CN116520287A - 一种电力线安全距离动态监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力线安全距离动态监测方法及装置，该方法包括以下步骤：获取电力线激光点云图像中的电力线特征以及坐标；获取作业人员的三维坐标；基于电力线特征以及坐标和作业人的位置信息，自动发出报警信息。本发明采用了基于非接触远距离高精度的激光雷达测量方法，利用网格特征提取技术与三维红外成像技术有效获取了作业人员与输电线路的实时距离，并开发了一套实时采集、处理和可视化软件平台。该平台根据获取的人员位置信息判断分析人员位置是否在相应工作安全区域内，有效保障了工作人员人身安全，设备安全，降低了人员实地巡检风险发生的概率。

Description

一种电力线安全距离动态监测方法及装置

技术领域

本发明涉及输电线路运行状态评估技术领域，特别是一种电力线安全距离动态监测方法及装置。

背景技术

为保障各类电力设备的正常运行、满足传输电能时的安全与稳定，需要对电力线路进行实时有效的监测和维护，在电力设施不足的情况下甚至需要带电作业。

现阶段，我国常采用作业人员实地巡检和低空巡检两种巡检方式，这些方式都存在一定的问题或缺陷。实地勘察时，配电线路结构复杂，作业项目难度较高，容易引起作业人员因安全距离不足或触碰带电体等问题导致发生触电事故；而低空巡检方法则主要采用直升机进行肉眼巡查或手持仪器进行数据采集，劳动强度大，工作效率低，难以适应现代化电力网络建设与维护的发展。

因此，我们迫切需要一种高精度的电力线安全距离动态监测方法，实现作业现场的实时监控，为作业人员的安全防护提供保障。

发明内容

鉴于此，本发明提供了一种电力线安全距离动态监测方法及装置，在检修人员处于安全距离不足或易触碰带电体区域时立即启动告警功能，实现了作业安全监测以及可视化监控，为作业人员的安全防护提供保障。

本发明公开了一种电力线安全距离动态监测方法，包括以下步骤：

步骤1：获取电力线激光点云图像中的电力线特征以及坐标；

步骤2：获取作业人员的三维坐标；

步骤3：基于电力线特征以及坐标和作业人的位置信息，自动发出报警信息。

进一步地，所述步骤1包括：

步骤11：通过熵权法对电力线激光点云图像进行初步去噪，得到第一去噪电力线激光点云图像；

步骤12：通过网格法对所述第一去噪电力线激光点云图像进行去噪，得到第二去噪电力线激光点云图像；

步骤13：采用内外切圆法，增强所述第二去噪电力线激光点云图像中的电力线的特征。

进一步地，所述步骤11包括：

设置阈值区间优化评估，其计算公式为：

式中，i＝1，2…，m，j＝1，2…，n，e_ij表示第i个特征对三维点云中第j个点的评价值；利用ω_i表示第i个特征的熵权，0≤ω_i≤1，∑ω_i＝1；

综合特征评价矩阵的计算公式为：

式中，ω_HGS为三维点云图像中垂直地面方向上最低点的高度特征，ω_VRR为垂直范围与输电线路长度之比，ω_HA为各激光点的水平角，ω_SV为各激光点的均匀性，ω_LI为各激光点的线性度，ω_CC为线路曲率变化的程度。

进一步地，所述步骤12包括：

使用网格法并处理该网格的阈值矩阵，除去所述第一去噪电力线激光点云图像在XOY投影上的干扰。

进一步地，设定网格时，先将网格的大小设置为点云间距的2至3倍大小，以滤除聚集干扰；此时，将该网格图视为一个由m×n元素点组成的矩阵H_m×n，表示为：

其中，h_ij为任意微网格。

进一步地，若所述网格图中存在有色像素点且占比大于50％，记为1；若不存在有色像素点或有色像素点数目小于50％，记为0；

对于任意微网格，其周围八个微网格任意两个或以上元素为1，则认为其为干扰点；若任意微网格h_ij的周围网格矩阵中一旦出现两个以上元素为1，即不包括h_ij，则该矩阵中的点h_i被视为干扰点：

进一步地，所述步骤13包括：

步骤31：确定线性方程AX+BY+C＝0，计算电力线单元内各点在XY平面上的重心p，取该重心p为内接圆和外接圆的公共圆心；其中，A是坐标X的系数，B是坐标Y的系数，C是常数项；

步骤32：计算所有点与每个元素的重心p之间的距离，将外接圆半径R设置为两根电力线之间距离的一半至一倍距离，即d/2<R<d；

步骤33：基于重心p以及通过设置缓冲区，得到有效点云和干扰点云。

进一步地，所述步骤33包括：

设置步骤32中待确定的直线两侧的缓冲区，如果点到直线的距离不大于缓冲区宽度的一半，则该点被认为是内切圆边缘点的候选；如果缓冲区中没有点，则增加缓冲区宽度，直到一个点位于线两侧缓冲区宽度的一半处；

计算候选边缘点到重心p的距离，将最大距离设置为内接圆的半径，即对任意属于电力线上的点(x_p,y_p)，内外切圆具有如下表达式：

Ax+By+C_i＝0 (5)

(x-x_p)²+(y-y_p)²＝r² (6)

所述内外切圆的圆心在线性方程AX+BY+C＝0上移动，视为小圆内的点为有效点云，内圆至外圆的点为干扰点云；其中，C_i表示同一点云图像上各输电线路对应的特征常数项，r表示内切圆的半径，R表示外切圆的半径，i为正整数。

进一步地，所述步骤3包括：

进行激光点云坐标系与红外成像坐标系的融合，设作业人员与电力线的临界距离为d_sup，则任意时刻，当如下表达式成立时***发出警报：

式中，x_d,y_d,z_d表示来自于点云坐标系中电力线的空间坐标，x_h,y_h,z_h表示来自于红外三维成像坐标系中作业人员的空间坐标。

本发明还公开了一种电力线安全距离动态监测装置，包括：

第一获取模块，用于获取电力线激光点云图像中的电力线特征以及坐标；

第二获取模块，用于获取作业人员的三维坐标；

报警模块，用于基于电力线特征以及坐标和作业人的位置信息，自动发出报警信息。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：本发明设计并实现了一套基于多激光雷达的高精度动态距离监测***，在检修人员处于安全距离不足或易触碰带电体区域时立即启动告警功能，实现了作业安全监测以及可视化监控，为作业人员的安全防护提供保障。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的熵权法处理后的XOY投影示意图；

图2为本发明实施例的网格法处理后的XOY投影示意图；

图3为本发明实施例的内外切圆法加粗输电线路特征的示意图；

图4为本发明实施例的整体方案示意图。

具体实施方式

结合附图和实施例对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。

由于输电线路场景包括许多不同的地面对象，如地面、植被、建筑物、铁塔等，因此必须根据输电线路空间分布特征和表面特征与环境的差异来构建点云特征，进行输电线路的特征提取。

为达到上述目的，本发明提供如下实施例：

参见图4，首先，需要对图像进行去噪处理，使得激光点云图像能够滤除较大体积杂质的干扰并初步凸显电力线特征。本发明使用熵加权法，对不同的性能特征赋予不同的权重，如果对象可以提供输电线路的特征信息，那么它的熵权就应该很高，否则，熵权应相应较低以便滤除不良因素的影响。为此，本发明将高度特征(HGS和VRR)和特征值特征(HA、SV、LI和CC)作为特征矩阵元素，为了获得与输电线路特征提取相关的最大或最小特征值，可以通过设置阈值区间来优化评估，详细计算公式为：

式中，e_ij表示第i个特征对第j个点的评价值。

利用ω_i表示第i个特征的熵权，0≤ω_i≤1，∑ω_i＝1。通过评价信息矩阵和权重矩阵，综合特征评价矩阵可由式(2)计算：

式中，ω_HGS为三维点云图像中垂直地面方向上最低点的高度特征，ω_VRR为垂直范围与输电线路长度之比，ω_HA为各激光点的水平角，ω_SV为各激光点的均匀性，ω_LI为各激光点的线性度，ω_CC为线路曲率变化的程度。

进一步，在得到经熵权法初步处理的图像后，此时图像内可能仍然存在体积较大的干扰点云，因此可以使用网格法除去图像在XOY投影上的干扰(如熵权法未处理的小面积森林，地面碎片，以及杆塔等)。

经过熵权法处理后的XOY投影可如示意图1所示，此时图像中可能仍存在部分干扰，通过设定网格并处理该网格的阈值矩阵可以达到对聚集类干扰的去噪效果。

设定网格时，先将网格的大小设置为点云间距的2至3倍大小，以滤除聚集干扰。此时，可以将该网格图视为一个由m×n元素点组成的矩阵，表示为：

对于其中任意微网格h_ij，如果存在有色像素点且占比大于50％，记为1；不存在有色像素点或有色像素点数目小于50％，记为0。则对于任意微网格，其周围八个微网格任意两个或以上元素为1，可认为其为干扰点。式8表示任意微网格h_ij的周围网格矩阵，该矩阵中一旦出现两个以上元素为1(不包括h_ij)，则该矩阵中的点h_ij可以视为干扰点：

通过对聚集类干扰的处理，得到的示意图可如图2所示。

如图3所示，最后，采用内外切圆法对输电线路的特征进行加粗，其可以通过电力线特有的同方向延伸特性和线性特性来识别。

(1)确定线性方程AX+BY+C＝0，计算电力线单元内各点在XY平面上的重心p(xMean，yMean)，取其为内接圆和外接圆的公共圆心。式中，A是坐标X的系数，B是坐标Y的系数，C是常数项。

(2)计算所有点与每个元素的p之间的距离。然后，将外接圆半径R设置为两根电力线之间距离的一半至一倍距离，即d/2<R<d。

(3)设置第2步待确定的直线两侧的缓冲区，如果点到直线的距离不大于缓冲区宽度的一半，则该点被认为是内切圆边缘点的候选；如果缓冲区中没有点，则增加缓冲区宽度，直到一个点位于线两侧缓冲区宽度的一半处；接下来，计算候选边缘点到点p的距离，然后将最大距离设置为内接圆的半径。即对任意属于电力线上的点(x_p,y_p)，内外切圆具有如下表达式：

Ax+By+C_i＝0 (5)

(x-x_p)²+(y-y_p)²＝r² (6)

至此，此内外切圆的圆心在线性方程AX+BY+C＝0上移动，可视为小圆内的点为有效点云，内圆至外圆的点为干扰点云。式中，C_i表示同一点云图像上各输电线路对应的特征常数项，r表示内切圆的半径，R表示外切圆的半径。

进一步，进行激光点云坐标系与红外成像坐标系的融合，设作业人员与输电线路的临界距离为d_sup，则任意时刻，当如下表达式成立时***发出警报：

式中，x_d,y_d,z_d表示来自于点云坐标系中电力线的空间坐标，x_h,y_h,z_h表示来自于红外三维成像坐标系中作业人员的空间坐标。

最后，进行软件***开发与安全距离监测测试，采用网络将几套设备采集的点云数据实时的传输至数据处理平台，并开发实时采集、处理和可视化软件平台。软件功能主要包括：

(1)多台激光雷达采集点云数据实时传输；

(2)三维可视化视角切换；

(3)激光点云间距及像素可切换；

(4)视场内点云积分时间，可以选择按照100ms，200ms，500ms，1000ms时间显示点云；

(5)最邻近障碍物点探测，当在设置的监测预警范围内出现障碍物时,***自动报警。

本发明提供了一种电力线安全距离动态监测装置的实施例，其包括：

第一获取模块，用于获取电力线激光点云图像中的电力线特征以及坐标；

第二获取模块，用于获取作业人员的三维坐标；

报警模块，用于基于电力线特征以及坐标和作业人的位置信息，自动发出报警信息。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电力线安全距离动态监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取电力线激光点云图像中的电力线特征以及坐标；

步骤2：获取作业人员的三维坐标；

步骤3：基于电力线特征以及坐标和作业人的位置信息，自动发出报警信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1包括：

步骤11：通过熵权法对电力线激光点云图像进行初步去噪，得到第一去噪电力线激光点云图像；

步骤12：通过网格法对所述第一去噪电力线激光点云图像进行去噪，得到第二去噪电力线激光点云图像；

步骤13：采用内外切圆法，增强所述第二去噪电力线激光点云图像中的电力线的特征。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤11包括：

设置阈值区间优化评估，其计算公式为：

式中，i＝1，2…，m，j＝1，2…，n，e_ij表示第i个特征对三维点云中第j个点的评价值；利用ω_i表示第i个特征的熵权，0≤ω_i≤1，∑ω_i＝1；

综合特征评价矩阵的计算公式为：

式中，ω_HGS为三维点云图像中垂直地面方向上最低点的高度特征，ω_VRR为垂直范围与输电线路长度之比，ω_HA为各激光点的水平角，ω_SV为各激光点的均匀性，ω_LI为各激光点的线性度，ω_CC为线路曲率变化的程度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤12包括：

使用网格法并处理该网格的阈值矩阵，除去所述第一去噪电力线激光点云图像在XOY投影上的干扰。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，设定网格时，先将网格的大小设置为点云间距的2至3倍大小，以滤除聚集干扰；此时，将该网格图视为一个由m×n元素点组成的矩阵H_m×n，表示为：

其中，h_ij为任意微网格。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，若所述网格图中存在有色像素点且占比大于50％，记为1；若不存在有色像素点或有色像素点数目小于50％，记为0；

对于任意微网格，其周围八个微网格任意两个或以上元素为1，则认为其为干扰点；若任意微网格h_ij的周围网格矩阵中一旦出现两个以上元素为1，即不包括h_ij，则该矩阵中的点h_i被视为干扰点：

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤13包括：

步骤31：确定线性方程AX+BY+C＝0，计算电力线单元内各点在XY平面上的重心p，取该重心p为内接圆和外接圆的公共圆心；其中，A是坐标X的系数，B是坐标Y的系数，C是常数项；

步骤32：计算所有点与每个元素的重心p之间的距离，将外接圆半径R设置为两根电力线之间距离的一半至一倍距离，即d/2<R<d；

步骤33：基于重心p以及通过设置缓冲区，得到有效点云和干扰点云。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤33包括：

设置步骤32中待确定的直线两侧的缓冲区，如果点到直线的距离不大于缓冲区宽度的一半，则该点被认为是内切圆边缘点的候选；如果缓冲区中没有点，则增加缓冲区宽度，直到一个点位于线两侧缓冲区宽度的一半处；

计算候选边缘点到重心p的距离，将最大距离设置为内接圆的半径，即对任意属于电力线上的点(x_p,y_p)，内外切圆具有如下表达式：

Ax+By+C_i＝0 (5)

(x-x_p)²+(y-y_p)²＝r² (6)

所述内外切圆的圆心在线性方程AX+BY+C＝0上移动，视为小圆内的点为有效点云，内圆至外圆的点为干扰点云；其中，C_i表示同一点云图像上各输电线路对应的特征常数项，r表示内切圆的半径，R表示外切圆的半径，i为正整数。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3包括：

进行激光点云坐标系与红外成像坐标系的融合，设作业人员与电力线的临界距离为d_sup，则任意时刻，当如下表达式成立时***发出警报：

式中，x_d,y_d,z_d表示来自于点云坐标系中电力线的空间坐标，x_h,y_h,z_h表示来自于红外三维成像坐标系中作业人员的空间坐标。

10.一种电力线安全距离动态监测装置，其特征在于，包括：

第一获取模块，用于获取电力线激光点云图像中的电力线特征以及坐标；

第二获取模块，用于获取作业人员的三维坐标；

报警模块，用于基于电力线特征以及坐标和作业人的位置信息，自动发出报警信息。