车玉兰　陶彤　万锦华　苏旭祥　郭雷

摘 要：研制一种悬空架设光缆的智能巡检装置。利用3D图像实时处理技术，利用AI算法针对图像不变量特征选用归一化方法的具体原则，自动识别图像中光缆的故障特征；解决多模块数据同步传输问题以及信号之间相互干扰的问题；采用光电编码传感器，利用光栅原理获得精确的故障定位距离，减少误差。

关键词：架空；电力通信光缆；智能巡检

中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）13-0037-02

随着的电力通信基础设施的大量建设，户外敷设的各种线缆的数量也在飞速增加。其中相当一部分为户外悬空架设的ADSS光缆，这些光缆容易受到电腐蚀和外力破坏而造成损伤。此外，近年来国内生态环境好转，各种鸟类繁衍数量激增，鸟类啄伤光缆引起光缆损坏的事故频繁发生。目前尽管防鸟害光缆装置的使用在一定程度上减少了鸟类对光缆的损害，但它们各有弊端、收效甚微。光缆发生故障时，无法快速、准确定位故障点。主要原因有：在测量故障点时，因光缆接续点产生的信号衰耗点（如光缆中的熔接接续点、机械接续点、耦合连接器等），这些衰耗点影响OTDR精度误差；实地排查阶段，依赖人力进行现场逐段人眼进行故障识别，依靠人工按杆线档距推算故障点距测量点的位置，但因光缆余缆及弧垂等不确定因素致使人工推算也往往不准确，而且误差距离越大故障点排查越困难。在光缆发生损坏威胁光缆可靠运行时，如何快速、准确定位故障点，成为摆在我们面前亟待解决的问题。

1 成果创新点及先进性

研制一种悬空架设光缆的智能巡检装置。解决光缆故障定位不准、无法快速定位光缆故障点的问题，提高光缆运行的可靠性。

创新点1：装置利用3D图像实时处理技术，采集光缆一周360度的高清图像数据。采用BCH编码的数据分组，有效提高数据传输速率以及抗干扰能力，将光缆表面图像实时高速传输至地面。

创新点2：利用AI算法针对图像不变量特征选用归一化方法的具体原则，自动识别图像中光缆的故障特征，诸如裂纹、孔洞、锈蚀和附着物等问题，记录该故障发生位置，结合虚拟现实技术，帮助操作人员进一步确定故障点位置。

创新点3：解决多模块数据同步传输问题以及信号之间相互干扰的问题，提高数据传输速率和准确性，避免图像传输延时，以提高设备整体电磁兼容水平。

创新点4：采用光电编码传感器，利用光栅原理获得精确的故障定位距离，减少误差。

创新点5：利用仿生脊柱原理设计巡线机器人的动力装置，能够适应各种直径光缆，并且具有较好的越障能力。

2 技术方案及原理

2.1 理论研究

本项目创新点主要依据无线通信理论、图像识别优化理论、人工智能理论、电磁兼容理论等，具体内容如下：

2.1.1 无线传输理论依据

在发送端，高速数据码流经信道编码、交织以及数字调制之后，通过串/并转换转变为多个并行的低速数据码流，再通过快速逆傅立叶变换调制到相互正交的多个子载波上进行并行传输，经并/串转换、插入保护间隔和数/模转换之后，通过射频发射机送入无线信道中传输。在接收端，无线传输系统对所接收到的无线信号进行与发射端相反的操作，在信宿端还原出原始的发送信号。

2.1.2 图像识别优化理论依据

在图像识别特征提取上，图像分类算法一般将目标作为一种特殊的视觉，对目标进行识别采用一些明显特征，利用HGO算子、SIFT等算子对目标进行特征描述。使用高斯混合模型对图像特征进行建模，再应用贝叶斯分类器对图像进行层次分类，然后根据贝叶斯准则分类新的图像，从而找到含有目标特征的图片，最后利用傅里叶原理对图像信号进行降噪处理提高图像的清晰度。

2.1.3 人工智能深入学习

第一阶段是信号的前向传播阶段，将需要拟合的函数的自变量作为输入层各个节点的输入，再将各个输入层的输出通过某个线性函数联结起来，通过非线性函数的计算，最后到达输出层；第二阶段是误差的反向传播阶段，对输出层的输出和实际函数的因变量的误差组成某个代价函数，从输出层到隐含层，最后到输入层，依次计算代价函数对各层的权重和偏置值的梯度。对这两个过程不断迭代，最终使得总体的误差不断降低。

2.1.4 电磁兼容理论

在信号传导过程中可能形成共模骚扰和差模骚扰，在无线通信过程中也会相互耦合。因此，研究电路板参数从而抑制传导电磁骚扰，研究不同信号的时频特性从而有效分配带宽防止出现无线通信号相互影响的问题。

2.2 方案设计

（1）采用微型高清摄像头组成三维图像采集矩阵。采用高清微型摄像头组成360度图像采集系统，全方位获得光缆周围实时图像信息。（2）设计无线传输系统软硬件系统。根据图像数据量和传输距离，选择合适的无线传输协议，编写传输程序和控制方案，设计抗干扰能力强的无线传输模块，调试软件和硬件的匹配度。（3）设计图像识别和显示算法和硬件。根据光缆表面损坏特征，确定图像识别判据和算法。根据数据量和精确度设计硬件系统以支撑算法功能。结合虚拟现实技术设计后台实时显示图像的硬件设备。（4）故障定位。采用光电编码传感器精确控制装置位移，结合无线控制设备实时记录装置位移距离，在发现故障时能够精确记录故障距离。（5）机械动力部分。利用仿生脊柱智能调节驱动轮位置，使得驱动轮能够紧密贴合光缆，从而保证巡线装置在光缆上可靠行走，同时具有较好的越障性能。

2.3 裝置研制

2.3.1 编写相算法程序

无线视频传输系统部分实现流程图如图1所示。由视频采集设备获取的视频信息首先经过视频信源编码器进行压缩，打包成固定长度或变长的传输分组，发射机经无线信道将打包好的视频传输分组发送至接收端。在接收端，接收机对接收到的视频分组进行与发送端相对应的处理后，送入视频信源解码器进行解码，恢复出发送的视频信息。

2.3.2 图像识别部分

首先将图像分成许多小的连通区域，再采集单元中各个像素点的梯度组成梯度方向直方图。为了提高光照变化和阴影处的效果，可以把这些局部的梯度方向直方图映射到更大的范围。首先对图像灰度化并将原图划分成n*n的细胞单元，再计算出每个细胞单元每个像素点的梯度，最后统计每个像素点的个数，形成每个细施单元的特征。

2.3.3 人工深入学习图像

这种算法主要分为两个过程，第一，训练过程：获取一部分带标签的训练图像数据，经过类目均衡化、图像规整化等预处理操作后对图像提取颜色、纹理、边缘等特征，作为模型的训练集，用于训练分类模型。第二，测试过程：用上一步得到的图像分类模型预测未标注的测试集，并与其真实类别对比估计图像分类模型的分类准确率。

2.3.4 电路设计部分

完善PCB板电磁兼容性能，制作无线传输模块主控CPU等印刷PCB电路板试制板，试制动力驱动部分。

2.3.5 软硬件调试

将软件写入硬件PCB板内，调试相关功能，对软硬件进行适当修改以达到最佳效果。

3 主要构成部分

硬件主要包括两部分：巡线装置、后台操作主机。巡线装置包括图像采集部分、无线传输模块、数据分析运算CPU、机械动力部分和太阳能供电系统。后台操作主机包括液晶显示屏、无线传输模块、数据分析运算CPU。装置构成示意图，如图2所示。

4 推广前景

目前，电网电力通信光缆数量多，检修任务繁重，使用一种智能巡检装置完成悬空架设的电力通信光缆的日常巡检、故障定位等工作，降低高空作业风险，节约大量的人力成本和物力成本，极大提高光缆故障定位的准确性以及光缆业务恢复的及时性。

参考文献

[1]彭向阳，陈驰，饶章权著.大型无人机电力线路巡检作业及职能诊断技术[M].中国电力出版社，2015.

[2]孟凡博，赵宏昊，王杰.光纤复合架空相线（OPPC）在沈北地区的应用[C].电力通信管理暨智能电网通信技术论坛.2013.

[3]汪晗.浙江苍南：电力通信光缆在线监测与故障智能定位系统获成效[J].中国电业（技术版），2013，（5）：78.