输电线路智能巡检系统的设计研究

赖奎，姚军艳，马承志，郑广勇，丁勇，孟安波，魏明磊

(1.广东电网有限责任公司江门供电局,广东 江门 529000；2.广东工业大学，广东 广州 510006)



输电线路智能巡检系统的设计研究

赖奎1，姚军艳1，马承志1，郑广勇1，丁勇1，孟安波2，魏明磊2

(1.广东电网有限责任公司江门供电局,广东 江门 529000；2.广东工业大学，广东 广州 510006)

针对传统输电线路的巡检系统存在智能化水平不足，操作步骤繁琐，偏远地区信号不稳定等问题，提出一种基于北斗定位技术和人工智能结合的输电线路智能巡检系统体系。在该系统中，基于百度地图建立了野外路径导航模型；利用专家系统建立了杆塔缺陷库，并搭建了图形化巡视功能模型；通过智能算法对巡检路径进行规划。为提高安全性和通信可靠性，利用北斗系统进行杆塔定位，采用3G、4G网络与后台进行通信。该系统可提高巡检效率，减少故障处理时间。

北斗定位系统；图形化巡视；野外路径导航；巡线；路径规划

输电线路长期在大自然中承受风、雨、雷、电、冰等恶劣天气的考验，时常受到鸟类、山火、偷盗、碰撞等外力破坏，运行条件十分恶劣[1-2]，日常巡视和特殊巡视是对其进行风险管控的重要手段。通过巡视过程中及时发现线路本体和保护区的缺陷和隐患，及时合理地安排消缺和隐患清除，能够保证输电线路和电网安全运行[3]。

由于输电线路巡视在线路安全运行中起着重要作用，从20世纪90年代起，采用智能巡视终端[4-5]用于线路巡检，保证了巡线的到位率。目前在输电线路巡线中用到的巡检终端方式虽然较多，但智能化水平低，操作步骤烦杂，在现场巡视人员需要花费大量时间操作巡检终端，而未能有足够时间检查输电线路本身的缺陷和隐患，大大降低了线路巡视工作的效率和质量。目前的巡检终端大多采用全球定位系统(global positioning system，GPS)定位和通用分组无线服务(general packet radio service，GPRS)技术通信[4-7]，在实际应用中GPRS时常因信号原因无法通信，而GPS在非常时期其安全性也无法得到保证。随着国内北斗定位系统[8-9]的成功推出，并且在实际应用中表现出良好的性能，应用国产定位技术具有更高的安全性，也能促进北斗技术在电力系统中的应用和提高。

为了及时准确地完成巡视工作，提高工作效率，为管理者提供有效的监督依据，本文设计了以输电线路杆塔部件为对象，利用智能移动终端和北斗定位技术的智能巡检系统，为输电线路智能巡检提供科学的规划和管理平台。

1　系统总体结构

输电线路巡检系统由北斗智能移动巡检终端、北斗智能巡检管理平台和数据通信接口3个部分组成。系统总体设计如图1所示。巡线人员在巡线时携带北斗智能终端，定时自动向管理中心发送位置信息，巡检结果记录在北斗智能终端内，并可经GPRS、3G或4G网络传回到系统管理平台。

图1　系统体系

1.1北斗智能巡检管理平台

巡检管理平台是北斗智能巡检移动终端模块的主控制台，主要有巡检要求和巡检标准字典、作业指导书样本、巡检计划、巡检任务、巡检记录、巡检路径、缺陷管理、状态评估管理和导航管理等模块，其功能结构如图2所示。

1.2北斗智能巡检移动终端

智能巡检移动终端是智能巡检管理平台的延伸，其功能结构如图3所示，可通过接口模块的数据同步服务从管理平台下载事先生成的作业包，包括巡视要求、巡视标准、标准缺陷库、设备台账、状态评估信息等数据信息。该终端还包含北斗定位、缺陷处理专家系统、图形化巡视以及路径导航等功能模块。

图2　北斗智能巡检管理平台功能结构

图3　智能巡检终端功能结构

1.3数据通信传输

数据传输是指在移动终端和智能巡检管理平台之间的数据传输，可通过USB数据线线下传输或采用GPRS、3G或4G网络实现在线传输相关数据，通过两种数据传输方式实现在巡检过程中与信息管理平台系统的无缝对接。

2　关键功能模型

2.1野外路径导航

由于输电线路巡检环境比较偏僻，通常郊区和山区较多，目前市面上的地图提供的路径导航功能对象主要是城市内的主干线路，野外输电线路所在区域的路径导航功能还没有完全覆盖。为实现输电线路巡检野外导航功能，基于百度地图二次开发针对性的导航应用，通过获取输电线路区域的线路和杆塔等对象的地理数据信息，将其存入本地数据库中。对起始点定位10次以上，取多次定位。以平均值作为第一个点，并以第一个定位点作为基点进行轨迹描绘，如果接下来的定位点与上一次的定位点偏差较大，则不进行轨迹描绘。对每一次的定位进行多次调整和优化，最终把最优路线保存在本地数据库中，以供后续的输电杆塔巡检路径导航使用。定位轨迹算法流程如图4所示。

图4　定位轨迹算法流程

2.2图形化巡视

对杆塔进行分类，制成各类杆塔的准确模型图片，将模型图片中杆塔的主要元件设置为热点模块，并建立对应的缺陷库。在巡检过程中根据选定的杆塔类型显示此类杆塔的标准图形，点击主要部件，显示对应的缺陷库。只需点选该部件发生的缺陷状况，而不需要手动输入即可完成相应的巡检。图形化巡视流程如图5所示。

图5　图形化巡视流程

2.3巡检路径规划

传统输电线巡检路径规划多取决于领导意志，由有经验的巡检员制定巡检路径。这种依靠经验的方式存在很强的主观性，缺乏科学性，并且无法预判杆塔受到的风险因素。本系统采用数据挖掘技术和群智能优化算法，以杆塔发生风险概率和巡检时间为目标建立杆塔的风险模型[10]和路径规划模型。通过对输电线巡检路径进行科学规划，大大提高巡检效率。

2.3.1风险模型

输电杆塔风险概率[10-12]是规划输电线路巡检路径目标函数的参考指标，也是判断杆塔运行状态的一项重要数据。通过数据挖掘技术收集影响杆塔运行状态的因素以及对应数据，并对数据进行预处理，建立杆塔的风险模型并计算影响杆塔运行状态的相应因素的条件概率。对每个能够影响杆塔发生风险的因素用B1～B9表示，P为决策属性，表示杆塔的运行状态，初始决策系数表见表1。

表1　初始决策系数表

注：B1—输电杆塔所在区域的天气情况；B2—所在位置的杆塔地质情况；B3—杆塔温度；B4—杆塔的巡视周期；B5—杆塔投入运行时间：B6—杆塔的历史负荷；B9—杆塔的电压等级；P—杆塔运行状态。

通过对表1中的影响因子的风险系数进行量化处理，采用数据挖掘算法对数据进行计算，搭建杆塔发生风险的概率模型。由贝叶斯网络计算杆塔风险运行影响因素之间的信息，生成以Ip(Bi;Bj|B) (i,j=1,2,…,n)为弧的权重加权无向图的网络模型，如图6所示。通过该网络模型计算得出初始决策表中每个属性的条件概率，并通过概率计算得到杆塔的风险运行概率。

图6　风险模型结构

2.3.2路径优化

输电线路巡视路径模型是通过设定目标最优值使其达到最科学的巡视路径[13-15]，通常目标设为巡检时间最短。本文在该基础上考虑到部分杆塔位于山区、河谷，在巡检过程中可能需要长距离绕行，这势必会给巡检员带来大量的体力消耗。为此，结合杆塔之间的空间距离和杆塔巡检平均耗时建立巡检时间目标函数。同时，在巡检时间的基础上加入了杆塔风险概率作为路径优化的考虑因素。设巡检区域中有N个杆塔，由目标函数求出任意两个杆塔之间的巡检时间以及各杆塔的运行风险概率，同时要求每条巡视路径满足：要求区域巡检时间最短；所有杆塔不重复进行巡检；在一定情况下优先巡检风险较高的杆塔。则杆塔的时间目标函数

式中：Ti,i+1为一条巡检路径中两个相邻杆塔之间巡检时间目标值；ti,i+1、di,i+1分别为第i个杆塔到i+1个杆塔的平均巡检时间和空间距离。

输电线路巡检路径优化问题中同时考虑杆塔的巡检时间和杆塔风险概率，综合目标函数

式中：Fij为路径优化目标函数；D为未巡检杆塔数；Pi、Pi+1分别为杆塔i和i+1的风险概率；α、β为目标权系数。

为了迅速有效地完成巡检任务，在优化巡检路径过程中尽量保证优先检查杆塔运行风险可能性较高的输电线路杆塔，同时保证巡检花费时间最少。考虑以上两点，采用群智能优化算法优化两个目标。

3　系统实现

该系统采用JDK10的java开发巡检管理平台和数据通信接口，利用Eclipse平台搭建Android开发环境开发移动作业平台，系统的运行环境为安卓系统。

3.1工作任务管理模块

工作任务管理模块是对巡检员的巡检作业进行指导和管理的模块。巡检员通过该模块从管理平台下载巡检任务，包括：工作任务、工作地点、工作时间、工作表单、注意事项等。在巡检员执行任务时，打开巡视作业指导书，其中包括基本信息、作业准备、作业风险、作业过程和作业终结5个部分。

3.2路径导航模块

应用定位轨迹算法对杆塔巡检轨迹进行优化并保存在本地地图中，在执行巡检任务时巡检员按照此线路进行野外杆塔巡检作业。将系统中该功能模块在某山区进行模拟应用。优化后的线路轨迹说明该系统功能可以为巡检员提供很好的野外路径导航。

3.3图形化巡视模块

结合图形化操作界面、缺陷智能分析以及状态评估数据，进行智能巡检，利用热点部署算法在图片部件显示对应部件说明、标准缺陷库以及历史缺陷等参考信息，使系统具有一键式巡视功能。当巡检时没有发现异常，点击一下无异常按键就能完成巡视，若有异常，则点击图形对应的缺陷部件和缺陷库对应的缺陷类型即可。应用图形化巡视进行巡检能够减少巡检过程中杆塔信息和缺陷录入所消耗的时间，大大提高了巡检员巡检效率。

3.4缺陷管理模块

建立线路部件对象的缺陷库模型。在巡检时，通过缺陷管理模块对巡检过程中发现的缺陷进行缺陷填报、缺陷上传，并且该系统同时提供查看历史缺陷信息的功能。填报缺陷信息包括：设备名称、发现时间、缺陷类别、缺陷表象描述、严重等级以及缺陷现场照片等。当发现杆塔部件缺陷时，只需要在图形中点击对应缺陷杆塔的部件，根据对应该部件的缺陷库提示进行缺陷信息选择，新增缺陷信息，利用缺陷库选择简化了巡检员填报缺陷时繁琐的操作，也规范了对缺陷信息的描述。

4　系统优点

相比传统的巡检系统，本文设计的智能巡检系统具有以下优点：

a) 野外导航。该系统采用北斗定位系统现场录制巡检路径，同时具备动态实时修正并在关键节点增加提醒图片的功能。

b) 状态评估。巡视过程中通过北斗定位，当巡检员到达输电线或者杆塔的历史缺陷发生处附近时，智能巡检移动终端会提醒作业人员，显示此处发生的历史缺陷隐患，并进行智能化状态评估，有利于有针对性进行巡视。

c) 图形化巡视。应用图形化巡视能够更加直观地观察杆塔状况，巡检时能够减少巡检过程中杆塔信息以及缺陷隐患录入所消耗的时间，大大提高了巡检员的巡检效率。

d) 路径规划。考虑到杆塔发生风险概率和巡检时间，应用贝叶斯网络和群智能算法对巡检路径进行规划，为巡检员提供一条科学有效的巡检方案。

e) 实时反馈。在巡检过程中发现杆塔或输电线路发生严重故障时，可以通过智能巡检移动终端将故障实时传输到后台，经过后台处理后第一时间通知检修部门检修。

5　结束语

基于北斗定位技术的输电线路智能巡检系统针对传统输电线路巡检方式的缺陷，建立了野外路径导航模型和杆塔的风险模型并基于杆塔风险和巡检时间对巡检路经规划，可大大提高巡检员的巡线效率。对巡检中发现的缺陷、隐患进行分类并结合图形化巡视，可全面提高巡线工作质量和风险管控水平，使现场巡检人员将主要精力和时间用于线路本体的缺陷查找和隐患清查。该系统用简单的操作规范地记录发现的线路缺陷和隐患，并智能化进行杆塔的状态评估，从而大大提高线路的巡视效率和质量。

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(编辑查黎)

Design Research on Intelligent Inspection System for Power Transmission Lines

LAI Kui1, YAO Junyan1, MA Chengzhi1, ZHNEG Guangyong1, DING Yong1, MENG Anbo2, WEI Minglei2

(1. Jiangmen Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Jiangmen, Guangdong 529000, China; 2. Guangdong University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510006, China)

In allusion to problems of insufficient intelligent level, complicated and cumbersome operating process of traditional inspection system for power transmission lines and unstable signals in remote areas, this paper presents a kind of intelligent inspection system for power transmission lines based on Beidou positioning technology and artificial intelligence. In this system, a field path navigation model is established based on Baidumap , defects database for the tower is set up by using the expert system and a graphical inspection function model is established as well. Intelligent algorithm is used for planning on inspection path. In order to improve security and communication reliability, Beidou system is used for tower positioning and 3G /4G network is used for communicating with the management platform. This system is significant to improve inspection efficiency and reduce fault handling time.

Beidou positioning system; graphical inspection; field path navigation; transmission line patrol; path planning

2016-03-01

2016-05-10

广东省自然科学基金项目(S2013040013776)；广东省电网公司科技项目(0GDKJ00000009)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.07.021

TM 75

A

1007-290X(2016)07-0105-06

赖奎(1983)，男，江西赣州人。工程师，工学学士，主要从事信息技术应用等方面工作。

姚军艳(1978)，女，广东江门人。助理工程师，工学学士，主要从事电力工程建设等方面工作。

马承志(1985)，男，广东江门人。工程师，工学硕士，主要从事生产设备管理等方面工作。