输配电线路智能导航巡检系统研究与设计

何莉,张德津,王淑青，王云艳

（1.湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北武汉430068；2.武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北武汉430079；3.武汉大学 交通研究中心，湖北武汉430079）

电力线路设备的定期巡检是有效掌握线路运行状态及周围环境变化，及时发现设备缺陷和危及线路安全隐患,确保电力系统安全、稳定和可靠运行的重要手段[1]。输电线路一般分布较偏僻,线路延绵数十至上百千米,杆塔所处位置地形复杂，现有巡检模式存在一些问题：在遭遇灾害破坏或事故抢修时，往往需要大量人员、车辆赶赴现场，而抢修队伍和车辆又因不熟悉线路路径，无法快速到达抢修现场；新增线路空间位置缺失设施数据，需要单独定位采集；安监人员赴现场检查监督也可能因路线不熟，而需要被检查监督的单位和人员带路，大大降低了检查监督的有效性；工作人员到现场巡视线路，遵照巡检作业指导书，以纸介质方式记录巡视情况，然后再人工录入到计算机的现有巡检模式，不能及时反馈问题隐患,且效率低。

本文基于GPS/GPRS、嵌入式GIS和移动数据库，结合全国导航电子地图，紧密融合导航功能与巡检业务，建立基于PDA的线路智能导航巡检系统。研究了路网增量数据模型和电力设施数据存储模型，实现巡检轨迹和设施数据采集、个人位置定位、巡检路径规划以及巡检问题上报与流转，为输配电线路巡检提供自动化导航平台，为应急抢修、运行维护和检修提供有效的技术解决方案。

1 空间数据模型

输配电巡检系统涉及的空间数据有线路设施数据（杆塔、线路等）和辅助巡检的路网数据。输配电线路分布域广，跨越区域地形复杂偏僻。现有国内地图商提供的导航地图都不能覆盖输配电线路穿越的所有地域。解决现有巡检路径规划和到达导引问题，需要研究路网的增量,更新数据模型，并使新增数据能与原有路网数据融合规划。线路设施数据是巡检的主体数据，需要研究设施数据模型，使其支持在移动终端上高效访问和与专业设施管理GIS系统进行数据交换。

1.1 导航数据模型

导航电子地图也是一种GIS数据，由于用途和关注点的差异，其和传统GIS数据有本质的差别。导航数据格式分为交换格式和物理格式，目前国际上主流的交换格式以GDF为代表。导航电子地图物理格式以KIWI[2]和美国NAVTECH公司的SDAL[3]格式为代表。KIWI是目前为止应用最广泛的存储格式，本文所用导航地图即为KIWI格式。KIWI格式在结构上采用纵向分层、横向分块的原则，采取将数据物理存储和逻辑结构相结合的机制。1）纵向。按分层结构来组织地图，并且这种层的逻辑结构与其物理存储相联系，可以在不同层之间实现快速的数据引用。同时，采用分层次的数据参考使得查询、路径分析等各种算法更加快捷。2）横向。采取划分块的方法，将海量的数据变成逐个独立的数据单元，同时也较好兼顾了块与块之间的连接，KIWI数据组织方式如图1所示。

图1 KIW I数据组织方式

1.2 增量路网数据模型

路网数据分KIWI文件格式路网和增量路网，增量路网存储在嵌入式数据库中。路网数据来源于巡检人员采集的轨迹，包括空间和属性数据，由记录某次轨迹整体数据和记录当前轨迹实时坐标数据2部分组成。当前轨迹实时坐标数据记录按照设定周期获取的巡检轨迹坐标数据。轨迹整体数据完整记录整条新采道路信息，坐标数据由实时坐标数据提供，以二进制大对象保存，轨迹整体数据通过GPRS上传到服务器，最后形成新的路网，共享给所有需要的巡检人员。其航迹轨迹ER图如图2所示。

增量路网记录是一种记录网络拓扑关系的数据，组成元素由节点（路口）和边（道路）构成，自身拓扑关系也以节点与边的连接关系存储，KIWI文件格式中，路网通过节点的上下层关系将两部分路网进行关联，即增量路网数据中多个节点（路口）记录对应上层网络（导航路网）中某个节点（路口）的编号。道路拓扑关系如图3所示。

图2 航迹轨迹ER图

图3 KIW I路网道路拓扑关系

在网络分析的过程中，增量路网中某个节点（路口）映射到上层路网中的某个路口，而导航路网中节点（路口）记录了对应其他数据格式的惟一编号，从而建立KIWI路网与嵌入式数据库中不同路网之间连通关系。

1.3 巡检设施数据模型

电力设施数据是巡检的主体，在智能终端上进行数据有效存储和快速访问是巡检应用的关键。电力设施数据包括杆塔、线路、变电站、微波设备以及绝缘子、电缆头等附属设备的信息。所有设备的空间信息借助GIS的网络拓扑数据模型进行管理，其中杆塔、变电站等作为网络节点管理，线路作为网线管理，数据模型及管理流程如图4所示。

图4 巡检设施数据模型及流程

2 智能导航巡检业务实现

智能导航核心功能包括GPS定位、GPRS通讯、路径规划、地图显示、地图匹配、路线导引、POI查询等[4]。GPS提供高精度位置，GPRS完成终端与服务器通讯，地图匹配利用各种数据（传感器、数字地图数据库、已知最优路径）确定车辆在地图上的相对位置[5]，路径规划根据已有和增量地图路网数据进行多模态路径规划。

巡检业务实现由PDA移动巡检系统和后台数据处理系统组成，移动客户端和后台服务器之间通过Web Service方式进行数据交互，智能终端通过GPRS向数据库服务器发送指令上传或下载相关数据以实现数据同步。数据同步也可以通过PC和USB连接实现[6]。巡检人员手持PDA设备定时将当前GPS位置通过GPRS上传服务器。通过保存的轨迹，能随时定位所有巡检人员位置及回放历史巡检轨迹。如果新轨迹在现有路网中不存在，巡检人员可以提交此轨迹到服务器，由管理员更新路网。对于发现的疑似问题，利用PDA录入信息、拍摄图片或录音的方式，实时上传到服务器。

3 智能导航巡检系统设计

3.1 逻辑组织架构

基于GPS/GPRS/GIS的智能巡检系统主要实现导航、巡检上报、设施及路网数据更新采集功能，其逻辑组织架构如图5所示。

图5 KIWI道路拓扑数据关系模型

数据管理层实现数据的集中管理，同时提供平台级接口操作用户权限，巡检业务和基础地图、POI、路网以及电力设施专业数据库。基础地图、POI和路网数据支持实现路径规划和导引。电力设施由导航巡检系统采集处理或由其他专业输配电GIS提供。该层实现业务和位置服务2个平台，业务支撑平台主要以服务（Web Service）方式实现巡检计划上下载、巡检问题上报等与巡检密切相关的日常工作。LBS（Location Based Service）位置服务平台实现基本空间位置服务，主要提供空间数据管理，包括基础地图、路网、POI、电力设施等数据。在此基础上以服务方式提供GPS空间定位、导航路径规划、路网动态更新、POI查询、导引以及电力设施采集与路网采集。

业务功能层实现后台数据管理、现场巡检问题上报、GPS位置服务、GPRS无线通讯维护和基础地图操作功能。业务处理功能所需要的所有图形操作、显示功能均由LBS位置服务平台提供。

应用层实现导航巡检需要的用户功能与访问控制。提供C/S模式后台数据维护系统、嵌入式巡检导航系统和B/S模式巡检业务流转系统。

3.2 应用系统实例

智能导航巡检系统基于已有LBS位置服务平台实现。在此平台基础上实现了设施采集、路网更新、巡检上报等功能，实现了导航GIS数据和线路GIS数据叠加显示处理(见图6)。

图6 导航巡检数据叠加

图7 导航多模态规划及设施查询

轨迹采集实现了路网的增量更新，同时又可以监控巡检人员每天的巡检轨迹。多模式导航规划（见图7）实现了根据行车、步行、公交、地铁以及巡检采集航迹的导航规划，实现了陌生环境的导引作用。GPS/GPRS的电力线路巡检系统有效解决当前电力行业日常巡检中监督难、定位难、到达难的实际问题，确保输电线路安全和电力系统稳定，达到电力系统“安全、经济、多供、少损”的运行目标。此研究成果已经在福建省电力局、江西省电力局等地得到实际推广使用。

4 结语

目前整个输配电GIS系统建设并不完善，基础资料不准确，为确保线路安全、稳定运行，在信息化系统支持下，需要有责任、有素质的巡检队伍；建立完善的输配电GIS管理系统并长期深入应用，真正达到全网数据互连互通，数据共享以及数据现势性。这将是电力巡检使用的基础和以后研究的重点。同时，更高效率的无人机巡检系统将是适应高频度获取电网运行状态数据的发展趋势和对现有巡检方式的有益补充。

[1] 柳长安,刘春阳,周宏,等.电力线巡检飞行机器人路径规划方法[J].华中科技大学学报：自然科学版，2010,38(1):117-120.

[2] Kiwi-W Consortium.Kiwi Format Specification[EB/OL].[2011-01-15].http://www.kiwi-w.org/documents_eng.html.[3] Navigation Technologies Corporation. NavTech PSF Specification for SDAL Format[EB/OL].[2011-02-03].http://www.sdalformat.com/pdf/SDAL_spec.pdf.

[4] 李清泉,徐敬海,郑年波,等.基于功能的导航数据模型[J].武汉大学学报：信息科学版,2007,32(3):266-269.

[5] 陈洪亮,张保忠.交通路线引导系统及其技术发展跟踪[J].中国公路学报，1996,9(2):84-89.

[6] 郭传奇,王明渝.基于GPRS通信技术的电力巡检系统设计[J].自动化仪表，2007,28(7):39-42.