CN110986787A - 基于点云数据的变电站支撑式管母形变预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于点云数据的变电站支撑式管母形变预警方法。一种基于点云数据的变电站支撑式管母形变预警方法，包括：采集管母***点云数据；根据点云数据创建圆柱；获取圆柱断面的特征点；连接各个特征点创建管母轴线的折线段；测量计算折线段的挠度值、长度值和两端间距；根据折线段的挠度值、长度值和两端间距判断管母的形变是否超出形变阈值，若是则发出预警信号。上述方法解决了传统方法无法准确测量弯曲管母的长度和挠度的问题，同时所述通过折线段逼近弯曲管母轴线的方法，可以控制折线段长度以适应不同直径的管母测量需求，具有测量简便、预测结果精度高的特点。

Description

基于点云数据的变电站支撑式管母形变预警方法

技术领域

本发明涉及变电站维护技术领域，特别是涉及一种基于点云数据的变电站支撑式管母形变预警方法。

背景技术

变电站支撑式管母***一般暴露在室外，其安全状态受外界因素与自身形态影响。合适的空间姿态将有助于提高支撑式管母***的安全性能，但受安装质量或后期状态变化出现一定程度的偏差缺陷，比如管母挠度过大，出现较大的形变对下方支撑结构产生较大的作用力甚至出现不可逆转的塑形形变，威胁着变电站管母***的结构安全。因此对变电站支撑式管母进行形变预警具有重要的工程应用价值。通常测量正常管母长度的方法为测量管母封端球球心距来作为管母长度，而在变电站支撑式管母***中，管母常由于外界因素呈曲线状态，因此采用测量正常管母的长度的测量方法所得到的管母长度以及挠度误差较大，无法用于实际管母形变预警应用中。

发明内容

基于此，有必要针对通常方法无法准确测量变电站支撑式管母的长度和挠度以至无法准确对支撑式管母进行形变预警的问题，提供一种基于点云数据的变电站支撑式管母形变预警方法。

一种基于点云数据的变电站支撑式管母形变预警方法，包括：

采集管母***点云数据；

根据所述点云数据创建圆柱；

获取圆柱断面的特征点；

连接各个所述特征点创建管母轴线的折线段；

测量计算所述折线段的挠度值、长度值和两端间距；

根据所述折线段的挠度值、长度值和两端间距判断管母的形变是否超出形变阈值，若是则发出预警信号。

在其中一个实施例中，所述根据所述折线段的挠度、长度和两端间距判断管母的形变是否超出形变阈值，若是则发出预警信号的步骤包括：

将所述挠度值与所设定的第一阈值进行比较，当所述挠度值与所述第一阈值的差值的绝对值小于所设定的第二阈值时，构建形变参数，所述形变参数为所述折线段的两端间距与所述折线段的长度值的比值；

将所述形变参数与所设定的第四阈值进行比较，当所述形变参数小于所述第四阈值时，判断管母形变出现安全隐患，发出预警信号。

在其中一个实施例中，所述根据所述折线段的挠度、长度和两端间距判断管母的形变是否超出形变阈值，若是则发出预警信号的步骤还包括：

当所述挠度值与所述第一阈值的差值的绝对值大于所设定的第二阈值时，将所述挠度值与所设定的第三阈值进行比较；

当所述挠度值大于所述第三阈值时，判断管母形变出现安全隐患，发出预警信号。

在其中一个实施例中，所述第四阈值的设置方法为：

其中a₀为所述第四阈值，L所述折线段的长度值，Y_max为所述第三阈值。

在其中一个实施例中，所述第三阈值为所测量的管母的半径。

在其中一个实施例中，所述第二阈值为所述采集管母***点云数据的步骤中，所使用的测量工具的测量精度数值的b倍，其中1≤b≤10。

在其中一个实施例中，所述根据所述点云数据创建圆柱的步骤包括：

去除所述点云数据中待测部位多余噪点；

筛选出消噪后的点云中曲率小于所设定的阈值的点；

根据筛选出的点创建所述圆柱。

在其中一个实施例中，所述获取圆柱断面的特征点的步骤包括：

设置一定采样间隔；

按照所述采样间隔对所述圆柱进行若干次切片；

获取切片后得到的若干个圆柱切片的端面作为所述圆柱断面；

获取每个所述圆柱断面的圆心作为特征点。

在其中一个实施例中，所述采样间隔的设置范围不超过2倍圆柱直径。

在其中一个实施例中，所述测量所述折线段的挠度和长度的步骤之前还包括：

测量相邻折线段之间的夹角，当所述夹角小于设定阈值时，则判断所述相邻折线段的交点为坏点；

删除坏点，重新创建管母轴线的折线段。

上述基于点云数据的变电站支撑式管母形变预警方法，通过结合微分的工程数学思想，以多点构建折线段逼近弯曲管母轴线的方式获取管母的轴线，并以此计算弯曲管母的长度以及挠度，解决了传统方法无法准确测量弯曲管母的长度和挠度的问题，同时所述通过折线段逼近弯曲管母轴线的方法，可以控制折线段长度以适应不同直径的管母测量需求，具有测量简便、预测结果精度高的特点。

附图说明

图1为一实施例中基于点云数据的变电站支撑式管母形变预警方法流程示意图；

图2为创建折线段方式示意图；

图3为管母轴线折线段长度、挠度和两端间距测量示意图；

图4为波浪形管母的外形结构示意图；

图5为形变参数临界值计算示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施方式。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本申请的公开内容理解的更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。

本公开采用工程数学中微分的思想，结合点云数据处理的方法，通过多点构建折线段逼近弯曲管母轴线的方式获取管母的轴线，具体地，参见图1，图1为一实施例中基于点云数据的变电站支撑式管母形变预警方法流程示意图，如图1所示，本公开的实施方法具体包括如下步骤：

步骤102，采集管母***点云数据。

管母***一般由若干管母构成，根据所要测量的管母***的实际地理位置与外形形貌，采用激光雷达扫描这一非接触式方法获取待测管母***的点云数据。

具体地，由于激光雷达的单次单点扫描只能获取以激光雷达所在位置为投影中心的相应投影平面上的点，因此仅靠单次单点扫描是无法完整获取待测物体的完整点云数据的，故需要设置合适的激光雷达扫描仪工作模式，并选择足够数量的不同位置的扫描位点对待测管母***进行扫描，以保证能够获得完整的待测管母***的外形点云数据；获取在不同扫描位点进行扫描所得到的待测管母***的局部点云数据。所获得的点云数据包括在各个扫描点测得的待测管母***点的相对空间坐标信息如笛卡尔坐标系位置或球坐标位置，所获得的各个点云数据的坐标系的坐标原点可以是各自对应的扫描位点。

步骤104，根据所述点云数据创建圆柱。

具体地，因外界因素干扰以及激光雷达扫描仪本身的限制，需要对所获得的各个点云数据进行消噪，去除点云数据中待测部位即管母***位置的多余噪点，提高点云数据的质量。

进一步的，在对点云数据进行消噪后，可以根据需要，去除点云数据中曲率过大的点，即筛选出消噪后的点云数据中曲率小于一定值的点；因为理想管母***的模型为圆柱体，故圆柱轴线本身是直线，其曲率为0，而对于发生弯曲的管母***，因在足够小的尺度内，可以认为其轴线曲率也趋近0，所以采用曲率较小的点创建的轴线能够更加贴近实际的管母轴线，有利于减小误差，因此在一个实施例中，步骤104包括：去除所述点云数据中待测部位多余噪点；筛选出消噪后的点云中曲率小于所设定的阈值的点。

根据筛选出的点来创建圆柱，具体的，在对点云数据进行处理以创建圆柱时，由于得到的各个点云数据是激光雷达扫描仪在不同位点对待测管母***所扫描得到的待测管母***的一部分数据，因此各个点云数据只具有完整管母的一部分点，且都具有自己相对的局部空间坐标系，因此，对各个点云数据的空间坐标进行拼接，将不同位点扫描得到的多个点云数据拼合在同一坐标系内，得到完整的管母外形的点云数据，并进行拟合，以创建管母圆柱。

步骤106，获取圆柱断面的特征点。

所创建出的圆柱只模拟了待测管母的外表面，而对管母的形变进行预警还需要得到管母的内部轴线，因此需要获取圆柱断面的圆心作为特征点以建立管母轴线模型。

在一个实施例中，获取圆柱断面的特征点的步骤包括：设置一定采样间隔；

按照所述采样间隔对所述圆柱进行若干次切片；

获取切片后得到的若干个圆柱切片的端面作为所述圆柱断面；

获取每个所述圆柱断面的圆心作为特征点。

具体地，为了获取圆柱断面的圆心作为特征点，根据需要设置一定的采样间隔，用以确定对已有点云数据采集样本特征点的采样频率以及采集数量。理论上，只要采样间隔设置得足够短，对于管母轴线的拟合就能够无限趋近，但是实际操作过程中，由于测量工具和点云测量***本身的局限性，采样间隔的设置会受到一定的限制：如果设置的采样间隔过长，则会由于待测管母本身已经发生形变，导致所采集的特征点偏差较大；而如果设置的采样间隔过短，则会由于数据点不足，降低所采集的特征点的可靠度。因此在一个实施例中，对采样间隔的设置不超过两倍所创建的圆柱的直径。

按照所设置的采样间隔，对所建立的圆柱进行若干次切片，直至将整个圆柱切割完毕。在一个实施例中，可以选择所获得的圆柱的任意一个端面作为切割基准面，其余切割平面均与切割基准面平行，然后从这个端面开始，向着与切割平面基准面垂直的直线方向每经过一个采样间隔的距离，就对圆柱进行一次切割，直至切割完整个圆柱。

切割完圆柱以后，得到若干个圆柱切片，上述圆柱切片为若干个圆柱，其表现为：圆柱的侧面有数据，而圆柱的端面只有边缘有数据，即圆柱端面为一个有数据的圆环。将这个圆环视作圆柱断面，获取每个圆柱断面的圆心作为特征点。在其中一个实施例中，获取每个圆柱断面的圆心的方式为：随机选取圆柱断面的边缘上的三个不同的点，将这三个点视为在圆上的点，计算其所对应的圆及其圆心，并重复若干次上述步骤，得到若干个圆心，对这若干个圆心进行拟合，计算出最恰当的点作为当前这个圆柱断面的圆心。

步骤108，连接各个所述特征点创建管母轴线的折线段。

参见图2，图2为一实施例中创建管母轴线折线段的步骤示意图，如图2所示，将所获得的各个特征点依次顺序连接，获得管母轴线的折线段作为管母轴线的拟合，图中A₁、A₂、A₃、A₄等为对各个特征点的依次编号，以利于后续测量计算过程的高效进行。可以理解的，在创建管母轴线的折线段的过程中，并非所有的特征点都一定是合格的特征点，一旦出现坏点，可能严重影响所创建的管母轴线折线段的拟合精度。因此在一个实施例中，在创建管母轴线的折线段之后，测量折线段的相关数据之前，对所创建的管母轴线的折线段的任一相邻两折线段之间的夹角进行测量，当测量到这个夹角小于所设定的阈值的时候，就判断此相邻两折线段的交点为坏点，并删除坏点，重新创建管母轴线的折线段，重复上述步骤若干次，以提高管母轴线折线段对真实管母轴线的拟合精度。

步骤110测量计算所述折线段的挠度值、长度值和两端间距。

参见图3，图3为一实施例中对管母轴线折线段的挠度值、长度值和两端间距计算示意图，如图3所示，针对已得到的对管母轴线的拟合轴线即管母轴线的折线段，测量其每一个线段的长度并线性相加，得到管母轴线的总长度。计算方式为：

式中L为管母轴线的总长度，X_i、Y_i、Z_i分别为某一特征点的笛卡尔坐标系空间坐标，X_i+1、Y_i+1、Z_i+1分别为相对上述的特征点的下一个相邻特征点的笛卡尔坐标系空间坐标。

同时连接管母轴线的折线段的首尾特征点，视为理想状态下的管母轴线，并计算各个圆柱断面特征点相对于理想状态下管母轴线的挠度值。计算方式为：

式中

为A₁点到A_i点的长度，

为利用矢量运算计算得到的A₁A_iT线段的长度，其中A_iT为过A_i点作A₁A_N的垂线与A₁A_N的交点，y即为计算得到的管母在A_i点的挠度。

此外，还需要计算折线段两端间距，计算方法为：

式中X_i、Y_i、Z_i分别为折线段一端点特征点的笛卡尔坐标系空间坐标，X_i+1、Y_i+1、Z_i+1分别为折线段的另一端点特征点的笛卡尔坐标系空间坐标，d即为计算得到的折线段两端间距。

步骤112，根据所述折线段的挠度值、长度值和两端间距判断管母的形变是否超出形变阈值，若是则发出预警信号。

将得到的管母轴线的折线段的挠度值、长度值与所设定的挠度阈值、长度阈值等形变阈值进行比较，如果超过，则判断管母的形变已超过安全范围，相应地发出预警信号。

对于形变的判断，最直接的方法是判断挠度值是否超出安全范围，由于在管母变形程度较大或者较低的时候，所测量得到的挠度值会与所设定的挠度安全阈值差距较大，直接进行判断方便快捷且准确度较高，因此在一个实施例中，步骤112包括：将所述挠度值与所设定的第一阈值进行比较，当所述挠度值与所述第一阈值的差值的绝对值大于所设定的第二阈值时，将所述挠度值与所设定的第三阈值进行比较；当所述挠度值大于所述第三阈值时，判断管母形变出现安全隐患，发出预警信号。

具体地，第一阈值为所设定的判断值，通过与第二阈值进行配合，来检测所测得的管母轴线的折线段的挠度值是否远大于或远小于第一阈值，进一步的，如果是远大于或远小于，则将所测得的挠度值直接与所设定的形变安全阈值即第三阈值进行比较，当所测得的挠度值大于第三阈值时，即判断管母形变超出安全范围，并相应地发出预警信号。在一个实施例中，第三阈值的数值为所测量的管母的半径。在另一个实施例中，第二阈值的数值大小与测量点云数据所用的测量工具的测量精度有关，为测量精度的b倍，一般有：1≤b≤10，以合理评估挠度值是否远大于或远小于第一阈值。

上述实施例中的方法可以有效对应管母形变程度较大或者较小时的情况，且兼有判断准确度高，判断方法简洁的特点。但对于管母变形并非较大或较小时，情况则有所不同，参见图4，图4为波浪形管母外形结构示意图，如图4所示，对于实际的变电站支撑式管母***，一段长管母往往由多组支柱进行支撑，在支柱不能严格等高、外界环境影响等因素的作用下，管母形状往往呈现波浪形而非简单的单拱形。理论分析可知，在测量到同样大小挠度值的情况下，波浪形的管母必然要比单拱形的管母应变或应力值大，而前述测量方法是将管母简单视作单拱形管母，当所测得的管母挠度接近于所设定的安全阈值时，如果仅采用上述实施例中的判断方法，很有可能出现虽然判断管母形变未超过形变安全阈值，但管母实际上已具有安全隐患的情况，因此当管母挠度接近于所设定的形变安全阈值时，忽略管母形状而只关注管母的最大挠度值的方式是不够准确的。

为了合理准确的判断管母挠度接近于所设定的形变安全阈值时的形变是否安全，在一个实施例中，步骤112还包括步骤：当所述挠度值与所述第一阈值的差值的绝对值小于所设定的第二阈值时，构建形变参数，所述形变参数为所述折线段的两端间距与所述折线段的长度值的比值；将所述形变参数与所设定的第四阈值进行比较，当所述形变参数小于所述第四阈值时，判断管母形变出现安全隐患，发出预警信号。

具体地，在运用第一阈值、第二阈值判断出所测得的管母轴线的折线段的挠度值接近第一阈值时，构建新的参数a＝d/L作为形变参数，其中d为管母轴线折线段的两端间距，L为管母轴线折线段的长度值，易知有a≤1，特别的，当管母发生形变时，有a<1，且a的值越小，代表管母发生形变的程度越大。因此，对于一段确定的管母，存在一个形变参数临界值a₀，使得：当a≥a₀时，判断对任意形状的管母，管母变形始终处于安全范围；当a<a₀时，判断管母变形超出安全范围。在构建好所测量管母的形变参数后，将形变参数与所设定的形变参数临界值即上述步骤中的第四阈值进行比较，当形变参数小于形变参数临界值时，判断管母形变超出安全范围，并相应地发出预警信号。

参见图5，在一个实施例中，形变参数临界值亦即第四阈值的设置方法为：

其中a₀为所述第四阈值，L所述折线段的长度值，Y_max为所述第三阈值。具体地，在同样挠度值的前提之下，单拱形管母的两端间距值d要比波浪形管母的大，因此形变参数临界值a₀就是满足挠度值Y等于形变安全阈值的单拱形管母所具有的形变参数a的值，因此可通过将所测量管母视为单拱形管母并借助相关参数计算出一个合理的形变参数临界值a₀，同时为了留出一定的安全裕度，对形变参数临界值a₀按照一定方式进行计算。参见图5，图中d为管母的两端间距值，L为近似管母即折线段，Y_max为管母的挠度值，其数值大小等于形变安全阈值，X为从最大挠度值处向所述管母两端间距直线所作的垂线段的垂点，与管母一端端点的连线。则a₀的计算方式为：

X的长度值在0到d的范围，a₀是一个关于x的函数，故可求得上式的最大值为：

即为所求得的形变参数临界值a₀。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于点云数据的变电站支撑式管母形变预警方法，包括：

采集管母***点云数据；

根据所述点云数据创建圆柱；

获取圆柱断面的特征点；

连接各个所述特征点创建管母轴线的折线段；

测量计算所述折线段的挠度值、长度值和两端间距；

根据所述折线段的挠度值、长度值和两端间距判断管母的形变是否超出形变阈值，若是则发出预警信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述折线段的挠度、长度和两端间距判断管母的形变是否超出形变阈值，若是则发出预警信号的步骤包括：

将所述挠度值与所设定的第一阈值进行比较，当所述挠度值与所述第一阈值的差值的绝对值小于所设定的第二阈值时，构建形变参数，所述形变参数为所述折线段的两端间距与所述折线段的长度值的比值；

将所述形变参数与所设定的第四阈值进行比较，当所述形变参数小于所述第四阈值时，判断管母形变出现安全隐患，发出预警信号。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述折线段的挠度、长度和两端间距判断管母的形变是否超出形变阈值，若是则发出预警信号的步骤还包括：

当所述挠度值与所述第一阈值的差值的绝对值大于所设定的第二阈值时，将所述挠度值与所设定的第三阈值进行比较；

当所述挠度值大于所述第三阈值时，判断管母形变出现安全隐患，发出预警信号。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第四阈值的设置方法为：

其中a₀为所述第四阈值，L所述折线段的长度值，Y_max为所述第三阈值。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第三阈值为所测量的管母的半径。

6.根据权利要求2至5中任意一项所述的方法，其特征在于，所述第二阈值为所述采集管母***点云数据的步骤中，所使用的测量工具的测量精度数值的b倍，其中1≤b≤10。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述点云数据创建圆柱的步骤包括：

去除所述点云数据中待测部位多余噪点；

筛选出消噪后的点云中曲率小于所设定的阈值的点；

根据筛选出的点创建所述圆柱。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取圆柱断面的特征点的步骤包括：

设置一定采样间隔；

按照所述采样间隔对所述圆柱进行若干次切片；

获取切片后得到的若干个圆柱切片的端面作为所述圆柱断面；

获取每个所述圆柱断面的圆心作为特征点。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述采样间隔的设置范围不超过2倍圆柱直径。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量所述折线段的挠度和长度的步骤之前还包括：

测量相邻折线段之间的夹角，当所述夹角小于设定阈值时，则判断所述相邻折线段的交点为坏点；

删除坏点，重新创建管母轴线的折线段。

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