Testowe obloty sieci SN przy użyciu dronów Autorzy: Roman Pionkowski, Józef Sobolewski ("Energia Elektryczna" - 1/2016) Obloty sieci przesyłowej wysokich napięć, wykonywane w Polsce przy użyciu śmigłowców, należą już do standardowego działania w ramach ich eksploatacji. Inaczej jest w przypadku sieci średnich napięć (SN). Ze względu na długość takich sieci i związane z ty m koszty, operatorzy systemów dystrybucyjnych zainteresowani są znalezieniem alternatywnych metod przeglądów sieci SN o zbliżonej funkcjonalności. Możliwość taka pojawiła się wraz z technicznie zaawansowanymi rozwiązaniami opartymi na bezzałogowych pojazdach latających. Ciągła miniaturyzacja powoduje, że sprzęt ważący jeszcze kilka lat temu wiele kilogramów i wymagający specjalistycznej obsługi obecnie można zamontować na dronie o udźwigu kilku kilogramów. Obsługa specjalnych aplikacji przetwarzających zebrane w ten sposób dane często nie wymaga nawet przeszkolenia. Artykuł ten jest kontynuacją poprzednich dwóch opracowań opublikowanych w,,ee a dotyczących wykorzystania bezzałogowych pojazdów latających (drony) w sektorze elektroenergetycznym i prezentuje wyniki testowych oblotów sieci SN (oraz częściowo także niskich nn) na terenie Oddziału Płockiego Energi-Operator zrealizowanych we współpracy z firmą WB Electronics. Wyznaczony teren oblotów obejmował powierzchnię ok. 10 km2. Pozwoliło to na wykonywanie lotów zgodnie z zasadami VLOS (Visual Line of Sight bezzałogowy pojazd latający znajduje się w zasięgu wzroku operatora) i nie wymagało w myśl obowiązujących przepisów wystąpienia o zgodę do Polskiej Agencji Żeglugi Powietrznej (PAŻP). Wszystkie użyte w oblotach pojazdy posiadają zdolność lotu autonomicznego poza obszar widzialności operatora, jednakże możliwość ta nie była w tym przypadku wykorzystana. Wszystkie loty przeprowadzili certyfikowani operatorzy. Wyznaczony teren oblotów obejmował zarówno odcinki sieci SN, jak i nn oraz stacje transformatorowe zlokalizowane w rożnych warunkach ukształtowania terenu. Dla celów porównawczych do oblotów testowych użyto rożnych dronów wielowirnikowych oraz skrzydlatych wyposażonych w rożnego typu kamery światła widzialnego, kamery podczerwieni oraz Geoscanner. W dniu oblotów warunki pogodowe nie były sprzyjające ze względu na silne podmuchy wiatru dochodzące w porywach do 15 m/s. Spowodowało to konieczność zachowania większego odstępu od obiektów oraz wyższego pułapu lotu, co oczywiście wpływa na jakość pozyskiwanych danych. Rezultaty oblotów, czyli pozyskane dane można podzielić ze względu na możliwości ich wykorzystania. Rezultatami bezpośrednimi są pierwotne dane, które nie wymagają żadnej dalszej obróbki i dostarczają wymaganą informację natychmiast
(w tym przypadku fotografie i wideo). Rezultaty te są dostępne w trakcie oblotu lub też bezpośrednio po jego zakończeniu. Rezultaty pośrednie wymagają mniej lub bardziej czasochłonnej obróbki komputerowej (przetwarzanie fotogrametryczne, ortofotomapa) i są dostępne na ogół po kilku dniach od oblotu. Rezultaty bezpośrednie W trakcie oblotu możliwy jest bezpośredni (na żywo) ogląd infrastruktury energetycznej i jej otoczenia. Jest to osiągalne dzięki wideo online w świetle widzialnym (RGB) oraz w podczerwieni. W czasie rzeczywistym mogą być też przekazane zdjęcia wysokiej rozdzielczości, a dzięki połączeniom internetowym realne jest także natychmiastowe przekazanie tych danych do osób niebiorących bezpośredniego udziału w oblotach. W trakcie oblotów testowych uzyskano: - Filmy (wideo online) RGB w standardzie 4K z oblotu odcinka sieci i elementów, takich jak słupy oraz stacje transformatorowe. Na rysunkach 1a i 1b pokazano przykładowe kadry z filmu z oblotu fragmentu sieci SN. Pierwszy rysunek prezentuje cały kadr filmu, zaś drugi fragment kadru w jego naturalnej rozdzielczości. Rys. 1a. Kadr z filmu wideo online linii SN (Ciechomice) w standardzie 4K
Rys. 1b. Fragment kadru pokazujący element słupa w naturalnej rozdzielczości ekranu Film w standardzie 4K powstał przy zastosowaniu matrycy 12 megapikseli i częstości 50 klatek na sekundę. - Filmy (wideo online) w podczerwieni w standardzie SD. Na rysunku 2 pokazany jest słup sieci 110 kv w świetle widzialnym w standardzie PAL SD (720x576) oraz ten sam słup w podczerwieni (640x512). Użyto tutaj klasycznej kamery podczerwieni obrazującej temperaturę w odcieniach szarości. Im wyższa temperatura obiektu, tym jest on jaśniejszy na zobrazowaniu kamery. Na rysunku 3 pokazany jest kadr z zamontowanej nieco później kamery o wyższej rozdzielczości (1440x1080, 30 klatek na sekundę) obrazującej temperaturę w skali barw. - Fotografie wysokiej rozdzielczości wykonane przy użyciu kamery z matrycą 24 megapiksele. Dla przykładu na rysunku 4 pokazane jest zdjęcie odcinka sieci SN, a poniżej fragment tej fotografii pokazujący izolatory zamontowane na słupie. - Fotografie z Geoscannera zasadniczo służą do przygotowania ortofotomap, jednakże mogą być użyte niezależnie do szybkiego oglądu większego obszarowo terenu tuż po zakończeniu oblotu. Na rysunku 5a pokazano fragment (ok. 1/3) ortofotomapy wykonanej przez Geoscanner, a na rysunku 5b kolejny fragment poprzedniej fotografii, dający wyobrażenie o wysokiej rozdzielczość zobrazowania. Kamera Geoscannera posiada matryce 24 megapiksele i wykonała zamieszczone zdjęcia z wysokości 180 m nad poziomem gruntu.
Rys. 2. Kadry z wideo online. Słup WN (Gostynin Góry) w świetle widzialnym w standardzie SD oraz w podczerwieni w tradycyjnej kolorystyce
Rys. 3. Kadr z wideo online. Słup WN w podczerwieni w barwach obrazujących temperaturę Rys. 4. Zdjęcie słupa SN (linia Ciechomice) w wysokiej rozdzielczości. Poniżej element słupa
Ponieważ drony mogą latać autonomicznie na dystansach do 50 km (zakładając powrot w to samo miejsce), to funkcję przekazu online można wykorzystać do monitoringu sieci i jej otoczenia. Może mieć to zastosowanie np. do sprawdzenia stanu sieci po intensywnych zjawiskach pogodowych. Należy pamiętać, że pojazdy załogowe mają większe ograniczenia związane z pogodą niż drony ze względu na bezpieczeństwo osób znajdujących się w pojeździe. Rezultaty pośrednie Do dalszej obróbki komputerowej wykorzystano zdjęcia wysokiej rozdzielczości. Ich zaletą, oprócz wysokiej rozdzielczości (24 megapiksele), jest precyzyjna pozycja przestrzenna. Ortofotomapa Mapa fotograficzna jest obrazem aerofotograficznym, składającym się ze zdjęć lotniczych dopasowanych do jednakowej skali i wpasowanych w punkty geodezyjne państwowego systemu odniesień przestrzennych. Tak więc są to przetworzone zdjęcia w rzucie ortogonalnym i w jednolitej skali dla całej powierzchni. Fragment ortofotomapy terenu oblotu (część stacji GPZ Góry) pokazany jest na rysunkach 5a i 5b.
Rys. 5a. Fragment ortofotomapy (GPZ Góry) wykonanego przez Geoscanner z wysokości 180 m Rys. 5b. Fragment poprzedniego zdjęcia pokazujący jego wysoką rozdzielczość Dla zobrazowania różnic na rysunku 6 porównano ten sam słup sieci WN Gostynin Góry. Lewa fotografia to fragment najlepszego pod względem rozdzielczości zdjęcia satelitarnego z października 2014 r., a prawa fotografia to ten sam słup na ortofotomapie z oblotu testowego. Chmura punktów Chmura punktów to produkt końcowy trójwymiarowego obrazowania otoczenia, zbudowana z wielomilionowego zbioru punktów o współrzędnych przestrzennych oraz w tym przypadku parametru koloru. Chmura punktów generowana w oparciu o zdjęcia charakteryzuje się większą gęstością punktów pomiarowych niż użycie skanerów laserowych, przez co także większą precyzją pomiaru, ale niestety również zdecydowanie większą czasochłonnością obróbki danych. Użycie zdjęć lotniczych służących tworzeniu ortofotomapy do wygenerowania chmury punktów umożliwia dodanie do ortofotomapy trzeciego wymiaru wysokości. Chmura punktów umożliwia tworzenie modeli powierzchni terenu, pozwala
na tworzenie map elewacyjnych oraz wprowadzenie klasyfikacji punktów. Współrzędne punktów pozwalają na pomiar odległości pomiędzy punktami, analizę przekrojów obiektów oraz automatyczne wykrywanie różnic pomiędzy chmurami pozyskanymi w odstępie czasu. Rys. 6. Porównanie obrazu słupa sieci ze zdjęcia satelitarnego (lewy fragment) z nową ortofotomapą (prawy fragment) W poprzednim artykule (,,EE nr 6/2015) opisano i pokazano model powierzchni terenu towarzyszący ortofotomapie. W tych oblotach testowano tworzenie modeli przestrzennych elementów infrastruktury sieci (stacja transformatorowa i słupy). Na rysunku 7a pokazano utworzony z chmury punktów model przestrzenny słupowej stacji transformatorowej SN/nn S4-1017 i jej otoczenia. Duże zielone punkty pokazują trasę przelotu drona i miejsca, z których wykonano fotografie stacji. Rysunek 7b pokazuje fragment trasy przelotu z geolokalizacją wykonywanych zdjęć. Na rysunku 8, w jego lewej części, pokazany jest model przestrzenny stacji zbudowany w oparciu o chmurę punktów. W tym modelu każdemu punktowi, oprócz koordynat przestrzennych, przypisano kolor, co upodabnia ten model do fotografii. Należy pamiętać, że jest to model przestrzenny, co oznacza możliwość oglądania obiektu ze wszystkich stron. Środkowa część przedstawia stację z innego punktu obserwacji. Po prawej zmieniono rzeczywisty kolor punktu na kolor obrazujący odległość od powierzchni gruntu, używając palety barw od granatowej dla najniższych punktów do czerwonej dla najwyższych punktów.
Rys. 7a. Trasa oblotu testowego słupowej stacji transformatorowej. Punkty pokazują miejsca, z których wykonano fotografie stacji Rys. 7b. Fragment geolokalizacji zdjęć stacji
Rys. 8. Model przestrzenny stacji transformatorowej zbudowany w oparciu o chmurę punktów z dwóch punktów obserwacji. Z prawej model elewacyjny, w którym kolorami pokazana jest wysokość poszczególnych punktów nad powierzchnią gruntu Tak powstaje model elewacyjny obiektu. Można zastosować także paletę barw do klasyfikacji rożnych elementów obiektu. Generacja modelu przestrzennego ze zdjęć umożliwia przypisanie do każdego punktu chmury zdjęć użytych do jego generacji. Na rysunku 9 pokazano przykład takiej możliwości analizy elementu stacji. Zaznaczony punkt chmury tworzącej izolator (zielony x) widoczny jest na 30 zdjęciach (górna fotografia). Dla przykładu pokazano dwa z nich. Jak wspomniano, chmura punktów umożliwia pomiar odległości pomiędzy nimi. Na rysunku 10 pokazany jest pomiar odległości pomiędzy przewodem a poziomem gruntu. Dolna część rysunku pokazuje, że użycie modelu elewacyjnego pozwala, używając kolorystyki, na natychmiastową ocenę tego, czy przewód znajduje się w zakresie bezpiecznej odległości, czy też nie. Prezentacja wyników Geoportal Wizualizacja zebranych w trakcie oblotów testowych wyników jest trudna ze względu na znaczną objętość danych pierwotnych, jak i danych będących wynikiem przetwarzania komputerowego. W tym celu opracowano Geoportal GIS do prezentacji i wstępnej analizy danych. System oparty jest na architekturze klient serwer i bazie danych przestrzennych (prywatna chmura obliczeniowa). System pozwala na wizualizację bazy danych przestrzennych o elementach sieci pochodzących z oblotów poprzez portal dostępowy do systemu i zarządzanie warstwami danych. Na rysunku 11a pokazana jest strona wstępna portalu, zaś na rysunku11b przykład zebranych danych dotyczących elementu sieci. Portal
wyposażono w automatyczny system raportowania. Testowana jest wersja mobilna Geoportalu. Rys.9. Automatyczna lokalizacja zdjęć
Rys.10. Pomiar odległości w chmurze punktów. U dołu model elewacyjny
Rys.11a. Geoportal ortofotomapa z możliwościami nakładania kolejnych warstw Rys.11b. Geoportal szczegółowe informacje o elemencie sieci Podsumowanie Obloty sieci dronami są pionierskim przedsięwzięciem w energetyce. Jest to technologia, która podobnie jak obloty śmigłowcem dla sieci WN i po części SN może znaleźć zastosowanie w ocenie stanu sieci oraz weryfikacji danych o sieci SN i nn zgromadzonych w systemie GIS. Obloty testowe dowiodły, że zakres zbieranych danych jest taki sam jak przy użyciu śmigłowca, zaś zebrane przez drony dane nie ustępują jakością danym pozyskiwanym
przez śmigłowce, a w niektórych przypadkach, gdzie bliskość obiektu jest koniecznością, jak np. oblot słupa czy stacji transformatorowej, zdecydowanie je przewyższają. Szczególnie przydatne są nagrania filmowe wysokiej rozdzielczości umożliwiające dokładną ocenę stanu technicznego linii, w szczególności słupów, poprzez oblot słupa z każdej strony na całej jego wysokości, dokonując przy tym zbliżeń interesujących elementów. Nowatorską funkcją z punktu widzenia brygad pogotowia energetycznego jest możliwość przekazu wideo online z kamery drona. Daje to możliwość szybszej i dokładniejszej interwencji pogotowia w sytuacji konieczności weryfikacji szkód na sieci po wystąpieniu stanów awaryjnych. Wygenerowana chmura punktów jest bardziej gęsta niż w przypadku skanera laserowego, ale użyte oprogramowanie, mające ogólny charakter, nie zostało stworzone z myślą o branży energetycznej i nie umożliwia automatyzacji wykonywania podstawowych analiz, jak np. automatyczny pomiar odległości pomiędzy przewodem a otoczeniem. Brak jest także klasyfikacji chmury punktów oraz bazy danych słupów i przewodów. Ograniczenia te, poprzez rozwój oprogramowania we współpracy z branżą, mogą jednak zostać szybko usunięte. Istotnym czynnikiem wpływającym na oblot są odpowiednie warunki atmosferyczne, które oddziałują na jakość danych, bezpieczeństwo i samo wykonanie oblotu. W oblotach testowych warunki atmosferyczne nie były sprzyjające, podmuchy wiatru dochodziły do 15 m/s oraz zdarzały się przelotne opady, jednakże nie wpłynęły one istotnie na jakość pozyskanych danych. Należy pamiętać, że drony podlegają takim samym ograniczeniom związanym z warunkami atmosferycznymi jak pojazdy załogowe, jednakże w przypadku ich użycia stopień ryzyka związany z awarią jest zdecydowanie mniejszy. Na podstawie oblotów testowych nie można jednoznacznie stwierdzić, czy używając dronów można pozyskać i przygotować dane na skalę odpowiednią dla sieci średnich i niskich napięć ta kwestia wymaga przeprowadzenia testów w znacznie większym zakresie, w szczególności wykorzystując możliwość lotów autonomicznych.