无人机电力巡线障碍物自动检测系统科技项目申请书及可行性研究报告.docx
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无人机电力巡线障碍物自动检测系统科技项目申请书及可行性研究报告.docx
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无人机电力巡线障碍物自动检测系统科技项目申请书及可行性研究报告
公司科技项目
申请书及可行性研究报告
填写说明
一、请严格按照要求填写各项。
二、专业类别根据项目所属专业种类中选择。
三、项目摘要应简要说明项目研究内容和预期成果,字数要求500字以内。
四、项目申请单位指提出项目建议与申请的单位或部门,如总部各部门、直属机构、各分子公司及其所属基层单位等。
五、项目分工应主要描述项目申请单位与协作单位的任务划分,项目计划进度安排应按时间段列出研究推进计划,并明确各阶段交付物及标志性里程。
六、科技经费预算支出科目具体解释见附件2。
七、科技成果的成熟度水平评判标准见附件3。
项目简表
项目名称
无人机电力巡线障碍物自动检测系统
项目
负
责
人
姓名
工作单位
广西电网有限责任公司河池供电局
性别
年龄
职称
工程师
项
目
分
类
[]基础性研究
[]前瞻性研究
[√]应用性研究
[]发电技术[√]输电技术[]变电技术
[]配电技术[]用电技术[]电网运行技术
[]信息技术[]通信技术[]物资管理技术
[]电网建设[]继保自动化[]其它
项目起止时间
2017年1月—2018年12月
申请经费总额
146万元
是否重点项目
项目摘要:
无人机电力巡线障碍物自动检测系统是针对电力巡线面临的安全隐患繁多、巡检任务重等问题,在现有巡检基础上利用技术创新以提高巡检的效率、优化巡检成果的新型巡检系统。
系统以无人机遥感平台为基础,使用航空摄影测量技术生成电力线通道内正射影像,快速完成电力线通道内的违章施工、违章建房等违规行为的巡查任务。
系统通过立体测量获得电力线精确高度,计算建筑物及树木与电线之间距离,准确定位超过限高的树障与建筑物以便排除隐患。
系统解决了电力线狭长条带的空三加密难题,所获取的电力线通道高精度正射影像平面精度及高程精度能够满足电力巡线要求;同时解决了DSM数字表面模型自动快速生成的问题。
系统通过立体测量方法解决了电力线精确测量问题,能够自动定位超过安全距离的危险隐患处,同时获得电力线检查报告,输出电力线剖面图、电力线限高统计图等,并且能够查看超限点的精确位置与影像。
项目预期成果:
1.电力巡线障碍物自动检测无人机系统:
包括无人机平台、任务载荷、数据链、指挥控制、发射与回收等分系统;
2.无人机电力巡线障碍物自动检测系统软件开发与应用;
3.无人机电力巡线障碍物自动检测数据处理成果:
包括正射影像、数字表面模型DSM、电力线检查报告。
预期成果成熟度水平
7级
项目负责人意见:
(签字)年月日
申请单位意见:
(公章)年月日
总部部门、直属机构、分子公司意见:
(公章)年月日
项目分工与计划进度安排
1、项目相关单位及具体分工
单位
具体分工
河池供电局
项目构想及申请;项目实施应用及成果分析
协作单位1
项目硬件系统研发与软件开发;项目外业工作;项目内业数据处理与成果整理
协作单位2
协作单位3
2、计划进度安排
任务名称
开始时间
完成时间
主要内容及交付项
系统开发
2017.01.01
2017.06.30
电力巡线障碍物自动检测系统软件开发;无人机平台硬件研发
数据生产实验
2017.07.01
2017.12.31
巡检数据生产(正射影像DOM、数字表面模型DSM)和电力线检查报告生成
系统应用
2018.01.01
2018.06.30
电力巡线障碍物自动检测系统各项功能应用
项目验收及结算
2018.07.01
2018.12.31
编制项目验收材料,开展项目验收及结算,并及时将项目资料归档
编写要求:
1.列出分时间段计划研究内容;
2.分时间段提供成果的内容和形式,要求具有可检查性。
项目组成人员情况
序号
姓名
年龄
职称、职务
工作单位
任务分工
1
工程师、副主任
河池供电局
项目工作协调、项目实施及成果分析
2
助理工程师、初级作业员
河池供电局
项目实施及应用成果分析
3
助理工程师、班长
河池供电局
项目实施及应用成果分析
4
助理工程师、初级作业员
河池供电局
项目实施及应用成果分析
5
助理工程师、初级作业员
河池供电局
项目实施及应用成果分析
6
助理工程师、高级作业员
河池供电局
项目实施及应用成果分析
7
技术员、中级作业员
河池供电局
项目实施及应用成果分析
8
技术员、初级作业员
河池供电局
项目实施及应用成果分析
一、目的和意义
目前电力巡线工作面临安全隐患繁多、巡检任务重等问题,急需在现有巡检模式基础上利用技术创新以提高巡检的效率、优化巡检的成果。
违章施工、违章建房等导致电力设备安全隐患及外破事件层出不穷,防不胜防,如何及时、有效发现这些违章现象成为巡线工作中最迫切的问题;同时树障距离难以精确测量导致跳闸威胁输电线路安全运行的问题也亟待解决。
为解决以上问题,急需一种更快速更全面的巡检方式,能够覆盖电力线通道并且获得电力线以及地表完整信息,同时为保证电力线与地物安全距离能够进行电力线高度精确测量。
目前巡线工作主要采用人工作业模式,需要巡检人员翻山越岭沿电力线通道进行巡视,依靠经验判断是否存在危及电力线安全运行的因素。
这种巡检模式存在严重的弊端:
巡检人员在地面目视电力线,在山头及植被遮蔽条件下,无法通视,存在巡检盲区;
巡检结果高度依赖巡检人员的作业经验,存在很大的主观性,缺乏定量测量依据。
研究项目针对此难题,利用无人机技术、摄影测量技术以及软件分析处理技术,能够准确测量出线路护区内树木、建筑等障碍物对带电导线的距离,自动生成电力线检查报告,对未能满足运行要求的超距树木、违章建筑输出其具体位置与影像信息,真正实现线路巡视的自动化与数字化。
电力巡线障碍物自动检测系统以摄影测量为技术手段,利用无人机拍摄的影像资料结合人工判断,掌握电力线路以及杆塔的状况,并且高度自动化的识别和定位输电线路通道内违章建筑、高杆植物、开挖、漂浮物等潜在威胁输电线路安全的危险因素。
在本系统中,解决了利用影像进行弧垂高度测量的难题,将无人机巡线由目前的可视水平提升至可量测水平,填补了线路通道定量巡检的空白。
日常的巡检重点为判定线路通道内的建筑物及树木对于线路通道的影响。
在杆塔设计、线路施工及验收环节,要求能够保证电力线弧垂与地物间的安全距离大于15米,造成电力线弧垂与地物之间距离小于安全距离的最大风险是线路通道内的乱搭乱建及植被生长。
针对线路通道内的建筑物、树木等障碍,可以利用固定翼无人机航时长速度快的特点,能够覆盖大范围的线路通道。
利用无人机搭载的高清数码相机所拍摄的影像资料,结合电力测量模块,能够定量测量障碍物的位置与高度等信息。
与人工巡检相比,电力巡线障碍物自动检测系统的工作效率高,大大降低了电力线巡检的成本;缓解了输电专业人员少、维护线路长、线路走廊地形复杂等因素制约;减轻了作业人员工作强度,提升了员工人身安全保障;缩短了应急抢修时故障点定位时间,对洪泛区、禁行区、冰冻区等人员无法到达区域进行高效率周期性巡视。
各种严重的自然灾害后,也可以第一时间让无人机飞入电力事故区域进行监测,赢取抢修时间。
与人工巡检相比,电力巡线障碍物自动检测系统除了工作效率与工作范围等优势外,具有明显的成本优势。
无人机系统成本仅为人工巡视成本的30%。
与使用雷达摄影测量获取激光点云生成三维模型和直升机巡线相比,无人机系统也具有成本优势。
本系统选用的固定翼无人机航速80千米/小时,航时2小时,每个架次的航程为160千米,单架次有效线路覆盖距离为50千米。
数据后处理阶段,一个架次的数据处理时间约为3天。
与使用雷达航拍获取沿线路的三维模型相比,无人机巡检系统的成本要低很多,同时其后期数据处理效率又可以高出几十倍。
载人直升机巡检需专业的飞行人员,同时需要巡检人员在飞机上进行观测,还需要地面保障团队和高昂的飞机保养费用。
与载人直升机相比,无人机巡检系统的价格要低很多。
因此,在保证高效巡检效率的同时,使用无人机巡检系统可以极大降低巡检成本。
综上所述,电力巡线障碍物自动检测系统能够有效结合现有的人工巡检方式,有针对性和适应性的功能组成、系统边界清晰,具备可复制性。
从效率和成本方面考虑,无人机系统与激光雷达系统和直升机系统相比具有明显优势,值得作为主要的巡检模式在电力检修公司内部推广。
二、项目研究的背景
(1)国外研究情况
国外发达国家依托自身先进的无人机技术在无人机巡线领域处于领先地位。
相比于国内主要处于硬件的开发层面,发达国家已经关注于后续的图像、数据处理方面的研究,甚至技术更高的激光雷达巡线技术也已经应用于无人机上。
最早利用无人机直升机巡线的是英国的威尔士大学和EA电力咨询公司。
在美国,Nascent新兴技术公司与MIT进行技术合作,研制了XS系列微型无人直升机,已应用在北美的远程运行电力线路定期巡查中。
日本关西电力公司与千叶大学联合研制了一套架空输电线路无人直升机巡线系统,该系统包括故障自动检测技术和三维图像监测技术,能够自动查巡雷击闪络点、杆塔倾斜、铁塔塔材锈蚀、水泥杆杆身裂纹、导地线断股等主要缺陷。
课题组成员还通过构建线路走廊三维图像来识别导线下方树木和构筑物。
西班牙马德里理工大学开展基于计算机视觉技术的无人机导航系统的研究并已开发完成。
该系统借助GPS并利用图像数据处理算法和跟踪技术,实现架空输电线路无人机巡线导航,可以自动检测无人机相对于参照物的地理坐标和速度。
澳大利亚GSIRO(联邦科学与工业研究组织)通信技术中心的研究人员致力于小型的T21型巡线无人直升机的研发。
通过在无人直升机上安装激光测距仪,可以准确测量导线下方构筑物、树木等与导线之间的距离。
英国Bangor大学的Jones,Golightly等学者研发了一款新型的架空输电线路巡检垂直起降无人机。
虽然该款机型的研发还存在许多不足,但是依据在AVS(一种专门用于无人机模拟训练的装置)上进行的模拟试验,验证了该设计方案具有可行性。
(2)国内研究情况
随着无人机技术的不断成熟,国内也开始了无人机电力巡线的研究工作。
目前,国网和南网都开展了无人机电力巡线的试点工作。
但是,针对线路通道障碍物巡检的电力巡检系统还缺乏有效的技术手段。
2009年初,国家电网公司正式立项研制无人直升机巡检系统。
无人机在电力系统的应用从无到有,并越来越广泛。
针对直升机输电线路巡检应用,国家电网公司专门成立了通航公司,是国家电网公司直升机电力作业服务的专业化平台。
国家电网公司电力机器人实验室也进行过无人机的巡线研究,取得的阶段性成果目前已成功应用于各种输电线路的实际巡检运营工作;北京电网采用固定翼飞机进行了无人机巡线试验;山西电网采用了无人直升机,在2011年6月进行了飞行试验;西安电网使用无人机搭载LiDAR对西安电网进行了激光三维扫描及在线巡检;安徽宿州供电公司开展了四旋翼无人机的应用,对高压输电线路进行了立体巡视。
值得注意的是,无人机巡检有从旋翼小型无人机向大型固定翼无人机发展的趋势。
2014年9月份,国家电网已有巡检半径超过100公里的大型无人机投用,该大型无人机任务载荷80千克、续航时间6小时、有效巡航速度30~120千米/小时、有效巡视半径100公里、抗风能力6级。
2015年12月国网湖南电力首次使用固定翼无人机对线路进行巡检作业。
南方电网公司在2009年以前一直采取的是人工巡检模式,2009年开始尝试有人直升机巡检,2012年开始尝试无人机巡检模式,截止目前,南方电网公司输电线路整体仍然以人工巡护为主,直升机巡视为辅,无人机巡视仅仅处于刚刚起步阶段。
各个省市输电所均积极投入应急抢修、灾情查勘、迁改设计等作业的无人机应用创新。
(三)项目技术关键与难点
系统结合了人工巡检以及固定翼无人机巡检的优势,解决了电力线巡检中两大问题:
电力线通道内的违章施工、违章建房情况的检查以及障碍物与电力线距离精确测量。
关键技术包括以下三个方面:
1.狭长条带的空三加密
电力巡线航空摄影时,沿电力线方向铺设2条航线,是典型的狭长条带测区。
利用本系统进行前期探索性实验时,在飞机上搭载了双频GPS设备,在17公里的线路内,布设了8个控制点,在空三软件解算模块中的实验结果表明,本次实验平面精度及高程精度能够满足电力巡线要求。
2.线路通道内DSM的快速生成
DSM自动生成模块,利用摄影测量的方法通过同名像点间接解求地物点三维坐标,获取地面点云,DSM自动生成,可以生成平均密度为9~12厘米间隔的点云,点云密度及准确率可媲美激光点云设备。
3.电力线的立体精确测量
电力线半自动测量模块利用摄影测量的方法,通过同名像点间接解求地物点三维坐标,获取电力线矢量数据,以此作为电力线和地物距离的解求依据。
三、项目申请单位具备的研究基础和条件
该项目负责人已经从事电力线路运维工作8年,在工作中不断总结、创新。
在已有的无人机单点巡检的基础上,大胆创新,提出无人机全线巡视并采用航空摄影测量技术和后期数据处理技术生成线路通道巡视报告,让运维人员直观、准确的看到通道内危及线路的障碍物,为维护线路安全运行提供有力支持。
河池供电局无人机巡检作业已经在输电所得到推广,多次利用无人机发现线路缺陷、隐患,并在2016年广西电网公司的首届无人机技能竞赛中取得三等奖的好成绩。
四、项目研究内容、技术路线与实施方案
(一)项目研究内容的详细说明
主要研究内容
1主要技术内容
本项目以无人机遥感平台为基础,巡查输电线路通道内的障碍物,结合无人机技术和摄影测量技术,自动发现危险障碍物位置,生成电力线安全检查报告。
项目的主要研究内容:
电力巡线障碍物自动检测无人机平台建设、电力巡线障碍物自动检测系统软件开发。
1)电力巡线障碍物自动检测无人机平台
平台包括固定翼无人机、无人机飞控平台、高清数码相机等内容。
考虑到巡视速度和距离,航拍采用UV20测绘型电动固定翼无人机,UV20无人机配备自主起降系统,具备安全可靠、维护操作简单、培训周期短等优势。
2)电力巡线障碍物自动检测系统
项目综合利用无人机、GPS定位、数字摄影测量、GIS等技术,首先根据输电线路矢量图规划无人机飞行航线,基于无人机技术和航空摄影技术获取输电线路沿线护区航拍高分影像;然后对无人机拍摄的高清影像进行全自动后处理,生成数字地表模型(DSM);最后在电力线弧垂高度测量模块的辅助下,自动识别输电线路护区内的超限树木、违章建筑等障碍物,输出障碍物的位置报告与统计结果。
系统主要具有以下功能:
生成高清正射影像
电力巡线障碍物自动检测系统采用固定翼无人机,发挥其巡航时间长和速度快的特点,能够高效地巡检大面积范围内的电力线通道和保护区,并且传回电力线通道内的高清影像,能够预防由于通道障碍造成的故障。
本项目采用固定翼无人机搭载高清全画幅相机,按照设定航线飞行,对输电线路护区进行连续拍照(间隔小于500ms),获取沿线护区航拍高分影像。
所获取的高分影像输入系统内,能够全自动拼接正射影像,自动选线,自动裁图,拼接裁图一体化,指定正射影像图幅存放路径,程序批处理一次得出所需的图幅。
生成数字表面模型DSM
以无人机遥感平台获取的影像数据为输入,经摄影测量学的空中三角测量、全自动DSM匹配两大处理步骤,得到线路通道的数字表面模型DSM。
输出电力线安全检查报告
系统通过电力线自动测量模块,分析输电线路与DSM的空间位置关系,自动获取护区树木建筑与带电导线距离,输出电力线距离检查报告。
检查报告显示电力线与DSM剖面图、各电力线关键点的限高统计图,标记超限线路位置,并生成超限坐标数据表、高差统计图。
2主要技术难点
1)空三加密
无人机航飞之后,需要通过空三处理技术对获取的影像进行匹配校正。
系统的空三解算主要针对小数码影像的特点,利用少量地面控制点来计算一个测区中所有影像的外方位元素和所有加密点的地面坐标。
系统算法先进、运行可靠、运算快速并且结果精确,除半自动量测控制点之外,其他所有作业如:
内定向、选取加密点、转刺加密点、相对定向、模型连接和生成整个测区像点网等都可以自动完成。
2)全自动的DSM的生成及电力线精确测量功能
系统的DSM自动生成模块,利用摄影测量的方法通过同名像点间接解求地物点三维坐标,获取地面点云,DSM自动生成。
电力线半自动测量模块利用摄影测量的方法,通过同名像点间接解求地物点三维坐标,获取电力线矢量数据,以此作为电力线和地物距离的解求依据。
在本系统中,解决了利用影像进行弧垂高度测量的难题,将无人机巡线由目前的可视水平提升至可量测水平,填补线路通道定量巡检的空白。
(2)技术路线
系统由两大部分组成:
电力巡线障碍物自动检测无人机平台,电力巡线障碍物自动检测系统。
电力巡线障碍物自动检测无人机平台包括固定翼无人机与机载设备、无人机飞控平台、高清数码相机等。
无人机平台与机载设备
电力巡线障碍物自动检测系统模块组成
编号
模块
功能描述
1
航线规划
根据巡检线路自动定义航线及起拍点,与无人机地面站建立接口。
2
航拍质量检查
对航飞成果进行现场评估。
3
自动空中三角测量
完成巡查区内的影像定位、定向。
4
巡线专用摄影测量工作站
DSM自动生成、线路弧垂半自动测量。
航线规划模块:
导入巡检线路,自动划分航线,并定义航线的起拍点和终止点,与无人机地面站建立接口,用于航线规划。
自动定义航线与起拍点
航拍质量检查模块:
航拍质量检查模块用于检查航拍结果是否满足本系统的要求。
航拍质量检测报告
自动空中三角测量模块:
选用HAT,利用其高性能转点和稀少控制的特性,为系统提供可靠的空三加密成果。
巡线专用摄影测量工作站模块:
摄影测量工作站模块主要用于全自动的DSM的生成及电力线弧垂测量功能,并利用DSM和电力线的测量结果,输出巡检报告。
(三)实施方案
系统以无人机遥感平台为基础,以杆塔经纬度坐标为输入条件,采用自动/半自动方式巡查线路通道内的障碍物,结合无人机技术和摄影测量技术,自动发现危险障碍物位置,辅以半自动的人工判别,剔除误报点,生成障碍物分布报告。
工艺流程如下:
(1)采用固定翼无人机,结合GNSS定位装置和单反相机进行影像采集。
(2)使用全站仪采集地面控制点。
(3)使用空三软件进行解算和模型定向。
(4)采用后处理系统进行线路量测和成果输出。
在上图所示的工艺流程中,各个环节边界清晰,与目前电力巡检公司的班组配备情况相适应,外业班组负责航拍任务规划和航拍两个工序,内业班组负责数据处理工序。
内外业班组结合,组成完整的电力线巡检业务团队,以待巡检线路为输入条件,以巡检报告为输出成果。
外委的工作内容和工作量:
序号
外协内容
工作量
1
系统开发和测试
200工日
2
进行航飞实验
20工日
3
无人机航飞技术生产
100工日
4
技术专家提供咨询
50工日
五、预期目标和成果形式
预期目标及创新点
1)预期目标
电力巡线障碍物自动检测系统的总体目标是通过建设线路通道障碍物无人机巡检系统,充分利用无人机巡检优势,利用少量控制点的GPS辅助空中三角测量技术及DSM匹配技术,快速获取线路沿线的DSM模型,并通过电力线测量模块对电力线弧垂高度进行自动监测,并生成电力线检查报告,从而做到电力线下超限障碍物精确检查,提高巡检效率。
预期目标具体如下:
通过无人机航拍技术结合摄影测量技术,获取输电线路沿线护区航拍高分影像,生成高清正射影像(DOM);
全自动线路通道DSM提取,生成数字地表模型DSM;
通过电力线测量模块进行电力线弧垂测量,通过电力线检查报告输出超过安全距离的点位置与影像。
2)创新点
本项目的研发成果为一套满足电力线通道障碍物巡检目的的,由无人机飞行系统和后处理软件组成的专业系统。
现有的电力巡线中,电力线自动提取主要通过研究机载LiDAR点云数据中三维电力线拟合技术实现,数据获取、处理和曲线拟合的过程复杂,在效率及成本上难以在较大范围内达到巡检目的。
用户配备本系统即可开展无人机电力线通道障碍物巡检业务,只需要输入待巡检线路杆塔的经纬度坐标,经作业即可获取线路通道内的障碍物分布报告,处理过程全部在系统内部完成。
与只能进行简单航拍的无人机系统相比,本系统获得的巡线成果丰富包括正射影像DOM、数字化地表模型DSM以及电力线超限检查报告等,满足电力线主体以及电力线通道的巡检,系统功能更丰富提供的信息更完整。
与其他无人机系统相比,本系统解决了利用影像进行弧垂高度测量的难题,将无人机巡线由目前的可视水平提升至可量测水平,填补线路通道定量巡检的空白。
系统提供量化的电力线信息,为精确掌握电力线状况提供了保障,也为后期电力线整体信息的数字化管理提供数据基础。
主要技术经济指标
1.精度指标
系统所获得的正射影像分辨率最高可达5cm,测量精度可达国家1:
500数字航空摄影测量的精度要求,高程精度达0.35m。
系统自动生成DSM可以生成平均密度为9~12厘米间隔的点云。
2.效率指标
本系统选用的固定翼无人机航速80千米/小时,航时2小时,每个架次的航程为160千米,单架次有效线路覆盖距离为50千米。
数据后处理阶段,一个架次的数据处理时间约为3天。
提供的最终成果(含最终成果形式及成果验收标准)
最终成果形式:
1成果(级别、数量)
完成电力巡线障碍物自动检测系统软件开发及建设,研制电力巡线障碍物自动检测无人机平台2套,完成电力巡线障碍物自动检测系统研究报告1份。
系统最终成果包括:
获取通道高清正射影像;生成通道高清数字地表模型;自动化完成电力线精确测量;输出电力线安全检查报告等。
项目将在广西河池试点运行,试点运行效果应达到:
生产电力线通道内高清影像,排查通道内违法建筑、违法施工开挖地点;完成试点电力线通道内三维地表模型建立,同时进行电力线高度精确测量,输出通道内不符合安全要求的树障等障碍物位置与影像。
3项目形成的论文(级别、数量)
预计投稿南网技术论坛一篇。
4项目形成的专利(级别、数量)
提交发明或者实用新型专利1项。
5项目建设过程中的人才培养说明:
预计在电力巡检领域、电力巡检信息化与数字化方向培养20人。
六、配套科技应用示范项目落实情况
没有配套项目。
七、内部查新情况
本查新项目的研究内容与公司内部查新范围内的项目相比部分重复、具有局部有创新性。
查新报告见附件1。
八、项目经费预算
合 计
2016年
2017年
2018年
研究开发费(万元)
50.6
0
40
10.6
资本性支出(万元)
95.4
0
5
90.4
项目总经费(万元)
146
0
45
101
预算支出科目
金额(万元)
总金额
其中:
外委部分金额
备注
一、研究开发费合计
50.6
45.6
研发费
用
1、人工费
10
10
2、材料费
3、现有仪器设备使用费
附表1
4、测试化验加工费
10
10
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- 特殊限制:
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- 无人机电力巡线障碍物自动检测系统 科技项目申请书及可行性研究报告 无人机 电力 障碍物 自动检测 系统 科技 项目 申请书 可行性研究 报告