輸配電線路智能導航巡檢系統研究與設計

何莉,張德津,王淑青，王云艷

（1.湖北工業大學電氣與電子工程學院，湖北武漢430068；2.武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北武漢430079；3.武漢大學 交通研究中心，湖北武漢430079）

電力線路設備的定期巡檢是有效掌握線路運行狀態及周圍環境變化，及時發現設備缺陷和危及線路安全隱患,確保電力系統安全、穩定和可靠運行的重要手段[1]。輸電線路一般分布較偏僻,線路延綿數十至上百千米,桿塔所處位置地形復雜，現有巡檢模式存在一些問題：在遭遇災害破壞或事故搶修時，往往需要大量人員、車輛趕赴現場，而搶修隊伍和車輛又因不熟悉線路路徑，無法快速到達搶修現場；新增線路空間位置缺失設施數據，需要單獨定位采集；安監人員赴現場檢查監督也可能因路線不熟，而需要被檢查監督的單位和人員帶路，大大降低了檢查監督的有效性；工作人員到現場巡視線路，遵照巡檢作業指導書，以紙介質方式記錄巡視情況，然后再人工錄入到計算機的現有巡檢模式，不能及時反饋問題隱患,且效率低。

本文基于GPS/GPRS、嵌入式GIS和移動數據庫，結合全國導航電子地圖，緊密融合導航功能與巡檢業務，建立基于PDA的線路智能導航巡檢系統。研究了路網增量數據模型和電力設施數據存儲模型，實現巡檢軌跡和設施數據采集、個人位置定位、巡檢路徑規劃以及巡檢問題上報與流轉，為輸配電線路巡檢提供自動化導航平臺，為應急搶修、運行維護和檢修提供有效的技術解決方案。

1 空間數據模型

輸配電巡檢系統涉及的空間數據有線路設施數據（桿塔、線路等）和輔助巡檢的路網數據。輸配電線路分布域廣，跨越區域地形復雜偏僻?，F有國內地圖商提供的導航地圖都不能覆蓋輸配電線路穿越的所有地域。解決現有巡檢路徑規劃和到達導引問題，需要研究路網的增量,更新數據模型，并使新增數據能與原有路網數據融合規劃。線路設施數據是巡檢的主體數據，需要研究設施數據模型，使其支持在移動終端上高效訪問和與專業設施管理GIS系統進行數據交換。

1.1 導航數據模型

導航電子地圖也是一種GIS數據，由于用途和關注點的差異，其和傳統GIS數據有本質的差別。導航數據格式分為交換格式和物理格式，目前國際上主流的交換格式以GDF為代表。導航電子地圖物理格式以KIWI[2]和美國NAVTECH公司的SDAL[3]格式為代表。KIWI是目前為止應用最廣泛的存儲格式，本文所用導航地圖即為KIWI格式。KIWI格式在結構上采用縱向分層、橫向分塊的原則，采取將數據物理存儲和邏輯結構相結合的機制。1）縱向。按分層結構來組織地圖，并且這種層的邏輯結構與其物理存儲相聯系，可以在不同層之間實現快速的數據引用。同時，采用分層次的數據參考使得查詢、路徑分析等各種算法更加快捷。2）橫向。采取劃分塊的方法，將海量的數據變成逐個獨立的數據單元，同時也較好兼顧了塊與塊之間的連接，KIWI數據組織方式如圖1所示。

圖1 KIW I數據組織方式

1.2 增量路網數據模型

路網數據分KIWI文件格式路網和增量路網，增量路網存儲在嵌入式數據庫中。路網數據來源于巡檢人員采集的軌跡，包括空間和屬性數據，由記錄某次軌跡整體數據和記錄當前軌跡實時坐標數據2部分組成。當前軌跡實時坐標數據記錄按照設定周期獲取的巡檢軌跡坐標數據。軌跡整體數據完整記錄整條新采道路信息，坐標數據由實時坐標數據提供，以二進制大對象保存，軌跡整體數據通過GPRS上傳到服務器，最后形成新的路網，共享給所有需要的巡檢人員。其航跡軌跡ER圖如圖2所示。

增量路網記錄是一種記錄網絡拓撲關系的數據，組成元素由節點（路口）和邊（道路）構成，自身拓撲關系也以節點與邊的連接關系存儲，KIWI文件格式中，路網通過節點的上下層關系將兩部分路網進行關聯，即增量路網數據中多個節點（路口）記錄對應上層網絡（導航路網）中某個節點（路口）的編號。道路拓撲關系如圖3所示。

圖2 航跡軌跡ER圖

圖3 KIW I路網道路拓撲關系

在網絡分析的過程中，增量路網中某個節點（路口）映射到上層路網中的某個路口，而導航路網中節點（路口）記錄了對應其他數據格式的惟一編號，從而建立KIWI路網與嵌入式數據庫中不同路網之間連通關系。

1.3 巡檢設施數據模型

電力設施數據是巡檢的主體，在智能終端上進行數據有效存儲和快速訪問是巡檢應用的關鍵。電力設施數據包括桿塔、線路、變電站、微波設備以及絕緣子、電纜頭等附屬設備的信息。所有設備的空間信息借助GIS的網絡拓撲數據模型進行管理，其中桿塔、變電站等作為網絡節點管理，線路作為網線管理，數據模型及管理流程如圖4所示。

圖4 巡檢設施數據模型及流程

2 智能導航巡檢業務實現

智能導航核心功能包括GPS定位、GPRS通訊、路徑規劃、地圖顯示、地圖匹配、路線導引、POI查詢等[4]。GPS提供高精度位置，GPRS完成終端與服務器通訊，地圖匹配利用各種數據（傳感器、數字地圖數據庫、已知最優路徑）確定車輛在地圖上的相對位置[5]，路徑規劃根據已有和增量地圖路網數據進行多模態路徑規劃。

巡檢業務實現由PDA移動巡檢系統和后臺數據處理系統組成，移動客戶端和后臺服務器之間通過Web Service方式進行數據交互，智能終端通過GPRS向數據庫服務器發送指令上傳或下載相關數據以實現數據同步。數據同步也可以通過PC和USB連接實現[6]。巡檢人員手持PDA設備定時將當前GPS位置通過GPRS上傳服務器。通過保存的軌跡，能隨時定位所有巡檢人員位置及回放歷史巡檢軌跡。如果新軌跡在現有路網中不存在，巡檢人員可以提交此軌跡到服務器，由管理員更新路網。對于發現的疑似問題，利用PDA錄入信息、拍攝圖片或錄音的方式，實時上傳到服務器。

3 智能導航巡檢系統設計

3.1 邏輯組織架構

基于GPS/GPRS/GIS的智能巡檢系統主要實現導航、巡檢上報、設施及路網數據更新采集功能，其邏輯組織架構如圖5所示。

圖5 KIWI道路拓撲數據關系模型

數據管理層實現數據的集中管理，同時提供平臺級接口操作用戶權限，巡檢業務和基礎地圖、POI、路網以及電力設施專業數據庫。基礎地圖、POI和路網數據支持實現路徑規劃和導引。電力設施由導航巡檢系統采集處理或由其他專業輸配電GIS提供。該層實現業務和位置服務2個平臺，業務支撐平臺主要以服務（Web Service）方式實現巡檢計劃上下載、巡檢問題上報等與巡檢密切相關的日常工作。LBS（Location Based Service）位置服務平臺實現基本空間位置服務，主要提供空間數據管理，包括基礎地圖、路網、POI、電力設施等數據。在此基礎上以服務方式提供GPS空間定位、導航路徑規劃、路網動態更新、POI查詢、導引以及電力設施采集與路網采集。

業務功能層實現后臺數據管理、現場巡檢問題上報、GPS位置服務、GPRS無線通訊維護和基礎地圖操作功能。業務處理功能所需要的所有圖形操作、顯示功能均由LBS位置服務平臺提供。

應用層實現導航巡檢需要的用戶功能與訪問控制。提供C/S模式后臺數據維護系統、嵌入式巡檢導航系統和B/S模式巡檢業務流轉系統。

3.2 應用系統實例

智能導航巡檢系統基于已有LBS位置服務平臺實現。在此平臺基礎上實現了設施采集、路網更新、巡檢上報等功能，實現了導航GIS數據和線路GIS數據疊加顯示處理(見圖6)。

圖6 導航巡檢數據疊加

圖7 導航多模態規劃及設施查詢

軌跡采集實現了路網的增量更新，同時又可以監控巡檢人員每天的巡檢軌跡。多模式導航規劃（見圖7）實現了根據行車、步行、公交、地鐵以及巡檢采集航跡的導航規劃，實現了陌生環境的導引作用。GPS/GPRS的電力線路巡檢系統有效解決當前電力行業日常巡檢中監督難、定位難、到達難的實際問題，確保輸電線路安全和電力系統穩定，達到電力系統“安全、經濟、多供、少損”的運行目標。此研究成果已經在福建省電力局、江西省電力局等地得到實際推廣使用。

4 結語

目前整個輸配電GIS系統建設并不完善，基礎資料不準確，為確保線路安全、穩定運行，在信息化系統支持下，需要有責任、有素質的巡檢隊伍；建立完善的輸配電GIS管理系統并長期深入應用，真正達到全網數據互連互通，數據共享以及數據現勢性。這將是電力巡檢使用的基礎和以后研究的重點。同時，更高效率的無人機巡檢系統將是適應高頻度獲取電網運行狀態數據的發展趨勢和對現有巡檢方式的有益補充。

[1] 柳長安,劉春陽,周宏,等.電力線巡檢飛行機器人路徑規劃方法[J].華中科技大學學報：自然科學版，2010,38(1):117-120.

[2] Kiwi-W Consortium.Kiwi Format Specification[EB/OL].[2011-01-15].http://www.kiwi-w.org/documents_eng.html.[3] Navigation Technologies Corporation. NavTech PSF Specification for SDAL Format[EB/OL].[2011-02-03].http://www.sdalformat.com/pdf/SDAL_spec.pdf.

[4] 李清泉,徐敬海,鄭年波,等.基于功能的導航數據模型[J].武漢大學學報：信息科學版,2007,32(3):266-269.

[5] 陳洪亮,張保忠.交通路線引導系統及其技術發展跟蹤[J].中國公路學報，1996,9(2):84-89.

[6] 郭傳奇,王明渝.基于GPRS通信技術的電力巡檢系統設計[J].自動化儀表，2007,28(7):39-42.