輸電線路激光掃描技術應用

王 寧 孫鴻博 張嘉琳 胡 偉 李致東 田茂杰

（國網通用航空有限公司，北京 102200）

0 引言

隨著“十三五”規劃的落實，輸電線路的建設經歷了高速發展的過程，對龐大的輸電線路網絡進行管理，使電網高質量、安全地運轉，尤為重要。輸電線路是電力系統的重要組成部分，必須保障輸電線路特別是特高壓線路建設和運行的安全穩定，確保電網安全。由于輸電線路分布點多面廣、錯綜復雜、途徑環境差異大、數量逐年增長，傳統的工作模式難以滿足現實需求，存在視野盲區、到位空白區、認知判斷誤區等缺陷，且往往受限于設備精度及人為誤差等因素，獲取的輸電線路現場數據利用率低，無法實現資源優化配置[1]。采用三維激光掃描技術，可以大面積、高分辨率、快速地獲取被測對象數字地面模型與空間三維坐標信息，為建立輸電線路通道三維數字模型提供強大的技術支持[2-3]。

1 基本原理

機載激光雷達是一種基于機載平臺主動獲取地物三維空間坐標的測量技術。激光雷達系統主要由激光測距系統、POS系統（動態差分GPS、慣性測量裝置IMU）、數碼相機、控制系統等4部分組成[5]。激光測距系統根據激光信號發射點到地表激光點之間的距離進行測距；動態差分GPS用于確定激光發射點的空間位置；PPS系統中慣性測量裝置 IM測定激光掃描系統的空間位置和姿態信息；數碼相機用來獲取數碼彩色影像照片[4-6]。激光器發射高頻的激光脈沖，并記錄發射和接受的時間間隔，可以計算出激光器與地面物體點的空間距離，再結合POS系統中的空間位置及姿態信息，即可準確計算出激光點的三維坐標信息[6]。測量原理公式如下。若空間有一向量，其模為R，方向為（φ，ω，k），其起點坐標已知為（X0，Y0，Z0）可以唯一確定，那么空間點位置信息Xs、Ys、Zs如公式（1）所示。

其中，起點利用POS系統中動態差分GPS值來確定，向量R的模利用測距儀測定，姿態（φ，ω，k）利用POS系統中IMU測定。

2 主要應用領域

2.1 輸電線路數字電網建設

激光掃描采集設備下方一定寬度的點云和影像數據，其中激光點云數據相互之間呈現離散和非連續的關系，所包括信息復雜繁多。數據處理過程首先按照分類標準規范將原始激光點云數據和影像數據進行定位、定向、校準和坐標轉換。再將地面和非地面激光點云進行分類，從原始點云數據中提取出高精度、高密度的地面點、植被點、建筑點、桿塔點、輸電線路點、交叉跨越點等信息[7]。根據得到的地面點信息生成高質量的數字高程模型（DEM），根據航拍影像制作高精度的正射影像DOM。將精細分類點云數據、高精度的DEM、DOM數據按照一定的數據格式進行切片，進行輸電線路數字電網建設。

激光數據在處理后可以清晰地分辨出桿塔，導線、植被、公路等基本要素，利用精細分類后的點云數據、提取地面點點云生成的DEM，并參考數據采集時同步的正射影像數據進行空間校準。基于三維激光掃描數據處理成果，利用三維可視化技術，通過匹配、融合線路走廊高清地形、高清影像及激光點云數據，形成導線、桿塔、植被等分類對象空間圖層信息，如圖1所示，真實再現輸電線路三維場景，為輸電線路運維提供技術保障。

在輸電線路的運行中，自然災害往往會對線路的安全運行造成毀滅性的傷害，導致巨大的經濟損失，但對這種極端情況，如山洪、地震、地下采空區及高海拔地區凍土層冷脹等自然災害監測困難。因此線路周圍三維地理信息的建設和災情信息的評估顯得尤為重要。激光掃描成果中的高精度點云、數字高程模型和正射影像組成運行線路周圍精確的真實空間地理信息系統，結合線路所在區域的地質環境、氣候等因素，建設線路運行區段中自然災害信息數據庫，同時對可能受到災害的類型及受災概率大小進行評估。

我國降水活動相對比較集中，特別是長江中下游流域及南方經濟發達地區易遭受澇災害?；诩す鈷呙杓夹g得到的數字地理信息，在易發生洪澇災害的區域根據降雨量情況及時模擬分析洪水上漲情況、淹沒區最高點的位置，判斷對上方輸電線路的影響。

2.2 輸電線路復雜工況下隱患預警預測

當輸電線路周圍的自然環境顯著變化時，常常會造成輸電線路跳閘，但此時的天氣狀況往往會給事故的排查與檢修工作帶來困難[5]。在線路的運行中導線的弧垂懸鏈線形態呈現動態變化，往往受風向、氣溫、濕度、導線負荷量等因素的影響，為進行輸電線路安全性能實時評估，發揮輸電線路應急處置指導作用，需要模擬不同氣象條件下的導線弧垂變化，通過在擬合算法中加入風速、溫度、覆冰等因子，確定瞬時工況下應力參數，開展不同運行工況的模擬分析工作[1]。

2.2.1 導線溫度與應力的計算

架空線路導線受溫度和荷載發生變化時，水平應力σ0和弧垂f隨之發生變化。首先需要確定導線狀態方程，即導線內的水平應力隨氣象條件的變化規律。其到狀態方程如下。

式中：gm為初始氣象條件下的比載，N/m·mm2；gn為待求氣象條件下的比載，N/m·mm2；tm為初始氣象條件下的溫度，℃；tn為待求氣象條件下的溫度，℃；σm為在溫度tm和比載gm時的應力，MPa；σn為在溫度tn和比載gn時的應力，MPa；α為線溫度線膨脹系數，1/℃；E為導線的彈性系數，MPa；φ為導線懸掛點高差角；l為檔距，m。

2.2.2 導線負荷與溫升的計算

根據熱平衡原理，架空導線吸收的熱量應等于散發的熱量，即導線上電流產生的熱量加上日照吸收的熱量等于輻射散發的熱量加上對流散發的熱量。

式中：WR為導線輻射散熱功率；WF為導線對流散熱功率；WS為導線日照吸熱功率；Rt為導線電阻。

由三維點云數據得到的導線瞬時狀態模型，再根據狀態方程確定高溫工況下導線應力及懸鏈線方程，從而實現在該環境溫度下通道環境危險隱患的預警預測。

2.2.3 輸電線路大風工況模擬分析

在輸電線路的運行過程中導線風偏（弧垂、舞動）同樣是威脅安全運行的重要因素。

2.2.3.1 導線風偏角計算

式中：g1—架空線的自重力比載，N/m·mm2（或 MPa/m）；g4—架空線的風力比載，N/m·mm2（或 MPa/m） 。

2.2.3.2 絕緣子風偏角

式中：pj為絕緣子串風壓，kN；pd為導線風荷載標準值，kN；lh為水平檔距，m；Gj為絕緣子串垂重量，kN；wd為導線重，kN；lv為垂直檔距，m。

基于激光點云搭建的三維可視化系統，可以根據風向及最大風速等環境因素，利用如上所示的風偏模型對線路進行風偏模擬分析。分析不同運行環境下的風偏角的大小，將由架空線路導線弧垂決定的絕緣子的空間位置信息標注在三維系統中，設置導線風偏的閾值，對超出極限值的位置發出預警信息，進而預測風偏對導線的影響。

以激光掃描技術為核心的通道隱患預警預測顯著提升了大電網運維管控水平。推動電網的運維管理向數字化、可視化、智能化、精細化的方向發展。

2.3 輸電線路無人機自主巡檢路徑規劃

激光雷達采集的點云數據中包括著空間物體的位置信息，利用這些位置信息可以進行無人機自主巡檢航線規劃。無人機以懸停到桿塔目標位置的方式對桿塔本體及附屬設施進行圖像獲取，根據拍攝照片信息進行缺陷判斷。傳統的無人機航線規劃需要大量的人機交互，人工在點云上選取塔頭、塔身、塔基、導地線、絕緣子串、金具等桿塔部件及其掛點等關鍵部位。該方法大大增加了無人機巡檢的工作量。促進了計算機視覺技術尤其是深度學習技術的蓬勃發展，為基于無人機自主航線規劃提供了有效的理論基礎。PointNet++深度學習網絡可以對點云進行直接處理，利用點云數據的局部和全局特性，具有較好的魯棒性。

輸電線路已分類的海量激光點云為PointNet++提供了豐富的樣本，可以利用圖2所示的方法進行無人機航線點提取。首先在激光點云中進行拍照點樣本標注，然后將樣本輸入PointNet++網絡中進行特征提取和學習，待PointNet++網絡訓練結束后，即可將需要作業區域的激光點云數據放入已訓練的網絡中進行拍照點提取。提取拍照點后對其進行編號，確定拍照點的無人機巡檢次序。

圖2 基于PointNet++的航線提取框架

無人機航巡須在距電力線、桿塔的安全距離范圍內進行作業，基于Dubins方法的無人機避撞路徑規劃方法，綜合考慮了無人機自身的機動能力，防止無人機與輸電線路相撞造成作業事故。Dubins方法的防撞規劃模式為無人機從起始點出發，通過路徑規劃尋找避撞路線，并按照規劃路徑飛行避開障礙物，安全到達目標點。

設無人機起始點坐標ps為（xs，ys），目標點坐標為pf（xf，yf），起始航向為γs，目標點駛出航向為γf，障礙物中心點坐標Oz為（xz，yz）。障礙物中心點到最大凸出點的距離為R，威脅判定區域設定為以Oz為圓心并以R為半徑的圓，設無人機初始航向為由起始點指向目標點的方向，避過障礙物到達目標點后的最終駛出航向保持為原航向，則航向如式（6）所示[8]。

對單基桿塔的無人機自主巡檢，將拍照點之間存在的絕緣子、導地線等作為障礙物，利用Dubins方法規劃2個拍照點之間的巡檢路徑，直至完成單基桿塔無人機自主巡檢路徑的規劃[9]。

在確定每個桿塔的無人機巡檢路徑后，只須對每桿塔設置適當的懸停點，通過連接懸停點即可實現航跡拼接，從而實現當前輸電線路下無人機的自主巡檢路徑規劃。最后選取已規劃好的航線進行復核，對漏提取或者誤提取的情況進行修正。這樣就完成整個無人機航線規劃的流程，大大節約了航線規劃的時間。

2.4 三維場景下的設備檢修及帶電作業應用

在輸電線路的檢修過程中往往是根據設計圖紙或現場勘測制定作業方案，受限二維簡化圖紙精度問題，有的場景無法進行三維量測，影響作業方案的準確性。隨著激光雷達技術在輸電線路巡檢方面的應用，可以利用高精度三維激光點云數據來幫助制定設備檢修、帶電作業方案。

利用激光點云數據還原的作業現場的高精度三維真實環境，模擬作業全過程中人員的位置及活動半徑，利用八叉樹的最近點搜索算法進行全過程組合間隙安全距離計算，分析作業人員作業過程中的安全距離，限定作業人員活動范圍，確保作業安全。

3 結論

激光掃描技術具有空間分析和三維量測準確、快捷的優點，在輸電線路全流程中均具有顯著作用。該文總結了激光掃描技術在輸電線路數字電網、災害預警、無人機自主巡檢及設備檢修和帶電作業中的應用，極大地降低了輸電線路各部門的勞動強度，同時隨著技術的深入應用減少了工作時間，提高了工作效率。

利用激光掃描技術的成果建立真實三維數據模型，實現了各種應用的集成化、信息化和可視化管理。隨著數據計算能力的提升和人工智能的發展，激光掃描技術因其突出的技術優勢必將在輸電線路各項工作中發揮越來越重要的作用。