無人機(jī)安全巡視系統(tǒng)在水電站的應(yīng)用研究

吳 耀，王 磊

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

0 引言

水電站多分布于水資源豐富、自然環(huán)境相對惡劣的高山峽谷地帶，為保障電站安全運(yùn)行，須定期對廠房、大壩、庫區(qū)、河道、道路、邊坡、線路等所轄?wèi)敉鈪^(qū)域進(jìn)行安全巡視檢查。目前，大部分水電站仍采用人工攜帶手持設(shè)備或“紙+筆”的方式，對巡視對象進(jìn)行觀測與數(shù)據(jù)記錄，但受工程條件與自然環(huán)境限制，人員車輛難以抵近部分河段、高陡邊坡和危險(xiǎn)區(qū)，仍然存在巡視觀測盲區(qū)。此外，當(dāng)遇到大霧、極端高溫和低溫等天氣或者滑坡、泥石流、地震等地質(zhì)災(zāi)害時，巡視作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)增高，人工巡視將無法滿足安全巡視時效性要求[1]。

近年來，隨著無人機(jī)及其配套技術(shù)裝備的飛速發(fā)展，以其為平臺實(shí)現(xiàn)多功能應(yīng)用集成的成本大幅降低，且系統(tǒng)整體性能不斷增強(qiáng)，使無人機(jī)在地形測繪、航拍、攝影、遙感、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查等民用領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛[2-4]。因此，利用無人機(jī)搭載高精度光電探測設(shè)備，充分發(fā)揮其體積小、重量輕、操作簡單、機(jī)動性強(qiáng)等技術(shù)特點(diǎn)，同樣可以很好地滿足水電站所轄?wèi)敉鈪^(qū)域的安全巡視需求，能夠?qū)鹘y(tǒng)的以地面作業(yè)為主的水電站安全巡視擴(kuò)展至立體空間，在人員車輛無法到達(dá)抵近的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)快速、高效的安全巡視部署與作業(yè)。

本文以西南某水電站為依托，將無人機(jī)、圖像識別、大數(shù)據(jù)分析等先進(jìn)的技術(shù)手段引入到水電站日常安全巡視作業(yè)中，實(shí)現(xiàn)了大壩、廠房、上游庫區(qū)、下游河道等區(qū)域不安全現(xiàn)象和事件的智能識別和告警，有效提升了電站安全巡視質(zhì)量、效率和水平。

1 某電站安全巡視需求

某電站屬于典型的引水式水電站，廠房位于大壩下游河道左岸約6 km處，日常運(yùn)行與生產(chǎn)人員主要在廠房區(qū)域值守，根據(jù)安全與生產(chǎn)需求前往大壩區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)作業(yè)。電站所轄區(qū)域總體上屬于巖溶中高山地貌，大壩上游庫區(qū)、大壩至廠房間河道兩岸邊坡多為植被茂密的峭壁或陡峭山體，外部與進(jìn)廠道路沿河而行，多位于半山腰或谷底，人員、車輛出入頻繁。在非泄洪狀態(tài)時，大壩下游部分河段因水流減少形成淺灘，時常有外來人員露營、野炊和垂釣，受山體與植被遮擋影響，泄洪前河道安全巡視很難發(fā)現(xiàn)并及時驅(qū)離。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研踏勘，可將某電站日常安全巡視需求分為近壩區(qū)域、廠房區(qū)域、河道區(qū)域3個部分，相應(yīng)需求如下。

1)近壩區(qū)域。大壩下游面及壩頂戶外設(shè)備外觀巡視；大壩上游庫區(qū)300 m范圍內(nèi)庫岸邊坡、道路外觀巡視；近壩庫面大體積漂浮物識別；近壩區(qū)域人員、車輛及船只安全行為識別與警示驅(qū)離。

2)廠房區(qū)域。廠房外立面、戶外設(shè)備外觀巡視；尾水下游300 m范圍河道邊坡外觀巡視及人員、車輛安全行為識別與警示驅(qū)離。

3)河道區(qū)域。河道邊坡、道路外觀巡視；河道外來滯留人員、車輛安全行為識別與警示驅(qū)離。

其中，近壩和河道區(qū)域?yàn)槿藛T、車輛出入頻繁區(qū)域，人員、車輛安全行為識別、邊坡外觀巡視等安全巡視需求較為集中，是安全巡視的重點(diǎn)區(qū)域。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

無人技術(shù)巡視系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)主要分為系統(tǒng)硬件拓?fù)浼軜?gòu)和系統(tǒng)軟件功能架構(gòu)2部分。

2.1 系統(tǒng)硬件拓?fù)浼軜?gòu)

無人機(jī)巡視系統(tǒng)硬件設(shè)備分為前端數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和后端管理3個部分，其中前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括無人機(jī)、智能機(jī)庫、雙光攝像機(jī)、高空喊話器等設(shè)備；數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括交換機(jī)、網(wǎng)線和光纜等；后端管理系統(tǒng)包括服務(wù)器設(shè)備、存儲設(shè)備等。其系統(tǒng)硬件拓?fù)浼軜?gòu)如圖1所示。

圖1 巡視系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.1 Topology of patrol system

2.2 系統(tǒng)軟件功能架構(gòu)

巡視系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)巡視系統(tǒng)的客戶端登錄與遠(yuǎn)程Web訪問，軟件根據(jù)其功能特點(diǎn)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、支撐層、應(yīng)用層和用戶層。軟件功能總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 巡視系統(tǒng)軟件功能架構(gòu)圖Fig.2 Functional architecture of patrol system software

2.3 系統(tǒng)部署方式

綜合考慮某水電站數(shù)字化現(xiàn)狀和安全巡視區(qū)域分布，系統(tǒng)前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備就近部署在壩頂區(qū)域，后端管理系統(tǒng)以高級功能應(yīng)用模塊形式部署在廠房集控中心統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺或?qū)Ｓ梅?wù)器上，通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)服務(wù)總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、訪問、監(jiān)視、分析和預(yù)警。

3 系統(tǒng)功能

3.1 綜合展示功能

對系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)、無人機(jī)飛行軌跡、巡視實(shí)時影像、安全告警等信息進(jìn)行全面、直觀的綜合展示，為電站安全防護(hù)與應(yīng)急提供信息與數(shù)據(jù)支撐。具體功能模塊如下。

1)安全狀態(tài)指標(biāo)。將某水電站安全巡視區(qū)域劃分為近壩、廠房和河道三個大區(qū)，以數(shù)據(jù)化方式展示各大區(qū)相應(yīng)外來人員、車輛及船只的入侵、逗留數(shù)量；庫岸、邊坡、道路及河道的垮塌、阻塞和中斷數(shù)量；建筑物及戶外設(shè)備外觀異常、庫面大面積(體積)漂浮數(shù)量，使安全生產(chǎn)人員直觀的掌握各大區(qū)整體安全狀況。

2)異常情況展示。采用柱形圖、直線圖、餅圖、雷達(dá)圖等多種圖表形式展示安全巡視對象的異常情況，對不同巡視對象的異常情況按年、月、日3個維度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，用于對比分析相應(yīng)異常情況變化與趨勢。

3)安全告警列表。展示實(shí)時告警信息，具備聲光提示、確認(rèn)、處理的閉環(huán)功能，并對歷史告警信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，用于事件回溯查詢。

4)巡視影像展示。以無人機(jī)視角展示安全巡視作業(yè)實(shí)時可見光和紅外影像；巡視作業(yè)間隙輪回展示上一次巡視異常情況影像，使安全生產(chǎn)人員能夠遠(yuǎn)程觀看、分析和查詢異常情況。

3.2 設(shè)備管理與控制

構(gòu)建某電站的戶外空間三維地理模型，全局展示電站所轄區(qū)域近壩、廠房和河道區(qū)域地形地勢、建筑物布置、巡視系統(tǒng)設(shè)備終端分布等情況。同時，可實(shí)時查看、調(diào)取和控制巡視無人機(jī)、智能機(jī)庫、雙光攝像機(jī)、高空喊話器等設(shè)備狀態(tài)與采集信息，使安全生產(chǎn)人員能夠直觀掌握系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

3.3 智能識別

融合圖像識別、大數(shù)據(jù)分析、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)，提取安全巡視場景特征參數(shù)，構(gòu)建相應(yīng)對象識別模型，建立巡視場景與事件映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)人員、車輛、船只、邊坡、道路、漂浮物等對象與異常情況的智能識別。

3.4 巡視任務(wù)管理

系統(tǒng)根據(jù)某水電站不同的安全巡視需求定制相應(yīng)巡視模式。

1)計(jì)劃性巡視?？砂凑杖粘０踩惨曅枨笤O(shè)置定期巡視計(jì)劃，智能機(jī)庫定時放飛無人機(jī)，攜帶雙光攝像機(jī)、高空喊話器等吊艙，沿著既定巡視路線完成巡視作業(yè)。

2)臨時性巡視。可臨時規(guī)劃單點(diǎn)或多點(diǎn)巡視路線，并建立臨時性巡視任務(wù)，智能機(jī)庫根據(jù)指令放飛無人機(jī)，攜帶雙光攝像機(jī)、高空喊話器等吊艙，沿著臨時性巡視路線完成巡視作業(yè)。

此外，系統(tǒng)可進(jìn)行巡視周期延遲或縮短、特定點(diǎn)位懸停時間調(diào)整等操作，以滿足特殊情況下的安全巡視需求。

3.5 系統(tǒng)聯(lián)動管理

無人機(jī)安全巡視系統(tǒng)以高級功能應(yīng)用模塊形式部署在統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺或?qū)Ｓ梅?wù)器上，后端管理系統(tǒng)通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)服務(wù)總線實(shí)現(xiàn)與某電站安防系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)、智能巡檢系統(tǒng)、ON-CALL系統(tǒng)、應(yīng)急指揮等業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與協(xié)同聯(lián)動。

4 結(jié)語

通過無人機(jī)安全巡視系統(tǒng)建設(shè)，某水電站將傳統(tǒng)的以地面作業(yè)為主的水電站安全巡視擴(kuò)展至立體空間，消除了安全巡視盲區(qū)，有效提升了安全巡視效率與質(zhì)量。受無人機(jī)續(xù)航能力和信號遮擋影響，某地電站無人機(jī)安全巡視的頻次、局部巡視的細(xì)致程度仍然有待提升，但隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，以上問題必將得到解決。