1 引言
随着我国经济的快速发展，城市化进程的加快，用电负荷的不断增加，配电工程的投资建设也不断增多。在电网做大做强的同时如何提高供电可靠性是一个重要问题，进一步做好变电站建设成为重中之重，在配电线路建设过程中，配电设备吊装和运输成为项目建设施工过程中的重要一环，如何做好设备的安全吊装运输，避免意外的发生，提高吊车系统的安全性势在必行。
随着吊车设备日益朝着高速化、大型化及自动化发展，设备成本的日益增高，对操作人员的要求也越来越高，在吊车操作过程中，如果有工作人员或其他物体突然进入吊车的工作空间中，可能会与设备发生碰撞，从而导致设备损坏甚至人员伤亡，为了避免意外的发生，需要操作人员根据设备与物体的相对位置进行判断是否发生碰撞，通过使用紧急制动按钮来实现吊车的紧急制动来提高吊车系统的安全性，而上述紧急制动策略取决于操作人员的操作经验和主观判断，工作效率偏低，实时性达不到，并且危险性高，降低了吊车系统的安全。并且随着操作人员长时间高强度的工作极易产生误判而发生碰撞。
随着计算机图像处理技术、并行计算、人工智能等迅速发展，双目立体视觉测距理论日渐成熟，同时视觉传感器具有结构简单、成本低、非接触测量等优点，根据当前吊车系统存在的问题以及双目立体视觉测距方法的优点，我们提出了一种基于图像控制技术来实现配电设备安全吊装运输的方法，使吊车具有预测碰撞并实现紧急制动的能力，提高吊车的自动化水平和安全性。
2 配网设备吊装运输方案研究
本文所涉及研究工作为：首先使用双目立体视觉设备对吊车工作场景进行监控，基于射影几何原理和立体视觉原理，构建吊车工作场景信息，然后在设备运输过程中，在现场完成对设备以及突然进入场景的动态障碍物的检查和跟踪，并得到他们的位置、尺寸大小和运动信息。最后，根据碰撞预测策略，来判断是否采用吊车的紧急制动控制，实现设备的安全吊装运输，保障了变电站建设的安全施工。
通过本文所述研究，形成了一套基于图像控制技术的设备安全吊装运输的控制系统，随着项目成果的推广应用，有效提高了吊车的自动化和安全性，减少了电网设备由于操作失误而导致的设备损坏，同时减少了吊装运输过程中的安全事故率，为电网安全建设保驾护航。
3 具体研究内容及手段
3.1 具体研究内容
以提高设备吊装运输的安全性为目标，通过对三维建模和显示技术、图像立体视觉分析技术、超宽带(UWB)无线定位技术的研究，结合配电建设工程的生产应用，在变电站复杂背景环境中实现图像立体视觉三维定位和超宽带(UWB)无线定位功能，最终实现作业机械及负载与带电设备的安全距离双预警。当作业机械及负载与带电设备的距离小于设定的安全距离时，系统通过图像立体视觉分析、超宽带(UWB)无线定位技术获取相关位置信息，在任何一种定位技术侦测到作业位置超出安全范围时，实时触发系统报警，实现变电站机械作业安全的双管控。主要研究内容如下：1.研究基于双目立体摄像机图像的三维建模方法；2.研究变电站带电设备的安全距离三维建模方法；3.研发吊臂和负载的多运动目标检测跟踪与定位方法；4.研究超宽带(UWB)无线定位技术；5.研究基于相对速度的障碍物碰撞预警方法。
3.1 具体实施手段
（1）研究基于双目立体摄像机图像的三维建模方法。研究一种对三维物体进行快速反向建模的方法，对需要创建实时、真实的几何模型提供了一种新的途径与实现方法，基于双目立体摄像机图像的三维建模具体的实现步骤有：
1）图像获取
二维图像始终是立体视觉信息的本源，一般可以通过数码相机、摄像机或者扫描仪等输入设备实现。以需要进行三维重建的物体为对象，从两个以上的不同角度拍摄获取该物体的图像。
2）摄像机标定
该步骤主要是为了建立成像模型，对于摄像机位置以及内外属性参数进行确定，以达到确定物体点和它的像点二者之间存在的对应关系。如果对于精确度要求不高的情况下进行模型创建，可以采用线性模型描述摄像机进行标定。
3）特征提取
所谓图像特征即是获得的图像数据中最能够突出物体属性的相关信息，实质上就是对同一物点不同角度下图像中存在的特定对应关系进行确定。包括物体的点、线、面等，比如建筑物特征提取时需要确定梁、柱、墙等。
4）立体匹配
对所选特征进行计算并建立起特征间对应关系的过程，是整个双目立体摄像机图像中最为关键也是最为困难的一步，其基本原理是选择出合理的基元，借助一定的计算获得两幅图像中基元间的对应。
5）三维重建
经过前面几部分的工作后，我们就可以获得摄像机成像模型，提取出匹配关系，在此基础上就可以对场景中的物体点实施三维重建了，也即是对物体表面点所蕴含的三维信息进行恢复。
（2）研究变电站带电设备的安全距离三维建模方法。
在变电站扩建过程中，存在着带电作业，这时就变电站中的带电设备（如母线、变压器、刀闸等）都其安全距离，根据电压不同，安全距离也不不同。
在双目立体摄像机建立的三维空间模型中，标记出带电设备，同时输入带电设备的电压等级，这时根据设备类型和电压等级，在三维空间中模拟出圆柱形的安全隔离，再与三维空间中的其他物体进行切割，真实模拟出带电设备的安全距离并以黄色显示出。
（3）研发吊臂和负载的多运动目标检测跟踪与定位方法。
通过深度学习算法进行场景内基本目标单元的检测。目标检测任务采用Yolo模型来解决，该模型实现了一种端到端的目标识别，它将目标检测的流程统一为单个神经网络。该神经网络采用整个图像信息来预测目标的区域的同时识别目标的类别，实现端到端实时目标检测任务。
采用核相关滤波算法KFC主要是使用给出的样本去训练一个判别分类器，判断跟踪到的是目标还是周围的背景信息，该问题通过岭回归函数进行模拟，并采用带正则化的最小二乘法计算误差。算法求解主要使用轮转矩阵对样本进行采集，并使用快速傅里叶变化对算法进行加速计算，求解实现对目标跟踪，并计算出吊臂和负载的多个目标在三维空间内的精确位置。
（4）研究超宽带(UWB)无线定位技术
研究基于超宽带(UWB)厘米级实时定位系统，结合变电站三维建模、视频监控系统等实现对变电站作业车辆、机械、带电设备进行实时高精度定位和监测预警，有效获取变电站区域在役设备如主变压器、线路间隔、隔离开关、电感、电抗等设备的位置信息，及时发现大型机械作业过程中的危险行为，形成人管、技管、物管、联管四管合一的立体化管控格局，变被动式监管为主动式智能化管控，有效提高电力大型机械作业的管理水平和管理效率。
（5）研究基于相对速度的障碍物碰撞预警方法。
研发一种高效快速的基于包围盒的两级碰撞预测策略。该策略的第一阶段的主要是障碍物的裁剪，只考虑负载周围安全距离范围内的障碍物。第二阶段的主要是对存在碰撞可能的负载与障碍物之间，采用基于相对速度的碰撞预测算法进行碰撞预测。该算法能够很好的预测出负载与静态障碍物以及动态障碍物之间的碰撞。
4 实施方案关键技术
4.1 立体视觉
双目立体视觉理论建立在对人类视觉系统研究的基础上，通过双目立体图像的处理，，再经过进一步处理就可得到三维空间中的景物， 实现二维图像到三维空间的重构。双目立体视觉理论基本原理如图所示：
图1 双目立体视觉理论基本原理图
其中，O1和O2为两个相机的光心。物体上的点p12经过两个相机成像，映射到图像上点p1和p2，求解p1、p2、p12构成的三角形，我们就能得到点p12的坐标，也就能得到p12的深度。这里我们把p1和p2称为一个点对(pair)，寻找这样的点对的过程称为立体匹配，也是整个算法最核心的步骤。常规的匹配算法一般通过特征点来做，即分别提取左右图像的特征点(常用sift算法)，然后基于特征点配合对极几何等约束条件进行匹配。
4.2 目标检测
目标检测主要通过深度学习算法进行场景内基本目标单元的检测。目标检测任务采用Yolo模型来解决，该模型实现了一种端到端的目标识别，它将目标检测的流程统一为单个神经网络。该神经网络采用整个图像信息来预测目标的区域的同时识别目标的类别，实现端到端实时目标检测任务。
图2 yolo算法原理图
如图2所示，YOLO首先将图像分为S×S的格子。如果一个目标的中心落入格子，该格子就负责检测该目标。每一个格子预测目标的范围和该格子的置信值。置信值代表box包含一个目标的置信度。如果没有目标，置信值为零。每一个目标范围包含5个值：x，y，w，h和confidence。（x，y）代表与格子相关的box的中心。（w，h）为与全图信息相关的box的宽和高。confidence代表预测预测范围和真值的交并比。
4.3 目标跟踪
目标跟踪采用核相关滤波算法KFC进行求解。该算法是近几年机器视觉最重要的跟踪算法之一，具有稳定快速的优点。该算法是一种判别式跟踪，主要是使用给出的样本去训练一个判别分类器，判断跟踪到的是目标还是周围的背景信息，该问题通过岭回 ；额归函数进行模拟，并采用带正则化的最小二乘法计算误差。算法求解主要使用轮转矩阵对样本进行采集，并使用快速傅里叶变化对算法进行加速计算。
4.4 超宽带(UWB)无线定位
超宽带无线定位系统为实现高精度的三维定位提供了一个良好的平台。我们把具有定位功能的超宽带收发器称为UWB定位器。超宽带定位器采用的是非正弦扩频收发机，这些非正弦收发机具有在三维空间精确定位目标的功能，在各种具体的应用场合中，这些定位器功耗十分低，即使一个很小的电池也能够工作较长时间。
超宽带定位器的定位功能是依靠分布式网络内的结点间共享定位信息来完成的。分布式网络是由一些本地的结点形成簇，在某一个簇内的结点和其他簇内的一个或多个结点保待连接，这便形成了簇间的网桥。两个定位器之间的距离是由结点通过交换包含有脉冲序列的超宽带信号来决定的。当定位器处于活动状态时，每一个定位器都尽可能多的捕获这样的交换信息。定位信息经常进行交换以保证所有的定位器都能感知网络内的所有其他定位器的存在。
5 相关实施及研究方法
（1）三维建模研究
本项目针对的是配电设备安全吊装研究，需要对不同电压等级的多个变电站的环境进行调研，根据调研的结果，在结合双目摄像机的三维建模原理，实现配电设备的吊装运输环境的建模；同时结合配电线路带电设备的安全距离，构建出电气设备的安全距离间隔。
（2）多运动目标的跟踪与定位研究
本项目采用Yolo模型对吊臂和负载进行识别，同时对目标进行跟踪，结合双目构建的三维空间，实时定位吊臂和负载的位置。
（3）超宽带无线定位技术研究
为了解决双目图像定位的不准确性和训练定位模型，考虑增加解决，该技术，实现对设备的厘米级定位。
（4）障碍物碰撞预警方法研究
根据多运动目标的跟踪与定位和无线定位技术的研究，再通过模糊碰撞算法的研究，实现对吊臂和负载与配电站带电设备的安全距离，实现碰撞预警，实时提醒现场的项目负责人、操作人员注意安全。
6 成效分析
本文中所涉及到的相关技术的研究及应用，有效避免了配电设备的吊装运输过程中的碰撞受损；减少吊车操作人员吊装的时间、提高工作效率；减少为处理吊装运输的事故而造成的损失。可快速对设备进行精准定位安装运输、加速配电线路的建设，缩短停电时间，提升整体工作效率。减少吊装运输的事故，避免由于事故而引起的社会影响，提高电力行业安全文明施工水平，提升供电服务质量。
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作者简介
李文君（1988-3），女，汉族，甘肃天水人，电气工程及其自动化专业，工程师，初级统计师，研究方向电力教育培训，从事电力教育培训及科技创新管理工作。
赵中玉（1974- 9），男，汉族甘肃靖远人，电力系统及其自动化专业，高级讲师，高级企业培训师、高级职业指导师，研究方向电力教育培训，从事电力教育培训及科技创新管理工作。
