基于數字孿生技術的變電站巡檢路徑沖突檢測研究

郭江濤，王濤，賈俊強，買合布拜·肖開提，劉璐璐

（國網新疆電力有限公司信息通信公司，新疆烏魯木齊 830000）

隨著工業產業的發展，安全穩定的供電已經成為了企業發展和社會生活的基本保障。變電站是整個電力系統傳輸和供電的集結站，負責將電力匯集、交流和調配。由于變電站直接暴露于自然環境中，除電力設備運轉帶來的機械損耗和電力損耗外，還經受陽光、雨水等自然侵蝕，這些因素會加速電氣設備的老化，如果沒有及時發現故障進行下井處理，極有可能導致電氣設備出現突發性故障，對整個電力系統的穩定性和安全性構成重大威脅。為了避免出現這種現象，在平時就有必要對變電站進行定期或不定期的巡檢。

對于巡檢路徑的沖突檢測可以有效提升巡檢的效率，因此，一些學者針對變電站巡檢路徑規劃進行了研究。文獻[1]提出面向變電站機器人巡檢路線規劃中的計算研究，依據離散數學原理中的哈密頓回路結合路徑常規計算，研究了一種全局巡檢方法，但該方法在極端情況下無法運作，不能完成路徑規劃。文獻[2]分析了特高壓變電站巡檢機器人路徑規劃改進的蟻群計算，將蟻群計算和人工勢場計算融合，大大提高了蟻群計算的搜索能力，構建仿真環境完成路徑規劃。但該方法過度依賴智能機器人，人工無法操作。

該文在數字孿生的基礎上對變電站巡檢路徑沖突檢測進行優化。數碼孿生技術包含了三種要素，即真實空間、虛擬空間和二者之間的數據信息流。

1 巡檢路徑數據采集

該文采用傾斜攝影技術采集巡檢路徑數據，使用搭載具有傾斜角度的航拍器采集目標的全方位信息，解決信息缺失問題?；趦A斜攝影的數據采集過程如圖1 所示。

圖1 基于傾斜攝影的數據采集過程

根據圖1 可知，采集方法核心步驟主要分為四步：影像采集、多視影像平差、多視影像密集匹配、紋理映射。

1.1 巡檢影像采集

影像數據采集工作主要分為測區觀察、測區路線規劃、測量計劃的制定與實施、數據的導出與合成[3-4]。

測區觀察：測區觀察的主要目的是觀察待測區面積的大小以及待測區內建筑的最大高度。根據這些信息來制定數據采集時航拍器的航高航線和制定測量計劃。

測區路徑規劃：對測區路徑的規劃，須充分考慮被測區的地理環境、模型的生成精度等影像因素，以便于選取較為理想的路徑重合度和旁向重合度、測量高度，以確?？梢圆杉礁哔|量的影像數據。由經驗可得，飛行高度設置為高出待測區內最高建筑物的30%左右，旁向重合度和航向重合度設置在65%～85%左右，航拍器的拍攝模式設置為等間距拍攝[5-6]。

測量計劃的制定與實施：測量時間盡量選擇在晴天的中午12 點之前的3 個小時和下午兩點鐘之后的3 個小時，保證光照充足的同時還需要防止過度的強光照射對影像數據采集的影響[7-8]。

數據的導出與合成：在航拍器完成測量后，將其中影像數據拷貝出來，由于高空氣流、氣壓等影響，會造成航拍器不穩定，導致采集的照片角度變化大，并且受空氣質量和光照條件的變化等因素的影響，不同時刻所獲得的傾斜影像在亮度、對比度等屬性有所差異。為了消除影響，需要對所獲得的影像照片進行色彩修正和光色均勻處理，并刪除缺陷嚴重的影像。在處理之后需要將對應的POS 數據一并刪除，保證影像信息與POS 數據一一對應[9-10]。

1.2 多視影像平差的計算與密集匹配

基于采集的巡檢影像，使用光束法計算多視影像的平差，攝影測量的基本原理為共線方程，共線方程模型為：

式中，x、y為平面坐標值，x0、y0、f為影像方位元素，Xa1～Xa4為測量物坐標；Xs為樣本閾值，以共線方程為基礎，將其進行泰勒展開，得到多視影響的平差。

將最小二乘的計算應用在多視圖像中，其具有共線條件的多視圖像匹配計算。根據核線的幾何位置條件，在核線圖像上進行一維空間搜索，通過灰度觀測方程求出測量物的圖像位置[11-12]。通過計算多個相機拍攝的同一地點的圖像坐標來確定像點坐標，利用核線約束的最小二乘匹配計算后得到搜索圖像相應的地面坐標。

2 巡檢路徑沖突檢測

完成數據采集后，便可進行基于數字孿生技術的巡檢路徑沖突檢測，通過數字孿生的虛擬空間運行巡檢設備[13-14]，對巡檢設備可能的運動變換進行分析，在數字孿生技術的虛擬空間中，所有動作變化都可以轉換為對稱、平移、旋轉，因此可以建立三維線性變換矩陣來表示巡檢的比例變換、對稱變換、旋轉變換[15]。

空間坐標的變換模式如圖2 所示。

圖2 變換模式

三維空間的坐標轉換可分為平移變換、比例變換以及旋轉變換三種形式，對于平移變換主要應用的是布爾莎模型，坐標的比例變換即為坐標按照規定系數的變換，旋轉變換是通過一定角度完成坐標的轉換。三種坐標轉換形式的表達式為：

①平移變換：模型物體A在真實空間的坐標沿一定距離平移到虛擬空間中，物體的大小形狀不發生改變，布爾莎坐標平移轉換模型為：

式中，(XA,YA,ZA)為原始坐標，為平移后的坐標；TA為平移參數；(ωx,ωy,ωz)為不同坐標的平移參數。

②比例變換：物體在真實空間的體積過大或過小，在轉移到虛擬空間時需要將其放大或縮小，其坐標比例變換表示為：

③旋轉變換：三維物體圍繞某一個坐標軸從真實空間轉移到虛擬空間時，旋轉角度為θ，其矩陣表示為：

為了更好地展現數字孿生中虛擬空間與真實世界的高度一致性，該文在建立虛擬世界中的每一個物體添加沖突單元，并將剛體一起添加到物體上，來模擬物理世界中的沖突效果，更大程度地還原現實世界中的物理規則，避免發生不符合常理的物體間相互穿透的物理現象的出現。在進行沖突檢測時需要，每一個對象都使用一個比模型稍大的幾何體包裹，從幾何角度出發檢測場景中的物體是否發生接觸，檢測完成之后返回沖突信息[16]。其檢測算法原理如下：

假設χ1、χ2、χ3和χ4表示虛擬物體周圍N、S、E、W四個方向距離障礙物的長度值，且設定min(χ1,χ2,χ3,χ4) 是可求的，以R為半徑的圓形區域是虛擬物體行動安全范圍，假定R′為虛擬物體包圍盒子的探測半徑，則物體在不同方向上是否會發生沖突的判斷公式可表示為：

通過在數字孿生虛擬空間中進行式（5）的距離計算來完成巡檢路徑沖突檢測。

3 實驗研究

為驗證該文提出的基于數字孿生技術的變電站巡檢路徑沖突檢測優化方法的實際應用效果，設定對比實驗。通過建模軟件Autobesk 3ds max(3DMAX)根據圖片素材對現場設備一比一還原現場實時情況，包括運動過程，運動軌跡，建好的模型導入Quixel SUITEL 里面做材質貼圖，如模型需要從高模轉低模則需要通過拓補軟件TopoGun 轉成低模，然后再用烘焙軟件marmoset toolbag 把高模的模型細節轉移到低模。以上操作完成后，則轉出OBJ 格式導入3DMAX 中添加貼圖，設立實驗，進行沖突檢測，通過沖突檢測過程實現巡檢路徑優化，3DMAX 圖如圖3 所示。

圖3 3DMAX圖

利用航拍器傾斜攝影技術采集巡檢場所中物體的三維圖像，對采集到的圖像進行預處理，去濾波去噪，通過建立共線方程模型計算多視影像平差，進行多視影響密集匹配，獲得場景視差圖，利用相機參數對視差圖進行換算，得出巡檢場所深度信息。利用人工勢場標記障礙物，規劃出避開障礙物的巡檢路線，進而獲得障礙物三維坐標，進行巡檢路徑沖突檢測。

選用該文提出的基于數字孿生技術的變電站巡檢路徑沖突檢測優化方法、文獻[1]方法和文獻[2]方法完成后對比測試。不同方法的路徑沖突檢測誤差如表1 所示。

表1 路徑沖突檢測誤差實驗結果

根據表1 可知，文中方法巡檢能力更強，路徑沖突檢測誤差始終小于等于0.05%，傳統的基于蟻群算法的方法雖然也具備一定的消除路徑沖突檢測誤差能力，但是其路徑沖突檢測誤差高于該文方法，相比之下，文中方法具有顯著的應用優勢。

基于上述測試結果，進一步對不同方法下巡檢延時時間進行檢驗，檢驗次數共5 次，得到的實驗結果如表2 所示。

表2 巡檢延時時間檢測結果

在經過該文方法優化后，延時時間低于0.02 ms，而未進行優化之前，延時時間始終在0.6 ms 之內，無法滿足用戶要求。由此可見，該文提出的基于數字孿生技術的變電站巡檢路徑沖突檢測優化方法優化能力最強，更適合于實際應用。

4 結束語

變電站的安全問題已然成為了電力領域的重點問題，對于變電站巡檢路徑的沖突檢測以及優化可以極大提高變電站的穩定性。該文提出了基于數字孿生技術的變電站巡檢路徑沖突檢測優化方法，通過數字孿生技術對信息進行分析，解決了傳統方法的不足，并為后續研究此方面的學者提供相關參考。