輸電架空線路的無人機(jī)巡檢技術(shù)應(yīng)用

王霖 張文豪 楊斌

國網(wǎng)鎮(zhèn)江供電公司 江蘇 鎮(zhèn)江 212000

引言

我國幅員遼闊，為保證全國各地的可靠供電，需建設(shè)較多的高壓輸電線路。而線路巡檢是保證高壓輸電線路正常運(yùn)行的重要手段，對我國電力的可持續(xù)供應(yīng)和經(jīng)濟(jì)的安全、快速發(fā)展具有重要意義。最近十幾年，隨著國家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，架設(shè)的高壓輸電線路越來越多。在這種背景下，如果采用傳統(tǒng)的人工巡檢模式巡檢數(shù)量如此之多的高壓輸電線路，將會不可避免地存在著作業(yè)強(qiáng)度大、巡檢周期長、部分線路檢修危險(xiǎn)等問題。近年來，國家電網(wǎng)公司積極引進(jìn)無人機(jī)智能巡檢技術(shù)，提升高壓輸電線路巡檢工作的自動化程度，改進(jìn)巡檢工作模式，以期實(shí)現(xiàn)高壓輸電線路的精確、高效、經(jīng)濟(jì)巡檢。

1 無人機(jī)的控制巡檢技術(shù)

無人機(jī)的飛控系統(tǒng)是相當(dāng)精密的，它所建立的無人機(jī)平臺擁有分系統(tǒng)，其中包含了大量的飛控計(jì)算機(jī)核心組件，其性能優(yōu)劣與整個(gè)飛控系統(tǒng)的性能存在直接關(guān)聯(lián)關(guān)系。一般來說，無人機(jī)的飛控計(jì)算機(jī)性能表現(xiàn)都十分強(qiáng)勁，如此才能保障無人機(jī)安全穩(wěn)定飛行。在這里，飛控系統(tǒng)就承擔(dān)了兩大重要責(zé)任：信息采集以及無人機(jī)飛行參數(shù)傳輸，它們合理有序控制了無人機(jī)的飛行速率，可實(shí)現(xiàn)對飛行路線的有針對性解算與控制，基于路線相關(guān)模塊發(fā)送指令，完成飛行任務(wù)管理與調(diào)度工作內(nèi)容。在無人機(jī)進(jìn)行架空輸電線路巡檢過程中，它主要運(yùn)用到了多余度飛控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可滿足無人機(jī)飛行需求，建立多部件與系統(tǒng)協(xié)調(diào)體系，確保在統(tǒng)一協(xié)調(diào)機(jī)制背景下完成同一任務(wù)內(nèi)容。在建立余度結(jié)構(gòu)過程中，還需要對架空輸電線路中的二余度、三余度內(nèi)容進(jìn)行分析，保證順利完成巡檢任務(wù)。而在架空輸電線路巡檢過程中，無人機(jī)主要利用飛控計(jì)算機(jī)建立雙余度結(jié)構(gòu)，如此可保證簡化結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，實(shí)施針對監(jiān)控輸電線路巡檢過程中的主從機(jī)控制，降低系統(tǒng)故障覆蓋率。在設(shè)計(jì)這一雙余度結(jié)構(gòu)過程中還需要建立與架空輸電線路的交聯(lián)環(huán)境，調(diào)整無人機(jī)的飛控方式，檢測區(qū)域環(huán)境復(fù)雜程度，對巡檢過程進(jìn)行人工決策優(yōu)化調(diào)整，采用自主控制方式來盡量減少巡檢工作中的諸多不確定性因素。在巡檢技術(shù)應(yīng)用過程中，應(yīng)該利用無人機(jī)建立巡檢動態(tài)建模與代理信息模式，提高無人機(jī)巡檢效率[1]。

2 輸電架空線路的無人機(jī)巡檢技術(shù)應(yīng)用

2.1 輸電線路無人機(jī)巡檢平臺功能設(shè)計(jì)

本平臺作為基于5G網(wǎng)絡(luò)的新型無人機(jī)巡檢平臺，設(shè)計(jì)了首頁、狀態(tài)概覽、巡線管理、無人機(jī)巡線、信息管理、資產(chǎn)管理和系統(tǒng)管理7類功能，實(shí)現(xiàn)線路管理、設(shè)備管理、權(quán)限管理、任務(wù)管理等管理需求，且提供無人機(jī)巡檢的操作及監(jiān)控能力，同時(shí)首頁為大屏展示，提供實(shí)時(shí)圖像、數(shù)據(jù)、告警信息、線路地圖等信息的展示。①首頁。首頁為大屏展示功能，可以提供巡線實(shí)時(shí)場景展示、多線路多圖層可視化展示等圖像展示功能，同時(shí)還可以提供安全運(yùn)行天數(shù)統(tǒng)計(jì)、危險(xiǎn)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)、今日巡檢任務(wù)統(tǒng)計(jì)、無人機(jī)巡檢占比統(tǒng)計(jì)、本周巡檢任務(wù)統(tǒng)計(jì)、實(shí)時(shí)告警及統(tǒng)計(jì)等信息的圖表展示功能。②狀態(tài)概覽。提供狀態(tài)信息的可視化查看功能，提供線路地圖的多圖層展示，并通過點(diǎn)擊圖層內(nèi)線路、無人機(jī)等圖標(biāo)，實(shí)現(xiàn)線路基本信息、桿塔基本信息、業(yè)務(wù)告警信息、無人機(jī)信息、搭載設(shè)備信息、無人機(jī)位置信息等信息的查看和顯示功能。

2.2 自主飛行控件

自主飛行控件由“無人機(jī)自主巡檢事務(wù)控制移動應(yīng)用”和“無人機(jī)自主巡檢管控平臺”系統(tǒng)組成，用于現(xiàn)場與無人機(jī)飛控信息交互，指導(dǎo)無人機(jī)自主飛行作業(yè)，作為后臺管理系統(tǒng)進(jìn)行巡檢任務(wù)及巡檢成果管理。通過移動應(yīng)用與管控平臺的協(xié)同配合，支撐配電網(wǎng)無人機(jī)巡檢作業(yè)，實(shí)現(xiàn)以下應(yīng)用功能。①巡檢任務(wù)協(xié)同管理。根據(jù)巡檢任務(wù)要求，平臺自動統(tǒng)計(jì)可用資源信息供巡檢人員選擇，并根據(jù)巡檢任務(wù)分配自主巡檢路徑。平臺可將任務(wù)信息自動推送至現(xiàn)場作業(yè)人員，并進(jìn)行作業(yè)提醒。實(shí)現(xiàn)一對多的巡檢任務(wù)協(xié)同管理。②一鍵高效自主巡視。無人機(jī)飛控系統(tǒng)將巡檢任務(wù)里的高精度自主巡檢路徑下發(fā)至無人機(jī)，在北斗差分定位服務(wù)的保障下，只需一鍵啟動便可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主巡視、精準(zhǔn)懸停及定點(diǎn)起降。③巡檢過程實(shí)景可視。平臺對接無人機(jī)飛控系統(tǒng)，可在三維實(shí)景中直觀地監(jiān)控?zé)o人機(jī)飛行狀態(tài)，并可通過高清影像進(jìn)行遠(yuǎn)程協(xié)同巡視及疑難問題的專家診斷，實(shí)時(shí)指導(dǎo)現(xiàn)場作業(yè)。集成智能識別模塊還可自動標(biāo)注缺陷位置，提醒巡檢人員重點(diǎn)關(guān)注。④巡檢成果便捷處置。移動應(yīng)用自動將巡檢成果打包發(fā)送至后臺服務(wù)器，線路管理人員可通過任務(wù)、線路等多種渠道輕松查找及管理巡檢成果，做到歷史數(shù)據(jù)可追溯，現(xiàn)存數(shù)據(jù)可查詢，同時(shí)便于線路管理人員對缺陷進(jìn)行標(biāo)注、復(fù)核及消缺管理。

2.3 巢-巢巡檢技術(shù)模式的實(shí)踐應(yīng)用

巢-巢巡檢技術(shù)模式屬于無人機(jī)巡檢工作中的新技術(shù)模式，它可在有條件背景下完成變電站架空輸電線路的遠(yuǎn)程巡檢工作，主要操作就是針對遠(yuǎn)程架空輸電線路發(fā)送管控指令，建立遠(yuǎn)程無人自主巡檢模式。該模式中除采用到無人機(jī)巡檢技術(shù)以外，還采用到人工智能AI圖像識別技術(shù)、5G通信技術(shù)以及云計(jì)算技術(shù)等等先進(jìn)技術(shù)內(nèi)容，是典型的無人機(jī)智慧巡檢模式。智慧巡檢技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用包括：①從架空輸電線路的全方位遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)建立開始，建立系統(tǒng)的無人值守機(jī)巢，配合中央控制系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。②基于云端層面部署監(jiān)控平臺實(shí)施后臺監(jiān)管，預(yù)留空域管理接口建立監(jiān)管綜合體系?；谏鲜鰞牲c(diǎn)技術(shù)采用到續(xù)航能力在50min以上的無人機(jī)，且確保其單向巡航里程應(yīng)該在35km以上。整個(gè)巡檢過程采用到中央控制系統(tǒng)對機(jī)巢實(shí)施遠(yuǎn)程管理，而無人機(jī)則配合氣象站輔助設(shè)備遠(yuǎn)程發(fā)送各項(xiàng)指令內(nèi)容，以便于控制無人機(jī)在必要時(shí)自主開機(jī)、起飛、按照提前規(guī)劃好的航線完成自主飛行巡檢工作，最后精準(zhǔn)降落。③在機(jī)巢控制系統(tǒng)中還加入了自動充電模塊、自動數(shù)據(jù)傳輸模塊以及云端數(shù)據(jù)自動智能處理模塊等，所有巡檢數(shù)據(jù)都會自動上傳到后臺管控中心，完成整個(gè)巡檢工作流程。巢-巢巡檢技術(shù)體系就建立了無人機(jī)機(jī)巢與后臺管控中心巢之間的相互連帶體系，而其中則利用無人機(jī)完成自動化、智能化巡檢過程，所有的數(shù)據(jù)內(nèi)容都通過無線數(shù)據(jù)傳輸完成，最后再采用深度學(xué)習(xí)人工智能圖像識別技術(shù)有效解決數(shù)據(jù)自動智能分析相關(guān)問題。而多傳感器技術(shù)在巡檢工作過程中則起到了解決遠(yuǎn)程精準(zhǔn)起降等關(guān)鍵技術(shù)問題。

2.4 無人機(jī)續(xù)航

無人機(jī)續(xù)航能力不足是輸電線路無人機(jī)智能巡檢技術(shù)中存在的另一關(guān)鍵問題，已嚴(yán)重制約了輸電線路巡檢的效率。目前，無人機(jī)續(xù)航時(shí)間通常為30min左右。為解決無人機(jī)的續(xù)航問題，部分地區(qū)已開始采用了設(shè)置無人機(jī)機(jī)巢的方法。無人機(jī)機(jī)巢主要有巡檢車改裝而成的移動式機(jī)巢和固定于桿塔頂部的固定式機(jī)巢。其中，移動式機(jī)巢可在一定程度上提高無人機(jī)巡檢的續(xù)航時(shí)間，但并不適應(yīng)無人機(jī)自主巡航的發(fā)展趨勢，并且人工、維護(hù)等成本較高；而固定式機(jī)巢僅需少量的人工干預(yù)，更加契合無人機(jī)自主巡檢的要求，因而具有較好的應(yīng)用前景。然而，如何將固定式機(jī)巢完備地融合于輸電線路無人機(jī)智能巡檢技術(shù)中，還有諸多技術(shù)難點(diǎn)需要攻克。此外，對無人機(jī)進(jìn)行動態(tài)充能是一種更加理想的解決方案。通常這種方式，可直接提高無人機(jī)的續(xù)航能力，但也存在著一些需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

2.5 無人機(jī)智能聯(lián)動

無人機(jī)智能聯(lián)動是指無人機(jī)與桿塔上圖像監(jiān)測裝置結(jié)合，當(dāng)圖像監(jiān)測裝置檢測到有問題時(shí)，通過平臺間數(shù)據(jù)共享觸發(fā)智能聯(lián)動機(jī)制，控制無人機(jī)自動進(jìn)行清障、喊話等操作，保障輸電線路運(yùn)行安全。當(dāng)無人機(jī)巡檢平臺接到可視化平臺推送的通道異物告警后，巡檢平臺將異物位置信息發(fā)送到無人機(jī)，同時(shí)給無人機(jī)發(fā)送清障指令，無人機(jī)接到指令后自動更換搭載設(shè)備，搭載激光清障器和高清攝像頭，利用5G通信高帶寬、低延時(shí)、高精度的特點(diǎn)，準(zhǔn)確到達(dá)異物位置，并鎖定異物，高能激光束射到目標(biāo)異物，通過光熱作用將架空線路上的漂浮型異物部位吸收激光導(dǎo)致局部溫度急劇升高后熔化或氣化，從而掉落。同理，當(dāng)輸電線路下方出現(xiàn)未經(jīng)批準(zhǔn)的非法施工或經(jīng)過超高車輛后，無人機(jī)接到指令后自動更換搭載設(shè)備，搭載喊話裝置和高清攝像頭，快速到達(dá)指定位置，對下方施工人員或車輛司機(jī)進(jìn)行喊話，勒令其停止施工或駛離，并進(jìn)行錄像保存證據(jù)，并將視頻實(shí)時(shí)回傳至無人機(jī)巡檢平臺，運(yùn)維人員可以通過現(xiàn)場視頻進(jìn)行備案和責(zé)任追尋。

2.6 無人機(jī)航拍圖像安全性分析

為方便用戶讀取航拍圖像，無人機(jī)廠商將圖像信息存儲于可插拔的外部存儲器。考慮到用戶無人機(jī)實(shí)時(shí)操控性能的需求，目前外部存儲器并無任何訪問控制防護(hù)手段，攻擊方在誘騙劫持無人機(jī)后可直接拔取存儲器獲得航拍圖像數(shù)據(jù)。此外，在未來大規(guī)模開展無人機(jī)多場景自主巡檢作業(yè)后，考慮到自主巡檢對高響應(yīng)性能的要求，廠商將飛航數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)航跡路線等敏感文件嵌入內(nèi)部高速驅(qū)動器，因同樣未設(shè)置訪問控制手段，攻擊方仍然可通過無人機(jī)的Micro USB 端口接入獲取數(shù)據(jù)。

2.7 圖像數(shù)據(jù)處理

無人機(jī)巡檢圖像數(shù)據(jù)主要來源于光學(xué)影像數(shù)據(jù)和激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。其中，激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理已具有較高的智能自動化處理水平，應(yīng)用商業(yè)軟件再加上少量的人工干預(yù)即可。而光學(xué)影像數(shù)據(jù)，包括可見光影像、紅外影像等數(shù)據(jù)的智能化處理尚不成熟，還處于初步研究階段。目前，可見光影像數(shù)據(jù)智能化處理是輸電線路無人機(jī)巡檢圖像處理領(lǐng)域的熱門研究方向。傳統(tǒng)的電力設(shè)備圖像數(shù)據(jù)處理方法是基于人工設(shè)計(jì)特征提取的機(jī)器學(xué)習(xí)圖像目標(biāo)檢測方法。隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提升和智能算法的不斷發(fā)展，有學(xué)者提出可建立大型的數(shù)據(jù)集，將深度學(xué)習(xí)算法引入輸電線路無人機(jī)巡檢圖像的數(shù)據(jù)處理中。但是，目前還難以建立起比較完善的數(shù)據(jù)集，制約了深度學(xué)習(xí)技術(shù)在輸電線路無人機(jī)巡檢圖像數(shù)據(jù)智能處理中的發(fā)展。未來可通過不同單位和公司的合作方式，建立完善的電力設(shè)備缺陷數(shù)據(jù)集，將深度學(xué)習(xí)技術(shù)的優(yōu)勢在無人機(jī)巡檢圖像數(shù)據(jù)智能處理中的優(yōu)勢發(fā)揮出來[2]。

3 結(jié)束語

針對架空輸電線路的巡檢工作需要采用到無人機(jī)巡檢安全技術(shù)，該技術(shù)所建立的系統(tǒng)規(guī)模龐大，技術(shù)內(nèi)容豐富，可實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)采集與檢測過程，提高架空輸電線路整體巡檢工作效率。