吊车防撞系统中的高压线检测技术

江少镇

（广州供电局有限公司输电管理所，广东广州，510310）

0 引言

近年来，由于高空施工机械过于靠近高压带电设备引起的线路短路跳闸事故屡屡发生，有些还造成大面积停电，致使国民经济生产损失严重，人们生活与社会活动也受到很大影响。探究发生高空施工机械引起跳闸事故的原因，除了操作人员的疏忽大意外，更重要的是在作业现场缺少应有的提示，如高压设备是否带电、施工设备是否已进入高场强区、施工设备是否接近规程规定的最小安全距离等。吊车防碰撞检测系统主要解决在吊车施工作业中，由于施工设备过于靠近高压线而引起的触、放电事故，避免因人为疏忽而造成重大人员和财产损失。

1 研究现状

要有效地实现吊车防撞系统的高压线检测报警功能，线缆的检测和测距是首先需要解决的核心问题。针对高压传输线的检测和测距，全球科研人员进行了深入而广泛的研究。

1.1 近电感应线缆检测

近电感应检测是指用感应天线检测高压带电设备周围电场信号的强弱，将检测到的电场信号通过滤波及信号处理，通过计算测量即可检测高压线的电压和距离。文献1提出了一种利用近点感应原理检测高压线的装置，结构如图1所示。作者利用吊车的钢绳作为传感器，当钢绳靠近高压线进入环形弱磁场时，钢绳便可以感应到高压线的电压信号，同时又能将电压信号传递给金属导体。此金属导体的另一端与初级信号放大电路的输入端连接，通过对检测到的弱信号的放大和处理，检测附近高压线的电压等级和距离。

文献2-5也提出了相似的方案，采用近电感应天线，搭配无线通信模块及智能控制模块，实现对高压线的检测和测距，如图2。

图1 近电感应高压线检测装置

图2 近电感应高压线检测系统框图

利用近电感应检测高压线的优点是装置成本低，因为感应天线价格低廉，甚至可以用塔吊上自有的钢绳兼做传感器，不需要另外采用特定的传感器做检测取样，这样还可以省去传感器的费用。另外，由于电场在高压线附近普遍存在，所以该方法还可以实现全方向检测，只要传感器靠近高压线就能有效地进行检测。但是，该设计也存在着检测不准确的缺点，高压线附近的电场情况受环境影响较大，而且高压线本身也存在电压不稳定的状况，因此，要稳定的测出高压线的距离有一定难度。另外，从表1可以看到，近电感应检测的报警距离小，难以满足大型吊车的安全施工要求。

表1 近电感应检测系统的报警距离和电压等级对应关系

图3 红外探测电力线系统

图5 双轴扫描激光雷达系统

1.2 红外探测

在电力线等细长物体的探测中，另一种常见的方法是红外摄像结合图像处理对线缆进行识别。日本的Kazuo Yamamoto和Kimio Yamada提出采用高分辨率的红外探测相机（频带响应：8-12um）来获得图像，在此基础上通过图像处理的方法——图像分块、自适应动态范围扩展和方向滤波器的处理来增强目标与背景的对比度，最后用拟合出水平或近似水平的线来表示探测的电力线。与此相似，文献7和文献8对所获图像进行了更为详细的处理方法。简要地说，首先将拍摄的彩色图像通过亮度计算转换为灰度图像，并对图像中边缘轮廓进行提取，提取后获得已知区域形状；然后采用改进的概率Hough变换方法，对获得的已知区域图像中线段长度和统计次数做自适应调整，实现对已知区域形状的轮廓图像中直线像素的提取和检测；最后，针对电力线的平行特征，采用直线与方向模板的拟合，这样就完成了电力线在图像中的自动识别。

利用红外探测结合图像处理的高压线检测系统的优点是可以在良好的天气环境下较清晰地识别出电力线，缺点是在恶劣天气环境下无法有效地使用。除此之外，无法判断目标的距离，系统复杂，价格昂贵也是制约该检测技术在吊车线缆检测中应用的重要因素。

1.3 电力线的激光测距

激光测距技术由于测量精度高广泛应用于各个工程领域。但对于电力线等细长物体的测距不具有明显的优势，其主要原因是激光具有良好的方向性，而电力线直径过于细小难以精确瞄准，导致返回的光信号极弱，难以探测。针对这个难点，文献10提出了一种改进后的激光测距装置，结构如图4所示。该测距装置包括发射激光信号的激光发射器和接收反射激光信号的接收器，还具有由多个反射镜面组成的多面体棱镜和驱动多面体棱镜转动的传动装置，激光发射器发出激光信号经过多面体棱镜的转动反射成扇束面激光信号发射出去，由于单一激光束对线缆等细状物需要瞄准测距，而该装置所发出的扇束激光将在一定范围内可覆盖线缆等，提高了细状障碍物的发现能力。同时，该装置的扇束扫描结构对高压线缆等细状障碍物有良好的避障作用，可以在极短的时间内向障碍物发射多条光束，解决了以往单束激光容易被空气中的雾气、泡沫、风尘和蒸汽等颗粒物质遮挡而导致测量数据不准确的问题，提高了激光测距的抗干扰能力。

1.4 雷达系统高压线检测

雷达系统分辨率高，扫描范围较宽，在物体识别和测距的应用上具有很大的优势，即使是细小的电力线也可以准确识别。文献11使用双轴扫描1.5um激光雷达探测目标，如图5。水平方向上采用光纤光学扫描仪，水平扫描角度为31.5°，水平光束间距0.34°。垂直方向上采用扫描角度为32°的往复偏转反射镜。实验结果现实，该双轴扫描雷达系统的电力线识别率为99.5%，具有很高的可靠性。在该雷达探测系统中，电力线的距离测量则采用脉冲雷达测量，不仅可以探测直径仅有10mm电力线，而且探测距离也达到了300 -900m。

文献12则使用集成超宽带雷达，用极短的脉冲获得较高的分辨率。同时，较宽的频带也能够探测到更多的目标，抗干扰性能也更好。该雷达系统的最突出特点是集成度高，可以在一块电路板上完成。其系统框图如下图所示。

图6 集成超宽带雷达系统框图

虽然雷达探测系统具有精度高的优点，但其结构复杂，价格昂贵，不利于在低成本应用中推广。并且在恶劣气候条件下会降低雷达系统性能。

2 研究趋势

吊车防撞系统中的高压线检测必须满足检测准确、成本低廉、安装简单、拆卸容易等要求，不需要附加其他附属设施，并且不影响施工操作。因此，本文认为，如何开发出一套功能丰富、高度集成的小型化检测系统是研究的主要方向，该系统能检测高压线的同时，还应当具备声光报警功能，无线通信功能以及数据存储和视频监测功能，同时实现检测——报警——控制，给高空施工带来安全保障。

3 总结

本文以当前高空施工事故频发为背景，深入讨论了在吊车防撞系统中各中可用于高压线检测的技术及其实现方法，并结合实际应用分析了各技术的优缺点。采用近电感应的探测方法是最为简单经济的，但其检测可靠性较低；在电力线等细长物体的探测中，最为常见的是红外摄像结合图像处理的方法，该方法比较适用于百米以上距离的探测，捕捉的电力线范围越大，越有益于探测的准确度，但该技术受气候环境影响较大；激光测距精度高但难以实现全方位检测；雷达系统检测准确，识别可靠但价格昂贵，需要开发小型集成系统以便进一步应用。

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