基于無人機(jī)的輸電線路無人化智能巡檢系統(tǒng)

周小紅，石 蕾，婁鵬彥

（貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司輸電運(yùn)行檢修分公司，貴州 貴陽 550000）

0 引 言

隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各行各業(yè)用電量大幅提高，電力行業(yè)的基礎(chǔ)建設(shè)也隨之增加。截止2015年末，南方電網(wǎng)投入運(yùn)行輸電線路共計(jì)13 821條，總計(jì)長度252 724 km，且80%以上輸電線路位于遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)、遠(yuǎn)離交通干線、人煙稀少的高山大嶺地區(qū)。特殊的地理位置和地形條件無疑增加了巡檢人員到達(dá)目標(biāo)地的時間和巡視的難度，固定的人員巡檢調(diào)配與電網(wǎng)公司快速增長的設(shè)備資產(chǎn)管理成為了矛盾。盡管引入了無人機(jī)輔助巡檢人員，但傳統(tǒng)的無人機(jī)巡視已無法滿足電網(wǎng)公司的需求：無人機(jī)大量的拍攝數(shù)據(jù)不斷堆積，人員識別的速度無法保持在統(tǒng)一高效的水平。

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，無人機(jī)的巡檢方式隨之改變，傳統(tǒng)巡檢方法已逐漸向無人化智能巡檢蛻變。采用無人化智能巡檢方式，可減少人員到達(dá)現(xiàn)場的次數(shù)，節(jié)省人員往返現(xiàn)場的時間；減少人員戶外作業(yè)時間，提高巡檢人員的人身安全性；還能減輕人員調(diào)配的壓力，提高巡檢效率。此外，采用無人化智能巡檢系統(tǒng)能快速識別出輸電線路的故障，確保輸電線路的安全，實(shí)現(xiàn)在合理規(guī)劃下向人們提供穩(wěn)定而高質(zhì)量電能的目標(biāo)。

1 無人化智能巡檢系統(tǒng)

1.1 總體思路設(shè)計(jì)

輸電線路無人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)主要包含算法層、軟件層和硬件層（見圖1）。硬件層是數(shù)據(jù)采集終端，用于采集輸電設(shè)備的可見光數(shù)據(jù)。軟件層是智能控制軟件，包含智能飛行App和缺陷識別軟件。算法層包含卷織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，該算法是軟件層的核心技術(shù)，令軟件層的軟件具有表征學(xué)習(xí)的能力，讓軟件越用越聰明。本文將對硬件層和軟件層兩大部分進(jìn)行詳細(xì)說明。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架圖

1.2 硬件層

硬件層主要是指數(shù)據(jù)采集終端，由飛行平臺和負(fù)載構(gòu)成，其中負(fù)載可根據(jù)實(shí)際需求替換。例如，在輸電線路中，可選擇可見光、熱紅外及雷達(dá)負(fù)載等。在輸電線路無人化智能巡檢系統(tǒng)中，負(fù)載使用類型為可見光負(fù)載。可見光負(fù)載不僅與智能缺陷識別系統(tǒng)對應(yīng)，且運(yùn)用場景廣泛，成本合理。

1.2.1 飛行平臺

該系統(tǒng)飛行平臺采用四旋翼無人機(jī)。四旋翼無人機(jī)與其他無人機(jī)相比，擁有著重量輕、速度快等特點(diǎn)。四旋翼無人機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，只需用電機(jī)直接連接漿翼即可。出色的垂直起降、定點(diǎn)懸停性能，讓飛行平臺在輸電線路巡檢中無需靠近輸電線路設(shè)備，在遠(yuǎn)處即可記錄設(shè)備細(xì)節(jié)。采用無人機(jī)巡檢除了能減少巡檢人員爬桿的次數(shù)，降低操作難度外，還可避免潛在的碰撞事故，讓檢測工作更安全。

1.2.2 負(fù) 載

該系統(tǒng)負(fù)載采用的是可見光傳感器?？梢姽鈧鞲衅骺蛇M(jìn)行遠(yuǎn)距離變焦：30倍光學(xué)結(jié)合6倍數(shù)碼變焦。在輸電線路巡檢中，可見光傳感器能勘測到人眼視覺死角位置，將輸電線路全方位圖像通過可見光高清圖像呈現(xiàn)，為下一步識別提供可靠、高清的數(shù)據(jù)。

1.3 軟件層

軟件層包含人機(jī)示教App和缺陷識別軟件，分別負(fù)責(zé)線路巡檢學(xué)習(xí)路線規(guī)劃和圖像智能缺陷識別。1.3.1 人機(jī)示教App

人機(jī)示教App基于大疆SDK研發(fā)，內(nèi)置通道巡視、學(xué)習(xí)模式等智能作業(yè)模式?；诳梢姽鈭D像數(shù)據(jù)，融合桿塔塔型結(jié)構(gòu)及電力設(shè)備部件等要素，輔助無人機(jī)自動化巡檢作業(yè)。

首次飛行時，飛手根據(jù)巡檢工人規(guī)劃的路線并開啟人機(jī)示教App的學(xué)習(xí)模式，進(jìn)行航線記錄。在航線學(xué)習(xí)的過程中，無人機(jī)會根據(jù)在App里的設(shè)置和規(guī)劃選擇需要記錄桿塔的方法，即可完成航線學(xué)習(xí)。

完成航線學(xué)習(xí)后，即可進(jìn)行無人化智能巡檢。在人機(jī)示教App上選擇每次需要巡檢的桿塔，便可完成自動巡查。使用人機(jī)示教App不僅能減少巡檢人員的到達(dá)現(xiàn)場次數(shù)和重復(fù)的工作，而且讓無人機(jī)在電力巡檢的運(yùn)作中操作更為簡潔、安全和高效。

1.3.2 缺陷識別軟件

缺陷識別軟件采用c/s架構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多人多機(jī)協(xié)同作業(yè)和電網(wǎng)公司省市縣多級應(yīng)用部署，滿足不同層級對機(jī)巡缺陷數(shù)據(jù)處理和管理的要求。

缺陷識別軟件擁有三大模塊，分別為數(shù)據(jù)獲取模塊、典型缺陷智能分析模塊、報(bào)告自動生成模塊。

數(shù)據(jù)獲取模塊是進(jìn)行識別的基礎(chǔ)步驟。數(shù)據(jù)人員從無人機(jī)里獲取高清圖片，上傳至數(shù)據(jù)模板；數(shù)據(jù)模板利用json格式將高清圖片上的輸電線路名稱和桿塔信息進(jìn)行提取，并一一對應(yīng)自動補(bǔ)充相應(yīng)信息，為后續(xù)生成報(bào)告步驟提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

典型缺陷智能分析模塊是進(jìn)行識別的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)人員選擇識別模型，如桿塔異物、懸垂線夾銷釘缺失、防震錘錘頭部分脫落、絕緣子雷擊和自爆等（見圖2）。除了上述模型外，研發(fā)人員可根據(jù)需求進(jìn)行模型的定制和訓(xùn)練，擴(kuò)展識別種類。識別完成后，系統(tǒng)會顯示圖片上不同的缺陷，并進(jìn)行缺陷登記的劃分，幫助數(shù)據(jù)人員進(jìn)行缺陷等級劃分[1]。

圖2 典型缺陷智能分析模塊圖示

報(bào)告自動生成是進(jìn)行識別的點(diǎn)睛之筆。缺陷智能軟件將識別后的數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)的內(nèi)容合并和分析后，生成json文件，按照輸電線路的名稱進(jìn)行自動合并和整合，生成該輸電線路的分析報(bào)告（見圖3）。報(bào)告不僅圖文并茂，還有缺陷統(tǒng)計(jì)表格，令數(shù)據(jù)人員對缺陷的種類和數(shù)量有更清晰的了解，便于根據(jù)報(bào)告進(jìn)行維修計(jì)劃。

圖3 生成報(bào)告示意圖

2 實(shí)際運(yùn)用與效果

目前，傳統(tǒng)無人機(jī)巡檢模式已無法滿足巡檢的新要求。從2010年底起，貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司輸電運(yùn)行檢修公司開始引進(jìn)無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用。無人機(jī)技術(shù)盡管為輸電線路巡檢效率提供了極大的方便，但也因?yàn)槿毕輰I(yè)分析工具，導(dǎo)致無人機(jī)周期性巡檢的大量數(shù)據(jù)堆積，需要調(diào)配大量的人員進(jìn)行處理，亦難以避免耗時長、識別正確率低下的問題。

自輸電線路無人化智能巡檢系統(tǒng)在南方電網(wǎng)貴州省分公司引進(jìn)和運(yùn)行以來，已協(xié)助巡檢人員以及飛手進(jìn)行多條線路的無人化智能巡檢。該系統(tǒng)在貴州分公司應(yīng)用中，成功實(shí)現(xiàn)輸電線路巡檢、缺陷識別的無人化操作（見圖4），并整合不同數(shù)據(jù)班的分析數(shù)據(jù)，按照線路自動合并成某輸電線路的缺陷巡檢分析報(bào)告。

圖4 實(shí)際識別效果圖示

3 期望與結(jié)論

隨著大數(shù)據(jù)時代的來臨，人工智能技術(shù)快速發(fā)展，各類模型也趨向穩(wěn)定，這令人工智能向不同產(chǎn)業(yè)的延伸打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)?；谌斯ぶ悄墁F(xiàn)況，輸電線路巡視方式也發(fā)生質(zhì)的改變：無人機(jī)能自主飛行，圖片也能靠智能軟件進(jìn)行識別并自動生成巡檢報(bào)告。除了首次飛行需要飛手到現(xiàn)場外，其余常規(guī)巡檢都可以由巡檢人員進(jìn)行；完成巡檢后，無人機(jī)通過無線傳輸將數(shù)據(jù)上傳到后臺，使用智能識別系統(tǒng)進(jìn)行缺陷識別并自動生成巡檢報(bào)告。通過無人化智能巡檢系統(tǒng)，巡檢人員的工作效率和人身安全性進(jìn)一步得到了提高，實(shí)現(xiàn)在合理規(guī)劃下向人們提供穩(wěn)定而高質(zhì)量電能的目標(biāo)。同時，這也意味著輸電線路巡檢模式開啟了新的章程。