本文內(nèi)容轉(zhuǎn)載自《電子制作》2020年第12期，版權(quán)歸《電子制作》編輯部所有。

薛偉

國網(wǎng)山東省電力公司夏津縣供電公司

摘要：文章主要針對(duì)以紅外熱成像為基礎(chǔ)的無人機(jī)故障診斷方法進(jìn)行系統(tǒng)研究，先分析了紅外檢測(cè)基礎(chǔ)原理和應(yīng)用，隨后介紹了輸電線路故障分類以及無人機(jī)選型，最后介紹了無人機(jī)故障診斷方法，包括紅外樣本預(yù)處理、紅外診斷措施，希望能給相關(guān)人士提供有效參考。

0引言

輸電線路的巡檢工作是電力系統(tǒng)巡檢中的基礎(chǔ)性任務(wù)，對(duì)于巡檢效率和巡檢精度的要求相對(duì)較高，因其輸電線路特殊性，需要保證檢測(cè)工作的高效性、精準(zhǔn)性、帶電以及非接觸，至于輸電線路中日常紅外檢測(cè)及典型設(shè)備通常存在溫度特性。為此無人機(jī)紅外熱成像設(shè)備在巡檢工作中誕生，并逐漸在電力設(shè)備運(yùn)維檢修中發(fā)揮重要作用，并取得了明顯成效。

1紅外熱成像檢測(cè)必要性

在我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展背景下，輸電線路整體覆蓋范圍持續(xù)擴(kuò)大，但是因?yàn)檩旊娋€線路大部分設(shè)置于戶外區(qū)域，在外部復(fù)雜環(huán)境因素的影響下，容易導(dǎo)致線路在雷電閃擊、雨水侵蝕以及線路老化等攻擊下不可避免出現(xiàn)各種電路故障。比如，配電運(yùn)檢工區(qū)在例行巡檢工作中，利用紅外成像測(cè)溫，發(fā)現(xiàn)10kV 線路北邊相發(fā)熱，從熱像特征來看，是為以接頭為中心的熱像，故障特征為設(shè)備本體問題，最終選擇了帶電更換刀閘的處理措施。如果選擇傳統(tǒng)人工巡檢方法進(jìn)行處理，則不但檢修效率較低，同時(shí)還無法保障技術(shù)人員的人身安全，部分地勢(shì)較為崎嶇險(xiǎn)峻的路線，在檢測(cè)工作中費(fèi)時(shí)費(fèi)力，加大了人力資源消耗。

而隨著科技的發(fā)展，無人機(jī)技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新，逐漸應(yīng)用到社會(huì)各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中，覆蓋民用、軍事、物流系統(tǒng)、公安系統(tǒng)、工農(nóng)商業(yè)等方面，同樣電力領(lǐng)域也是如此，開始引用無人機(jī)技術(shù)進(jìn)行相關(guān)工作。電力系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中不可避免會(huì)出現(xiàn)各種故障問題，大部分故障都可以在設(shè)備表層體現(xiàn)出來，反應(yīng)為溫度的變化，在該種背景下，紅外熱成像應(yīng)用推廣到電力巡檢工作當(dāng)中已經(jīng)成為一種主流發(fā)展趨勢(shì)。

2紅外檢測(cè)基礎(chǔ)原理和應(yīng)用

2.1紅外檢測(cè)基礎(chǔ)理論

自然界中的光元素本質(zhì)上屬于一種電磁波，按照波長(zhǎng)范圍可以進(jìn)一步分成不可見光與可見光。人們?cè)谌粘Ｉ钪兴吹降纳势G麗的世界本質(zhì)上便是可見光，人的眼睛可以捕捉到赤橙黃綠青藍(lán)紫等光線。但自然界中也擁有不可見光，其中紅外線便是一種不可見光，其廣泛分布于自然界內(nèi)，屬于一種人們摸不到看不見的電磁波，物體處于正常條件下會(huì)形成分析與原子遠(yuǎn)動(dòng)，如果物體溫度高于決定零度，則物體自身便會(huì)發(fā)射出一種熱紅外能力，雖則溫度的提高，能量越大，相反的情況下，溫度越低能量越小。

2.2紅外成像原理和應(yīng)用方法

紅外線屬于不可見光，怎樣將這種不可見光發(fā)送出來的信息變?yōu)槿搜劭梢姽饩€，則成為紅外熱成像的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。紅外熱成像技術(shù)主要是把該種不可見光發(fā)散出來的能量信號(hào)變成一種電信號(hào)，隨后在可視化屏幕中顯示出紅外圖譜。所有物體一旦溫度超出絕對(duì)零度，隨著溫度的變化，其散發(fā)出來的能量也各不相同，在紅外圖譜中呈現(xiàn)出來的顏色也完全不同。同時(shí)紅外熱成像屬于非接觸性的，對(duì)于光線方面沒有明顯要求，為此可以有效應(yīng)用到電力巡檢當(dāng)中實(shí)施帶電檢測(cè)，其應(yīng)用范圍較廣。

3輸電線路故障和無人機(jī)選型

3.1輸電線路故障分類

輸電線路相關(guān)設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中通常會(huì)出現(xiàn)各種缺陷故障，主要是以設(shè)備表面溫度提升或出現(xiàn)異常發(fā)熱的問題。紅外熱成像便是針對(duì)該種溫度缺陷問題研制出來的傳感裝置。輸電線路中的代表性設(shè)備主要包括下面幾種內(nèi)容：第一是導(dǎo)線，而導(dǎo)線問題主要包含老化、短路、變形、松脫等故障。第二是絕緣子，在實(shí)際運(yùn)行中，電力系統(tǒng)內(nèi)的絕緣子容易出現(xiàn)污穢、破損、受潮、覆冰等問題。第三是桿塔，其在日常運(yùn)行中容易出現(xiàn)局部發(fā)熱、桿塔傾斜、螺栓脫落等問題。第五是拉線和接地類故障，相關(guān)故障問題可以借助紅外熱成像技術(shù)實(shí)施全面診斷和檢測(cè)。

3.2無人機(jī)巡檢選型

隨著近幾年科技實(shí)力的不斷增強(qiáng)，無人機(jī)逐漸呈現(xiàn)出一種品質(zhì)化、節(jié)能化、智能化和輕型化法發(fā)展趨勢(shì)，無人機(jī)憑借其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)開始承接各種航飛任務(wù)。當(dāng)下在市場(chǎng)中較為常見的無人機(jī)主要可以劃分為三種類型，分別是多旋翼無人機(jī)、固定無人機(jī)以及直升機(jī)無人機(jī)等。不同無人機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中體現(xiàn)出不同特征。其中直升機(jī)無人機(jī)整體質(zhì)量和體積相對(duì)較大，所以續(xù)航能力有限，飛行速度相對(duì)較慢，但擁有良好的抗風(fēng)性能，在飛行檢測(cè)中較為穩(wěn)定，這也是第一階段的無人機(jī)應(yīng)用。固定翼無人機(jī)在實(shí)際操作應(yīng)用中主要特征便是適合進(jìn)行大范圍的航拍巡檢工作，該種類型的無人機(jī)整個(gè)體積較大，同時(shí)在檢測(cè)工作中對(duì)于飛行環(huán)境具有較高的要求。多旋翼無人機(jī)逐漸從最開始的四旋翼模式發(fā)展到當(dāng)下工業(yè)領(lǐng)域中頻繁應(yīng)用的八旋翼以及六旋翼模式，該種無人機(jī)主要飛行特點(diǎn)是較為靈活體積小，但該種無人機(jī)自身體積對(duì)相關(guān)電池續(xù)航以及飛機(jī)承重造成了一定的限制，為此需要進(jìn)行重點(diǎn)研究，及時(shí)解決。由于多旋翼無人機(jī)擁有成本低廉，適用性強(qiáng)，能夠滿足大部分巡檢要求，所以是當(dāng)下應(yīng)用較為廣泛的一種機(jī)型。在實(shí)際應(yīng)用過程中，也可以利用固定翼無人機(jī)搭配小型旋翼機(jī)的方式進(jìn)行定期、長(zhǎng)距離的巡檢工作，小型旋翼機(jī)確定故障段后，利用固定翼無人機(jī)展開凈距離的懸停式檢測(cè)，全面了解故障細(xì)節(jié)，減少選線時(shí)可能出現(xiàn)的遺漏。無人機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)具體如圖1所示。

圖1 無人機(jī)紅外熱成像檢測(cè)系統(tǒng)

4以紅外成像為基礎(chǔ)的無人機(jī)故障診斷

4.1紅外樣本預(yù)處理

因?yàn)殡娏ρ矙z工作通常處于各種環(huán)境較為惡劣的自然環(huán)境狀態(tài)下，同時(shí)無人機(jī)以及輸電線路兩者處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)條件下，電力巡檢中無人機(jī)檢測(cè)中拍攝到的紅外圖片需要實(shí)施優(yōu)化處理，如此才能更為準(zhǔn)確地判斷整個(gè)線路中的故障問題。紅外樣本相關(guān)預(yù)處理工作主要包括邊緣檢測(cè)、圖像強(qiáng)化、圖像去噪、圖像灰度化等技術(shù)，圖像灰度化便是把原本色彩艷麗的圖片內(nèi)像素點(diǎn)轉(zhuǎn)化為灰色。圖像去噪操作主要是把圖像內(nèi)形成影響干擾的元素徹底去除。圖像增強(qiáng)則是把圖像內(nèi)原本存在的有用信息實(shí)施最大化處理。邊緣檢查則是針對(duì)圖像邊緣提取檢測(cè)范圍內(nèi)鎖定的區(qū)域目標(biāo)。生成紅外圖像的過程中會(huì)出現(xiàn)細(xì)節(jié)邊緣模糊不清以及各種噪音等問題，其中高斯噪聲和脈沖噪聲較為常見。為此可以選擇像素同齡組措施針對(duì)具體圖像實(shí)施去燥處理操作，像素同齡組對(duì)于去除高密度脈沖噪音以及一般脈沖噪聲具有突出效果，隨后通過NSCT非線性系數(shù)，促進(jìn)圖像邊緣細(xì)節(jié)的進(jìn)一步強(qiáng)化，同時(shí)還能夠?qū)υ肼曅纬梢环N有效的限制作用。通過相對(duì)溫差法，能夠了解設(shè)備故障狀態(tài)。無人機(jī)熱成像檢測(cè)效果如圖2所示。

圖2 無人機(jī)熱成像檢測(cè)效果

4.2紅外診斷措施

電力系統(tǒng)中相關(guān)電氣設(shè)備如果出現(xiàn)發(fā)熱問題，則可以通過紅外熱成像技術(shù)對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確辨別，但如果檢測(cè)中遇到較為惡劣的自然條件，比如污穢、風(fēng)速、濕度以及溫度等變化，都會(huì)影響紅外診斷的準(zhǔn)確性。為此在檢測(cè)工作中應(yīng)該避免選擇通過單一方法直接進(jìn)行故障診斷，獲得結(jié)論。紅外診斷方法主要包括四種形式，分別是熱圖譜分析、相對(duì)溫差比較、表面溫度判斷、同設(shè)備對(duì)比等方法。電力無人機(jī)搭載紅外熱成像傳感裝置，能夠?qū)旊娋€路中各種設(shè)備運(yùn)行中形成的紅外圖像進(jìn)行全面采集，特別是對(duì)于電力系統(tǒng)中的拉線、接地類元件、金具、桿塔、絕緣子以及導(dǎo)線等設(shè)備裝置，隨后利用上述方法實(shí)施對(duì)比分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不斷電非接觸檢測(cè)，準(zhǔn)確判斷電力線路中的故障問題。在結(jié)束紅外熱成像檢測(cè)后，針對(duì)相關(guān)采集圖像信息實(shí)施拼接處理，需要率先將其中的水印徹底去除，隨后實(shí)施模糊度估計(jì)，將那些模糊問題較為嚴(yán)重的圖像徹底去除。

5結(jié)語

綜上所述，電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行關(guān)系到整個(gè)社會(huì)的穩(wěn)定發(fā)展，為此需要提高電力巡檢工作的重視，輸電線路是電力系統(tǒng)中出現(xiàn)故障次數(shù)較為頻繁的部分，通過掌握輸電線路運(yùn)行中的常規(guī)故障問題，結(jié)合線路故障條件下的溫度特征，提出利用紅外熱成像設(shè)備診斷故障的方法，從而提高故障診斷準(zhǔn)確信和診斷效率，為無人機(jī)電力巡檢技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定良好基礎(chǔ)。

原文標(biāo)題：基于紅外成像的無人機(jī)故障診斷方法研究

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