無(wú)人機(jī)技術(shù)在架空輸電線路通道巡檢中的應(yīng)用

王海波

陜西省地方電力（集團(tuán)）有限公司安康供電分公司，陜西 安康 725000

0 引言

無(wú)人機(jī)控制是對(duì)傳統(tǒng)遙控?zé)o人機(jī)控制的技術(shù)改進(jìn)，通過(guò)機(jī)載傳感器檢測(cè)路線，與其他先進(jìn)技術(shù)（如直升機(jī)繞道、機(jī)器人檢測(cè)等）相比，盡管其檢測(cè)精度相對(duì)較低，但由于設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、安全高效、視野好等優(yōu)點(diǎn)，且容易發(fā)現(xiàn)塔架上方的缺陷，不需要改造線路，沒(méi)有路徑損壞風(fēng)險(xiǎn)，更容易與手持巡檢儀集成，使無(wú)人機(jī)成為常規(guī)巡檢工具[1-2]。根據(jù)國(guó)家電力公司公布的數(shù)據(jù)，無(wú)人機(jī)航路檢測(cè)效率比人工檢測(cè)高8～10倍，目前我國(guó)的人工檢測(cè)和無(wú)人機(jī)檢測(cè)工作約各占50%。無(wú)人駕駛飛機(jī)探測(cè)將成為未來(lái)高架線路檢測(cè)中最主要、應(yīng)用最廣泛的探測(cè)手段。

1 無(wú)人機(jī)巡檢概述

無(wú)人機(jī)機(jī)身設(shè)計(jì)一般可分為無(wú)人直升機(jī)、多旋翼機(jī)和固定機(jī)翼三大類。但是，目前用于檢查架空傳輸管道的三種機(jī)型，其性能差別較大，分別承擔(dān)不同的檢查任務(wù)。第一，無(wú)人直升機(jī)體積大、控制難度高，與動(dòng)力裝置發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)高，不僅使用成本高，還易存在潛在危害，因此在輸電線路通道巡檢中的應(yīng)用較少。第二，多旋翼無(wú)人機(jī)具有靈活性小、精確性高等優(yōu)點(diǎn)，但其飛行高度相對(duì)較低、荷載小、使用壽命短。多旋翼無(wú)人機(jī)每一個(gè)旋翼旋轉(zhuǎn)，其位置會(huì)改變。第三，固定式無(wú)人駕駛飛機(jī)通過(guò)螺旋槳或渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)提供能量，并通過(guò)機(jī)翼與空氣、巡航速度、長(zhǎng)距離產(chǎn)生升力，但是其起降和降落需要跑道，且無(wú)法懸掛。當(dāng)檢查架空線路時(shí)，固定翼無(wú)人機(jī)通常負(fù)責(zé)多種任務(wù)，對(duì)其飛行距離的要求較高。組合翼與多旋翼無(wú)人機(jī)的結(jié)合具有垂直起降、精確的懸停等優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)雜的環(huán)境條件下有很大的應(yīng)用潛力，但目前在輸電線路通道巡檢工作中還沒(méi)有大規(guī)模的應(yīng)用。從功能上看，無(wú)人機(jī)主要作為遙感平臺(tái)在起作用。

2 無(wú)人機(jī)技術(shù)在架空輸電線路通道巡檢中的發(fā)展趨勢(shì)

2.1 協(xié)同立體化巡檢發(fā)展

為了優(yōu)化無(wú)人機(jī)的配置，提高架空輸電線路的運(yùn)行維護(hù)水平，需要進(jìn)一步加強(qiáng)無(wú)人機(jī)和線路人工檢測(cè)之間的有效協(xié)調(diào)，與檢驗(yàn)人員合作，提高模型評(píng)估和決策的有效性，同時(shí)考慮地形特征和其他數(shù)據(jù)。在設(shè)置無(wú)人機(jī)巡檢計(jì)劃時(shí)，氣象環(huán)境和傳輸通道的性質(zhì)是相互關(guān)聯(lián)的，充分考慮了無(wú)人機(jī)巡檢和手動(dòng)巡檢的周期，使其形成有效的互動(dòng)，提高巡檢效率[3]。

2.2 特殊復(fù)雜地形區(qū)域巡檢發(fā)展

由于我國(guó)高空線路檢測(cè)工作區(qū)的氣候條件艱險(xiǎn)、風(fēng)向多變，對(duì)無(wú)人機(jī)線路檢測(cè)的技術(shù)要求也較高。因此，技術(shù)人員需要進(jìn)行更深層次地研究符合高海拔、少數(shù)人居住地區(qū)等復(fù)雜地形的機(jī)型和工作模式，并及時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查，提高無(wú)人機(jī)巡檢方法在特殊地理?xiàng)l件下的實(shí)際應(yīng)用。

3 無(wú)人機(jī)在架空輸電線路通道巡檢中的主要問(wèn)題及對(duì)策

3.1 數(shù)據(jù)處理問(wèn)題

當(dāng)前，無(wú)人機(jī)檢測(cè)主要從激光雷達(dá)云數(shù)據(jù)和光學(xué)成像數(shù)據(jù)兩個(gè)方面進(jìn)行。光學(xué)圖像數(shù)據(jù)處理一般指對(duì)云層數(shù)據(jù)的三維恢復(fù)和分析，其目的是尋找與圖像目標(biāo)相似的具有特殊圖像特征的特定設(shè)備或區(qū)域。尤其由于設(shè)備成本高，在電力檢測(cè)中實(shí)際應(yīng)用較少，常采用紫外光圖像中光子數(shù)的間接表示方法，但各類檢測(cè)儀器的光譜靈敏度差異較大，難以形成統(tǒng)一的定量分析標(biāo)準(zhǔn)，與數(shù)據(jù)處理方面的研究關(guān)聯(lián)性較小。相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)繪，電氣通道測(cè)繪的難點(diǎn)主要在于電力線纜的識(shí)別和重構(gòu)。靜壓蓋塔由雕刻結(jié)構(gòu)構(gòu)成的細(xì)柱體構(gòu)成，由于其鏤空的結(jié)構(gòu)以及細(xì)長(zhǎng)形態(tài)，不利于三次點(diǎn)云數(shù)據(jù)的恢復(fù)。傳送線導(dǎo)體的外徑一般是8～37 mm，由于其測(cè)距及分辨率超出范圍，無(wú)法保證每次的掃描周期都可以掃描出電力線。為此，主要從走廊內(nèi)云點(diǎn)的分類與判別、傳輸線的三維重建、桅桿支架的三維修復(fù)、危險(xiǎn)點(diǎn)的探測(cè)等進(jìn)行研究，提出了一種利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)現(xiàn)云量自動(dòng)識(shí)別的方法。

3.2 自主導(dǎo)航問(wèn)題

自動(dòng)導(dǎo)航是實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自主巡航檢測(cè)的核心能力，在現(xiàn)階段，無(wú)人機(jī)巡檢的導(dǎo)航主要是以人工干預(yù)來(lái)規(guī)定路線，其本質(zhì)是基于GPS預(yù)先設(shè)定好的路線運(yùn)行。通過(guò)高準(zhǔn)確性能的GPS定位技術(shù)，無(wú)人機(jī)能夠在一定程度上獨(dú)立進(jìn)行降落和起飛。但GPS技術(shù)目前還存在著較大的問(wèn)題，如不能用來(lái)探測(cè)目標(biāo)或環(huán)境隨時(shí)間的變化，或者航道入侵后，組件安裝位置和方向會(huì)發(fā)生變化。此外，按照目前的能量標(biāo)準(zhǔn)，小型無(wú)人機(jī)必須與線路保持10 m以上的安全距離。為了解決相關(guān)問(wèn)題，自主飛行時(shí)使用相位差載波頻率無(wú)人機(jī)，可達(dá)到厘米級(jí)的定位精度，同時(shí)基于在高架線路上自動(dòng)檢測(cè)的無(wú)人測(cè)量機(jī)不能用于中距離外景，而且激光雷達(dá)檢測(cè)的成本較大，因此這一領(lǐng)域的研究重點(diǎn)是機(jī)器視覺(jué)。

3.3 續(xù)航問(wèn)題

對(duì)無(wú)人駕駛飛機(jī)進(jìn)行有效檢查的一個(gè)主要障礙是時(shí)間不夠，而這是進(jìn)一步開(kāi)展全程自動(dòng)化的架空輸電線路無(wú)人機(jī)巡檢所需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。當(dāng)前，無(wú)人機(jī)檢驗(yàn)主要是以小型多旋翼飛機(jī)為主，續(xù)航時(shí)間一般為20～45 min，大中型飛機(jī)油電混合續(xù)航時(shí)間不超過(guò)3 h，還需經(jīng)常更換電池，嚴(yán)重影響檢查效率。目前，一般采取安裝UAV巢穴的方式來(lái)解決這一問(wèn)題。UAV巢主要有兩種，一是由車(chē)輛檢查工作者改裝的移動(dòng)巢穴，二是安裝在桅桿上的固定巢。移動(dòng)巢穴是一種比較成熟的方案，在香港很多地方已經(jīng)試點(diǎn)。其典型的工作方式是，在檢查人員完成檢查任務(wù)后，提前將檢查任務(wù)分派給檢查員，然后根據(jù)規(guī)定的路線進(jìn)行飛行檢查，再自動(dòng)起飛和返回導(dǎo)航進(jìn)行充電或手動(dòng)更換電池，縮短飛行時(shí)間。通過(guò)安裝固定巢，無(wú)人機(jī)可以在完成檢查后自動(dòng)在桅桿巢內(nèi)充電。當(dāng)電池充滿后，再按預(yù)定路線繼續(xù)檢查線路。采用半自動(dòng)蛙跳模型，需要少量的遙控干擾，可高度滿足無(wú)人機(jī)自主檢測(cè)的要求，具有良好的應(yīng)用前景。但是，由于無(wú)人機(jī)自主檢測(cè)技術(shù)的不成熟，還有很多技術(shù)難點(diǎn)、問(wèn)題有待解決。當(dāng)前，固定機(jī)巢面臨著電力供應(yīng)和支承負(fù)荷的問(wèn)題。國(guó)家電網(wǎng)公司建造機(jī)巢安裝在梁柱上，利用光伏發(fā)電，但其總重量較大，對(duì)柱式塔有一定的影響。

4 無(wú)人機(jī)在架空輸電線路通道巡檢中的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 無(wú)人機(jī)自主巡檢作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)

無(wú)人機(jī)在空中電線的自主檢測(cè)方法尚處于起步階段，主要是利用激光定位儀和動(dòng)態(tài)高精度實(shí)時(shí)定位激光雷達(dá)技術(shù)，通過(guò)快速獲取直線通道內(nèi)三維云點(diǎn)的高精度數(shù)據(jù)來(lái)規(guī)劃航路的獨(dú)立迂回，因此，必須考慮無(wú)人機(jī)的飛行高度、坐標(biāo)，VMU慣性測(cè)量?jī)x和機(jī)載激光雷達(dá)的位置數(shù)據(jù)，主要裝備固定翼飛機(jī)、大中型無(wú)人直升機(jī)或成本較高的直升機(jī)。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)可分為常規(guī)定位和網(wǎng)絡(luò)定位，常規(guī)定位采用移動(dòng)平臺(tái)和基站來(lái)實(shí)現(xiàn)，但兩站間距離有限，無(wú)法滿足定位精度的要求。多基站互聯(lián)網(wǎng)定位系統(tǒng)是一種基站網(wǎng)絡(luò)，能夠獲得高精度的定位結(jié)果，滿足無(wú)人機(jī)自主檢測(cè)的要求，但是，目前國(guó)內(nèi)外綜合網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)定位還不規(guī)范，因此還不具備實(shí)施條件。

4.2 無(wú)人機(jī)安全巡檢作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)

在電力行業(yè)，無(wú)人機(jī)對(duì)架空傳輸通道進(jìn)行檢測(cè)的任務(wù)呈下降趨勢(shì)。當(dāng)前，主要是通過(guò)管理手段與技術(shù)手段相結(jié)合，規(guī)范無(wú)人機(jī)的檢查，保證無(wú)人機(jī)的合法合規(guī)性。我國(guó)有廠家研制的無(wú)人駕駛飛機(jī)綜合控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)視頻、實(shí)時(shí)控制、遠(yuǎn)程控制等功能，但主要適用于特定類型的無(wú)人機(jī)，且無(wú)法針對(duì)電力行業(yè)的特點(diǎn)實(shí)施。飛行數(shù)據(jù)記錄儀和模塊的研制與應(yīng)用，用于電力線路檢查，控制電氣和無(wú)人機(jī)的所有運(yùn)行過(guò)程。

4.3 無(wú)人機(jī)輔助檢修作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)

在傳統(tǒng)維修方式中，維修人員需要從桅桿底部爬到塔頂，然后逐步轉(zhuǎn)移到線路維修現(xiàn)場(chǎng)，危險(xiǎn)系數(shù)較高。隨著大型支撐架電網(wǎng)的建立，無(wú)人機(jī)檢測(cè)逐漸成為網(wǎng)絡(luò)控制的核心，其對(duì)傳統(tǒng)維護(hù)方式的補(bǔ)充也日益受到重視。UAV輔助維修主要包括UAV牽引線、輔助輸電設(shè)施、地線清理、無(wú)人機(jī)測(cè)控和絕緣子組件的排水控制?？紤]到無(wú)人駕駛飛機(jī)在電力行業(yè)的廣泛應(yīng)用，需要積極探索相關(guān)的新技術(shù)，包括應(yīng)力作業(yè)、復(fù)合絕緣子應(yīng)力沖洗疏水檢測(cè)、絕緣子值低、噴涂防污涂料等，在語(yǔ)音識(shí)別等技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)急照明和設(shè)備異常檢測(cè)，進(jìn)一步擴(kuò)大無(wú)人機(jī)在維修工作中的使用。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，我國(guó)對(duì)架空輸電線路無(wú)人操作巡檢技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并在標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)、關(guān)鍵技術(shù)操作控制養(yǎng)等方面取得了一系列的創(chuàng)新成果，但當(dāng)前在實(shí)施過(guò)程中還存在一定的問(wèn)題。智能化檢測(cè)數(shù)據(jù)處理是無(wú)人機(jī)檢測(cè)的當(dāng)務(wù)之急，也是實(shí)現(xiàn)全自主檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)，如利用機(jī)器視覺(jué)輔佐定位的圖像采集、激光雷達(dá)的感知無(wú)人機(jī)定位等。由于近年來(lái)人工智能技術(shù)的興起和機(jī)器視覺(jué)的快速發(fā)展，尤其是在圖像處理領(lǐng)域發(fā)展較快，無(wú)人機(jī)技術(shù)在架空輸電線路通道巡檢中具有廣闊的應(yīng)用前景。但目前一些基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，如檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、相關(guān)規(guī)范的制訂等還沒(méi)有完成，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)效果還不夠理想，距離實(shí)際應(yīng)用仍存在較大差距。