Sähkölinjojen näkymättömät viat paljastuvat hyperspektrikameralla

(English version below)

Hyperspektrikameran kuva näyttää hailakalta mustavalkokuvalta, mutta paljastaa kohteesta enemmän kuin ihmissilmä voi havaita.

Rejlersin asiantuntija Joona Ehrnrooth kertoo, että kamera tunnistaa kuvasta erilaisten pintojen materiaaleja ja ominaisuuksia.

- Kamera kuvaa aallonpituusalueilta, joita ihmissilmä ei näe. Näin kuvatuille materiaaleille voidaan luoda oma ”spektrinen sormenjälki”. Se myös paljastaa, jos materiaalissa on jotain poikkeavaa.

- Kuvien avulla voidaan analysoida esimerkiksi pylväiden lahoisuutta, eristimien kuntoa, muuntajakoneiden ruostumista ja öljyvuotoja. Ehkä johtokadun varrella olevasta puustosta voisi myös tehdä analyysia puulajin tunnistukseen tai puuston kuntoon liittyen, Ehrnrooth selvittää.

- Hyperspektriteknologialla voimme päästä käsiksi ennaltaehkäisevämpään toimintatapaan, toteaa hankkeessa mukana olevan Järvi-Suomen Energian kehitysinsinööri Tomi Öster.

- Tavoite on, että vian syntyminen pystytään jatkossa löytämään materiaalien tunnistamisen kautta jo ennen kuin jotain on hajonnut. Parhaimmillaan seurauksena on luotettavampaa sähköä ja kustannus- ja energiansäästöjä.

Rejlers uskoo uuteen tekniikkaan ja ilmavoimiinsa

Tällä hetkellä sähkönjakeluverkkojen kuntoa tarkastetaan ja vikoja paikannetaan maasta käsin jalkaisin ja helikopterilla, mutta myös droneissa nähdään mahdollisuuksia. Kuvaamiseen käytetään tavallisia värikameroita, lämpö- ja infrapunakameroita sekä kolmiulotteisia kuvia tuottavia laserkeilaimia.”

Joona Ehrnrooth toteaa, että Rejlersillä uskotaan vahvasti dronien käyttöön tulevaisuudessa. Lisäksi mikroteknologian ansiosta hyperspektrikameran koko on kutistunut niin pieneksi, että sen kiinnittäminen droneen on mahdollista.

- Nykyaikaiset lennokit ja dronit pystyvät lentämään jo lähes täysin autonomisesti niille ennalta määrättyjä reittejä ja niiden toiminta-ajat ja suorituskyky ovat kasvaneet. Uskomme, että hyperspektrikameran lisääminen muiden kameroiden rinnalle parantaa analyysin ja havaintojen luotettavuutta, Ehrnrooth selostaa.

- Tutkimushankkeessa nimenomaan selvitämme, millaisella järjestelmäkokonaisuudella ja -asetuksilla tarkastustehtävät voidaan toteuttaa, sekä millä tavoin tarkastuksessa kerätystä aineistosta voidaan havaita haluamamme asiat automaattisesti.

Hyperspektristä on moneen

Hyperspektrikuvaaminen ei ole uusi innovaatio. Sitä on tähän mennessä tutkittu ja sovellettu esimerkiksi kasvillisuuden terveyden analysoinnissa ja tehtaissa tuotantolinjoilla laadunvalvonnassa ja tunnistamisessa. Maanmittauslaitoksen tutkimusprofessori Eija Honkavaara vastaa hankkeessa hyperspektrimittauksista ja toteaa, että sekä hyperspektri- että droneteknologiassa ja -operoinnissa tapahtuu nopeaa kehitystä.

- Ympäristöön liittyvissä sovelluksissa olemme tutkineet hyperspektrin käyttöä erityisesti täsmämaataloudessa, metsien inventoinnissa, niiden terveyden ja ravitsemustilan mittaamisessa, sekä vesistöjen laadun analysoimisessa. Hyperspektrianalyysiä voidaan käyttää laajasti myös monella muulla sovellusalueella, kuten ihosyöpätutkimuksessa, ruoan koostumuksen selvityksessä ja esimerkiksi jätteen lajittelussa.

Toisaalla miehittämättömän ilmailun lainsäädäntö kehittyy. Autonomiset dronelennot ovat pian myös siltä osin mahdollisia.

- Tekniikan hyödyntämiseen sähköverkkojen kuntotutkimuksessa liittyy monia kiinnostavia kysymyksiä. Olemme kiinnostuneita muun muassa siitä, minkälaisia korrelaatioita löydetään komponenttien kulumisen ja hyperspektrikuvan välillä, pystytäänkö tekniikalla saavuttamaan parempi automaatiotaso verrattuna perinteisiin kameroihin ja minkälaiset tekoälypohjaiset menetelmät ovat tehokkaimpia, Honkavaara kertoo.

Käyttö vasta lähtökuopissa

Hankkeessa käytettävät kamerat tulevat suomalaisesta turvallisuus- ja puolustusalan yrityksestä Senop Oy:stä, joka tarjoaa pimeänäkölaitteita, älykkäitä sensoriteknologiapohjaisia ratkaisuja ja järjestelmäintegrointipalveluja viranomaistahoille. Yrityksen uusinta teknologiatuotantoa edustavat pienet hyperspektrikamerat.

- Ne ovat made in Lievestuore, myyntijohtaja Matti Rautiainen kertoo ylpeänä.

- Kameroiden potentiaalia ei olla ulosmitattu vielä lähimainkaan ja koko ”teollisuudenala” on vielä lähtökuopissa. Kamera maksaa edelleen henkilöauton verran, mutta on kuitenkin jo sen hintainen, että yliopistot ja tutkimuslaitokset ovat alkaneet yhä enemmän käyttämään kameraa omissa tutkimuksissaan.

- Palvelutarjoajakerros tältä tekniikalta puuttuu vielä kokonaan, mutta mitä enemmän hyperspektrikamerat ja niiden mahdollisuudet tulevat tutuiksi, niin myös niiden käyttösovellusten määrä tulee lisääntymään.

Erittäin hyvä esimerkki uusien mahdollisuuksien löytymisestä on juuri meneillään oleva tutkimushanke.

- Onnistuessaan tämäkin voi luoda uusia yrityksiä ja työpaikkoja tällaiselle asiantuntija niche-alalle.

Uutta ymmärrystä alan hyödyksi

Matti Rautiainen toteaa, että hyperspektrikameran keräämää tietoa kohteesta ei tule repullista, vaan rekka-autollisia. Joona Ehrnrooth ei ole tästä huolissaan.

- Meillä on Eijan (Honkavaara) tiimi mukana, jolla on huippuosaamista kameran tuottaman datan käsittelystä ja analysoinnista.

- Hankkeen loppuraportissa esittelemme määrittelyt aineiston prosessoinnille ja ohjelmistoalustalle. Siinä myös vertailemme hyperspektrikameran suorituskykyä värikameratekniikkaan ja muihin yleisiin menetelmiin. Lisäksi kerromme, millaisia vaatimuksia komponenttien kuntohavaintojen ja vikatilojen automaattiselle tunnistamiselle olemme tutkimuksissa löytäneet, Ehrnrooth kertoo.

Lopputuloksena energia-alan toimijat saavat käyttöönsä tutkimuksessa luodut mallit sähköverkossa käytettyjen keskeisten komponenttien spektristä sekä häiriöttömässä että häiriötilanteessa, jotka ovat testattu kenttäolosuhteissa.

Eija Honkavaara toteaa, että Maanmittauslaitoksen Paikkatietokeskuksen strateginen tavoite on juuri tämä: siirtää tutkimustuloksia teollisuuden ja yhteiskunnan hyväksi.

- Hyperskpektritekniikka mahdollistaa paremman erottelukyvyn kuin perinteiset kamerat. Tällä saattaa olla kriittinen merkitys automaatiotasoa ajatellen.

- On hienoa, että yritykset kuten Rejlers ja energiayhtiöt uskaltavat selvittää tekniikan hyödyntämistä omassa toiminnassaan, hän toteaa.

Myös Järvi-Suomen Energian Tomi Öster näkee teknologiassa paljon potentiaalia.

- Kehitystyöhön voi mennä vuosia, sillä vaikka teknologialla saadaan uutta tietoa, sitä pitää oppia hyödyntämään. Tämä on kuitenkin todella kiinnostava ja merkityksellinen tutkimus tulevaisuuden kannalta.

 

****

Rejlers tarjoaa sähkönjakeluverkkojen laaja-alaisen osaamisen koko verkon elinkaarelle strategisesta konsultoinnista suunnitteluun, rakennuttamiseen ja kunnonhallintaan. Yhtiö etsii ja testaa aktiivisesti innovaatiota, jotka voivat tuottaa lisäarvoa sen asiakkaille. Hyperspektrikameran käyttöön liittyvässä tutkimushankkeessa ovat Rejlersin lisäksi mukana Maanmittauslaitoksen Paikkatietokeskus FGI, hyperspektrikameravalmistaja Senop Oy, hybrididronevalmistaja Avartek Drones Oy Ab, ohjelmistoyritys Terrasolid Oy ja jakeluverkkoyhtiö Järvi-Suomen Energia.

Hankkeen rahoittajina ovat Sähkötutkimuspooli, Suur-Savon Energiasäätiö, Järvi-Suomen Energia Oy, Maanmittauslaitoksen Paikkatietokeskus ja Rejlers Finland Oy. Hanke alkoi syyskuussa 2020 ja kestää lokakuun 2021 loppuun.

Yhteystiedot

Rejlers Finland Oy, Joona Ehrnrooth, +358 50 463 5855, joona.ehrnrooth@rejlers.fi

Maanmittauslaitos, Eija Honkavaara, +358-40-1920835, eija.honkavaara@nls.fi

Senop Oy, Matti Rautiainen, +358 40 763 6830, matti.rautiainen@senop.fi

Järvi-Suomen Energia, Tomi Öster, +358 50 363 3646, tomi.oster@sssoy.fi

 

*****

Invisible faults in power lines can be revealed with a hyperspectral camera

Can a fault be repaired already before it occurs? That is the aim of a research project initiated by Rejlers, in which the possibilities of enhancing fault location and condition management of electricity distribution networks are examined with the help of hyperspectral cameras. The camera makes the invisible visible.

The image produced by a hyperspectral camera looks like a washed out black and white image, but it reveals more of its object than is visible to the human eye.

Rejlers’ expert Joona Ehrnrooth says that the camera is able to identify the materials and characteristics of various surfaces in the image.

“The camera images wavelength ranges which are invisible to the human eye. This way, specific ‘spectral fingerprints’ can be created of the materials imaged. Any deviations in the materials are also revealed.”

“In this project we are looking for answers, could the images be used for purposes such as analysing the rottenness of pillars, the condition of insulators, the rustiness of transformer machines, and oil leakages. The trees standing along the power line could perhaps also be analysed to determine their species or condition,” Ehrnrooth outlines.

“Hyperspectral technology enables a more preventive mode of operation,” says Tomi Öster, development engineer at Järvi-Suomen Energia, a company involved in the project.

“Our goal is to become able to find faults by identifying them in the materials before something has broken. Ideally this could result in a more reliable electricity supply as well as cost and energy savings.”

Rejlers believes in new technology and in its air force

The condition of electricity distribution networks is currently monitored and faults are located from the ground, on foot, and by helicopter, with drones also now seen as a promising option. Imaging is performed with conventional colour cameras, thermal imaging and infrared cameras and with laser scanners producing three-dimensional images.

Joona Ehrnrooth says that Rejlers firmly believes in the future use of drones. In addition to this, microtechnology has reduced the size of hyperspectral cameras to the extent that they can be attached to drones.

“Modern drones are capable of almost completely autonomous flight along pre-defined routes, and their operating times and performance have increased. We believe that the use hyperspectral cameras in addition to other cameras improves the reliability of analyses and observations,” Ehrnrooth reports.

“The research project expressly aims to determine the system package and the settings needed to carry out the inspection tasks and to find out how the materials collected during inspection can be used for automatically detecting what we are looking for.”

Hyperspectral imaging is a versatile tool

Hyperspectral imaging is not a new innovation. It has already been investigated and applied, for example, in the analysis of the health of vegetation, and on the production lines of factories for quality control and identification. Research Professor Eija Honkavaara from the National Land Survey of Finland, who is responsible for the project’s hyperspectral measurements, says that hyperspectral and drone technology and operation are developing fast.

"We have investigated the use of hyperspectral technology in applications related to the environment, especially in precision farming, forest inventories, measuring forests’ health and nutritional status, and analysing the quality of waterbodies. Hyperspectral analysis can be used on a broad scale for other areas of application as well, such as skin cancer research, examination of food composition and waste sorting, for example.”

At the same time, the legislation governing unmanned aviation is developing. Autonomous drone flights will soon become possible in this regard, too.

“There are many interesting questions related to the utilisation of the technology in the condition survey of electricity networks. Among other things, we are interested in the correlations between the wear of components and the hyperspectral images, in whether the technology can be used for achieving a better level of automation compared to traditional cameras, and in finding the most efficient artificial intelligence-based methods,” Honkavaara explains.

A technology still largely unused

The cameras to be used in the project come from the Finnish security and defence company Senop Oy, which offers night vision equipment, intelligent sensor technology-based solutions and system integration services to the authorities. Small hyperspectral cameras represent the newest technology developments of the company.

“They are ‘made in Lievestuore’,” as sales director Matti Rautiainen proudly says.

“The potential of the cameras is far from exhausted, and the entire industry has yet to be built up. The camera’s price is still comparable to that of a car, but this is already low enough for universities and research institutes to increasingly use the cameras in their research work.”

“The service provider layer for this technology is still completely non-existent, but as awareness of the hyperspectral cameras and their possibilities grows, their applications will also increase.

The ongoing research project is a very good example of the discovery of new possibilities.”

“If the project succeeds, it can create new companies and jobs for this niche industry of experts.”

New understanding for the benefit of the industry

Matti Rautiainen says that the data collected by a hyperspectral camera is not measured in tonnes but in truckloads. Joona Ehrnrooth is not worried about this.

“Through Eija’s (Honkavaara’s) team, we have access to top-level expertise in the processing and analysis of the data produced by the camera.”

“In the final report of the project, we will present specifications for data processing and for the software platform. We will also compare the performance of the hyperspectral camera to colour camera technology and other common methods. In addition to this, we will report our research findings regarding the automatic identification of component condition observations and faulty states,” Ehrnrooth says.

As a result, operators in the energy sector will receive access to the models created in the study on the spectrum of the key components used in electricity networks both in their fault-free condition and in faulty states, and these spectrums will have been tested under field conditions.

Eija Honkavaara states that the strategical goal of the Finnish Geospatial Research Institute at the National Land Survey of Finland is exactly this: to provide research results for the benefit of industry and society.

“Hyperspectral technology allows for a better resolution than conventional cameras. This might be of critical significance in terms of the level of automation.”

“It is wonderful that companies such as Rejlers and the energy providers have the courage to examine the utilisation of this technology in their operations,” she sums up.

Tomi Öster of Järvi-Suomen Energia also sees a lot of potential in the technology.

“Development work can take years, as it is not enough to just get our hands on new information through the technology – we must learn to utilise it as well. This, however, is a truly interesting and significant research project for the future.”

 

****
More information:

Rejlers offers comprehensive expertise in the area of electricity distribution networks for the entire lifecycle of the network, from strategic consultancy to design, construction and condition management. The company is actively searching for and testing innovations that can produce added value for its customers. In addition to Rejlers, the research project related to the use of hyperspectral cameras also involves the Finnish Geospatial Research Institute (FGI) at the National Land Survey of Finland, hyperspectral camera manufacturer Senop Oy, hybrid drone manufacturer Avartek Drones Oy Ab, software company Terrasolid Oy and power distribution network company Järvi-Suomen Energia.

The project is financed by the Electricity Research Pool (Sähkötutkimuspooli), Suur-Savo Energy Foundation, Järvi-Suomen Energia Oy, the Finnish Geospatial Research Institute at the National Land Survey of Finland and Rejlers Finland Oy. The project started in September 2020 and it will run until the end of October 2021.

Contact details

Rejlers Finland Oy, Joona Ehrnrooth, +358 50 463 5855, joona.ehrnrooth@rejlers.fi

National Land Survey of Finland, Eija Honkavaara, +358 40 192 0835, eija.honkavaara@nls.fi

Senop Oy, Matti Rautiainen, +358 40 763 6830, matti.rautiainen@senop.fi

Järvi-Suomen Energia, Tomi Öster, +358 50 363 3646, tomi.oster@sssoy.fi