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杭州海康威視數(shù)字技術(shù)股份有限公司王小峰，張洋，江智洲，金軼航

1 目標(biāo)和概述

1.1 面臨的挑戰(zhàn)

輸電線路是電網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分，是電能傳輸?shù)闹匾ǖ溃Ｕ陷旊娋€路穩(wěn)定運行至關(guān)重要。但輸電線路分布廣、線路長、長期暴露在自然環(huán)境中運行，不僅要經(jīng)受正常機械載荷和電力負荷的作用，而且還受到各方面外來因素的干擾，尤其是隨著城市的建設(shè)，施工現(xiàn)場越來越多，大型施工機械由于與附近線路安全距離不足，經(jīng)常造成導(dǎo)線放電引發(fā)停電和安全事故，這些隱患因素如不及時發(fā)現(xiàn)和消除，將會嚴重威脅電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行，對于電網(wǎng)用戶而言如何提高線路運維管理效率面臨著如下挑戰(zhàn)：

（1）傳統(tǒng)的輸電線路巡視多為步行巡視、乘車巡視、靠人現(xiàn)場蹲守的粗放型管理方法，每年投入大量人力和物力，但收效甚微；

（2）傳統(tǒng)巡視方式受人為因素的影響較大，在惡劣天氣條件下作業(yè)相當(dāng)困難，巡視質(zhì)量也差，容易導(dǎo)致線路隱患或缺陷不能及時處理；

（3）目前有些線路區(qū)段采用抓拍圖片AI識別方式，一定程度上提高了巡視效率，但AI識別有效素材采集難、模型開發(fā)成本高、模型迭代周期長、正確識別但無意義的報警多、處理報警工作量大等限制了邊緣計算在輸電場景的有效落地；

（4）電網(wǎng)用戶本身會對管轄的線路進行三維激光點云數(shù)據(jù)建模，用于線路數(shù)據(jù)建檔或無人機巡航，如何最大化利舊點云數(shù)據(jù)進行應(yīng)用創(chuàng)新和管理提升是電網(wǎng)用戶業(yè)務(wù)探索的一個重要方向。

1.2 總體方案概述

方案基于三維點云和視覺感知融合技術(shù)建立一套輸電線路智能巡視系統(tǒng)。系統(tǒng)集成AI模型管理組件和點云數(shù)據(jù)管理組件，打通AI訓(xùn)練平臺，在業(yè)務(wù)執(zhí)行過程中自動采集和標(biāo)注素材，上傳AI訓(xùn)練平臺進行模型訓(xùn)練迭代，升級的模型通過云邊協(xié)同架構(gòu)下發(fā)至對應(yīng)的邊緣計算3D測量感知設(shè)備，實現(xiàn)隱患目標(biāo)物檢測識別，并融合3D測量感知設(shè)備中對應(yīng)的線路點云模型數(shù)據(jù)，實現(xiàn)隱患目標(biāo)物安全距離測量應(yīng)用，自動標(biāo)識隱患風(fēng)險等級。同時結(jié)合多維傳感設(shè)備和信息化手段，實現(xiàn)從隱患智能發(fā)現(xiàn)、消缺任務(wù)下發(fā)和提示、現(xiàn)場處理反饋到隱患入賬的全流程管理，提升輸電線路設(shè)備狀況感知、外力破壞和環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警能力，提高線路精益化管理水平，確保電網(wǎng)線路安全穩(wěn)定運行。

本方案對比一體式雙目視覺測量、分體式多目相機測量、激光雷達測量等方案，在測量范圍、測量精度、實時性方面都比較均衡，在成本方面具有明顯優(yōu)勢，具備規(guī)模推廣和應(yīng)用的基礎(chǔ)。

1.3 方案主要目標(biāo)

（1）從運營角度

減少巡線的人力、交通成本投入，提升管理效率，降低巡線工作量，保障巡線真實性、全面性以及確保運維規(guī)范落地。

（2）從監(jiān)測角度

實時可視化地了解輸電線路運行狀況及線路運行架構(gòu)分布，快速檢索故障桿塔，有針對性地下發(fā)巡視任務(wù)，提高巡視效率，彌補人工巡檢及時性不足的問題，提高巡線的頻次，幫助發(fā)現(xiàn)線路隱患。

（3）從智能化角度

從事后取證分析到事前智能預(yù)警和風(fēng)險等級識別，智能分析所轄線路存在的隱患，形成數(shù)據(jù)池，輔助用戶全面分析線路運行狀態(tài)和隱患排查，提前做好防護措施和檢修計劃。

2 方案介紹

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖1為輸電線路智能巡視系統(tǒng)整體架構(gòu)圖，方案依照“數(shù)據(jù)管理全景化、運行狀態(tài)透明化、診斷決策智慧化及設(shè)備修復(fù)高效化”的設(shè)計思路，AI訓(xùn)練平臺發(fā)布初步模型到智慧線路管理平臺進行模型管理，管理模型版本和生命周期，平臺將配置完成的點云數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)發(fā)布至3D測量感知設(shè)備端，感知設(shè)備不斷采集對應(yīng)的隱患目標(biāo)素材，并上傳測量結(jié)果返回平臺，平臺根據(jù)測量結(jié)果和環(huán)境狀態(tài)對隱患目標(biāo)進行風(fēng)險等級劃分，并針對性下發(fā)工單，派遣運維人員處理隱患和歸檔操作，生成設(shè)備巡視報表、隱患庫、缺陷庫和設(shè)備臺賬庫，形成業(yè)務(wù)閉環(huán)，高效管理輸電通道環(huán)境異常狀態(tài)，減輕人員巡線工作量。采集的數(shù)據(jù)持續(xù)輸入AI訓(xùn)練平臺，不斷優(yōu)化算法模型精度，形成模型迭代閉環(huán)，提高算法模型更新效率。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2.2 硬件平臺

3D測量相機架設(shè)在輸電桿塔合適位置，相機采集線路通道場景的二維圖像，將激光雷達獲取的三維點云投影到二維圖像，形成能夠與單目圖像匹配的投影圖像，對投影圖像和單目圖像進行特征提取與校對，生成對應(yīng)配置文件，根據(jù)二維圖像豐富的顏色信息進行隱患目標(biāo)識別和提取，利用激光雷達與攝像機之間的變換關(guān)系推導(dǎo)出目標(biāo)在三維點云中對應(yīng)的點云塊，輸出隱患目標(biāo)的空間位置信息，從而幫助用戶測量目標(biāo)距離和區(qū)分隱患風(fēng)險等級。硬件邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件邏輯結(jié)構(gòu)

（1）自動測距

前端相機定時或?qū)崟r采集圖像，對圖像中的隱患目標(biāo)物進行3D測量，輸出隱患目標(biāo)物與輸電導(dǎo)線的最近距離，當(dāng)檢測出隱患目標(biāo)與導(dǎo)線的距離小于安全距離時，將測量結(jié)果上報至平臺端，平臺端進行報警等級自動劃分，啟動隱患處理流程。

（2）手動測距

用戶在平臺端選擇待測量的圖像，并在圖像中手動框選隱患目標(biāo)物，點擊測量即可對隱患目標(biāo)物進行3D測量，并將測量結(jié)果在平臺端進行展示。

（3）實際效果對比

通過手持掃描儀現(xiàn)場實地測量，與圖像融合三維點云進行3D測量系統(tǒng)計算結(jié)果進行比較，在取樣點中，最大誤差控制在1米以內(nèi)，較大程度滿足輸電線路通道隱患目標(biāo)物定位測距要求。3D融合測量效果與地面掃描儀測量數(shù)據(jù)對比如圖3所示。

圖3 測量數(shù)據(jù)對比

2.3 軟件平臺

智慧線路管理平臺基于統(tǒng)一軟件技術(shù)架構(gòu)，以組件化方式構(gòu)成產(chǎn)品，集成了消息中間件、數(shù)據(jù)庫服務(wù)、分布式緩存、應(yīng)用容器、事件分發(fā)、流媒體轉(zhuǎn)發(fā)、設(shè)備接入、存儲接入、短信接入、郵件接入等各類服務(wù)，由各個組件承載相關(guān)服務(wù)能力，提供平臺及支撐組件的各種功能需求。軟件平臺業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 平臺業(yè)務(wù)架構(gòu)

各層級電網(wǎng)公司線路監(jiān)控人員在監(jiān)控中心通過線路全景運行圖查看管轄范圍內(nèi)的輸電線路情況，包括基礎(chǔ)平臺信息、輸電線路地圖、各類數(shù)據(jù)統(tǒng)計信息、實時告警信息等，方便了解輸電線路整體的情況和具體線路桿塔的信息，對實時發(fā)生的告警進行處理，及時通知相關(guān)運維負責(zé)人員。線路全景運行圖如圖5所示。

圖5 線路全景運行圖

平臺核心應(yīng)用包括通道類應(yīng)用、本體類應(yīng)用、環(huán)境狀態(tài)類應(yīng)用、設(shè)備管理類應(yīng)用。

（1）通道類應(yīng)用

原有巡檢人員定期現(xiàn)場巡查的方案，巡視周期長，難以保證把隱患信息及時地傳遞給上位者；其次有人參與難免會出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致信息的失真，最重要的是無法保證人員確實是到指定位置巡查，稍有疏漏就容易引發(fā)無法預(yù)料的后果。因此，智能識別通道隱患成為重要的監(jiān)測手段。海康威視通過三維點云視覺融合的智能3D測量技術(shù)，提前預(yù)警通道隱患發(fā)生，平臺支持對告警進行詳情查看、告警處理、抓圖、查看視頻等操作，用戶遠程確認隱患、處理設(shè)備缺陷，告警信息推送給指定人員或者確認派工現(xiàn)場處理，平臺同時支持告警數(shù)據(jù)和報表的導(dǎo)出。3D測量告警界面如圖6所示。

圖6 3D測量告警

（2）本體類應(yīng)用

由于線路設(shè)備安裝位置的問題，無法進行高頻的巡檢，目前業(yè)務(wù)中一般巡檢周期是以季度、半年度來計算的，遠遠無法達到用戶預(yù)期。因此遠程設(shè)備本體巡檢應(yīng)運而生，主要針對線路本體設(shè)備（絕緣子串、均壓環(huán)、金具，塔頭、塔腿等）進行遠程的智能巡檢，用戶查看定時抓拍的線路設(shè)備照片，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷并進行處理。如圖7所示。

圖7 設(shè)備缺陷識別

（3）環(huán)境狀態(tài)類應(yīng)用

輸電線路處于野外，自然環(huán)境及氣候經(jīng)常發(fā)生變化，海康威視通過部署前端多維感知傳感設(shè)備，實時采集線路桿塔周邊溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、雨量等環(huán)境信息和趨勢變化，監(jiān)測異常氣候，預(yù)警線路覆冰、異常舞動等情況，為檢修計劃制定和檢修裝備配置提供參考依據(jù)。平臺支持通過桿塔資源樹查詢運維單位、線路或線路下桿塔上的微氣象信息和桿塔姿態(tài)信息，通過當(dāng)日、近7日、自定義時間的方式，展示溫度、濕度、降水量、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、光輻射強度、紫外線強度變化趨勢圖。

（4）設(shè)備管理類應(yīng)用

目前輸電場景很多裝置在線率低，發(fā)生缺陷時較多為線下處理，維修數(shù)據(jù)統(tǒng)計困難，難以評估各家廠商監(jiān)控裝置產(chǎn)品質(zhì)量，另外輸電設(shè)備缺陷的處理復(fù)核閉環(huán)時間長。海康威視設(shè)備資產(chǎn)臺賬對線路、桿塔、視頻圖像設(shè)備進行資產(chǎn)管理，監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)，實現(xiàn)設(shè)備從安裝、運行、維修、遷改到報廢的全生命周期線上管理，規(guī)范設(shè)備資產(chǎn)運行管理，提升設(shè)備在線率、可靠率和返圖率，方便運維人員導(dǎo)出設(shè)備運行報表進行周、月、季分析。

2.4 數(shù)據(jù)安全措施

前端統(tǒng)一通過VPDN/APN專線通道等接入路由器、防火墻，通過安全接入平臺的安全接入?yún)^(qū)、接入服務(wù)區(qū)進行安全認證接入并進行安全服務(wù)訪問，通過電網(wǎng)公司內(nèi)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供的安全應(yīng)用接口進行安全數(shù)據(jù)訪問。系統(tǒng)部署時，接入鏈路拓撲遵循接入網(wǎng)關(guān)——安全數(shù)據(jù)過濾系統(tǒng)——業(yè)務(wù)系統(tǒng)的方式。如圖8所示。

圖8 安全架構(gòu)

3 代表性及推廣價值

（1）運檢模式變革從原有人工巡檢模式轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄艿娜藱C協(xié)同模式，減少人員現(xiàn)場巡線工作量，降低人工成本和交通成本，故障搶修從人海戰(zhàn)術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榫珳?zhǔn)定位，極大提高巡檢效率。

（2）管理效率提升

增加人工可運維線路長度，人工現(xiàn)場巡視率降低，巡檢周期從原先定期巡檢轉(zhuǎn)變?yōu)槿旌驅(qū)崟r監(jiān)測，隱患故障從人工判別到智能決策，缺陷隱患處置率大幅提高，應(yīng)急響應(yīng)相比原有狀態(tài)更加迅捷。

（3）經(jīng)濟效益提升

降低線路運維整體費用，實現(xiàn)較高程度的以機代人，減少停電事故導(dǎo)致的經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)損失，有效避免人工巡檢不到位導(dǎo)致的故障隱患，保障電網(wǎng)供電可靠性，提升線路智慧運營水平。

摘自《自動化博覽》2022年2月刊