基于增強現(xiàn)實技術的電力電纜故障定位

卞佳音，徐研，張玨，單魯平，陳文教

（廣東電網(wǎng)有限責任公司廣州供電局，廣東廣州 510620）

近年來，隨著我國城市化的進程不斷加速，對于電力電纜的應用越來越多，現(xiàn)存的城市架空線路必要時也需要改為地下電纜的電力傳輸形式[1]。電力電纜雖然較為美觀，不會影響地面的城市建設，但由于其位于地下，一旦發(fā)生故障會給電力檢修帶來較大的困難。尤其是對電力電纜故障的快速、準確定位，通常需要耗費大量的時間，不利于供電可靠性的提升[2]。因此，開展電力電纜故障定位的研究具有較大的價值與潛力。

電力電纜線路與架空線路相比具有獨特的優(yōu)勢，包括占地面積小、供電可靠性高、電壓降較小、故障率低以及防雷擊等。近年來，隨著城市的建設、發(fā)展與電力電纜使用率的提高，其故障也越來越受到重視。比如短時的瞬時故障與接地故障、工程施工、地質災害等，均會造成電纜各種各樣的故障出現(xiàn)[3]。因此如何快速定位電纜的故障點，對減小停電時間具有較為關鍵的作用。根據(jù)目前的了解，電力電纜故障定位通常采用電磁感應的裝置進行。但其存在抗干擾能力弱、操作復雜的問題，且無法直觀識別電纜的故障類型[4]。

基于此，文中提出利用增強現(xiàn)實技術定位電纜故障。該方法可增加運維的效率及可視化程度，對提升電力系統(tǒng)的供電可靠性、減少停電時間均具有重要意義。

1 增強現(xiàn)實技術

1.1 增強現(xiàn)實概述

增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）技術是屬于人工智能的產物之一，其基本原理可表述為在真實自然環(huán)境中顯示AR 設備所收集的虛擬數(shù)據(jù)、三維模型等。將不在現(xiàn)場的事物以可視化的形式展現(xiàn)出來，即AR 技術可以將虛擬影響與現(xiàn)實相結合。而這種結合可從一定程度上打破空間的界限，給予用戶近乎于真實的體驗[5-13]。

現(xiàn)階段，增強現(xiàn)實技術已應用于多個領域。寶馬汽車公司已開發(fā)了AR 汽車維修技術，牛津大學利用該技術創(chuàng)新地使用了相關設備的引導系統(tǒng)，我國相關團隊也在通過增強現(xiàn)實技術恢復歷史文物，目前已取得了一定的進展。此外，增強現(xiàn)實技術在醫(yī)學、體育、教育及文娛活動等領域均有重要的應用。

該文基于增強現(xiàn)實技術的電力電纜故障定位，采用計算機輔助系統(tǒng)，結合已有的電力電纜資料數(shù)據(jù)，建立與之相同的模型數(shù)據(jù)庫。然后通過增強現(xiàn)實技術所收集到的數(shù)據(jù)資料與數(shù)據(jù)庫相匹配，對比得出特征圖，以上步驟有利于三維注冊階段的精度與速度。增強現(xiàn)實下的電力電纜可清晰地顯示在現(xiàn)實環(huán)境中，使得運維檢修人員可直觀、快速、準確地發(fā)現(xiàn)故障，判斷故障地點與故障類型，具有較強的真實度，從而實現(xiàn)電纜故障的快速定位。

1.2 系統(tǒng)框架

如圖1 所示，該文基于增強現(xiàn)實技術的電力電纜故障定位方法，利用虛擬投影與影像傳感器的混合跟蹤注冊技術，同時綜合利用圖像處理先進技術，具體的系統(tǒng)結構主要包括4 個步驟：

圖1 增強現(xiàn)實系統(tǒng)流程

1）通過放電傳感器對電纜進行實時監(jiān)測，若發(fā)現(xiàn)故障，則及時獲取三維坐標；

2）根據(jù)步驟1）所得的坐標結果，將攝像機轉向故障所在位置，自動捕捉故障點圖像進行三維注冊并獲取相關數(shù)據(jù)；

3）利用圖像處理模塊對圖像進行邊緣完整性校驗與優(yōu)化，拼接成完整圖像；

4）信息輸出是將呈現(xiàn)的三維影像轉換到二維空間中，并通過圖片的形勢融合輸出顯示。

1.3 關鍵技術

1.3.1 三維注冊

增強現(xiàn)實技術的關鍵點就是實現(xiàn)虛擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)實世界的無縫結合，以達到最優(yōu)的人體感官效果。而三維注冊技術的作用，就是將虛擬坐標與現(xiàn)實坐標進行拼接與校對[14]。

可采用OpenCV 開發(fā)包的相機標定方法進行三維注冊，以獲取內外參數(shù)矩陣。

1）攝像機捕獲的數(shù)據(jù)參數(shù)信息，可表述為式（1）。

其中，0表示無數(shù)值；R為循環(huán)矩陣；T為平移變量。

2）虛擬圖像數(shù)據(jù)變換到實際圖像中的變換矩陣，如式（2）所示。

式中，k為視頻采集裝置內參數(shù)；fx與fy分別為視頻采集裝置在兩個坐標軸上的權重系數(shù)；(u0,v0)為起始坐標點；s為隨機變化因子。

1.3.2 顯示輸出

顯示輸出是將增強現(xiàn)實處理結果可視化的過程，將檢測結果呈現(xiàn)到運行人員視野內。這一過程雖然是結果顯示的最后一步，但卻能直接影響用戶的體驗，因此對顯示輸出的性能要求也越來越高。

該文結合實際情況，針對不同的工程能夠實現(xiàn)有針對性的外形輪廓自動識別、拼接與匹配。在顯示輸出中要經歷一個邊緣檢測的過程，若邊緣檢測結果出現(xiàn)模糊或不完整，則需要視頻采集設備繼續(xù)重復視頻資料數(shù)據(jù)收集工作，直至達到預想的結果為止。進行圖像識別和虛擬信息的匹配與融合，最終呈現(xiàn)給運行人員一個完整、準確的圖像。

2 電纜故障分析

電纜故障定位檢測是運行人員處理電力電纜故障的前期工作，故障定位的時間長短，決定了此次故障處理的效率及停電時間的長短，最主要考慮的是時效性與準確性[15]。

2.1 電纜故障處理模式

實際運行檢修工作中，工作人員通常需要遵循一定的步驟，主要為前期工作準備、電纜故障類型判斷、推斷故障范圍、電纜路徑定位、精確定位和故障處理。詳細流程如圖2 所示。

圖2 電纜故障處理主要流程

2.2 故障定位系統(tǒng)架構

故障定位系統(tǒng)總體架構需要多個步驟與多種設備共同配合完成，還需要通信設備能夠及時的將信息數(shù)據(jù)傳回總臺，如圖3 所示。通常故障發(fā)生后，一般從最易發(fā)生故障的電纜接頭處開始，運檢人員通過增強現(xiàn)實顯示設備，包括增強現(xiàn)實眼鏡、頭盔等視頻采集裝置掃描到的真實現(xiàn)場情況，獲取真實的現(xiàn)場環(huán)境與圖像，然后將這些數(shù)據(jù)傳回總臺服務器[16]。

圖3 電纜定位系統(tǒng)的結構示意圖

3 系統(tǒng)流程

如圖4 所示，基于增強現(xiàn)實技術的電力電纜故障定位系統(tǒng)，主要流程包括以下幾個方面：

圖4 電纜定位系統(tǒng)主要流程與步驟

1）需要獲取增強現(xiàn)實顯示輸出設備的當前位置編碼數(shù)據(jù)信息，以及與之相匹配的所在環(huán)境對應的當前圖像編碼數(shù)據(jù)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理與校對做資料準備。

2）將所述的當前圖像編碼數(shù)據(jù)與特征圖形庫中的預制數(shù)據(jù)做對比匹配分析，確定與當前圖像編碼數(shù)據(jù)匹配，生成三維注冊的數(shù)據(jù)資料，這些數(shù)據(jù)包括外形數(shù)據(jù)、視角數(shù)據(jù)和空間距離數(shù)據(jù)。

3）進行三維定位注冊，調整當前位置編碼與目標圖像的虛擬數(shù)據(jù)，進行三維注冊編碼。建立電纜的視頻采集數(shù)據(jù)與增強現(xiàn)實顯示設備的匹配坐標系，進而調整位置關系。

4）獲取生成所述三維注冊指令的觸發(fā)時刻，根據(jù)觸發(fā)時刻與目標圖像數(shù)據(jù)，調取虛擬電纜數(shù)據(jù)庫中對應的空間圖像數(shù)據(jù)。

5）對空間數(shù)據(jù)進行編碼，將編碼后的空間距離相關數(shù)據(jù)與其對應關系發(fā)送至增強現(xiàn)實顯示設備中。將電纜的實際情況顯示至預先設定好的現(xiàn)實環(huán)境中，以此判斷電纜的運行狀態(tài)是否良好或處于何種故障狀態(tài)。

4 算例分析

根據(jù)某城鎮(zhèn)供電所12 次電纜故障定位處理的情況，比較人工檢修與通過增強現(xiàn)實技術的定位時間。

其中，硬件采用ARTRAY 公司的ARTCAM-274KY-WOM 型號相機，鏡頭為M1614-MP2 型號，有效像素為1 628×1 236。數(shù)據(jù)處理計算機為戴爾計算機，i7 處理器，4 GB 運行內存。

在以上條件下，詳細記錄電力電纜故障診斷結果，如表1 與圖5 所示。

表1 不同定位方式下的檢修時長

圖5 平均故障定位時長

結果表明，常規(guī)人工檢修情況下的電纜故障定位時長平均達到7 h 以上，最長用時9.63 h；而通過AR 增強現(xiàn)實技術的電纜故障定位用時可降低至1 h左右，顯著縮短了故障定位時長，提升了供電可靠率。

5 結束語

通過實際案例的比較，表明文中基于增強現(xiàn)實技術的電力電纜故障定位策略，能夠快速、便捷、準確地找出電纜故障位置，便于檢修與減少停電時間，具有較強的可操作性，且可大幅提高運行人員的操作安全性及當?shù)仉娋W(wǎng)供電可靠性。

但是，增強現(xiàn)實技術在電力系統(tǒng)中的應用仍處于初步探索階段。一方面，增強現(xiàn)實設備較為昂貴，且對通信要求較高，維護成本會增加，初始投資較大；另一方面，增強現(xiàn)實技術在電力電纜方面的應用僅可通過視覺感官來判斷故障與否以及故障類型，但對于電纜內部故障無法作出準確判斷。在未來的應用中，探索多種電力電纜故障識別、定位方法的結合，具有較大的研究潛力。