工巡檢的8～10倍，在日常巡檢工作中，兩種方式占比各50%。由此可預(yù)見：無人機(jī)巡檢在未來的高壓線路巡檢中將會成為應(yīng)用最廣泛、使用最高效的巡檢手段。但無人機(jī)巡檢也帶來了新問題，無人機(jī)在巡檢過程中采集的海量圖像數(shù)據(jù)均需有經(jīng)驗的巡檢工人進(jìn)行判斷處理，工作量龐大，這將嚴(yán)重阻礙巡檢無人機(jī)的推廣。因此，如何提高巡檢無人機(jī)的智能化水平已經(jīng)成為亟須解決的重要問題。

三、計算機(jī)視覺技術(shù)

計算機(jī)視覺技術(shù)是利用計算機(jī)來模擬方針人類的視覺系統(tǒng)，使計算機(jī)具有環(huán)境感知的能力，通常采用可見光相機(jī)、紅外相機(jī)等。目的是使計算機(jī)借助傳感器設(shè)備實現(xiàn)人類的視覺系統(tǒng)功能，從而更好地理解世界。目前，計算機(jī)視覺技術(shù)已應(yīng)用在智能安防、工業(yè)產(chǎn)品缺陷檢測、醫(yī)學(xué)圖像分析及遙控圖像處理等各個領(lǐng)域，更進(jìn)一步來講，只要有需要依靠人眼的場景都可應(yīng)用計算機(jī)視覺技術(shù)來助力機(jī)器進(jìn)行場景理解。另外，計算機(jī)視覺技術(shù)還可以對危險場景、人眼不可見物體等進(jìn)行感知，具備超越人類視覺系統(tǒng)的能力。因此，將計算機(jī)視覺有關(guān)技術(shù)應(yīng)用到電力系統(tǒng)（如高壓線路巡檢）中可成為提升國家電網(wǎng)運轉(zhuǎn)效率的有效途徑。

四、計算機(jī)視覺在高壓電路巡檢的應(yīng)用思考

隨著全國各城市、各地區(qū)的電力需求愈來愈大，線路鋪設(shè)和檢修壓力也日益增加，尤其是經(jīng)常穿越類似山峰、河流等復(fù)雜的地理環(huán)境。隨著無人機(jī)線路巡檢擺脫了人工巡檢的高強(qiáng)度、機(jī)器人巡檢地形局限以及直升機(jī)性價比低的問題，已經(jīng)成為高壓線路巡檢的首選方法。為解決無人機(jī)巡檢智能化水平不足問題，我們提出以下幾點建議助力無人機(jī)巡檢智能化水平提升。

（一）高壓線路無人變壓站智能監(jiān)測

在高壓線路鋪設(shè)過程中，變電站作為重要的組成元素，設(shè)備狀態(tài)以及變電站設(shè)備安全是需要重點關(guān)注的問題。為確保變電站日常運行穩(wěn)定，現(xiàn)有變電站值守方式分為有人值守和無人值守兩種形式。有人值守變電站所需成本高，且需要時刻堅守崗位、對數(shù)據(jù)處理也相對較慢;而無人值守變電站主要是指330kV及以下的變電站，一般采用遠(yuǎn)動技術(shù)可獲取變電站設(shè)備的實時信息，但遠(yuǎn)程工作站的運行可靠性不高。因此，可在現(xiàn)有值守前提下，考慮結(jié)合“機(jī)動端機(jī)器人巡檢+固定端智能攝像頭監(jiān)測”方式，在巡檢方式中加入計算機(jī)視覺技術(shù)，用于增加變電站運行安全可靠性，確保變電站設(shè)備運行安全，防止安全事故發(fā)生。如圖5所示。

機(jī)動端機(jī)器人巡檢負(fù)責(zé)變電站內(nèi)部的設(shè)備狀態(tài)檢測，通過OCR算法，智能監(jiān)視變電設(shè)備的外觀、儀表盤讀數(shù)和指示燈狀態(tài)是否正常等;同時，可通過語義分割算法對變電站內(nèi)部煙霧和明火進(jìn)行智能監(jiān)視，防止因設(shè)備老化、電路故障等原因造成火災(zāi)發(fā)生。

固定端智能攝像頭負(fù)責(zé)防范外部非法入侵，通過對拒止區(qū)域內(nèi)行人檢測，起到變電站內(nèi)智能安防作用，防止發(fā)生變電站內(nèi)設(shè)備盜竊丟失等事故;同時，也可通過語義分割算法對變電站外部的煙霧和明火進(jìn)行智能監(jiān)視，防止因變電站外部環(huán)境的火災(zāi)發(fā)生，保證變電站外部安全。

當(dāng)機(jī)動端機(jī)器人或固定端攝像頭按照預(yù)設(shè)功能發(fā)現(xiàn)異常，可第一時間觸發(fā)報警裝置通知值守人員，減少因變電站故障造成的損失。

（二）高壓線路異物監(jiān)測

長距離架設(shè)高壓線需建設(shè)許多高壓線塔，而高壓線塔暴露在野外，離地距離高，鳥類活動方便，極易成為鳥類的筑巢選擇。筑巢過程中使用的樹枝或者鐵絲可能會掉落在高壓輸電線上，鳥類的食物、糞便也有可能落在高壓線鐵塔的絕緣瓷瓶上，就會造成電網(wǎng)短路故障;同時長距離的高壓線極易被風(fēng)箏、塑料袋等異物纏繞，導(dǎo)致區(qū)域停電，引發(fā)電路安全事故。因此，可借助無人機(jī)巡檢，構(gòu)建基于無人機(jī)自主巡邏與異物智能檢測的清理系統(tǒng)，如圖6所示。

無人機(jī)在預(yù)置巡邏路線上進(jìn)行巡邏，利用機(jī)載光學(xué)相機(jī)拍攝巡檢線路圖像，然后利用基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或Transformer的異物檢測算法檢測是否存在鳥巢、風(fēng)箏以及塑料袋等異物;一旦發(fā)現(xiàn)異物存在，發(fā)出警報信息，待巡檢員收到警報信息后，將無人機(jī)切換為手動模式，獲取無人機(jī)控制權(quán)并利用火燒法或拋投槍法操作無人機(jī)清除異物。

五、結(jié)束語

本文著眼于解決現(xiàn)有高壓線路巡檢方法存在的問題，提出利用計算機(jī)視覺技術(shù)提升巡檢效率以及智能化水平的幾種典型應(yīng)用場景，旨在為國家電網(wǎng)發(fā)展提供思路。

作者單位：胡正杰? ? 祁帥濤? ? 國網(wǎng)北京市電力公司延慶供電公司

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]繆希仁，劉志穎，鄢齊晨.無人機(jī)輸電線路智能巡檢技術(shù)綜述[J].福州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2020，48（02）：198-209.

[2]劉沖，馬曉昆，鄭宇，宿劍飛，楊夏祎，王丹丹.基于5G技術(shù)的無人機(jī)在輸電線路巡檢的應(yīng)用[J].電力信息與通信技術(shù)，2021，19（04）：44-49.