北斗+無線自組網(wǎng)+AI視頻監(jiān)控技術(shù)為礦區(qū)電網(wǎng)保駕護航

為提高礦區(qū)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行性能，做好電網(wǎng)遠(yuǎn)程維護與電力搶修期間的安全調(diào)度，針對電網(wǎng)防外破、電力桿塔實時監(jiān)測與通信傳輸問題，研究了北斗+無線自組網(wǎng)技術(shù)的電力桿塔監(jiān)測融合應(yīng)用，研發(fā)了電網(wǎng)電力桿塔遠(yuǎn)程實時監(jiān)測與自動預(yù)警系統(tǒng)，可實現(xiàn)電網(wǎng)防外破實時預(yù)警、電力桿塔沉降與傾斜位移實時監(jiān)測、檢修人員的野外應(yīng)急通信保障。研究結(jié)果表明監(jiān)測系統(tǒng)可及時有效地進行電網(wǎng)與桿塔健康狀況預(yù)警，降低電網(wǎng)電力線路的故障率，保障用電安全，有效保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定性能。

文章來源：《智能礦山》2025年第1期理事單位特刊“學(xué)術(shù)園地”專欄

第一作者：孫宗罡，高級工程師，現(xiàn)任山東華聚能源股份有限公司副總工程師，主要從事自動化與信息化融合、數(shù)字化與業(yè)務(wù)融合企業(yè)深度變革轉(zhuǎn)型方面的研究。E-mail：sunzg@ykenergy.com

作者單位：山東華聚能源股份有限公司；北斗天地股份有限公司

引用格式：孫宗罡，李志華，劉亞，等. 基于北斗+無線自組網(wǎng)技術(shù)的礦區(qū)電力桿塔監(jiān)測系統(tǒng)[J].智能礦山，2025，6(1)：107-112.

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近年來，礦山電網(wǎng)輸電線路安全問題突出，亟須解決輸電線路桿塔實時監(jiān)控與故障早期預(yù)警問題。電力專用信息網(wǎng)絡(luò)只覆蓋到變電所，長距離輸電線路區(qū)域沒有信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，存在網(wǎng)絡(luò)與信息盲區(qū)，很難采集現(xiàn)場視頻流與線路運維數(shù)據(jù)，回傳到電力運維數(shù)據(jù)中心，監(jiān)測人員很難及時發(fā)現(xiàn)外力破壞，快速定位故障點并及時排除隱患故障。

礦區(qū)電網(wǎng)輸電線路長且外界環(huán)境復(fù)雜，在實際輸電線路運行工作中存在諸多隱患，部分輸電線路處于建筑物密集區(qū)、塌陷區(qū)、道路樹障跨越區(qū)等易受外力破壞，造成線路跳閘、倒桿，導(dǎo)致停電事故發(fā)生，輸電線路安全運行存在諸多危險因素。

針對近年來出現(xiàn)的轄區(qū)內(nèi)地方電網(wǎng)大面積停電、公用通信信息網(wǎng)絡(luò)中斷等情況，急需建設(shè)長距離電力應(yīng)急救援靈活組網(wǎng)通信保障系統(tǒng)。滿足礦區(qū)電網(wǎng)防外破實時預(yù)警、電力桿塔沉降位移實時監(jiān)測。為避免監(jiān)測預(yù)警信息公網(wǎng)傳輸?shù)牟环€(wěn)定問題，采用無線自組網(wǎng)通信的方式實時傳輸，保障桿塔預(yù)警、監(jiān)測數(shù)據(jù)可及時傳輸?shù)秸{(diào)度中心。

礦區(qū)供電系統(tǒng)日常運維存在問題

（1）在村莊與工業(yè)廠房密集區(qū)、環(huán)境惡劣區(qū)

（如塌陷、水浸）、道路樹障跨越區(qū)、施工現(xiàn)場機械設(shè)備集中區(qū)域，多電力線路桿塔易發(fā)生外力破壞（簡稱外破）事件；風(fēng)箏、塑料袋等異物覆蓋輸電線路造成短路跳閘；現(xiàn)有人工巡視、分散運維管理的方法，不能及時發(fā)現(xiàn)和預(yù)防外力破壞，無法快速故障處置，需要對現(xiàn)場實時圖像、運行數(shù)據(jù)與音頻信息進行有效采集。

（2）在災(zāi)變條件下，電網(wǎng)應(yīng)急保障和緊急搶修，急需獲取現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)、電力監(jiān)測運行數(shù)據(jù)，采用公共網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)很難及時保障到位。

（3）針對鐵塔狀態(tài)監(jiān)測，多采用定時定期人工巡查方式，了解鐵塔位置及狀態(tài)參數(shù)，缺少有效遠(yuǎn)程監(jiān)控預(yù)警數(shù)據(jù)，故障診斷和應(yīng)急處置效率低、及時性與準(zhǔn)確性差。

目前，電力桿塔監(jiān)控及巡檢方式主要包括衛(wèi)星巡視、無人機巡檢、傳統(tǒng)圖片式視頻監(jiān)控，衛(wèi)星巡視實時性差、巡視周期長、租賃成本高，不適合規(guī)?；茝V應(yīng)用；無人機巡視巡檢區(qū)域小，并且巡檢為周期性數(shù)據(jù)，不滿足實時監(jiān)測；傳統(tǒng)圖片式視頻監(jiān)控通過攝像頭捕捉桿塔及其周邊環(huán)境狀況，實現(xiàn)輸電線路監(jiān)控，需要通過運營商公共網(wǎng)絡(luò)進行通信，以上監(jiān)測方式存在5個方面的問題。

（1）采用運營商網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，只適用于具備公網(wǎng)傳輸條件的區(qū)域。

（2）5G未覆蓋、4G信號弱化的區(qū)域明顯受限。

（3）光伏風(fēng)能在森林、沙漠等信號未覆蓋，應(yīng)用受限。

（4）桿塔監(jiān)控視頻實時傳輸數(shù)據(jù)流量龐大，通過公網(wǎng)物聯(lián)卡方式傳輸，長時間實時運行成本高，基本采用15～30min定期抓圖形式，為圖片式監(jiān)控，不滿足實時預(yù)警，缺少有效的監(jiān)督聯(lián)動手段。

（5）存在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、安全風(fēng)險高等問題，在地方大面積停電情況下，還存在斷網(wǎng)風(fēng)險。

礦區(qū)電力桿塔監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

針對礦區(qū)供電系統(tǒng)日常運維過程中存在的問題，基于北斗+無線自組網(wǎng)+AI視頻監(jiān)控技術(shù)，研究礦區(qū)輸電線路桿塔狀態(tài)實時監(jiān)控、防外破、電力檢維修和應(yīng)急搶修的監(jiān)測管理系統(tǒng)，為礦區(qū)電力桿塔與線路保駕護航。融合應(yīng)用開發(fā)北斗+無線自組網(wǎng)+視頻監(jiān)控技術(shù)，研發(fā)出電力行業(yè)的防外破預(yù)警系統(tǒng)和應(yīng)急通信保障系統(tǒng)。按照系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流分為物理層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層4層，礦區(qū)電力桿塔監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖1所示，系統(tǒng)整體設(shè)計主要包括4個部分內(nèi)容。

圖1 礦區(qū)電力桿塔監(jiān)測系統(tǒng)組成

（1）建設(shè)礦區(qū)電網(wǎng)防外破實時預(yù)警系統(tǒng)，以實時視頻數(shù)據(jù)作為信息支撐，通過自動識別施工機械異物入侵自動告警。告警支持現(xiàn)場告警和后臺告警2種方式，為運維及應(yīng)急救援提供快速決策依據(jù)。

（2）采用北斗高精度自動化監(jiān)測方式，實時采集桿塔的沉降、傾斜等位移變化數(shù)據(jù)，實現(xiàn)電力桿塔24h安全監(jiān)測，自動采集電力桿塔沉降、位移和傾斜變化值，水平監(jiān)測精度±2.5mm，高程監(jiān)測精度為±5mm。

（3）基于無線自組網(wǎng)通信技術(shù)音視頻數(shù)據(jù)傳輸，保障視頻實時傳輸，節(jié)省物聯(lián)網(wǎng)流量成本，日常系統(tǒng)維護簡單，傳輸系統(tǒng)容災(zāi)能力強；在大面積停電、應(yīng)急搶修的特定場景下，也可以保障視頻的實時傳輸。

（4）針對電力巡視、應(yīng)急搶修期間的長線路通信問題，采用窄帶自組網(wǎng)對講機、智能手持終端等設(shè)備，為電力巡檢人員、搶修人員提供定位及應(yīng)急通信保障，同時可以現(xiàn)場監(jiān)測桿塔狀態(tài)，滿足電力搶修現(xiàn)場與遠(yuǎn)程指揮中心音視頻通信。

礦區(qū)電力桿塔監(jiān)測系統(tǒng)基于北斗+無線自組網(wǎng)技術(shù)的礦區(qū)電力桿塔監(jiān)測系統(tǒng)，為輸電線路桿塔狀態(tài)實時監(jiān)控、電力檢維修和應(yīng)急搶修提供通信支撐服務(wù)，為輸電線路整體運行提供時空數(shù)據(jù)，優(yōu)化了應(yīng)急搶險處置流程和重點區(qū)域防外破預(yù)警手段。

整體通過無線自組網(wǎng)組網(wǎng)方式，實現(xiàn)全線路桿塔通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋，并將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控平臺。在礦區(qū)沿線桿塔部署無線自組網(wǎng)電臺，實現(xiàn)全線路覆蓋。各桿塔之間的監(jiān)控圖像通過無線自組網(wǎng)方式回傳到變電所，變電所與監(jiān)控中心平臺之間通過原有的電力專網(wǎng)連接，通過組合方式，實現(xiàn)整個電力桿塔線路的通信連接。智能手持終端可以與沿線桿塔的WIFI連接，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)查看桿塔狀態(tài)。

礦區(qū)電力桿塔監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 無線自組網(wǎng)通信技術(shù)

無線自組網(wǎng)是以FPGA+CPU+AD9361的硬件架構(gòu)，從物理層集成構(gòu)建2種組網(wǎng)方式，包括窄帶傳輸通道和寬帶業(yè)務(wù)傳輸通道2個無線傳輸通道。窄帶傳輸通道用來傳輸對講語音、位置等小業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；寬帶業(yè)務(wù)傳輸通道用來傳輸視頻、北斗原始數(shù)據(jù)、傳感數(shù)據(jù)等大數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)。

無線傳輸通道在MAC層采用節(jié)點聚合技術(shù)完成寬帶信道融合，實現(xiàn)多鏈路聚合，在網(wǎng)絡(luò)層形成聚合云，在單一無線節(jié)點中聚合多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源，節(jié)點在二層實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，統(tǒng)一頻點、通道、空間3個維度，提升無線網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境適應(yīng)性和傳輸能力。

無線自組網(wǎng)通信技術(shù)是動態(tài)組建的網(wǎng)狀網(wǎng)、無主站健壯性網(wǎng)絡(luò)，基于多節(jié)點自主中繼，從MAC層開始構(gòu)建高速動態(tài)的通信協(xié)議?；趧討B(tài)時隙分配策略，在有限網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息中進行最優(yōu)信息傳輸，節(jié)約IP層網(wǎng)絡(luò)資源；采用Rerouteflow技術(shù)，實現(xiàn)無線發(fā)射功率與業(yè)務(wù)傳輸速率自適應(yīng)，動態(tài)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的發(fā)射功率和傳輸速率。

無線自組網(wǎng)實現(xiàn)終端之間自動中繼，提高覆蓋效果和傳輸距離；自組網(wǎng)多節(jié)點通過接收信號質(zhì)量和場強自動判決啟動轉(zhuǎn)發(fā)，將中繼由網(wǎng)絡(luò)層多跳單點中繼，提升為物理層多跳多點中繼，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)從線狀中繼提升為網(wǎng)狀中繼，基于物理層接收信號質(zhì)量和場強自動判決，并進行多點信號合并，自組網(wǎng)節(jié)點聚合如圖2所示。

圖2 自組網(wǎng)節(jié)點聚合

無線自組網(wǎng)節(jié)點縱向?qū)崿F(xiàn)了不同異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)平面單節(jié)點聚合，橫向聚合實現(xiàn)了任意2個節(jié)點IP層單跳直達，提升了網(wǎng)絡(luò)性能和效率。窄帶自組網(wǎng)射頻部分采用擴頻通信技術(shù)，寬帶自組網(wǎng)采用COFDM調(diào)制技術(shù)，利用MCU決策控制功能整合分配數(shù)據(jù)，選擇通信鏈路進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)多應(yīng)用環(huán)境的組網(wǎng)傳輸。

3.2 北斗高精度監(jiān)測技術(shù)

北斗高精度變形監(jiān)測為集結(jié)構(gòu)分析計算、計算機技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)等為一體的綜合系統(tǒng)工程。電力桿塔在短時間內(nèi)未出現(xiàn)很大位移，需通過觀測整體微小變形量，構(gòu)造統(tǒng)計分析模型，預(yù)測變形體長期變化趨勢，為后續(xù)分析決策提供依據(jù)。北斗接收終端接收衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)后，通過協(xié)議封裝，基于自組網(wǎng)絡(luò)傳輸，將數(shù)據(jù)發(fā)送給后端解算引擎，解算引擎對封裝后的數(shù)據(jù)進行解析和處理，主要包括以下6個方面。

（1）針對動態(tài)相對定位中電離層變化快、殘余誤差較大的情況，通過改進現(xiàn)有的周跳探測方法提高探測效果，進一步研究利用多頻觀測值信息探索新的方法。

（2）從GNSS基本的偽距和載波觀測方程出發(fā)，推導(dǎo)和建立多頻GNSS動態(tài)相對定位的函數(shù)模型，并利用大量實測數(shù)據(jù)分析比較不同條件下雙差相對定位模型，獲得最佳參考星選擇策略。

（3）利用卡爾曼濾波對雙差方程進行求解，獲取相對定位結(jié)果的實數(shù)解。

（4）針對中長基線距離相對定位解算，采用參數(shù)估計方法對對流層延遲誤差和電離層延遲誤差進行處理。

（5）結(jié)合多頻多系統(tǒng)動態(tài)定位的特點，研究快速確定模糊度的方法。

（6）模糊度固定后，基于驗后殘差檢驗進行粗差探測與消除，或采取抗差卡爾曼濾波方法，通過調(diào)整觀測值權(quán)矩陣，最終實現(xiàn)降低異常觀測值對參數(shù)估計的影響。

為分析桿塔形變，獲得桿塔監(jiān)測點高精度位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)，北斗監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

圖3 北斗監(jiān)測數(shù)據(jù)處理流程

基于北斗高精度監(jiān)測技術(shù)實時采集并分析電力桿塔變形情況，對分析的數(shù)據(jù)進行存儲、分類、提取、統(tǒng)計等處理，提供各類報表、圖形，為電力桿塔預(yù)警分析提供決策依據(jù)和參考，進行及時預(yù)警。

網(wǎng)絡(luò)鏈路設(shè)計部署實施

整條電力線路采用無線自組網(wǎng)通信鏈路進行數(shù)據(jù)傳輸，保障數(shù)據(jù)實時和可靠上傳，桿塔監(jiān)控專用攝像頭通過以太網(wǎng)與無線自組網(wǎng)電臺進行連接，各電臺間通過無線自組網(wǎng)通信連接，在變電所實現(xiàn)監(jiān)控視頻匯聚，礦區(qū)電力桿塔監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4 礦區(qū)電力桿塔監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)拓?fù)?/p>

在電力巡檢和應(yīng)急搶修過程中，工作人員攜帶窄帶自組網(wǎng)對講終端，實現(xiàn)全長4km范圍內(nèi)語音通信覆蓋；通過配備智能手持終端，實現(xiàn)對電力監(jiān)測數(shù)據(jù)實時應(yīng)用；智能終端帶有北斗定位功能，提供實時位置數(shù)據(jù)。礦區(qū)電力桿塔無線自組網(wǎng)節(jié)點屬于固定式組網(wǎng)節(jié)點，無線鏈路根據(jù)實際通信環(huán)境選取最佳無線路由，完成數(shù)據(jù)最佳傳輸。

4.1 部署實施

以某線路為試點，整條線路約6km，部署AI視頻監(jiān)控攝像儀實現(xiàn)全線覆蓋。全線區(qū)域通過相隔部署方式，每個桿塔部署2個攝像頭，采用背靠背方式安裝，共計18臺攝像機，包括15臺低功耗一體化攝像儀、2臺球機、1臺測溫攝像機，整體部署及覆蓋方式見表1。

表1 桿塔路線攝像頭安裝

4.2 測試效果

整條線路采用無線自組網(wǎng)通信鏈路進行數(shù)據(jù)傳輸，保障數(shù)據(jù)實時和可靠上傳，桿塔監(jiān)控專用攝像頭通過以太網(wǎng)與無線自組網(wǎng)電臺進行連接，各電臺之間通過無線自組網(wǎng)進行通信連接。RSSI強度為-5～-75dB，鏈路實際傳輸性能可靠，現(xiàn)場的AI視頻圖像遠(yuǎn)程傳輸如圖5所示，移動偵測圖像如圖6所示。

圖5 遠(yuǎn)端AI視頻監(jiān)控圖像

圖6 移動偵測圖像

總結(jié)

（1）在組網(wǎng)傳輸方面，開發(fā)出寬窄帶一體化無線自組網(wǎng)，滿足電力行業(yè)重要區(qū)域的專用網(wǎng)絡(luò)覆蓋及復(fù)合數(shù)據(jù)應(yīng)用，彌補電網(wǎng)輸電線路實時監(jiān)測與靈活組網(wǎng)通信應(yīng)用的空白；通過整體實施部署應(yīng)用，全方面實現(xiàn)電力桿塔的安全監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸，并取得了顯著效果。

（2）在監(jiān)測方式方面，基于北斗高精度監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)電力桿塔的自動化監(jiān)測與預(yù)警分析；基于AI視頻圖像分析技術(shù)，將圖像分析和預(yù)警模型結(jié)合，形成桿塔防外破預(yù)警、沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警，彌補了無人機、人工等常規(guī)監(jiān)測的空白。

（3）在應(yīng)急保障方式方面，構(gòu)建遠(yuǎn)端無線應(yīng)急通信保障系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)端傳輸和檢維修組群通信功能，在應(yīng)急環(huán)境下，支持遠(yuǎn)端桿塔線路故障診斷和現(xiàn)場緊急通信保障，提供了桿塔線路監(jiān)測監(jiān)控的全新解決方案。

END

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤科總院出版?zhèn)髅郊瘓F成立于2015年，擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

投稿網(wǎng)址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）

聯(lián)系人：李編輯 010-87986441

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