单人背包式全景技术在输电线路巡视中的应用
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国网江苏省电力公司徐州供电公司的研究人员张云飞，在2018年第4期《电气技术》杂志上撰文指出，现阶段输电线路巡视中通常利用车载全景采集平台，但车辆载体发生故障时全景数据的采集工作就无法顺利就行，并且像狭窄的胡同等车辆载体无法驶入的地方也无法采集全景数据，为解决当前车载全景采集平台的不足，本文提出了单人背包式全景采集方式。
实践表明，将由背负系统、能源系统、任务荷载设备、通信系统及PDA终端构成的单人背包式全景采集设备应用到输电线路巡视中，能够实现从大量图像信息中检测缺陷、自动告警、自动统计等功能，进一步提升巡检作业的信息处理和统计能力。
车载全景采集平台在输电线路巡视中发挥了重要的作用，给用户带来了照片级的真实感。但在输电线路巡视中，某些输电线路的杆塔位于湖泊或河流中，需要游泳或坐船方能到达杆塔下方。
某些输电线路的杆塔位于庄稼地中，夏秋季节地里的农作物繁茂，春秋灌溉季节杆塔周围是很深的泥水，这使得采集车无法到达而导致全景数据采集的失败[1-2]。虽然采用360°环绕拍摄也可以解决此问题，但此种方式效率低下而无法满足输电线路大量实时数据的采集。
作为一阵辅助的日常巡视手段，单人背包式全景技术在对特殊环境条件（如车辆无法到达的野外）和特殊时段（如小麦成熟时节）的输电线路巡视中具有显著优势，具体应用思路为：数据采集人员根据预先设定改好的采集路线，携带单人背包式全景采集设备至输电线路附近，利用摄像部分对设备画面进行采集，并将采集到的画面利用无线图像传输模块实时回传至后台管理系统，使后台管理系统的工作人员可以在第一时间全面掌握设备状态。
和车载全景采集平台相比，单人背包式全景技术在降低使用和维护费用、适合野外作业、安全系数高等方面具有显著的优势，因此不失为解决此问题的一种新思路。
1 基于单人背包式全景技术的输电线路巡视系统的结构
1.1 单人背包式全景采集设备的结构
单人背包式全景采集设备的结构如图1所示。
图1 单人背包式全景采集设备的结构
1）背负系统。能源系统、任务荷载设备及通信系统等都固定在背包架上，通过采用结构构件螺丝或焊接等方式来确保拍摄的稳定性。
2）能源系统。单人背包式全景采集设备的任务荷载设备、通信系统等都会消耗部分电能，实际操作中可以采用镍氢、镍镉及锂聚合物电池等作为能源系统。
3）任务荷载设备。任务荷载设备是根据单人背包式全景采集设备的具体巡线任务而搭载的设备，通常包括摄像部分、云台及红外仪器等。其中摄像部分要求能够对输电线路各部分的运行状态进行清晰采集，并且轻便灵活便于数据采集人员携带，对数码相机、数码摄像机和微型摄像头分别进行考察后（见表1），最终确定使用数码相机。
表1 三种摄像方案的对比
4）通信系统。采集到的全景数据，需要通过无线传输的方式传输到后台管理系统。按照传输信号的模式，无线传输系统可以分为如表2所示的两类，综合比对后，本文选择了模拟图像传输方式。
5）PDA终端。PDA终端实现的功能主要包括：①巡视人员登录输电线路巡视系统，对巡视任务和
表2 无线传输系统的对比
相关资料进行下载；②巡视人员对全部线路台账进行查询，例如当某条输电线路的某基杆塔被选中后，该杆塔的所有资料将显示；③对巡视人员的经、纬度位置信息进行记录，并在地图上进行显示；④将巡视人员的经、纬度位置信息与预置线路的坐标信息进行比对，确认其是否按时到达巡视现场；⑤巡视过程中，将缺陷记录、巡视记录及GPS坐标信息等实时上传到后台管理系统[3]。
1.2 基于单人背包式全景技术的输电线路巡视系统的结构
基于单人背包式全景技术的输电线路巡视系统主要由后台管理系统和单人背包式全景采集设备组成，其中单人背包式全景采集设备主要实现全景数据采集、标准化巡视、线路台账查询、巡视任务下载、巡视到位监督、巡视导航等功能。后台管理系统主要实现系统维护、台账管理、检测管理、缺陷管理及巡视管理等功能[6]。图2为基于单人背包式全景技术的输电线路巡视系统的结构示意图。
图2 基于单人背包式全景技术的输电线路巡视系统结构
单人背包式全景采集设备的设计已经在前文讲述，这里主要对后台管理系统进行介绍，表3为后台管理系统的模块功能。
表3 后台管理系统的模块功能
2 输电线路三维全景的制作过程
利用单人背包式全景采集设备，构建输电线路三维全景的过程如下：
1）全景数据采集。在采集全景数据前，数据采集人员需要对巡视线路及其周围环境进行充分调研，事先规划好拍摄路线并在采集图上进行标注。完成上述步骤后，数据采集人员携带单人背包式全景采集设备，按照规划好的拍摄路线采集全景数 据[4-5]。在采集全景数据的过程中，可能因单人背包式全景采集设备的晃动等造成虚焦、污点等现象，因此数据采集人员在采集过程中要尽量确保身体的平衡，并且采集完毕后对数据进行检查，一旦发现存在虚焦、污点等现象，就要重新进行数据采集。
2）图像拼接。在本文中，将采集到的全景数据通过球面投影后进行拼接，并对重叠区域加权融合后形成输电线路三维全景图（如图3所示）。
3 输电线路缺陷识别的实现
在巡视人员携带单人背包式全景采集设备对输电线路设备进行图像采集的过程中，由于拍摄角度、环境光线强度、巡视人员身体晃动等会对图像质量造成影响，并且拍摄距离和角度的不同可能会使同一设备出现不同的形状，因此会对输电线路的缺陷识别带来较大挑战。
本文中利用鲁棒性强且实用性好的图像处理算法来对此问题进行处理，具体流程如图4所示。
在巡视人员携带单人背包式全景采集设备对输电线路设备进行图像采集后，单人背包式全景采集
图3 全景图像的拼接
图4 输电线路缺陷识别的具体流程
设备的模拟图像传输模块将采集到的设备图像实时传输到后台管理系统。后台管理系统对接收到的设备图像进行接收、存储、分析和处理，一旦识别出某段线路出现缺陷，系统就将自动用醒目的记号在画面中进行标示并发出声光警报，提示工作人员进行处理。如果判断线路没有异常，那么仍然显示其目前的运行状态[7]。
在报警上报模式上，系统提供了两种方式：①短信报警上报方式，即系统将报警信息智能发送到相关工作人员的手机上，提示工作人员何处、何时发生了何种缺陷；②系统后台系统在线报警上报方式，即系统采用声光的方式对后端工作人员发出报警信息，提示后端工作人员及时进行查看和处理[8]。
为了考量输电线路缺陷识别的应用效果，下面举例说明：
1）玻璃绝缘子破损缺陷的识别
长期工作在比较恶劣的环节中，玻璃绝缘子难免会发生零值自爆等故障。由于玻璃绝缘子整齐排列且相互间的倾角一致，因此单个玻璃绝缘子发生零值自爆故障后，将使该组玻璃绝缘子轮廓序列出现明显的缺口，因此在线路巡视图像中会清晰显示。
基于此，将巡视人员携带单人背包式全景采集设备所拍摄的巡视图像转换到HSV空间，在H空间提取并绘制直方图，在H空间以0.55位阈值进行二值化处理，得到玻璃绝缘子的二值图像。如果玻璃绝缘子发生零值自爆故障，那么在二值图像中就会出现一个非常明显的凹糟[9]。
当系统识别出玻璃绝缘子发生破损时，会对其自动进行标注并发出警报。如果工作人员想要对绝缘子的具体故障及发生位置进行查看，那么可以选中带有缺陷标注的图进行放大。
2）导线散股、断股的识别
作为输电线路的常见故障，导线散股、断股的识别对于确保输电线路的正常运行至关重要。一般而言，在巡视人员携带单人背包式全景采集设备所拍摄的巡视图像中，可以采取如下方法进行导线散股、断股的识别：对经过预处理的巡视图像进行膨胀和腐蚀，对孤立的噪声点进行消除；通过直线拟合图中的点获得输电线路的中心线，以拟合得到的输电线路中心线为标准计算方差，如果方差较大，那么意味着发生了导线散股、断股的故障。
此外，也可以通过经验阈值的设定来判断导线是否发生了抛股故障（图5为导线散股的识别效果）。
图5 导线散股的识别效果
4 结论
根据车载全景采集平台在输电线路巡视应用中的不足，本文提出了基于单人背包式全景技术的输电线路巡视方法。
通过将巡视人员携带单人背包式全景采集设备所拍摄的巡视图像传输到后台管理系统，后台管理系统可以生成输电线路三维全景图，当某段线路出现缺陷时，系统将自动用醒目的记号在画面中进行标示并发出声光警报，提示工作人员进行处理，从而进一步提升巡检作业的信息处理和统计能力。此外，系统还可以对巡视人员的巡视到勤率等进行统计。