基于边缘信息融合的输电线路防外破监测系统研究与应用_方刚.pdf

第 46 卷 第 1 期2023 年 2 月电 子 器 件Chinese Journal of Electron DevicesVol.46No.1Feb 2023项目来源:国网江苏省电力有限公司科技项目(J2020051)收稿日期:20211010修改日期:20211209esearch on Monitoring System for Transmission Lines AgainstExternal Damage Based on Edge Information Fusion*FANG Gang1，PING Xueliang1，WANG Mingmin2，WANG Wenrui3*，ZHENG Jinping2，QIAN Lei1(1State Grid Wuxi Power Supply Company，Wuxi Jiangsu 241000，China;2State Grid Jiangsu Electric Power Co，Ltd，Nanjing Jiangsu 210009，China;3Shanghai Advanced esearch Institute，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 201120，China)Abstract:Aiming at the problems of power grid accidents and personnel accidents caused by accidental touching of high-voltage trans-mission lines for the large engineering vehicles during the construction process，through data fusion of power frequency electric field sen-sor，lidar，and binocular vision ranging system based on edge computing，a transmission line anti-external damage monitoring device isdeveloped，a transmission line anti-external damage monitoring platform and mobile application program are also developed，and on-siteapplication verification is carried out This system provides a new technical means for preventing external breakage of transmission linesIt can effectively improve the intelligent level of transmission line safety management and control，and has high application value andgood social promotion valueKey words:transmission lines;edge computing;data fusion;lidar;binocular visionEEACC:7220;8130Hdoi:103969/jissn10059490202301035基于边缘信息融合的输电线路防外破监测系统研究与应用*方刚1，平学良1，王铭民2，王文瑞3*，郑金平2，钱磊1(1国网江苏省电力有限公司无锡供电分公司，江苏 无锡 24100;2国网江苏省电力有限公司，江苏 南京 210009;3中国科学院上海高等研究院，上海 201120)摘要:针对大型工程车辆施工过程中误碰高压输电线路造成电网事故和人员事故的问题，基于边缘计算对工频电场传感器、激光雷达、双目视觉测距系统进行数据融合，研制了输电线路防外破监测装置，开发了输电线路防外破监控平台和移动终端应用程序，并进行了现场应用验证。该系统为输电线路防外破提供了新的技术手段，能够有效提高输电线路安全管控的智能化水平，具有很高的应用价值和良好的社会推广价值。关键词:输电线路;边缘计算;数据融合;激光雷达;双目视觉中图分类号:TM773文献标识码:A文章编号:10059490(2023)01021008输电线路在电网中起重要作用，近年来，随着国家基础设施建设的快速发展，居民和企业对用电的需求日益增长，为了保障高质量的电能输送，需要建设大量的高压输电线路12。输电线路具有点多、面广、线路长的特点。过去输电线路的维护主要靠人工巡视的方式，维护工作量大，人员需求量多、危险性高34。随着智能电网建设的不断推进，基于4G 网络、WiFi 等无线通信技术的远程监控系统在输电线路上逐渐推广，基于无人机的电力线路安全巡检在各个地市公司也得以推广和应用5，这些技术大大提高了线路巡检和安全管控的效率，但是在输电线路防外破方面还存在一些不足:视频监控系统覆盖范围有限，需要人员对监控画面进行查看，容易出现遗漏和异常事件;无人机飞行时间有限，同时无人机操控需要专业人员，难以实现全天候对所有线路进行监控。因此，需要研究新的技术手段来减少输电线路外力破坏事故的发生。近年来，国内外一些高校、科研院所和企业基于新型传感器技术、人工智能技术、物联网技术等新一代信息技术对输电线防外破进行研究。文献 6 基于图像识别技术，采用 YOLOv4 算法对输电线路的外破隐患进行识别;文献 7基于深度学习模型CNN-VM 对输电线路杆塔的外破振动进行识别;文献 8 研制的基于磁场测量的架空输电线防外破监控系统，实现了大型车辆对输电线路外破的预警;文献 911 基于机器视觉对运动目标进行检测，实第 1 期方刚，平学良等:基于边缘信息融合的输电线路防外破监测系统研究与应用现了大型工程车辆施工过程中输电线路防外破报警。文献 12基于工频电场传感器研制的输电线路防外破预警系统，实现了对吊车等大型工程车辆对输电线路外力破坏的实时预警;文献 13 将基于前景杆塔识别的精准复拍方法应用在无人机电力巡检中，实现了无人机位置和相机姿态出现较大偏差时的精准调整，提高了无人机在输电线防外破应用中拍摄图像的准确性。以上方法主要采用单一的检测传感器对输电线路、杆塔进行防外破监测和预警，难以保障监测的准确性和可靠性。针对上述问题，提出基于双目视觉、激光雷达、工频电场传感器和北斗定位的多源信息融合的输电线路防外破监测系统。该系统主要应用在吊车、泵车等工程车辆上，对其施工过程进行防外破监测，监测数据通过 4G 网络发送到远程服务器，通过移动终端和监控平台查看防外破预警信息。1系统架构设计基于多源信息融合的输电线防外破监测系统将双目视觉测距、激光雷达测距、工频电场测距在边缘侧进行信息融合获取装置与输电线路的距离数据。通过高精度北斗定位将输电线路地理信息数据、线路架设方式、线路电压等级、输电线路安全距离报警模型和传感所测得的装置与线路的距离进行边缘计算，从而判断出装置是否在输电线路的安全距离以内，实现输电线路防外破监测与预警。该系统包括安装在吊车臂上的监测装置、远程服务器、移动终端应用程序、监控平台。其中监测装置集成双目视觉传感器、激光雷达传感器、工频电场传感器、高精度北斗定位模块、4G 通信模块等，其系统架构如图 1 所示。图 1系统架构输电线防外破监测装置安装在吊车臂的顶端，其结构上固定双目测距模块、激光雷达传感器和工频电场传感器，通过工频电场可以判断出吊车是否在输电线路附近施工，当吊车在输电线路附近施工时，输电线防外破监测装置上运行的目标检测算法和边缘检测算法提取到双目测距模块拍摄的输电线路在拍摄照片中的位置，并在其深度图像中提取到其距离数据。激光雷达传感器获取到其测量范围内的三维点云数据，利用双目视觉提取的输电线路的位置从激光雷达的三维点云数据中提取到输电线路的距离数据。工频电场传感器根据不同电压等级的电场与距离的关系获取到监测装置与输电线路的距离。在考虑传感器测量误差、外界干扰等因素的情况下，基于多源信息融合的方法，对三种传感器的距离数据进行融合和加权平均，得到监测装置与输电线路相对准确的距离数据，并将测量到的距离数据和位置数据上报到远程服务器，通过移动终端运行的应用程序将监测装置的位置与输电线路的架设方式、电压等级等进行配置，并设定施工作业的安全距离，实现吊车作业过程中吊臂进入到输电线路安全距离范围内的实时预警。远程服务器主要用于接收监测装置上报的设备状态、距离、位置等数据，并提供监控平台和移动终端应用程序的数据接口。移动终端主要实现对监测装置的状态查看、报警提醒等功能，可以通过 4G 网络与远程服务器连接获取数据，同时支持直接与监测装置进行连接获取相关的数据。图 2硬件架构2输电线防外破监测装置输电线防外破监测装置采用模块化设计，主要包括:核心处理器、内存、存储、外设接口、WiFi、以太网口、4G 模块、北斗定位模块和供电模块等。硬件架构如图 2 所示。核心处理器采用英伟达公司的 Jetson 平台，包括 4 核 AM A57 CPU 和 128 核 Maxwell 架构的GPU14。其中 CPU 主要负责边缘端应用程序，GPU主要用于边缘计算算法加速。内存采用 4GB LPD-D4，存储包括 16GB eMMC 和 128GB SSD 硬盘。外设接口包括 USB 和串口，主要用于与传感器之间的数据交互。WiFi 模块主要用于装置离线时与移动终端直接连接。供电模块为系统提供所需的12 V、5 V、33 V 电压，同时支持太阳能充电和电源112电子器件第 46 卷适配器充电。充电芯片采用 TI 公司的 BQ24610 芯片，该芯片是高集成度的锂电池充电控制器，充电电压范围为 5 V28 V，能够满足系统 12 V 锂电池供电的需求。充电模块原理图如图 3 所示。图 3充电电路4G 模块和北斗定位模块采用江苏省电力试验研究院研制的公专一体通信模块，便于装置接入电力内网服务器。该模块支持电力 4G 专网和 4G 公网，具有高精度北斗定位模块，能够实现厘米级高精度定位和本地授时，通过安全 TF 卡加密数据传输和 VPN 通道实现监测装置快速接入电力内网。该模块通过以太网口与核心处理器进行数据交互。供电模块为监测装置各个模块提供所需的电能。图 4 左图为监测装置的实物图，通过右图中的辅助结构固定在吊车臂顶端。图 4监测装置和安装结构实物图3输电线路防外破监测传感器原理输电线路防外破监测装置上的传感器包括双目视觉测距传感器、激光雷达传感器和工频电场传感器，下面对各个传感器的原理和功能进行介绍。31双目视觉测距传感器基于视觉传感器进行测距不但能够满足测距的需求，还可以基于机器学习算法对视觉图像进行目标识别，从而能够实现对特定目标的识别和测距。双目视觉测距的原理是基于双目成像过程中双目所拍摄的物体在摄像头视野中的位置不一致，从而可以通过位置偏差引起的投影偏差对视野范围内的物体进行距离计算1516。双目视觉测距系统中摄像头的放置方式有平行式和会聚式两种，本文选用的双目测距系统采用平行的方式放置摄像头，两个摄像头的光轴相互平行，在距离摄像头相同距离所拍摄的图像共面1719。双目视觉成像模型如图 5 所示。图 5双目视觉测距模型图 5 中双目视觉测距系统的左右摄像头性能及参数完全相同，摄像头的焦距为 f;OL和 O模拟人212第 1 期方刚，平学良等:基于边缘信息融合的输电线路防外破监测系统研究与应用的左右眼，表示左右摄像头的光学中心位置;两者之间的距离 b 为基线;以左侧摄像头光学中心为原点建立三维坐标系 xyz，左右摄像头在 x 轴上，摄像头拍摄的物体在 z 轴方向;P 为实际拍摄图像中的被侧目标点，其在左右摄像头的成像平面上的投影点为 pL和 p;xpL和 xp为