無人機(jī)在輸電線路巡檢中的應(yīng)用

于大超

【摘 要】隨著電網(wǎng)規(guī)模持續(xù)穩(wěn)定增大，對(duì)電網(wǎng)的供電可靠性提出了更高的要求。無人機(jī)巡檢作為創(chuàng)新發(fā)展的重要一環(huán)，已經(jīng)在電力系統(tǒng)得到推廣應(yīng)用，大大提高了電力輸電線路巡視工作的水平以及線路巡視的效率。文章介紹了無人機(jī)巡檢系統(tǒng)的組成和巡檢作業(yè)內(nèi)容，詳細(xì)闡述了無人機(jī)巡檢工作的作業(yè)流程和巡檢方法，通過輸電線路巡視的應(yīng)用實(shí)踐，證明了其有效性和合理性。

【關(guān)鍵詞】無人機(jī)巡檢;輸電線路;精細(xì)化巡檢

引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模持續(xù)穩(wěn)定增大，對(duì)電網(wǎng)的供電可靠性提出了更高的要求。輸電運(yùn)檢人員結(jié)構(gòu)性缺員嚴(yán)重，并且以人工巡檢為主的模式存在著巡視不立體、質(zhì)量和效率不高的問題，山區(qū)、高海拔等特殊區(qū)段和惡劣氣象條件下巡視困難，難以滿足線路高可靠性運(yùn)行的要求。無人機(jī)巡檢在日常巡檢中的應(yīng)用規(guī)模越來越大，取得成效的同時(shí)也遇到了一些壁壘。本文針對(duì)無人機(jī)在輸電線路巡檢中的應(yīng)用進(jìn)行研究，著重研究無人機(jī)巡檢的現(xiàn)狀、拓展無人機(jī)應(yīng)用，這對(duì)于提升無人機(jī)巡檢智能化水平具有重要意義。

1無人機(jī)巡檢系統(tǒng)組成

1.1飛控系統(tǒng)

無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)相當(dāng)于無人機(jī)的大腦，主要用于穩(wěn)定無人機(jī)飛行姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)精準(zhǔn)定位、懸停與自主飛行。多旋翼無人機(jī)飛控系統(tǒng)主要由機(jī)載裝置和地面站構(gòu)成，機(jī)載裝置中包含飛控處理單位、傳感器單元、電源系統(tǒng)和執(zhí)行模塊構(gòu)成。機(jī)載裝置和地面站的交互通過無線通信單元實(shí)現(xiàn)。

1.2動(dòng)力系統(tǒng)

無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)可分為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)型多用于多旋翼無人機(jī)，主要由無刷電機(jī)、電子調(diào)速器、電池和螺旋槳構(gòu)成，特點(diǎn)是方便靈活，便于操控，但續(xù)航時(shí)間短，適合精細(xì)化巡檢。內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)型主要用于固定翼無人機(jī)和直升機(jī)，特點(diǎn)是載重大，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，適合通道巡檢。

2當(dāng)前無人機(jī)巡檢存在的問題

隨著無人機(jī)技術(shù)的成熟，其被廣泛應(yīng)用于電力、交通、安防等領(lǐng)域。作為電力行業(yè)的主要應(yīng)用場(chǎng)景，輸電線路無人機(jī)巡檢在全國(guó)各地進(jìn)行了試點(diǎn)，并取得了較好成績(jī)，但也突顯出一些問題，使無人機(jī)巡檢無法實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。無人機(jī)巡檢需要運(yùn)維人員同時(shí)具備電力巡檢和無人機(jī)操控的雙重能力，在缺少運(yùn)維人員的情況下較難實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的廣泛應(yīng)用，同時(shí)運(yùn)維人員綜合素質(zhì)參差不齊，給無人機(jī)巡檢的質(zhì)量帶來較大不確定性;由于通信技術(shù)的限制，當(dāng)前無人機(jī)使用4G、Wi-Fi或藍(lán)牙等通信方式，帶來空域定位精度低、帶寬小、高延時(shí)和操控范圍小等問題，導(dǎo)致傳輸圖像不清晰、無人機(jī)誤碰高壓線和墜機(jī)等現(xiàn)象。Wi-Fi點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的形式，通信距離一般不超過500m，圖傳能力可達(dá)到1080P，每秒30幀左右;4G網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況下，不受操控距離的限制，圖傳能力以720P為主;藍(lán)牙傳輸則在傳輸距離和圖傳能力方面均處于最低水平。因此現(xiàn)階段無人機(jī)無法完全滿足輸電線路巡檢的需求。

3無人機(jī)智能巡檢

3.1自主巡檢技術(shù)

與人工操控?zé)o人機(jī)相比，無人機(jī)自主巡檢技術(shù)能實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自動(dòng)飛行、自動(dòng)定點(diǎn)、精準(zhǔn)拍攝等功能，減少了人員參與度，進(jìn)一步提高巡檢的質(zhì)量和效率。常規(guī)技術(shù)路線主要有兩種：示教航線學(xué)習(xí)和建模與定位技術(shù)。示教航線學(xué)習(xí)由熟悉輸電線路的無人機(jī)巡檢作業(yè)人員操控?zé)o人機(jī)對(duì)輸電線路進(jìn)行巡檢。在巡檢過程中，無人機(jī)會(huì)記錄作業(yè)的精準(zhǔn)航點(diǎn)位置信息和相應(yīng)姿態(tài)，儲(chǔ)存于任務(wù)列表中。下次巡檢調(diào)取并執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)時(shí)，無人機(jī)根據(jù)儲(chǔ)存的信息，自動(dòng)完成巡檢任務(wù)。建模與定位技術(shù)基于RTK技術(shù)，通過三維點(diǎn)云航跡規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主巡檢。點(diǎn)云采集可由激光雷達(dá)掃描或傾斜攝影實(shí)現(xiàn)，激光雷達(dá)掃描技術(shù)具有精度高、全天候、數(shù)據(jù)處理快、采集方式多樣等優(yōu)勢(shì)。通過激光雷達(dá)掃描，得到高精度激光點(diǎn)云，構(gòu)建三維地圖模型，并提取關(guān)鍵特征的空間參數(shù)?；谌S地圖模型進(jìn)行航跡規(guī)劃，利用深度學(xué)習(xí)算法能自動(dòng)選定精細(xì)化巡檢的精準(zhǔn)航點(diǎn)。無人機(jī)根據(jù)規(guī)劃航跡，在RTK定位技術(shù)下就可以實(shí)現(xiàn)自主巡檢。此外，基于AI航線預(yù)測(cè)與AI目標(biāo)識(shí)別的輸電線路全自主飛行技術(shù)已研究并應(yīng)用。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)裝有機(jī)載AI邊緣計(jì)算模塊，集成5G模塊，實(shí)現(xiàn)前端AI目標(biāo)識(shí)別與跟蹤、高清圖像及視頻實(shí)時(shí)傳輸、遠(yuǎn)程控制等功能，能夠基于航線預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)自主跟蹤巡檢。隨著無人機(jī)自主巡檢技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展，采用人工示教、點(diǎn)云規(guī)劃等方式逐步組建自主巡檢航線庫，并逐步推進(jìn)航線自動(dòng)生成與調(diào)用、“一鍵作業(yè)”及標(biāo)準(zhǔn)化巡檢拍攝等功能實(shí)用化。結(jié)合前端智能識(shí)別模塊、5G、邊緣計(jì)算等技術(shù)，無人機(jī)能全自主規(guī)劃航線，根據(jù)識(shí)別構(gòu)件及環(huán)境自主選擇拍照的距離和角度，實(shí)現(xiàn)全自主巡檢，解放人員“生產(chǎn)力”，做到去人化甚至無人化，無人機(jī)自主作業(yè)質(zhì)量和效率將得到有效提升。

3.2影像智能識(shí)別技術(shù)

線路設(shè)施較密集，大多具有多尺度三維結(jié)構(gòu)，并可能出現(xiàn)相互遮擋、背景干擾較強(qiáng)、缺陷難判別等因素，故人工智能處理算法中的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)較復(fù)雜、技術(shù)路線分支較多，致使缺陷識(shí)別標(biāo)注難度大，需大量樣本積累訓(xùn)練、驗(yàn)證。2018年5月和2019年12月，國(guó)網(wǎng)公司組織開展了兩次智能算法驗(yàn)證工作，修正了算法評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用發(fā)現(xiàn)率、誤報(bào)率、錯(cuò)誤輸出率、識(shí)別效率4項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，組建無人機(jī)巡檢影像樣本庫并不斷豐富，預(yù)計(jì)2021年樣本數(shù)量將達(dá)到百萬級(jí)。輸電線路樣本缺陷歸納為桿塔、導(dǎo)線和地線、絕緣子、大尺寸金具、小尺寸金具、基礎(chǔ)、通道環(huán)境、接地裝置和附屬設(shè)施9類。2020年3—7月，公司各單位共識(shí)別缺陷85728個(gè)，缺陷發(fā)現(xiàn)率呈上升趨勢(shì)，整體發(fā)現(xiàn)率為62.49%，桿塔和小尺寸金具類缺陷發(fā)現(xiàn)率較高，達(dá)80%以上。但是，算法錯(cuò)誤輸出率較高，輸出框數(shù)過多，對(duì)正常部件頻繁誤報(bào)。例如當(dāng)銷釘、墊片、螺栓等小尺寸金具出現(xiàn)缺陷時(shí)，由于目標(biāo)占比很小，需先檢測(cè)其他連接件再檢測(cè)目標(biāo)，如先檢測(cè)到桿塔上很多部位有螺栓、螺帽等再檢測(cè)目標(biāo)，這樣就容易造成誤檢。無人機(jī)巡檢影像質(zhì)量對(duì)缺陷智能識(shí)別非常重要，因此應(yīng)推廣定位拍攝技術(shù)。

4無人機(jī)巡檢深化應(yīng)用

4.1故障巡檢

線路故障跳閘時(shí)，一些故障點(diǎn)在高處，地面巡查角度有限，常有桿塔、金具等遮擋，登桿檢查也難快速精準(zhǔn)找到故障點(diǎn)。利用無人機(jī)多角度重點(diǎn)檢查導(dǎo)線、絕緣子、金具等本體設(shè)施和通道狀況，能更快找到故障點(diǎn)，既可提高效率，也可提高安全性，減少觸電及高空墜落風(fēng)險(xiǎn)。

4.2特殊巡檢

針對(duì)復(fù)雜地形及規(guī)模林區(qū)，特別是樹竹快速增長(zhǎng)區(qū)域，開展無人機(jī)可見光通道檢測(cè)和激光雷達(dá)掃描，提升通道管理和特殊點(diǎn)距離管控的精細(xì)化水平。利用無人機(jī)進(jìn)行線路缺陷隱患排查，加強(qiáng)無人機(jī)對(duì)重點(diǎn)防汛、滑坡區(qū)段的巡視力度，提高應(yīng)急響應(yīng)能力。特殊地形、區(qū)段和惡劣氣象條件下災(zāi)后評(píng)估，可開展固定翼無人機(jī)巡檢，快速獲取災(zāi)害情況，及時(shí)為后續(xù)抗災(zāi)救災(zāi)提供重要基礎(chǔ)信息。

結(jié)束語

我國(guó)幅員遼闊，地理環(huán)境復(fù)雜，山區(qū)、溝壑、丘陵較多，對(duì)線路巡檢工作造成很大困難。傳統(tǒng)人工巡檢方式已不能滿足電力發(fā)展需要，因此，采用無人機(jī)職能巡檢可有效提高檢測(cè)效率，節(jié)省大量人力、物力，提高工作人員安全系數(shù)，也能在一定程度上降低電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)成本和故障率，促進(jìn)電網(wǎng)完全穩(wěn)定運(yùn)行。

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（作者單位：國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司）