زیرساخت های پایش خطوط انتقال برق و تشخیص آسیب های احتمالی آن ها به کمک تصویربرداری پهپادها

میزان مصرف انرژی به ویژه مصرف برق یکی از مقیاس های رشد و توسعه هر کشوری است. خطوط توزیع برق همچون زنجیری نیروگاه های برق را از طریق مراکز و پست های انتقال برق و تامین حداقل افزونگی ممکن برای ساختار شبکه و نقاط مصرف به یکدیگر وصل می کند. از یک سو مسافت زیادی بین مراکز اصلی و مصرف کنندگان وجود دارد و از سوی دیگر وجود خرابی در بین خطوط انتقال و زیرساخت های آن بر اثر عوامل محیطی، انسانی و یا فرسایش تجهیزات بسیار متداول است. هرگونه خرابی شبکه انتقال هزینه های ضمنی فراوانی را در فرایند تولید، انتقال و توزیع متحمل می کند و با توجه به اینکه بیشتر خرابی های زیرساخت های شبکه انتقال، نه به یکباره بلکه در طول مدت زمان طولانی ایجاد می شود، سازمان های مسئول باید استراتژی های مشخصی برای تعمیر و نگهداری این زیرساخت ها داشته باشند. در چنین شرایطی نظارت بر روی خطوط انتقال برق و زیرساخت های آن از اهمیت ویژه ای برخوردار است. روش های نظارت بر روی زیرساخت های خطوط انتقال برق شامل: بازدید میدانی، استفاده از وسایل نقلیه هوایی ( با سرنشین و بدون سرنشین) و یا استفاده از ربات های صعود کننده است. امروزه با توسعه فناوری های پهپادها استفاده از آن ها به دلیل هزینه پایین، سرعت مناسب و پوشش سریع منطقه بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. هواپیما های بدون سرنشین (پهپادها) در پروژه های عمرانی، حفاظت از محیط زیست، کشاورزی دقیق و به خصوص نظارت بر حوزه های مختلف فناوری مانند نظارت بر پنل های خورشیدی و مواردی مانند این کاربرد دارند. در صورت حل چالش های پردازشی تصاویر و استفاده از الگوریتم های تشخیصی مناسب، پهپاد ها از پتانسیل بالایی در نظارت بر زیرساخت های خطوط انتقال برق و شناسایی آسیب های آن ها برخوردار هستند.

 

امروزه به دلیل طولانی شدن عمرزیرساخت های خطوط انتقال برق، وجود آسیب در آن ها قابل پیش بینی است. بازرسی این زیرساخت ها کاری پر هزینه و خسته کننده است که در حال حاضر صنعت به آن نیازمند است. روش های سنتی نظارت بر خطوط انتقال برق، نیازهای صنعتی برای اهداف بیمه ، نگهداری و کیفیت خدمات (QoS) را به سختی تامین می کنند. به همین دلیل استفاده از فن آوری های نوین به منظور افزایش ثبات و کاهش کار دستی قابل توجیه به نظر می رسد. به طور خاص اگر زیر ساخت های خطوط انتقال برق در جغرافیای وسیع و مکان هایی که به سختی قابل دسترس هستند توزیع شده باشد، خلاء استفاده از فناوری های نوین بیش از پیش خود را نشان می دهد. در میان فناوری های نوین، پهپادها نقشی اساسی در جمع آوری داده های مورد نیاز در صنایع مختلف از جمله در نظارت بر زیرساخت های صنعتی مانند سازه ها و یا پنل های خورشیدی را داشته اند. اگرچه آن ها با چالش های بسیاری از جمله ناوبری، جمع آوری داده ها، پردازش و سیستم های تصمیم گیری روبرو هستند اما به عنوان یک گزینه مناسب در نظارت بر خطوط انتقال برق در نظر گرفته می شوند. دلیل اصلی این انتخاب، برتری نسبی پهپادها در پوشش سراسری یک منطقه هنگام عملیات نظارت است. زمان خاموشی برای شبکه برق نامطلوب است. واضح است که نگهداری و تعمیرات پیشگیرانه باید قبل از اینکه واقعاً اتصال شبکه از بین برود در زیرساخت ها انجام شود و این در حالی است طول آنها صدها و یا هزاران کیلومتر است. این چالش وقتی مسیر امتداد خطوط برای حرکت خودروها نا مطلوب باشد، به طور تصاعدی افزایش می یابد. بنابرین بازرسی با استفاده از تصاویر هوایی عملی ترین روش برای انجام این کار است. با توجه به مقدمات مطرح شده هدف این خدمت راه اندازی بستری برای پایش زیرساخت های خطوط انتقال برق مانند دکل ها، عایق الکتریکی و کابل های فشار قوی است.

 

سیستم کار پهپاد ها شامل 3 بخش است. سیستم GCS که محل استقرار اپراتورهای سیستم است و به عنوان رابط کاربری بین اپراتور و باقیمانده سیستم هوایی عمل میکند. پهپادها که وظیفه پایش خطوط را بر عهده دارند و سیستم ارتباط بین پهپادها و GCS که ورودی های کنترلی را به پهپاد منتقل می کنند و اطلاعات مربوط به پرواز و سایر اطلاعات بدست آمده از سنسورها را دریافت می کنند. با توجه به اینکه نظارت بر خطوط انتقال برق به دلیل اینکه این خطوط در فواصل بسیار طولانی ساخته شده اند بسیار وقت گیر است. لذا اطلاعات ورودی سیستم ارتباطی باید شامل دستوراتی برای تصویربرداری ثابت و در فواصل زمانی یکسان باشند. با توجه به این مسئله لزوم استفاده از الگوریتم های پیچیده تر پردازشی ( نسبت به سایر استفاده های پهپاد در نظارت) برای شناسایی زیرساخت ها از سایر عوارض مشخص می شود. بر خلاف سایر روش های نظارتی به کمک تصویربرداری پهپادها که روش ها و الگوریتم های متفاوتی برای شناسایی و طبقه بندی اشیا مورد مطالعه وجود دارد، در تحقیقات نظارت بر خطوط انتقال برق، تنها از الگوریتم های یادگیری عمیق استفاده شده است. به طور کلی دو هدف در این تحقیقات دنبال شده است. نخست شناسایی زیرساخت های خطوط انتقال از سایر اشیا موجود در تصویر و سپس طبقه بندی زیر ساخت به دو یا چند گروه برای شناسایی زیر ساخت سالم از آسیب دیده. برای شناسایی زیرساخت های انتقال برق در مرحله اول ابتدا شبکه عصبی به کمک داده های پیش آماده آموزش داده می شود. هدف این آموزش طبقه بندی تصویر به دو گروه زیرساخت ها از سایر عوارض تصویر است. با توجه به زاویه پرواز پهپاد هنگام تصویر برداری از زیرساخت ها و موقعیت آنها دقت کار در شناسایی زیرساخت ها از سایر عوارض بسیار بالا است. با شناسایی زیرساخت ها طبقه بندی آن ها به کمک یک الگوریتم یادگیری عمیق انجام می شود. این طبقه بندی زیر ساخت ها را به سه گروه دکل ها، عایق های الکتریکی و کابل های فشار قوی تقسیم می کند. در مطالعات این حوزه مشخص شده است که استفاده از خوشه بندی طیفی پس از پردازش های اولیه دقت نتایج کار را در شناسایی کابل ها، عایق ها و دکل ها را به ترتیب تا 88/31%، 97/9% و 99/35% بالا می برد. پس از شناسایی دقیق محل زیر ساخت ها تشخیص آسیب زیرساخت ها به کمک مواردی همچون تغییر تعداد خطوط شکسته کابل ها، محاسبه شیب دکل ها و مواردی از این دست انجام می شود.

 

 

 

 

 

در شکل 1 نمونه ای از تصاویر پهپادی کاربردی در پایش زیرساخت های خطوط انتقال برق ارائه گردیده است.