• EN RU

ЛАРС



Разработка подхода к автоматизированному мониторингу ЛЭП при помощи БЛА, включающего планирование движения БЛА и определение состояния элементов ЛЭП на основе анализа изображений в различных спектрах

Номер:
20-08-01056 А
Руководитель:
Солёная Оксана Ярославовна
Сроки:
январь 2020 - декабрь 2022
Источник финансирования:
РФФИ
  • Медиа:
  • Аннотация:

    Несмотря на активное использование новых материалов и конструкций при проектировании и монтаже линий электропередач, в элементах воздушных линий (ВЛ) по-прежнему возникает множество дефектов различного рода, которые снижают эффективность и могут препятствовать нормальной работе ЛЭП.
    Другой проблемой являются существующие подходы мониторинга ЛЭП, которые являются слабо автоматизированными и предполагают большое количество ручного труда, что может привести к увеличению времени, необходимого для детектирования и устранения дефектов. На сегодняшний день одними из наиболее востребованных устройств для мониторинга ЛЭП являются беспилотные летательные аппараты, способные автономно выполнять полетные задачи вблизи ЛЭП.
    Целью данной работы является разработка метода планирования движения БЛА относительно ЛЭП, который позволит БЛА безопасно перемещаться в пространстве для проведения съемки в инфракрасном (ИК), ультрафиолетовом (УФ) и видимом спектрах.
    Метод планирования движения БЛА позволит учитывать влияние электромагнитного поля (ЭМП) ЛЭП, различные погодные условия и погрешности датчиков при движении летательного аппарата. Предложенный метод также включает в себя поправку положения БЛА относительно ЛЭП для корректной фиксации изображений в инфракрасном, ультрафиолетовом и видимом спектрах.
    На основе данных в вышеперечисленных спектральных диапазонах будет разработан подход, обеспечивающий автоматизированную обработку изображений для определения состояния элементов ЛЭП. Реализация программного обеспечения на основе разрабатываемого подхода к автоматизированному мониторингу ЛЭП позволит быстро получать информацию и анализировать проблемы возникающие в ЛЭП, что приведет к оперативным действиям по их устранению и положительно скажется на экономической составляющей связанной с обслуживанием ЛЭП.


    Полученные за отчетный период результаты:

    В 2020 г. в ходе работ по проекту были проанализированы методы планирования пути беспилотных летательных аппаратов (БпЛА) для получения аэроснимков и последующего обнаружения повреждений элементов воздушных линий электропередач (ЛЭП). В частности, рассмотрена классификация методов планирования маршрута летательного аппарата: на основе построения графов, клеточной декомпозиции и интеллектуальных технологий, а также методы потенциальных полей. По результатам обзора, наиболее предпочтительным решением данной задачи является совместное использование методов машинного обучения и методов быстрого перестроения пути, например, алгоритма D*. Такое решение не требует знания карты местности, может быть использовано в динамической среде окружения, а также позволит частично решить задачу детектирования компонентов воздушных линий.

    В ходе выполнения анализа характеристик и параметров ЛЭП были обозначены факторы, оказывающие непосредственное влияние на проектирование, эксплуатацию и их надежность. Приведены систематизированные данные о высоковольтных ЛЭП единой энергетической системы России (ЕЭС РФ), содержащие характеристику пропускной способности и регламентированной длины пролета в зависимости от класса напряжения. Структурирован набор контролируемых характеристик ЛЭП, на основе которого возможно проводить оценку состояния ее элементов. Рассмотрены существующие типы опор ЛЭП и изоляторов, обозначены основные параметры, характеризующие техническое состояние поддерживающих провода конструкций. Проанализированы виды расположения проводов на опорах и обозначены преимущества использования грозозащитных тросов. Приведена сравнительная характеристика композитных, стальных, железобетонных и деревянных опор, а также их классификация по функциональному исполнению (промежуточные, угловые, концевые, анкерные, ответвительные, повышенные и транспозиционные). Выполнен детальный анализ вариантов конструктивного исполнения проводов ЛЭП, в том числе самонесущих изолированных проводов (СИП). Приведено подробное сравнение материалов, из которых изготовлены провода и опоры ЛЭП, обозначены их достоинства и недостатки. Проанализированы современные российские и зарубежные исследования в области: эксплуатации электроэнергетических систем; проведения оценки потерь мощности на корону; влияния температуры и стрелы провеса линии на ее техническое состояние; исследования режима работы распределительной сети, изменяющимся в реальном времени в зависимости от коммутационных действий, в результате которых меняют соединения между фидерами, шинами, нагрузками и источниками питания. Актуальными являются проблемно-ориентированные изыскания в области: мониторинга систем распределения электроэнергии; влияния грозовых разрядов на линии электропередачи; неэффективного резервирования, получения неточных параметров в результате проведения псевдоизмерений, ветровых нагрузок и гололедообразования, которые оказывают негативное воздействие на техническое состояние ЛЭП и опор. Приведена структура систем мониторинга ЛЭП, которая содержит данные о применяющихся для этой цели базовых компонентов и типов датчиков. Описаны параметры ЛЭП, по которым проводится мониторинг технического состояния ее функциональных узлов. Структурированы виды операций комплексной диагностики ЛЭП и раскрыто их содержание.

    Представлен обзор современных методов мониторинга состояния элементов конструкции линий электропередач посредством обработки изображений в инфракрасном, ультрафиолетовом и видимом спектрах. Рассмотрены методы распознавания основных элементов конструкции ЛЭП и детектирования наиболее характерных для них дефектов, основанные на определении отличительных признаков (цвет, форма, границы, градиент яркости и текстура). В качестве основных элементов ЛЭП были рассмотрены изоляторы, провода, опоры и арматура. Анализ эффективности рассмотренных методов и подходов проводился на основе сравнения представленных в источниках метрик: значений доли верных распознаваний (accuracy), точности (precision) и полноты (recall). Особый интерес представляет анализ методов мониторинга элементов конструкции ЛЭП на основе изображений, полученных не только в видимом, но также в ультрафиолетовом и инфракрасном спектрах. Методы, предназначенные для обработки изображений в видимом спектре, основываются на алгоритмах глубокого и машинного обучения. Ультрафиолетовый спектр (УФ) используется для выявления коронных разрядов на проводах и изоляторах. Съемка в инфракрасном спектре (ИК) позволяет выявить дефекты элементов ЛЭП, которые не могут быть детектированы на изображениях в видимом спектре, например, горячие точки (hotspot). В результате проведенного анализа были рассмотрены методы детектирования дефектов ЛЭП. Методы с наибольшей эффективностью для видимого спектра: GVN, HOG+SVM, SSD, Grab cut, cascading CNN, LBP-HF+SVM, DMNN, VGG-19, LBP+ULBP, YOLO v3, DELM+LRF, SVM, Faster R-CNN, CNN, стереозрение+PLAMEC. Методом детектирования с наибольшей эффективностью для ИК-спектра является Оцу + пороговая обработка, а для УФ-спектра – метод SVR.

    В 2021 г. в ходе работ по проекту был разработан новый метод автономного планирования движения беспилотных летательных аппаратов (БЛА) для обследования воздушных линий электропередач (ЛЭП). Чтобы обеспечить автоматизированное обследование частей ЛЭП в данном проекте были выделены ключевые элементы, которые могут быть обнаружены при помощи данных с камеры и алгоритмов компьютерного зрения. К таким ключевым элементам относятся: части опоры (верхняя и нижняя), провода, траверсы. Новизна разработанного метода обследования ЛЭП заключается в динамическом построении траектории в зависимости от местоположения БЛА относительно элементов ЛЭП. Траектория движения БЛА создается на основе рассчитанных положений БЛА, опорных точек и особых алгоритмов обследования. Рассчитанные положения зависят от параметров камеры (высоты и ширины кадра, процента перекрытия кадров). Опорные точки, хранятся в базе данных, которая формируется при движении БЛА. Детальное обследование отдельных элементов ЛЭП производится на основе заданных паттернов траекторий движения, на основе которых формируется полетное задание для обследования конкретного типа элемента ЛЭП. Во время выполнения полетного задания по обследованию опоры ЛЭП БЛА пополняет базу данных типом обнаруженных ключевых элементов и координатами опорных точек, которые необходимы для связи полетных заданий между собой. Для построения траектории движения между опорными точками используется RRT алгоритм. Для тестирования проверки эффективности предложенного алгоритма планирования пути между двумя опорными точками были проведены симуляционные эксперименты в программной среде Gazebo. Для этого в рамках проекта была разработана специализированная платформа моделирования движения БЛА. Посредством разработанного ПО была продемонстрирована автономная навигация БЛА и тестовые полёты в симуляторе. Результаты моделирования показали, что среднее время планирования пути составляет не более 1 с для одного участка ЛЭП. Также разработанный алгоритм позволяет БЛА перемещаться относительно опоры на безопасном расстоянии. Это исключает столкновения БЛА с элементами ЛЭП и влияние электромагнитного излучения от ЛЭП на оборудование БЛА. Предложенный алгоритм планирования пути между опорными точками может работать с минимальными задержками по времени на больших расстояниях при обследовании ЛЭП в реальных условиях. 

    Для проверки разработанного подхода к определению состояния элементов ЛЭП на основе анализа изображений в различных спектрах была собрана база данных из различных снимков элементов ЛЭП: в видимом спектре, инфракрасном (ИК) и ультрафиолетовом (УФ) спектрах. База данных включает в себя 7566 снимков в видимом спектре, 2550 снимков в ИК спектре и 1498 снимков в УФ спектре. На снимках в видимом спектре содержатся изображения опор разнообразных форм и на различном фоне, изображения траверсов с изоляторами и креплениями. Изображения с ЛЭП в ИК спектре содержат информацию о температуре опор и элементов ЛЭП. Наличие этой информации позволяет выявить такие дефекты, как пробой изолятора, излом или перетирание проводов. Снимки изоляторов ЛЭП в УФ спектре позволяют зафиксировать наличие коронного разряда на проводах линий электропередач, который вызывает значительные потери передаваемой энергии. 

    Был разработан подход к определению состояния элементов ЛЭП на основе анализа изображений в различных спектрах. Данный подход обеспечивает детектирование дефектов опор, траверсов, изоляторов, проводов и креплений в опорных точках пространства при их достижении БЛА. Подход состоит из следующих этапов: создание полетной миссии оператором, движение БЛА по имеющимся паттернам траекторий, создание базы данных снимков элементов ЛЭП в видимом, ИК- и УФ- спектрах, переход между полетными заданиями в опорных точках и анализ собранных изображений на наличие дефектов у снятых на камеры элементов ЛЭП. Также были рассмотрены дефекты на различных элементах ЛЭП, спектральные диапазоны, в которых они находятся, и методы обработки. Было проведено тестирование метода поиска дефектов посредством обработки изображений, снятых с БЛА. Обработка изображения проводилась посредством нейронных сетей семейства YOLO. Сравнительный анализ YOLOv3, YOLOv4 и их упрощенных версий показал высокие результаты точности детекции дефектов на изоляторах при помощи YOLOv3-tiny (mAP@0,50=0,97±0,03; mAP@0,75=0,78±0,04).