高落差大型水電站自動機庫無人機巡檢與應急系統(tǒng)研究

張建軍，曹 陽，黃 宇，楊葉琳

（1.國能大渡河大崗山發(fā)電有限公司，四川 成都 610041；2.成都三足烏無人機科技有限公司，四川 成都 610000；3.北京大學教育部CEON工程研究中心空間信息科技產業(yè)基地，四川成都 610000）

1 工程概況

1.1 傳統(tǒng)無人機技術

隨著自動控制和傳感技術的飛速發(fā)展，遙感技術以其快速、宏觀、高分辨率等特點在自然地質災害調查領域具有獨特的優(yōu)勢，特別是無人機遙感技術以其機動靈活、實時性強、低成本，以及能替代人工完成危險、效率較低或無法完成的任務等優(yōu)勢，迅速成為快速獲取監(jiān)測數(shù)據的應用技術[1]。

1.2 自動機庫無人機技術

與傳統(tǒng)無人機技術相比，自動機庫操作更加智能化，無須多方人員的配合就能實現(xiàn)巡檢航線規(guī)劃、無人機回收等操作[2]。

由機庫、射頻氣象地面站等固定設備和配套軟件組成的自動機庫可實現(xiàn)對無人飛行器的適飛條件進行自動起降判定、遠程下達任務指令、實時監(jiān)控、定航巡檢、數(shù)據實時回傳及轉儲、數(shù)據人工智能（AI）自動比對等功能。

1.3 巡檢與應急區(qū)域情況簡介

高落差大型水電站通常處于地勢險惡區(qū)域，以大崗山水電站為例，大崗水電站位于大渡河中游上段的四川省雅安市石棉縣挖角鄉(xiāng)境內，電站地應力高、地震烈度強，下游河谷狹窄、水頭高、流量大，導致日常巡檢工作和汛期泄洪應急巡檢等在技術上面臨嚴峻考驗。

2021年12月6日11時左右，在上游蓄水鋼壩放水的時候，建陽水南橋下河灘地有兩人落水身亡。國內現(xiàn)有多數(shù)水電站的泄洪應急系統(tǒng)一般由中央控制器和電機型警報器組成，預警范圍非常有限，易造成活體入侵，出現(xiàn)人員傷亡。

針對大崗山水電站泄洪導致下游安全壓力劇增這一情況，本文提出了基于自動機庫無人機日常與應急巡檢系統(tǒng)方案，進一步提高高落差大型水電站的巡檢效率[3]。

2 系統(tǒng)方案

目前，針對水電站應用無人機技術出現(xiàn)的“硬件操作維護難、軟件自動比對難、現(xiàn)場安全互動難、數(shù)據呈現(xiàn)可視難”等問題，結合水電站地理環(huán)境特點，本文設計以自動機庫無人機為系統(tǒng)硬件基礎，應用AI算法自動辨別危險實體（Entity）的日常與應急巡檢系統(tǒng)[4]。

2.1 日常巡檢系統(tǒng)

水電站日常巡檢的重點區(qū)域有電站周邊交通道路、營地及周邊區(qū)域等，人工巡檢任務量遠超最大工作強度，因此使用智能化的新技術尤為重要。

自動機庫自動巡航，結合自動機庫的AI算法平臺可對目標進行跟蹤、檢測的特性，實時監(jiān)控是否有活體入侵，后臺工作人員根據回傳數(shù)據對突發(fā)狀況進行響應。

2.2 泄洪應急系統(tǒng)

應急系統(tǒng)包括預防、預備、響應、恢復。在泄洪前需確保水電站周圍環(huán)境的安全，做好預防、預備，防止泄洪期間出現(xiàn)安全問題[5]。

在整個泄洪期間需要水電站員工每天24 h不間斷進行值守，但在暴雨、地質活動等自然災害發(fā)生后，道路可能毀壞，搶險人員無法第一時間進入災區(qū)。自動機庫可在出現(xiàn)自然災害、事故、活體入侵以及超過額定水位時快速響應，通過AI算法自動識別、目標追蹤輔助工作人員快速正確地執(zhí)行應急措施。

2.3 自動機庫最優(yōu)化選址

本文提出的基于自動機庫無人機日常與應急巡檢系統(tǒng)方案在大崗山水電站進行了應用示范，目前自動機庫已放置在水電站內。最優(yōu)化選址能覆蓋水電站實現(xiàn)安全生產的重點區(qū)域包括泄洪區(qū)域、營地、開關站等，實現(xiàn)減少人工巡檢頻次。自動機庫任務執(zhí)行狀態(tài)如圖1所示。自動機庫放置點如圖2所示。

圖1 自動機庫任務執(zhí)行狀態(tài)

圖2 自動機庫放置點

3 系統(tǒng)特點

3.1 自動機庫優(yōu)勢

對比傳統(tǒng)無人機巡檢，自動機庫在優(yōu)化巡檢航線、處理采集數(shù)據、精確定位等方面有一定的突破。

自動機庫可在云端設置定航巡檢，每天24 h值守，精準定位水電站營地和開關站出線場等區(qū)域重要的標志性建筑，實現(xiàn)自動繞目標建筑巡航。無人機自動返航降落后，上傳任務數(shù)據（如圖像、視頻等）至云端，使用多數(shù)據融合技術和獨有的AI算法，在云端上實現(xiàn)數(shù)據（包括缺陷樣本數(shù)據）的自動分析、準確診斷。

3.2 自動機庫系統(tǒng)日常巡檢與應急中的應用

日常與應急巡檢系統(tǒng)可應用于水電站頻繁監(jiān)測以及已發(fā)生事故區(qū)域，包括泄洪區(qū)域、電站周邊交通道路、營地及其周邊區(qū)域、開關站等。

在地勢復雜、標志性建筑物巡檢區(qū)域，使用AI算法對巡檢回傳的多源數(shù)據進行圖像自動識別，快速檢測出入侵活體以及建筑物架設的設備溫度數(shù)值、老化磨損等情況，提高對風險管控的智能化水平。對于受災和易發(fā)生人為事故的區(qū)域，采用空中巡檢配合地面指揮快速定位進行精準搶險救援，若有入侵活體則替換搭載設備為雙光吊艙、探照燈等進行人員驅逐。

4 仿真結果

水電站日常巡檢以4人為一組，每天3組人員輪流巡檢，汛期因巡檢任務繁重且需每天24 h值守，因此巡檢人員需要增至6組人員輪替時刻堅守崗位。自動機庫配備的自動巡檢技術及AI算法進行實時監(jiān)測，減少巡檢人員工作量。水電站每月水位情況如圖3所示。水電站各個區(qū)域所需巡檢人數(shù)如表1所示。使用自動機庫前后泄洪區(qū)域日常巡檢人數(shù)變化如圖4所示。

圖3 水電站每月水位情況

表1 水電站各個區(qū)域所需巡檢人數(shù)

圖4 使用自動機庫前后泄洪區(qū)域日常巡檢人數(shù)變化

以對泄洪區(qū)域巡檢為例，使用自動機庫能減少大量經濟消耗。僅僅是對其中一個泄洪區(qū)域的巡檢一年就可節(jié)省1 532 640元，此后每年按物價增長速度5%計算，節(jié)省經濟成本呈線性增長。各類巡檢模式日均消耗如表2所示。各類巡檢模式月平均經濟消耗如圖5所示。使用自動機庫后每年度節(jié)約經濟成本如圖6所示。

圖5 各類巡檢模式月平均經濟消耗

圖6 使用自動機庫后每年度節(jié)約經濟成本

表2 各類巡檢模式日均消耗

日常巡檢的3組人員都需要對水電站的兩岸巡檢往返上百千米，汛期工作量倍增，車輛每升油耗碳排放量0.6048 kg。而自動機庫使用電能不產生任何的碳排放，第1年度可減少17.66 t碳排放量，到第10年度則累計減少176.6 t碳排放量。

在大渡河干流調整規(guī)劃28級方案中，現(xiàn)已建成14座水電站，未來10年其余的水電站將相繼建成。預計未來10年大渡河全流域水電站使用自動機庫可減少超過3700 t二氧化碳排放。每年巡檢設備碳排放量如表3所示。

表3 巡檢設備碳排放量

5 結語

基于自動機庫無人機巡檢系統(tǒng)方案，實施效果滿足水電站安全生產與運營數(shù)據需求，且自動機庫最優(yōu)化選址在高落差大型水電站中具有一定的示范意義。同時，在無人機自動機庫最優(yōu)化選址方案中，只需配備少量的巡邏車和單兵巡檢即可實現(xiàn)對水電站監(jiān)測區(qū)域的全覆蓋。此方案驗證了基于自動機庫無人機巡檢和應急系統(tǒng)的有效性。在四川省政府發(fā)布的《川西北生態(tài)示范區(qū)“十四五”發(fā)展規(guī)劃》中，國家能源集團大渡河水電基地建設被納入川西生態(tài)示范區(qū)發(fā)展規(guī)劃，自動機庫使用電能作為清潔能源對于生態(tài)環(huán)境的保護起到重要作用。