摘要：架空电缆巡检对电力系统的维护具有重要的意义。Petri 网是一种通过图形化的方式描述复杂系统的数学模型，
具备非常丰富的分析方法。文章对架空电缆无人机巡检进行Petri 建模分析后，在此基础上增加红外感应设备，借助物联网技 术，添加库所变迁，建立优化后的架空电缆无人机巡检的Petri 网模型。并用PIPE 软件对优化后的巡检方式进行建模分析，验证了该巡检的合理性、有效性。 关键词：Petri ；无人机巡检；建模优化中图分类号：TP391文献标识码：A 文章编号：2095-0438（2022）12-0139-04
（安徽理工大学电气与信息工程学院安徽淮南
232001）
随着航空工业领域的快速发展，无人机作为巡检装备之一。因其具有体积小、成本低、使用方便、技术简单成熟等特点[1-2]，逐渐在电力设备巡检中得到认可。目前已使用于电力系统维护的方方面面，
例如，将无人机用于输电线路的巡检[3]；针对光伏电站体积较大，运维压力等问题，提出一种基于光伏电站的无人机智能巡检完整技术路线[4]。利用无人机巡检，可以及时发现缺陷，弥补传统巡检的不足，提高对电气设备的巡检质量，减轻运维人员的工作压力。Petri 网作为一种优秀的系统建模和分析工具，可应用于多种场景，在处理实际问题时，可用Petri 网的相应性质和行为轮廓对系统进行建模和优化。物联网技术已在各个领域中得到广泛应用，本文将物联网技术与无人机巡检相结合，提出架空电缆无人机巡检的优化模型。
一、基本概念
（一）有向网。若满足以下3个条件的三元组N=(S,T;F)就称为有向网，简称网。
①S ⋃T ≠∅ΛS ⋂T =∅。②F ⊆S ×T ⋃T ×S 。③dom (F )⋃cod (F )=S ⋃T 。
dom(F )={x|∃y (x ,y )∈F }；
cod(F )={y|∃x :(x ,y )∈F }。S 和T 是两个不相交的
集合。其中S 元素称为库所(place)，T 元素称为变迁
(transition)，F 是网N 的流关系(flow ralation)，“×”表示笛卡尔
积。Petri 网规则：如果某一个变迁的所有前驱库所都有托肯，则这个变迁满足发射条件。变迁发射时，从它所有的前驱库所里分别取出1个托肯，同时往它所有的后继库所里面
孙
霞
火麻仁胶囊张
洁赵厚
张坤乾
缪玉婷
∗∗∗第42卷第12期
绥化学院学报2022年12月
Vol.42No.12Journal of Suihua University
Dec .2022
收稿日期：2022-07-01作者简介：孙霞（1978-），女，辽宁宽甸人，安徽理工大学电气与信息工程学院副教授，硕士，研究方向：Petri 与物联网技术应用；张洁（1997-），女，山东济宁人，安徽理工大学电气与信息工程学院硕士研究生，研究方向：Petri 与物联网技术应用。基金项目：安徽高校自然科学研究项目（重点项目）“基于DCS 和STCA 的煤矿井下人环物智慧感知方法研究”（KJ2020A0309）。
139
分别放置1个托肯，以此类推。
（二）Petri 网系统。Σ=（S,T;F,K,W,M 0）是Petri 网系统，其中K 是N 上的容量函数（S 元素的容量函数），W 是N 上的权函数（资源消耗或产生的量），应满足
①N=（S,T;F ）为Σ的基网，为有向网。②M 0是容量函数K 允许的标识（初始标识）。
(1)若变迁t ∈T ，则t 在M 有发生权的条件是∀s =.t :M (s)≥1，则称t 在M 使能，记作M[t ＞1；(2)若t 在M 有发生权，则t 可以发生并将M 改为新的表示
M′，记作M[t ＞M′，则有
M'(s)=ìíîïï
ïï
M (s )-1，若s ∈.t -t .
M (s )+1，若s ∈t .-.t
M (s )，其他
（三）行为轮廓。（N,M 0）是一个网，初始标识M 0。将所有
关系的集合称为网系统的行为轮廓[5]，记作BP={→,→-1,+,||}对任给的变迁（t 1,t 2）∈（TⅹT ）满足下列关系：
（1）若t 1＞t 2且t 2≯t 1，则称严格序关系，记作t 1＞→t 2；（2）若t 1≯t 2且t 2＞t 1，则称严格逆序关系，记作t 1→-1t 2；
（3）若t 1≯t 2且t 2≯t 1，则称排他关系，记作t 1+t 2；（4）若t 1＞t 2且t 2＞t 1，则称交叉序关系，记作t 1||t 2。（四）结构性质。网系统Σ=（S,T;F,W,M 0），其结构性质是
由网系统的静态结构决定的，与初始标识无关，网系统的静态结构用（S,T;F,W ）表示。
（1）关联矩阵：矩阵A=(A ij )为网系统Σ=（S,T;F,W,M 0）的
关联矩阵，A 以S 为行序标集，以T 为列序标集，其i 行j 列的矩阵元素a ij =W′（t j ,s i ）－W′（s i ,t j ）。其中W′由W 扩展而来，若
（x,y ）∈F ，则W′(x,y)=W(x,y)；若(x,y)∉F ，则W′(x,y)=0。（2）状态方程M =M 0+A ×τT ，其中，τ为任一T_向量，M 0和M 分别是标识的S_向量。
①若T_向量τ满足M 0=M 0+A ×τT ，则称τ为Σ的T_不变量，若τ为Σ的T_不变量，则A ×τT =θS T ，其中，θs 是分量全为0的S_向量。
②若S_向量σ满足σ×A =θT ，则σ称为Σ的S_不变
量，其中θT 是分量全为0的T_向量。
二、优化前架空电缆无人机巡检Petri 模型无人机巡检是目前最受关注的问题之一，本文是借助无
人机通过搭载的视频设备，对架空电缆进行监测、数据采集。运维人员可以借助无人机进行人工无法实现的、危险的以及重复的架空电缆的运维工作。下面利用Petri 网对架空电缆无人机巡检进行建模分析。
图1为架空电缆无人机巡检流程的Petri 网模型图，图中P0库所中的token 代表巡检无人机，运维人员对无人机进行检查、试飞后，无人机搭载机载设备，按照规划的飞行路线对架空电缆进行巡检。T0、T1、T2发生后，无人机对周围环境进行采集，T3和T5是排他关系，若拍摄画面显示无异常，则T3、T4发生，继续或结束巡检。若拍摄画面有异常，T5发生，T6和T9是并发关系，可同时发生。例如发现鸟窝，T6-T8发生；发现有树枝遮挡，T9-T11发生，运维人员接收到画面立刻前去清理，清理完毕后，T4发生，继续或结束巡检。架空电缆无人机巡检流程的Petri 网模型各变迁符号及意义文字说明见表1
皮卷尺
。
图1优化前架空电缆无人机巡检Petri 网模型
表1
优化前架空电缆无人机巡检流程的Petri 网模型各变
迁符号及意义文字说明
变迁T0T1T2T3
意义操控无人机
巡检视频设备无异常
变迁T4T5T6T7
意义结束巡检有异常发现鸟巢清理
变迁T8T9
T10T11意义清理完毕发现树木遮挡
处理处理完毕
三、优化后架空电缆无人机巡检Petri 模型优化前的无人机巡检方式单一，且只能依靠设备所拍摄的画面来监测架空电缆是否出现故障等问题。相比于优化前的架空电缆无人机巡检，优化后的无人机巡检增加了红外感应设备，以实现对架空电缆的温度监测。不同于可见光的人感应，红外因其具有较强的
辐射能力，可以监测到在可见光波段无法监测的特定目标[6]。该设备是由红外感应模块、微处理器模块、电源模块和LoRa 通信模块组成。LoRa 传输技术满足低功耗、远距离传输，信号灵敏、响应速度高且数据
传输的抗干扰能力强[7-8]。整体流程为：红外感应模块对架140
空电缆环境数据进行采集，通过LoRa技术将数据传输至监测中心。由此对架空电缆无人机巡检进行优化，增添相关活动变迁和行为轮廓，构建成新的架空电缆无人机巡检Petri网模型。图2则是优化后的架空电缆无人机巡检的Petri
网模型。
图2优化后架空电缆无人机巡检petri网模型
图中库所P0的token代表无人机。运维人员操控无人机起飞后开始巡检，图中T2、T3是并发关系，二者同时发生，视频设备拍摄有无异常画面，红外感应设备采集数据，通过阈值对比，监测电缆是否存在异常高温可能。T4和T6是一对排他关系，无异常，T4发生，结束巡检。若存在异常，T6发生，例如若红外感应设备所监测电缆环境数值超过设定阈值，T13发生，数据通过LoRa的射频芯片进行传输处理，将数据上传至监测中心，运维人员及时锁定发生异常方位，并前往处理，T14发生，检修完毕（T15）后，继续巡检或结束巡检（T5）。优化后架空电缆无人机巡检流程的Petri网模型各变迁符号及意义文字说明见表2。
表2优化后架空电缆无人机巡检流程Petri网模型各变迁
符号及意义文字说明
变迁T0 T1 T2 T3 T4 T5
意义
操控无人机
巡检
视频设备
红外感应设备
无异常
结束巡检
变迁
T6
T7
T8
T9
T10
T11
意义
有异常
发现鸟巢
清理
清理完毕
发现树木
处理
变迁
T12
T13
T14
T15
意义
处理完毕
高温
无人机机巢
检修
检修完毕四、优化后架空电缆无人机巡检Petri网性能分
析与验证
（一）性质分析。Petri网的一个标识可以表示成一个m 维非负整数向量。Petri网的结构也可以用一个矩阵来表示，即引入线性代数的方法对Petri网的性质进行分析[9]。通过分析其静态性质，可验证出该模型的结构稳定性。
架空电缆无人机巡检的Petri网的静态性质是由关联矩阵A、输入矩阵B、输出矩阵C表示，三者的关系式为A=B-C。矩阵中S为行标集，T为列标集。
1.输入矩阵。输入矩阵的矩阵元素用b ij表示，当变迁发生时，库所中产生token，初始库所中只消耗token。
2.输出矩阵。输出矩阵的矩阵元素用c ij表示，当变迁发生时，会消耗token，架空电缆无人机巡检的Petri网的输出矩阵C如下所示。
C=
é
ë
ê
ê
ê
ê
ê
ê
ê
内嵌模组
ê
ê
ê
ê
ê
ê
ê
ê
ê
ù
û
ú
ú
ú
ú
ú
ú
ú
ú
ú
ú
ú
ú
ú
ú
ú
ú1000000000000000
0100000000000000
0011000000000000
0000101000000000
0100010000000000
0000000000000000
0000000100000000
0000000010000000
立体电视0000000001000000
0000000000100000
0000000000010000
0000000000001000
0000000000000100
0000000000000010
0000000000000001 3.关联矩阵。是对网系统的结构描述，与初始标识无关。关联矩阵的矩阵元素用a ij表示，a ij是变迁t j发生一次对s i所含token数量的改变，发生变迁时，会产生或是消耗token，产生用正数，消耗用负数表示。行对应着库所与相应变迁集间的关系，列对应着变迁与相应库所集间的关系。架空电缆无人机巡检的Petri网的关联矩阵A如下所示。
C=
é
ë
ê
ê
ê
ê
ê
ê
ê
ê
ê
ê
ê
ê
ù
û
ú
ú
ú
ú
ú
ú
ú
ú
ú
ú
ú
ú-
-1000000000000000
1-100000000000000
00-1-1000000000000
0011-10-1000000000
0-1001-10001001001
0000010000000000
0000001-100000000
00001001-10000000
000000001-1000000
0000000000-100000
00000000000-10000
000000000001-1000
0000000000000-1-0
00000000000001-10
000000000000001-1
根据架空电缆无人机巡检的Petri网模型的关联矩阵，由公式A T X=θT与AY=θS的可得出通解X和Y，即S_不变量和T_不变量，由后者可解出矩阵的通解Y T为：
Y T=(00-11000000000000)。
由矩阵的通解可知，分量1代表token从库所流至变迁，分量-1代表token从变迁流至库所。变迁发生不会改变库所中的token数，故架空电缆无人机巡检的Petri网模型的流通路径是固定的。因此，该检测方式的Petri网结构是静态稳定的、可达的。
lc-a
141
（二）仿真实验验证。为检验优化后的架空电缆无人机巡检Petri网模型的正确性与可达性，在Petri网分析软件
PIPE中绘制模型图，利用State Space Analysis函数，对优化后的模型进行验证。运行结果图如图3所示。结果表明，优化
后的模型是可达的。
图3PIPE模型仿真检验图
五、结语
通过对传统架空电缆无人机巡检Petri网模型的分析，在此基础上，增加红外感应设备，应用物联网技术对电缆环境数据进行无线传输，建模优化架空电缆无人机巡检方式，对其Petri网的静态结构分析可达性与准确性，并在PIPE软件中得到验证。优化后的架空电缆无人机巡检方式，可减轻运维人员的工作强度，能够使得运维人员能够快速地发现故障点并及时检修或处理。
参考文献：
[1]陈昕哲.输电线路无人机巡检应用及展望[J].中国电力企业管理,2021(36):86.
[2]马新惠，刘豪，张世海，等.无人机在输电线路巡检中的应用[J].机电信息,2022(8):12-14.
[3]蒋畅，陈凤翔，谢皓凌，等.5G无人机自动巡线技术在电力输电线路巡检的实现策略[J].无线互联科技,2022,19(5):3-4.
[4]王浩，闫号，叶海瑞，等.基于无人机的光伏电站智能巡检[J].红外技术,2022,44(5):537-542.
[5]王倩倩，王丽丽.基于Petri网行为轮廓的网上购物流程挖掘方法[J].延边大学学报(自然科学版),2019,45(1):75-79.
[6]褚红旭，金鑫，段纳.具有WiFi功能的红外感应模块设计及实现[J].微型机与应用,2017,36(6):37-39. [7]陈志宏，王兴安.LoRa在电力行业典型应用与问题探讨[J].长江信息通信,2021,34(5):87-91.
[8]常叶枫，尚文迪，张强.基于LoRa的电缆无线测温装置设计与实现[J].电工技术,2021(8):66-68.
[9]陈帅.基于Petri网的仓库火灾预警系统建模优化分析[J].佳木斯大学学报(自然科学版),2020,38(3):110-113+154.
[责任编辑郑丽娟]
Petri Network’s Research on Unmanned Aerial Vehicle Inspection of Overhead Cables Sun Xia Zhang Jie Zhao Houqun Zhang Kunqian Miao Yuting
(Anhui University of Science and Technology,Huainan,Anhui232001) Abstract:Overhead cable inspection is of great significance for the maintenance of the power system.Petri network is a mathematical model that graphically describes complex systems with a very rich range of analytical methods.In this paper,after the Petri modeling and analysis of the overhead cable UAV inspection,the
infrared sensing device is added on this basis,and with the help of the Internet of Things technology,the change of the library is added,and the Petri network model of the optimized overhead cable UAV inspection is established.The optimized inspection method is modeled and analyzed by PIPE software,which verifies the rationality and effectiveness of the inspection.
Key words:Petri;UAV inspection;modeling optimization
142
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议