智能三维空间扫描检测技术在电缆展放施工中的应用

智能三维空间扫描检测技术在电缆展放施工中的应用

孙晓盼、景国明、张强、殷兆阳

（河南送变电建设有限公司  河南郑州  450001）

摘要：目前施工现场安全管理对“科技兴安”的需求越来越迫切。利用科技手段加强安全管理成了各级管理者思考的问题。目前常用办法是设置吊车指挥、安全监护人员，确保对起重设备吊臂下无作业人员逗留或通过。设置吊车指挥与安全监护人员的方法，由于吊车司机视野存在盲区、监护人员存在监护盲区，监护人员与吊车司机沟通交流信息不够及时有效以及个别施工人员习惯性、随意性行为，从而导致监护效果不理想，施工人员不自觉的通过吊车臂下，造成违章、存在安全隐患。

关键词：电缆施工；三维空间；智能扫描

引言

针对施工现场易犯、难管的“起吊物下面，有人逗留或通过”违章行为的应用背景，充分发挥激光雷达3D空间测量和3D点云处理技术的优势，结合先进的AI智能分析与决策算法技术，实时监控起吊物空间位置、吊臂周边隐患障碍物、人员定位等，有效保障施工现场的起吊安全。在吊车作业时，起重工要听指挥员的指挥，但在实际作业时，车辆噪音较大，前后车尾气等空气污染，可能导形成起重工注意力分散，疲劳驾驶，判断力降低、视线遮挡、错误工作等危险行为。

一、智能三维空间扫描检测技术概述

在吊车旋转底座上部（旋转时可与吊臂同时移动）安装测量装置，该装置为空间3D测量仪，核心测量器件为激光雷达，激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式，由发射系统、接收系统、信息处理等部分组成。激光雷达的工作原理，是利用可见光和近红外光（多为950 nm波段附近的红外光）发射一个信号，经目标反射后被接收系统收集，通过测量反射光的运行时间而确定目标的距离。另外，目标的径向速度，可以由反射光的多普勒频移来确定。可以监督目标整体在场景内的精确位置，同时还可以对目标的边界位置进行精确的判断（如人员的伸手、伸脚等触碰到标的边界）。计算出吊车臂顶部至吊车的水平距离，将该距离作为参考量值，并对该参考量值设定3种状态，从而达到监控、提醒、告警功能。

激光雷达发射激光束，通过测量光线打到物体或表面再反射回来所需要的时间，来计算激光雷达到目标点的距离并形成数据点，这个过程可能会获得的数百万个数据点，科学家将之称为“点云”。通过对这些数据的处理，几秒钟内就可呈现出精确的三维立体可视图像。

二、智能三维空间扫描检测技术研究

20世纪70年代末，美国国家航空航天局（NASA）成功研制出一种具有扫描和高速数据记录能力的机载海洋激光雷达。用在大西洋和切萨皮克湾进行了水深的测定，并且绘制出水深小于10 m 的海底地貌。此后，机载激光雷达系统蕴含的巨大应用潜力开始受到关注，并很快被应用到陆地地形勘测研究当中。20世纪90年代后期，全球定位系统及惯性导航系统的发展使得激光扫描过程中的精确即时定位定姿成为可能。

现代智能感知技术的发展让大型吊装、安装等施工现场实现了智能化、无人、实时监控，也使施工现场的安全得到了有效的保证，也实现了智能汽车的发展也走上了快车道，环境感知技术属于一种智能的自动传感器，可以对道路上出现的各种事物进行检测识别。它的内在元件主要有超声波雷达、毫米波雷达、激光雷达和自组织网络等。对于激光雷达在智能汽车上的应用，其主要功能就是对车身周围的信息进行检测，通过一定的专业数据分析，可提供被检测环境最优良的数据信息。

三、智能三维空间扫描检测技术的实践依据

三维扫描是指集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构及色彩进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。它的重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化和数字孪生技术提供了相当方便快捷的手段。三维扫描技术能实现非接触测量，且具有速度快、精度高的优点。而且其测量结果能直接与多种软件接口，这使它在CAD、CAM、CIMS等技术应用日益普及的今天很受欢迎。

随着点云采集工具的普及，点云技术已成为最有发展前景的技术之一。目前3D点云技术已在自动驾驶、勘探测绘、虚拟世界等领域应用广泛，是计算机视觉发展的推进器。在三维空间检测物体极大提高定位的精确度，深度还原物体在空间中的形状、姿态及位置等信息，这是仅仅依赖一副图像工作的二维技术难以完成的。3D点云数据处理方法也是视觉处理的重要一环。其中原始激光点云数据滤波（数据预处理）利用PCLA点云库对原始数据进行噪声过滤、数据密度调整；点云分割利用每条射线的点云分布对其进行地面与非地面的分割，包括区域提取、线面提取及语义分割等；目标聚类基于非地面分割点云数据进行欧氏距离度量聚类；目标跟踪利用欧式聚类对检测结果进行多目标跟踪。

为了增加激光雷达的视角范围以使用吊车吊臂的大角度工作范围变化，采用了激光雷达+机械旋转的测量方式。建立吊车上装置安装位置、转台、激光雷达之间的坐标传递关系，将激光雷达测量的3D点云数据统一转换至3D测量预警装置的基坐标系；吊臂也是相对于上述基坐标系运动的，对采集到的点云数据进行坐标变化、数据滤波等前处理，然后提取主要特性以轻量化数据表示，为后续目标检测、安全预警提供数据基础。构建吊车吊臂工作范围机械安全风险预警系统。该系统应用激光雷达及可见光相机作为人体位置检测装置，实现人在机械安全系统中的实时位置监测以及人机分离预警；建立综合考虑人、机器、环境及其耦合效应的机械安全风险预警风险值计算模型，实现风险的分级预警；应用基于模型与数据融合驱动的数字孪生技术，有效实现了机械安全可视化监测与预警。

四、智能三维空间扫描检测技术在电缆施工中有效性

（1）成立智能设备专业化运维团队

在电缆运维部门配备智能设备管理专员，并组建专业运维队伍，负责各类监控装置、电源设备、服务器等设施的定期检查、维护和修理工作。

（2）开展隧道环境综合整治

通过改造隧道内的排水和通风设施，降低隧道内空气湿度，减少灰尘堆积，以保证智能设备处于良好运行环境。

（3）加强智能设备设计、建设与验收监管

电缆运维部门参考电缆一次设备工程的管理模式，主动参与智慧电缆线路建设项目可研与设计工作，结合专业需求及时向供应商提出优化建议，以保证系统建设方案的实用性与合理性。同时，对新投智能设备进行资料验收、现场盘点和功能验收。

首先，资料验收内容包括设备台账、供电与通信系统组网方式资料和设备操作指导材料。

其次，现场盘点要求现场智能设备的类型、数量与台账一致，且应配备标准化名称牌，注明智能设备的运维管理方法，以方便巡视人员定期检查智能设备的工作情况。

最后，功能验收要求所有感知数据均能接入隧道边缘计算中心，且能与电缆精益化管理平台进行告警信息与操作指令的交互。

五、结束语

智能三维空间扫描检测技术用于智能3D空间测量建模和危险报警。产品基于3D测量技术、点云技术、图像处理和电机运动控制技术，对指定区域进行空间3D建模和视频监控，并可以自动识别出数据和视频中的目标类别，根据空间几何物体之间的位置关系，对碰撞、危险等进行预警，对进入危险区域的预设目标（如人员）实时探测、并可发出声光报警。该技术的应用可以大大提高施工现场安全管理的智能化、无人化水准、提高运维管理的效率。该项目在电力系统施工的应用具备推广应用价值，可以直接为公司带来经济效益。通过该技术应用，对吊臂下的障碍物、危险范围的人员进行检测和智能决策，对安全隐患进行报警提示，有效提升了施工现状吊装的安全性。

参考文献

[1]张顼.海底电缆和隧道电缆一体化综合监控平台的建设[J].吉林电力,2016,44(2):4.

[2]张劲松,白晗,邹明贺.基于TD-SCDMA网络的电缆隧道设备监测及安全巡检管理平台的开发[J].电气应用,2015(S1):5.

[3]焦凝礼,彭路,刘燚冲.新型隧道式电缆沟高压电缆敷设成套装置的应用分析[J].大众用电,2022(4):3.