搭配激光雷达与WAPI的全天候应急通信装置研究

0引言

在现有的电力通信网络中,光纤复合架空地线(OPGW)和管道光缆应用广泛。 目前通常的维护方法是以传输管理监控为手段,监控光缆的通断,运维人员进入变电站使用光时域反射仪对故障点进行粗略定位,再派抢修人员现场巡查抢修。光缆维护抢修方面存在被动响应、手段单一、时效性差、智能化水平低等问题。随着电力光缆承载的生产实时业务越来越多,主动发现并及时定位故障隐患,对电力通信光缆的保障维护、电力网络系统的正常运行意义越来越大。

因此,需要研究一套搭配激光雷达与WAPI的全天候应急通信装置,以无人机为载体,基于WAPI组网实现远程控制和信息传输,搭配激光雷达构建三维数字孪生,在电力区域生产作业场景及电力突发事件出现时可实现现场信息回传,且不依赖于地面控制站或卫星等基础通信设施,能够全方位全天候全场景回传数据,用于快速定位故障点、检测线路状况、评估受灾范围等,为电力通信抢修提供有力支持。

1 搭配激光雷达与WAPI的全天候应急通信装置简介及其优势

搭载激光雷达与WAPI的全天候应急通信装置,包括无人机搭载激光雷达系统、三维量测分析模块,能够快速获取高精度激光点云和高分辨率数码影像,无论是对电力线路的风险点巡线检查,还是对线路故障点的快速分析定位,以及在电力突发事件中实现应急通信,都带来了传统方法所不具备的作业模式和技术优势。

搭载激光雷达与WAPI的全天候应急通信装置 主要基于以下几点考虑。

1.1 认证管理、安全可控

文献[1]探究了用WAPI无线通信协议构建专用无线局域网的优势,利用“数字证书+MAC地址”的双因子认证机制,可在有效拒绝非授权终端接入的同时防止合法终端接入非法网络,安全强度高,能够有效保障无线局域网链路层数据通信的机密性、完整性及抗抵赖性,确保无线局域网可管可控。

1.2 全方位全天候全场景

激光雷达采用“花瓣式”非重复扫描方式,配合传统摄像头,不受天气、时间与场景影响,雷达基于硬件,点云反应精度达毫秒级,误差在1 m以内,能够增强应急通信性能与能力,实现恶劣灾害天气场景(台风、地震等)时图像、业务、控制信号等的快速部署回传。

1.3 覆盖范围广

应急通信系统以无人机为载体,无人机作为一种灵活的空中平台,可以搭载激光雷达设备,实现对地面或建筑物的高精度测绘。文献[2]探究了WAPI通信在变电站应用的可行性,基于WAPI的无人机应急通信系统针对电力突发事件及特殊区域生产作业场景可快速响应,灵活度高。

2搭配激光雷达与WAPI的全天候应急通信装置设计与实现

2.1体系结构

本文设计的搭配激光雷达与WAPI的全天候应急通信装置可分为WAPI组网系统、雷达测绘系统、无人机通信系统三大部分。系统架构如图1所示。

1)WAPI组网系统:构建WAPI安全无线局域网,对移动终端设备的信号采集和发送接收机制进行权限认证和安全加密运算。

2)雷达测绘系统:搭载激光雷达获取真实点云数据,通过三维量测分析对点云数据进行处理,实现 任意点距离量测、面积量测、空间量测。

3)无人机通信系统:无人机与激光雷达、WAPI 的融合强化了各自的优势,无人机可以飞越传统人力无法到达的区域,激光雷达的测量范围可以覆盖更远距离,WAPI提供了数据信息高效传输控制的通道,因此系统兼具高机动性、高稳定性、可拓展性。

2.2功能模块的设计与实现

1)WAPI组网系统:WAPI安全无线局域网由核心层和接入层组成,其中核心层包括AC、AS和网管,接入层包括AP和无线终端STA。AC:接入点控制器,提供对AP的集中控制管理;AS:证书鉴别系统,为 AP、STA签发证书并提供鉴别服务的设备;AP:无线接入点设备,支持WAPI协议,为STA提供WAPI无线局域网接入服务的设备;STA:无线终端,指WAPI智能终端,终端集成WAPI通信模组,通过关联AP进行 WAPI网络通信。WAPI组网架构图如图2所示。

2)雷达测绘系统:激光雷达采用多线激光“花瓣式”旋转扫描方式,应用基于三维激光视觉的室外定位算法^[3],通过迭代计算实现动态定位,以多特征匹配减少定位误差,构建LOAM(雷达里程计建图)回环检测算法,通过相关性扫描匹配判断前后两帧的激光数据相似性,消除因摄像头旋转导致的动态误差,实现高精确度测绘,提高3D图像识别准确度。

3)无人机通信系统: 由无人机、信号接入点组成。无人机搭载高清摄像头、激光雷达、WAPI通信模组,采用双频定向天线实现信号传输。信号接入点采用双频全向天线,对高空进行WAPI无线信号覆盖,建立“人—机—站”通信链路,基于针对无人机基站和空地信号传输的空地传播模型^[4],实现远程控制、信息传送。

3 成果展示

搭配激光雷达与WAPI的全天候应急通信装置示意图如图3所示。在使用装置采集电力线路状况的过程中,通过WAPI无线终端接入WAPI组网系统,经过无线接入点AP连接综合数据网,由AC、AS控制认证,最终与无人机巡视管理平台(图4)互联。雷达测绘系统根据运维人员在无人机巡视管理平台设定好的路线,对电力线路进行拍摄、测绘,生产图像信息。无人机搭载WAPI无线终端模块与激光雷达,通过无人机通信系统建立“人—机—站”通信链路,将无人机巡视管理平台发出的指令经由WAPI组网系统送至装置,然后将雷达测绘系统生产的图像信息传输回无人机巡视管理平台。

4总结及展望

本文设计的搭配激光雷达与WAPI的全天候应急通信装置,以主动控制、安全可靠、实时高效、精确智能的技术手段,构建针对电力线路应急现场巡查的解决方案,便于运维人员快速反应及调度决策,提高了系统整体反应能力,有效确保了电网通信系统与电力业务系统的运行安全与信息安全。该装置也能应用于其他范围广、危险大、精度高、人工开展作业难等的操作环境。

目前,搭配激光雷达与WAPI的全天候应急通信装置更多考虑的是在电力区域生产作业场景及电力突发事件出现时实现现场信息回传。如何在获取信息的同时,结合电力鸿蒙物联操作系统,建立与电力设备的互通互联,实现在应急情况下对电力设备的物联接入、运行维护,是值得进一步研究的课题。

[参考文献]

[1]罗袁君,伍诗雨,刘俊,等.基于WiFi的专用无线局域网应用研究[J].微处理机,2015,36(6):29-32.

[2]杨丰阁,张晶焯,崔宇中,等.基于WAPI通信的变电站智能巡检技术研究与应用[J].电气工程,2021,9(3):105-114.

[3]方徐达,赵伟,沈俊.基于三维激光雷达的室外环境定位算法研究[J].激光与红外,2020,50(3):273-278.

[4]赵琦龙.无人机应急通信覆盖的研究[J].中国科技期刊数据库科研,2019(1):83-84.

2025年第3期第6篇