一种电力塔安全隐患识别系统及方法与流程

1.本发明涉及输电线路维护技术领域，具体的，涉及一种电力塔安全隐患识别系统及方法。


背景技术：

2.我国地理分布广泛，地质条件复杂多样，在自然环境和外界条件的作用下，如踩空(采煤后废弃空间)地区，飓风、重覆冰的极端气象地区，杆塔基础时常会发生滑移、倾斜、沉降、开裂等现象，从而引起杆塔形变或倾斜。杆塔倾斜属于典型的隐形故障，在杆塔倾斜现象发生的发展初期，巡线人员很难用肉眼观察到其微小变化。当发现其沉降时，输电线路已处于危险状态。安装杆塔倾斜监测装置，可以发现杆塔形变和倾斜，找出其发生、发展的特点，及时掌握早期杆塔变化，预见其发展程度，并及时采取相应措施，确保线路的安全运行。目前,线路杆塔倾斜度测量方法主要有铅垂法、经纬仪法、平面镜法以及地面激光测量法,传统方法都是依赖人去现场做勘测，耗时长，效率低；随着传感器技术和通信技术的发展，采用通信网络对传感器采集的数据进行传输可以实现全天候的电塔监测，然而，输电线路所面临的环境多变，电塔众多，数据的采集、传输和管理面临诸多困难。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种电力塔安全隐患识别系统及方法，通过卫星定位技术获取安装在电塔塔身上的位姿传感器之间的角度变化值，通过角度变化值判定电塔的倾斜量，建立用于信息传输的专属信道，保证了数据传输的高效性和单一性，避免了信息的拥塞现象，便于管理，实现了对电力塔倾斜状态的在线检测和预警。
4.为实现上述技术目的，本发明提供的一种技术方案是，一种电力塔安全隐患识别系统，包括有边缘计算终端、中继终端、位姿检测设备以及监测站；位姿检测设备设置在电力塔身用于检测电力塔的倾斜状态，分别与北斗卫星和中继终端通信连接；中继终端安装在电力塔身用于收集、位姿检测设备的位姿信号，与边缘计算终端通信连接；边缘计算终端接收和处理检测管理域内所有位姿检测设备的检测信息，与监测站通信连接；监测站用于收集所有边缘计算终端的信息进行分析处理判定电力塔的危情系数，生成应急指令。
5.本方案中，边缘计算终端与管理域内的若干中继终端建立通信，位姿检测设备通过北斗卫星获取高精度的几何坐标信息，中继终端获取位姿检测设备的位姿信息，将位姿信息打包加密后发送至边缘计算终端，边缘计算终端对位姿信息进行解算后，初步判定该位姿信息是否为铁塔倾斜隐患信息，若是隐患信息则通过专属信道将解算完成的位姿信号发送至监测站，监测站根据三维电力塔模型判定电力塔的倾斜角度和方向，制定维修策略，其中，三维电力塔模型作为本领域技术人员在前期铁塔修建时在三维虚拟地图上的建立的模型，基于ug或solidworks等三维制图软件制作的，通过输入三个定点的相对位置和角度
偏差，即可得到电力塔模型实际的倾斜量，根据倾斜量判定电力塔是否具有危情。
6.作为优选，所述位姿检测设备包括安装在电力塔身上的第一位姿传感器、第二位姿传感器以及第三位姿传感器，第一位姿传感器、第二位姿传感器以及第三位姿传感器的安装点在平面上构成直角三角形，直角三角形的初始角度为α0、β0以及γ0，其中α0＝90
°
，β0 γ0＝α0。
7.本方案中，第一位姿传感器设置在电力塔的基座上，不随塔身的倾斜而有位置的变化，第二位姿传感器设置在第一位姿传感器的正上方，第三位姿传感器与第二位姿传感器水平设置，使得三个位姿传感器的安装点之间的连线为直角三角形，当铁塔倾斜时，第二位姿传感器以及第三位姿传感器会随着塔身的倾斜而有位置上的变化，使得三角形中三个夹角也随之变化，进而可以得到三个夹角与初始角度之间的偏差值，设定角度偏差阈值并与角度偏值进行比较，即可初步判定电塔是否存在倾斜隐患。
8.作为优选，中继终端包括用于存储第一位姿传感器、第二位姿传感器以及第三位姿传感器的信息存储单元以及无线传输单元，所述第一位姿传感器、第二位姿传感器以及第三位姿传感器的位姿信号根据传感器编号按位存储并打包成位姿信息块，经过非对称加密后通过无线传输单元传输至边缘计算终端。
9.作为优选，所述边缘计算终端包括用于解码位姿信息块的解码单元、计算三个位姿传感器之间相对距离的行程计算单元以及根据相对距离计算彼此夹角的角度计算单元以及根据角度偏差判定危情的预警单元；所述预警单元中设置有初始角度以及角度变化量阈值，根据角度的变化量与角度偏差阈值的比较判定电力塔的危情。
10.作为优选，所述第一位姿传感器、第二位姿传感器以及第三位姿传感器均为与接收卫星导航信号进项差分定位的gnss接收机。通过三个天线接收卫星导航信号，利用卫星导航高精度差分定位，实现mm以内的几何高精度定位。
11.一种电力塔安全隐患识别方法，包括如下步骤：s1、位姿检测设备、边缘计算终端、中继终端以及监测站依次建立通信连接，其中，边缘计算终端根据管理域内的中继终端与边缘计算终端的相对距离设置用于信息接送的专属信道；s2、边缘计算器按周期获取中继终端的存储单元中的位姿信息块，通过解码单元获取对应的三个位姿传感器的几何坐标信息；s3、通过行程计算单元计算三个位置传感器之间的相对距离；由于三个位姿传感器的几何坐标已知，这三个位置传感器的空间位置即固定，通过计算三个位姿传感器的几何欧式距离，可以得到三角形的三个边，根据三角形的三个边长a、b、c，即可确定三角形的三个内角大小；s4、通过角度计算单元计算出三个位姿传感器之间的夹角α1、β1以及γ1以及各个夹角的角度变化量δα、δβ以及δγ；δα＝|α
1-α0|，δβ＝|β
1-β0|，δγ＝|γ
1-γ0|；s5、预警单元通过比较角度变化量δα、δβ以及δγ与设定的角度变化量阈值x进行比较，确定是否发送至监测站进行预警；若x≤mix(δα,δβ,δγ)，则判定电力铁塔有危情，执行s6；否则不预警；某一个角度的变化量超过阈值，则可以初步判定电力塔是否存在倾斜隐患；作为将位姿信号发送至监测站的触发条件，减轻了监测站对于大量非隐患数据的分析和管理能力，防止数据冗余；
s6、边缘计算终端通过专属信道将解算完成的位姿信号发送至监测站，监测站根据三维电力塔模型判定电力塔的倾斜角度和方向，制定维修策略。
12.作为优选，所述专属信道设置方法包括如下步骤：根据边缘计算终端、中继终端以及监测站之间所用通信设备的通讯频率范围设置由大到小设置有n个载波频段；所述管理域内设置有n个中继终端；按照中继终端与边缘计算终端的相对距离由大到小分配所述载波频段。
13.作为优选，角度计算单元计算三个位姿传感器之间的夹角的公式如下：元计算三个位姿传感器之间的夹角的公式如下：元计算三个位姿传感器之间的夹角的公式如下：其中，a为第一位姿传感器和第二位姿传感器的相对距离；b为第一位姿传感器和第三位姿传感器的相对距离；c为第二位姿传感器和第三位姿传感器的相对距离。
14.本发明的有益效果：本发明一种电力塔安全隐患识别系统及方法通过卫星定位技术获取安装在电塔塔身上的位姿传感器之间的角度变化值，通过角度变化值初步判定电塔的倾斜隐患，减轻了监测站对于大量非隐患数据的分析和管理能力，防止数据冗余，建立用于信息传输的专属信道，保证了数据传输的高效性和单一性，避免了信息的拥塞现象，便于管理，实现了对电力塔倾斜状态的在线检测和预警。
附图说明
15.图1为本发明的一种电力塔安全隐患识别系统的结构示意图。
16.图2为本发明的一种电力塔安全隐患识别方法的流程图。
17.图中标记说明：1-监测站、2-边缘计算终端、3-中继终端、4-位姿检测设备、5-北斗卫星。
具体实施方式
18.为使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅是本发明的一种最佳实施例，仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.实施例：如图1所示，一种电力塔安全隐患识别系统的结构示意图，由若干个边缘计算终端2、边缘计算终端管理域内的若干个中继终端3、与中继终端连接的位姿检测设备4以及监测站1组成；位姿检测设备设置在电力塔身用于检测电力塔的倾斜状态，分别与北斗卫星5和中继终端通信连接；中继终端安装在电力塔身用于收集、位姿检测设备的位姿信号，与边缘计算终端通信连接；边缘计算终端接收和处理检测管理域内所有位姿检测设备的检测信息，与监测
站通信连接；监测站用于收集所有边缘计算终端的信息进行分析处理判定电力塔的危情系数，生成应急指令。
20.本实施例中，边缘计算终端与管理域内的若干中继终端建立通信，位姿检测设备通过北斗卫星获取高精度的几何坐标信息，中继终端获取位姿检测设备的位姿信息，将位姿信息打包加密后发送至边缘计算终端，边缘计算终端对位姿信息进行解算后，初步判定该位姿信息是否为铁塔倾斜隐患信息，若是隐患信息则通过专属信道将解算完成的位姿信号发送至监测站，监测站根据三维电力塔模型判定电力塔的倾斜角度和方向，制定维修策略，其中，三维电力塔模型作为本领域技术人员在前期铁塔修建时在三维虚拟地图上的建立的模型，基于ug或solidworks等三维制图软件制作的，通过输入三个定点的相对位置和角度偏差，即可得到电力塔模型实际的倾斜量，根据倾斜量判定电力塔是否具有危情。
21.位姿检测设备包括安装在电力塔身上的第一位姿传感器、第二位姿传感器以及第三位姿传感器，第一位姿传感器、第二位姿传感器以及第三位姿传感器的安装点在平面上构成直角三角形，直角三角形的初始角度为α0、β0以及γ0，其中α0＝90
°
，β0 γ0＝α0。
22.本实施例中，第一位姿传感器设置在电力塔的基座上，不随塔身的倾斜而有位置的变化，第二位姿传感器设置在第一位姿传感器的正上方，第三位姿传感器与第二位姿传感器水平设置，使得三个位姿传感器的安装点之间的连线为直角三角形，当铁塔倾斜时，第二位姿传感器以及第三位姿传感器会随着塔身的倾斜而有位置上的变化，使得三角形中三个夹角也随之变化，进而可以得到三个夹角与初始角度之间的偏差值，设定角度偏差阈值并与角度偏值进行比较，即可初步判定电塔是否存在倾斜隐患。
23.中继终端包括用于存储第一位姿传感器、第二位姿传感器以及第三位姿传感器的信息存储单元以及无线传输单元，所述第一位姿传感器、第二位姿传感器以及第三位姿传感器的位姿信号根据传感器编号按位存储并打包成位姿信息块，经过非对称加密后通过无线传输单元传输至边缘计算终端。
24.边缘计算终端包括用于解码位姿信息块的解码单元、计算三个位姿传感器之间相对距离的行程计算单元以及根据相对距离计算彼此夹角的角度计算单元以及根据角度偏差判定危情的预警单元；所述预警单元中设置有初始角度以及角度变化量阈值，根据角度的变化量与角度偏差阈值的比较判定电力塔的危情。
25.第一位姿传感器、第二位姿传感器以及第三位姿传感器均为与接收卫星导航信号进项差分定位的gnss接收机。通过三个天线接收卫星导航信号，利用卫星导航高精度差分定位，实现mm以内的几何高精度定位。
26.如图2所示，一种电力塔安全隐患识别方法，包括如下步骤：s1、位姿检测设备、边缘计算终端、中继终端以及监测站依次建立通信连接，其中，边缘计算终端根据管理域内的中继终端与边缘计算终端的相对距离设置用于信息接送的专属信道；s2、边缘计算器按周期获取中继终端的存储单元中的位姿信息块，通过解码单元获取对应的三个位姿传感器的几何坐标信息；s3、通过行程计算单元计算三个位置传感器之间的相对距离；由于三个位姿传感器的几何坐标已知，这三个位置传感器的空间位置即固定，通过计算三个位姿传感器的几何欧式距离，可以得到三角形的三个边，根据三角形的三个边长a、b、c，即可确定三角形的
三个内角大小；s4、通过角度计算单元计算出三个位姿传感器之间的夹角α1、β1以及γ1以及各个夹角的角度变化量δα、δβ以及δγ；δα＝|α
1-α0|，δβ＝|β
1-β0|，δγ＝|γ
1-γ0|；s5、预警单元通过比较角度变化量δα、δβ以及δγ与设定的角度变化量阈值x进行比较，确定是否发送至监测站进行预警；若x≤mix(δα,δβ,δγ)，则判定电力铁塔有危情，执行s6；否则不预警；某一个角度的变化量超过阈值，则可以初步判定电力塔是否存在倾斜隐患；作为将位姿信号发送至监测站的触发条件，减轻了监测站对于大量非隐患数据的分析和管理能力，防止数据冗余；s6、边缘计算终端通过专属信道将解算完成的位姿信号发送至监测站，监测站根据三维电力塔模型判定电力塔的倾斜角度和方向，制定维修策略；维修策略包括：通知巡检人员现场勘测、制定电力塔修正措施、是否停电保护以及具体维修工具。
27.专属信道设置方法包括如下步骤：根据边缘计算终端、中继终端以及监测站之间所用通信设备的通讯频率范围设置由大到小设置有n个载波频段；所述管理域内设置有n个中继终端；按照中继终端与边缘计算终端的相对距离由大到小分配所述载波频段。
28.角度计算单元计算三个位姿传感器之间的夹角的公式如下：角度计算单元计算三个位姿传感器之间的夹角的公式如下：角度计算单元计算三个位姿传感器之间的夹角的公式如下：其中，a为第一位姿传感器和第二位姿传感器的相对距离；b为第一位姿传感器和第三位姿传感器的相对距离；c为第二位姿传感器和第三位姿传感器的相对距离。
29.以上所述之具体实施方式为本发明一种电力塔安全隐患识别系统及方法的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明之形状、结构所作的等效变化均在本发明的保护范围内。