基于直升机巡检系统数据的处理的研究与应用

2020-11-13姜诚张建刚李庭坚张福高丰

微型电脑应用 2020年10期

姜诚张建刚李庭坚张福高丰

摘要：为提升复杂背景下直升机巡检系统巡检质量，和研究直升机巡检系统的数据处理。通过FlashRemoting应用网关获取数据请求指令完成数据的采集，通过AMF协议实现数据远程传输，通过ArcGISAPIforFlex、Flexframework设计表现层。依照组别功能要求将表现层做分工处理，建立框架模型。服务层由GIS服务器和Web服务器构成，ArcGISServer用于定位系统可为用户提供路线定位服务。通过httpservice类或webservice调用客户端发布的服务，通过API访问ArcGISServer服务端的各类数据，将地图切片技术与GIS服务器动态地图渲染技术进行结合，发布地图服务。采用ModifiedHT算法进行直线提取，调用RemoteDataConnect设置参数查询作业方案获取巡航图，完成巡检系统数据的处理。经实验验证，该算法对复杂背景下航空图像的电力线完整提取是十分有效的，可在直升机巡线系统中得到成功应用，满足巡检质量要求。

关键词：线路巡检;动态数据;视频选帧;地理信息;智慧交通;统计分析

中图分类号：TM726

文献标志码：A

ResearchandApplicationofDataProcessingBasedonHelicopterPatrolInspectionSystem

JIANGCheng1，ZHANGJiangang2，LITingjian3，ZHANGFu4，GAOFeng5

（1.MaintenanceandTestCenter，EHVPowerTransmissionCompany，ChinaSouthernPowerGrid，

Guangzhou510663，China;2.BeijingYupontElectricPowerTechnologyCo.Ltd.，Beijing100029，China）

Abstract：Inordertoimprovetheinspectionqualityofhelicopterpatrolsystemundercomplexbackground，theresearchofdataprocessingbasedonhelicopterpatrolsystemisproposed.DatarequestinstructionisacquiredthroughFlashRemotingapplicationgatewaytocompletedataacquisition，dataremotetransmissionisrealizedthroughAMFprotocol，andthepresentationlayerisdesignedbyArcGISAPIforFlexandFlexframework.Accordingtothefunctionalrequirementsofthegroup，theperformancelayerisdividedintodifferentpartsandaframeworkmodelisestablished.TheservicelayeriscomposedofaGISserverandaWebserver.ArcGISServerisusedforlocationsystemtoprovideroutelocationserviceforusers.Theservicepublishedbyclientisinvokedbyhttpserviceclassorwebservice.ThedataofArcGISServerisaccessedbyAPI.ThemapslicingtechnologyiscombinedwithdynamicmaprenderingtechnologyofGISservertopublishmapservice.ModifiedHTalgorithmisusedtoextractstraightlines，andremotedataconnectisusedtosetparameterstoquerytheoperationplantoobtainthecruisemapandcompletethedataprocessingofthecruiseinspectionsystem.Theexperimentalresultsshowthatthealgorithmisveryeffectiveforthecompleteextractionofpowerlinesfromaerialimagesincomplexbackground，andcanbesuccessfullyappliedinhelicopterpatrolsystemtomeetthequalityrequirementsofpatrolinspection.

Keywords：lineinspection;dynamicdata;videoframeselection;geographicinformation;intelligenttransportation;statisticalanalysis

0引言

直升機巡检作业是我国电网公司推行线路的重要巡检业务模式，综合红外、紫外等先进、高效的手段和应用模式，具有故障及时发现、工作效率高、人工无法替代等优点。可以减轻线路运检班组的工作量，提高巡视的质量，降低线路运检成本、作业风险和劳动强度，不断提升线路运检管理水平[1]。伴随长距离输电线路、大功率、特高压的出现并投入使用，输电线路变得越来越复杂，且资源越来越紧张。在城市发展需求下，输电线路不允许在城市上空交错纷乱排布，所以输电线离城市主要交通要道愈加愈远，一定程度上，对其日常的维护和维修也带来一定的困难。

直升机输电线路巡逻作业是指利用陀螺稳定光电观测系统等高科技设备（功能强大的光电观测系统，其功能是用于红外热成像检测，紫外线成像检测和可见高速摄影等）装载在直升机，在空中检验员和飞行员的默契配合下，实时观测输电线路和相关区域的障碍物，可以有效地减少事故的发生。输电线路光电观测系统具有技术含量高、检测效率高、缺陷和故障检测率高的特点，检测运行方式可靠性能强，且不受地域因素的影响，更加方便、快速和有效的检查输电运行[23]。

WebGIS实现技术分为胖客户端运行模式，以及瘦客户端运行模式。在胖客户端的运行模式中，用户需通过安装插件来提升浏览器及图像的处理能力，而安装插件的同时，会存在用户个人信息泄露的问题，因此客户端信息的安全性得不到良好的保障[4]。对于客户端模式而言，Web技术下对客户端要求较少，部署较为容易，但是处理数据方面较差，图像显示能力低下，以及服务器承担计算任务繁重，这降低了网络通信的效率。Flash播放器安装较为普遍，使得基于flex技术的RIA开发方案所需辅助插件减少，一定程度上提高了客户端交互能力。在WebGIS领域中，flex的应用提高了系统的用户体验，使得传输数据量减少，服务器负担减轻[57]。将Flex和REST结合，应用于网络地理信息系统，不仅可以方便、快速地建立表达性、交互式的应用程序，而且具有良好的可扩展性，实现实时道路交通的監测[812]。

在此次研究中本文所选用的地理空间数据格式为SDE的数据库格式，最后利用ArcMap将所需要的地理信息空间数据发布出去。本文系统主要分为三层：信息层、展现层，服务层。其中服务层设置地图中间件为运行信息处理系统，其涵盖的信息包括我国领土范围内的高程信息、矢量信息以及电路运行系统。

1直升机巡检可视化系统设计

FluorineFx能够完成Flex与数据库的有效联通，通过远程访问方式联系服务器，进行相关的后台查询工作。使用AMF协议完成数据交换，应用二进制实现巡检可视化系统的服务类型转换。对于此次实验，本系统应用了第三方软件及.NET技术用于完成远程调度服务[13]。应用网关能够提供系统的实时交换功能，而在Flash客户端通过Flex协议实现数据转换，服务器通过.Net实现了客户端与远程服务的远程连接。对于.Net平台上的编码而言，想要真正实现数据联通，必须调用应用服务器上的RemoteObject组件，同时以类库的方法进行存储。调用过程如下：初始化系统配置，进行参数自检服务，确定RemoteObject组件是否进行待调区，然后对服务目标、相关参数进行检验，检验成果后，通过AMF协议发送调用请求，实现远程数据的传输，通过FlashRemoting应用网关获取数据请求，根据请求指令完成数据的采集，分析等功能，最后通过AMF协议将数据结果反馈贵服务器，并调用相关指令，显示数据处理结果。如果相关指令调用失败，Fault事件会被触发，完成结果分析，具体访问远程服务关系如图1所示。

通过ArcGISAPIforFlex、Flexframework实现表现层的设计。依照表现层各个组别的不同功能要求，将表现层做分工处理，不同组件完成的逻辑各不相同，随分工不同，但组件之间又具有紧密联系，可协同合作，共同实现表现层功能，保障系统的简易灵活性、重复使用以及扩展性。表现层主要由六个组件构成，分别是AppManager（应用管理器）、AppConfig（应用配置器）、AppUI（界面管理器）、EventManager（事件管理器）、MapContainer（地图容器）、WidgetsContainer（工具集容器）。变现层整体构架如图2所示。

本文提出基于直升机巡检系统的数据处理系统，通过建立框架模型，赋予表现层高内聚、低耦合的特征，使表现层具备重用性以及扩展性，实现框架扩展功能。表现层框架可依据其功能划分为不同的组件，其配置和管理工作由相关组件

用户界面完成，相比于传统的WebGIS系统[14]，本文系统具

有的智能性以及交互性更高一筹，通过ArcGISFlexAPI和Flexframework对地图加以描画，找到客户端数据之间的联系，以此提高客户端计算能力。

服务层是整个体系最重要的部分，它的主要提供服务范围包括GIS地图导航和远程控制。GIS地图导航服务器是arcgisserver，可以通过该服务器对地图栅格化、矢量化，并且进行属性查询等[15]。除此之外，可以与空间数据库连接，并且可以进行数据的交互，包括客户端与后台之间。服务层由GIS服务器和Web服务器构成，是系统运行的主要部分，用来提供定位服务以及远距离服务，ArcGISServer用于定位系统，可为用户提供路线定位服务。定位服务包含矢量服务和栅格服务，客户端通过地理位置所属类别完成搜索，ArcGISServer利用ArcSDE与数据库进行连接。Net系统运转服务器能够实现远距离服务，利用与Net服务器端的通信，完成用户和系统之间的信息交流。由于Flex只能间接的同信息库通信，因此一定要通过中间软件实现信息的交流。客户端需要利用ArcGISServer，根据服务形式不同搜索信息，通过AMF协议下FlashRemoting技术，实现远程查询数据统计。展现层可以利用服务器层，对信息层搜索到的信息进行变换与安排[16]。

Flex的服务端数据处理由ArcGISServer完成，属于一种客户端技术。传统的ArcGISServer仅包含Web服务接口，该接口基于SOAP作用于J2EE和.NET的WebADF，该服务接口数据处理较为复杂。在这种情况下，通过利用RIA风格的WebGIS和Flex丰富的客户机技术，将Flex的客户端的研发性能与ArcGISServer的处理性能相结合，需添加J2EE层。采用NET服务器作为应用程序的服务器，通过webadf调用gis服务器的gis函数组件，打包组件，通过服务器加以发布，如图3所示。

根据上述分析可知，传统基于SOAP式的Web服务结构具有复杂性，并且其开发的过程并不简单。因此ESRI研究了ArcGISAPIForFlex，其可以将系统结构进行简化，该系统主要是对直升机进行巡检，并保证巡检内容的可视化。Flex客户端能够通过API访问ArcGISServer服务端的各类数据，该访问过程具有直接性，如图4所示。

分析图4可知，将ArcGISAPIForFlex嵌入到Flex中，在此过程中用户无需过多操作，只需设定服务参数、制定服务节点和执行服务操作，在用户操作之后，服务端会根据用户的指令发送至URL，URL会根据请求作出响应并取得结果，此时，需要将响应结果保存至对应的接口中，用户就可以

获得正确或错误的结果，具体的流程图如图5所示。

由图5可以看出，通过确定服务节点、服务操作以及服务参数，构建请求NRL，将请求发送至ArcGISServer，通过判断服务器响应是否成功，显示不同的数据信息结果，若成功则通过渲染显示完成访问过程，若响应接受失败则显示错误信息，结束访问过程。

将地图切片技术与GIS服务器动态地图渲染技术进行结合，来实现对地图服务的发布，部分底层地图数据具有不经常变化的特点，针对这些数据特点采用地图切片技术按照不同比例尺来进行分割，每一层的图幅均为上一层的4倍，并保证第一级为1幅图片，第二級4幅图片，按照此规律进行推算，可知第n层为4n-1幅图片。参照一定的比例尺尺

寸对地图进行切片处理，并将图片存储至服务端。对地图命名时，可以采用缩放级别+行号+列号的方式进行[17]。其中，上层数据具有实时性，因此需要运用ArcGISServer的方式进行动态渲染，此时，当用户有请求时，就可以将地图服务中的上层地图图片和底层地图图片进行保存。

2局部MHT和全局Hough结合提取直线

直升机巡检电力系统中，对于高压电力线的提取是一个判断其系统可行性的重要指标[18]。采用ModifiedHT算法（MHT）直线提取电力线。主要原理是：改变图像空间到参数空间的映射方式，由“一对多”修改为“多对一”，使得存储空间减少，从而降低计算复杂度。该算法对直线参数做累计运算，该直线参数至少通过两个特征点，降低传统变化算法的盲目性。MHT算法如下：

（1）在给定的含有k个特征点的二值图像中，二值图像大小为N×N，提取特征点，形成集合D={（xi，yi）i=1，2，…，k}，将集合中的第一个特征点设置为种子点，处理完毕后，移除该种子点，下一个特征点被重新定义为种子点。

（2）种子点选取完成后，集合D={（xi，yi）|i=1，2，…，k|}中剩余的特征点构成点对{xi，yi，xj，yj}，i，j表示种子点下标，其中i

ρi，j=xicosθi，j+yisinθi，j

ρi，j=xjcosθi，j+yjsinθi，j

（1）

由此可以得到式（2）。

θi，j=arctanxj-xiyj-yi

（2）

式中，若yj-yi=0，则θi，j=0。

（3）对于上述种子点，设置一维累加器Hθ，通过公式（2）可计算出不同的θi，j，分别与累加器相对应，若θi，j等于给定的θi，mm=i+1，i+2，…，j，Hθi，m的值加1。

（4）移除二值图像检测直线上的共线特征点，避免连续迭代过程计算重复。

（5）算法结束。将计算结果保存在Hρ，θ中，代表二值图像中待检测的直线[20]。

航巡图中主要包括机组运行位置以及巡检线路，机组运行位置指的是正在执行巡检任务的直升机位置，巡检线路包括已完成以及待完成的线路，如图6所示。

3实验结果分析

3.1实验数据

地理空间数据主要有电网数据与地理背景数据，地理背景数据划分为矢量数据以及栅格数据。矢量数据是某地区1∶25万和1∶5万相结合的电子地图，栅格数据是航拍影像以及SPOT影像，数据分层如表1所示。

电网数据中包含某地区输电线路以及杆塔、道路、河流等信息，数据分层如表2所示。

数据库总体分为两大模块。用于作业方案和作业计划制定的模块为模块一，其制定的结果将被保存在数据库中。模块二用于数据录入和信息实时共享，利用北斗卫星，将巡检的实时位置信息共享给地面指挥中心的服务器。采集过程中不可避免存在缺陷信息（可见光照片、红外照片等），这些缺陷信息将在巡检完成时存入数据库。由此，在数据库中抽取出部分关键数据如表3所示。

3.2结果分析

实验图像来源于某直升机巡检过程中真实航拍图像。为验证算法的可行性，在真实图像中选取20张，该图像拍摄背景较为复杂，采用本文算法提取图像中的电力线，如图7所示。

提取结果表明，在20张图像中，成功提取到电力线的图像有18张，剩余两张图像至少提取了一根电力线。主要原因在于本文方法通过建立框架模型，赋予表现层高内聚、低耦合的特征，使表现层具备重用性以及扩展性，改变图像空间到参数空间的映射方式，由“一对多”修改为“多对一”，使得存储空间减少，从而降低计算复杂度。从而使得提取结果显著。

由图7可以看出，在复杂背景下，航空图像电力线提取较为完整，可在直升机巡检系统中广泛应用。在江门创造变电站上空进行了飞行试验以及实用化飞行巡视工作，如图8所示。

巡检线路累计长达516千米，起飞架次15次，单架次最长有效巡检历程56千米，最长飞行时间100分钟。充分发挥了无人直升机在电力巡检领域的优势，具有较高巡检效率，环境适应性较强，巡检里程较远，由上图可以看出，直升机上搭载的激光扫描仪等设备获取电力线路坐标精确，能够清晰的捕捉到绝缘子、防震锤等设备。

4总结

在没有基础设施辅助下，直升机巡检通过自身的灵活性，使得巡检信息传输愈加规模化。本文采用直升机代替人工进行高压输电线路的巡视工作，设计了基于直升机巡检系统的数据处理系统，该系统主要分为三层：信息层、展现层和服务层，其不仅可以提升直升机线路巡检基础管理水平，还可以提高工作效率，在实际应用中为更低成本、高效率开发无人直升机电力巡检系统提供了技术支撑。

参考文献

[1]石永建，邹彪，于洋，等.基于GIS的直升机巡检数据缺陷库系统设计与应用[J].电力信息与通信技术，2017（7）：3135.

[2]宫元，吴开春，韩正伟，等.Z5型无人直升机智能巡检系统技术及应用[J].中国科技成果，2017，18（24）：20.

[3]毛强，徐云鹏.一种输电线路直升机巡检飞行决策保障及航线自动制定系统的设计[J].电气自动化，2018，40（6）：9597.

[4]王柯，彭向阳，周向阳，等.无人直升机巡线多传感器吊舱稳定平台设计[J].广东电力，2017，30（3）：100105.

[5]吴开兴，冯笑雪.基于SuperMap二三维一体化的WebGIS系统开发[J].科技通报，2018（2）：3840.

[6]彭向阳，王柯，肖祥，等.大型无人直升机电力线路智能巡检宽带卫星通信系统[J].高电压技术，2019，45（2）：3846.

[7]张明江，李红卫，赵卫虎，等.深度学习在军用光缆线路无人机巡检中的应用[J].光通信研究，2018，210（6）：6165.

[8]周文军.舰船智能巡检机器人的运维信息自助交互方法[J].舰船科学技术，2018（4x）：3436.

[9]陈利明，张巍，于虹，等.无人机载LiDAR系统在电力线巡检中的应用[J].测绘通报，2017（s1）：182184.

[10]张昌赛，刘正军，杨树文，等.大型无人机输电线路巡检数据采集与处理关键技术[J].测绘通报，2017（s1）：136139.

[11]刘国松，唐帅，杨李.小型无人直升机电力巡检仿真环境设计与实现[J].计算机与数字工程，2018，46（9）：18941899.