無人機(jī)裝備智能化通信光纜巡檢巡修應(yīng)用探要

陳 東 陳紅林 傅 彤 曹如琢

1.戰(zhàn)略支援部隊(duì)信息工程大學(xué) 河南鄭州 450001；2.中國(guó)人民解放軍31401部隊(duì) 吉林長(zhǎng)春 130012

一、概述

通信光纜線路是整個(gè)光纖通信系統(tǒng)的重要組成部分，加強(qiáng)通信光纜線路的維護(hù)是保證通信暢通的主要措施。為此，通信運(yùn)營(yíng)商往往通過人工步巡或車巡的方式，對(duì)光纜線路隱患進(jìn)行排查或看護(hù)，但直埋敷設(shè)的光纜一般貫穿于公路、農(nóng)田、山林或者河流之中，受地形、天候等因素影響較大，直接導(dǎo)致巡檢周期長(zhǎng)、人力消耗大、投入產(chǎn)出比高、隱患排查時(shí)效性差等問題。隨著無人機(jī)裝備和人工智能等前沿技術(shù)不斷向民用領(lǐng)域延伸拓展，傳統(tǒng)的巡線員分段承包、定期巡檢的值維模式已不再適應(yīng)當(dāng)前發(fā)展形勢(shì)，探索把具備智能識(shí)別隱患功能的無人機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用于光纜巡檢巡修，可節(jié)省部分人力物力，降低環(huán)境因素影響，提高安全性和時(shí)效性，是未來信息通信行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的必然趨勢(shì)。

二、無人機(jī)系統(tǒng)概況

無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)是一種利用電磁波控制或者由其自身程序操縱的，能夠在空中進(jìn)行持續(xù)、可控的飛行，或是在航空航天空間均可實(shí)現(xiàn)可控飛行，能攜帶民用或軍用性質(zhì)的任務(wù)載荷執(zhí)行任務(wù)，可一次性使用或可重復(fù)使用的無人駕駛飛行器。

(一)無人機(jī)系統(tǒng)及其組成

實(shí)際上，無人機(jī)并不能獨(dú)立完成任務(wù)，它還需要地面控制設(shè)備、數(shù)據(jù)通信設(shè)備、維護(hù)設(shè)備，以及指揮控制和必要的操作、維護(hù)人員等，較大型的無人機(jī)還需要專門的發(fā)射/回收裝置。因此，完整意義的能夠執(zhí)行任務(wù)的無人機(jī)應(yīng)稱為無人機(jī)系統(tǒng)，通常包括飛機(jī)系統(tǒng)、地面系統(tǒng)、任務(wù)載荷和綜合保障系統(tǒng)等。

(二)無人機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

無飛行員座艙駕駛的特性使得無人機(jī)系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)無須考慮人員的生命安全問題，更不必考慮任務(wù)的危險(xiǎn)性，由此帶來的是無人機(jī)的設(shè)計(jì)和使用要求被大大放寬，加之可借鑒的技術(shù)相對(duì)成熟、應(yīng)用潛力巨大等原因，無人機(jī)系統(tǒng)被大量運(yùn)用于軍事領(lǐng)域，其發(fā)揮出的獨(dú)特戰(zhàn)斗效能極大地提高了各國(guó)軍方對(duì)無人裝備的重視程度；我國(guó)對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)的研究雖然起步相對(duì)較晚，但發(fā)展速度迅猛，成效顯著，近年來大批具有自主可控優(yōu)勢(shì)的無人機(jī)已逐步在態(tài)勢(shì)感知、偵察監(jiān)視、通信中繼、電子對(duì)抗、目標(biāo)識(shí)別等方面嶄露頭角。

隨著軍民融合程度的不斷深化，無人機(jī)系統(tǒng)在諸多民用領(lǐng)域也迎來了蓬勃發(fā)展，比如在航空拍攝、電力巡檢、消防救援、應(yīng)急通信等方面得到了大量應(yīng)用。我國(guó)無人機(jī)每年都在世界市場(chǎng)上不斷發(fā)展，技術(shù)和制造成為世界上最好的系統(tǒng)之一。例如，隨著國(guó)產(chǎn)某型產(chǎn)品組合的推出，以卓越的設(shè)計(jì)、低廉的價(jià)格和簡(jiǎn)單的操作方式，迅速占據(jù)了大多數(shù)消費(fèi)者的位置。同時(shí)，為規(guī)范航空器管制，中國(guó)民航局于2016年修訂下發(fā)《民用無人機(jī)駕駛員管理規(guī)定》《民用無人駕駛航空器系統(tǒng)空中交通管理辦法》等文件，進(jìn)一步規(guī)范了無人機(jī)行業(yè)的設(shè)計(jì)發(fā)展和應(yīng)用范圍。

(三)無人機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的延伸，未來無人機(jī)系統(tǒng)必然向“信息化、體系化、智能化”方向發(fā)展。一是成體系協(xié)同發(fā)展。一方面，無人機(jī)系統(tǒng)內(nèi)各組成部分之間高度集成融合，協(xié)調(diào)配合起來將更加穩(wěn)定高效；另一方面，各種功能、各種層次的無人機(jī)與其他系統(tǒng)間將實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，進(jìn)而級(jí)聯(lián)成功能互補(bǔ)、協(xié)同作業(yè)的有機(jī)整體。二是具有超強(qiáng)的續(xù)航能力?；趧?dòng)力源和控制信號(hào)的穩(wěn)定性要求，長(zhǎng)航時(shí)將是未來無人機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要指標(biāo)。三是趨于小型化、精細(xì)化。針對(duì)無人機(jī)遙感等應(yīng)用范圍，要求其具有目標(biāo)小、噪聲低、材料輕便、機(jī)動(dòng)靈活、可在復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)等特點(diǎn)。四是高度的智能化特征。減少無人機(jī)系統(tǒng)對(duì)操作人員或地面控制站的依賴程度，將基于深度學(xué)習(xí)的AI算法應(yīng)用于無人機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)和優(yōu)化，以提高其自動(dòng)化和智能化水平。

三、光纜線路巡檢巡修的主要內(nèi)容

光纖通信具有傳輸容量大、抗干擾能力強(qiáng)、保密性能好等優(yōu)點(diǎn)，是目前主要的有線通信手段之一，而光纜線路是信號(hào)的傳輸通道，是整個(gè)光纖通信系統(tǒng)的重要組成部分，按敷設(shè)方式一般可分為直埋、架空、管道、水底四種，據(jù)某維護(hù)單位統(tǒng)計(jì)，光纖通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)中斷原因中屬于線路故障的占2/3以上，因此維護(hù)通信暢通，信息通信從業(yè)人員執(zhí)行光纜線路巡檢及應(yīng)急搶通修復(fù)等任務(wù)實(shí)踐則顯得尤為重要。其中，線路巡檢的目的就是及時(shí)發(fā)現(xiàn)威脅線路安全的潛在隱患，并按有關(guān)操作規(guī)程，科學(xué)有效予以處置，減少或避免外力破壞光纜的可通性。巡線需排查的隱患通常包含以下兩種：

(一)涉線施工隱患

隨著地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)步伐的不斷加快，各類型土建施工項(xiàng)目逐漸增多，一旦動(dòng)用大型機(jī)械在直埋或管道光纜上方動(dòng)土開挖，將直接造成通信系統(tǒng)局向性全阻，由此帶來的人為隱患稱為涉線施工隱患。此類人為隱患具有一定的計(jì)劃性，一般有所征兆，比如，在線路附近有施工動(dòng)土跡象或有挖掘機(jī)、推土機(jī)等大型機(jī)械頻繁活動(dòng)等，需要巡線員預(yù)判風(fēng)險(xiǎn)，提前采取制止或加固措施“防斷”。

(二)自然災(zāi)害隱患

通信光纜敷設(shè)區(qū)域內(nèi)可能突發(fā)地震、洪水、泥石流、山體滑坡等自然災(zāi)害，由此引發(fā)線纜被抻斷、桿路遭折損等嚴(yán)重后果，這類隱患一般稱為自然災(zāi)害隱患。其具有一定突發(fā)性，難以預(yù)知，通常做法是與當(dāng)?shù)貧庀笏牟块T溝通聯(lián)系，預(yù)先采取應(yīng)對(duì)措施，對(duì)于已經(jīng)發(fā)生線路故障的情況，可用OTDR儀表測(cè)定出障礙點(diǎn)與測(cè)試點(diǎn)之間的距離和障礙性質(zhì)，進(jìn)而推算出斷點(diǎn)概略位置，巡線員應(yīng)及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)情況，引導(dǎo)搶修小組實(shí)施應(yīng)急搶修作業(yè)“保通”。

四、傳統(tǒng)人力巡線方式的缺點(diǎn)和不足

由于信息技術(shù)的迅猛發(fā)展和通信用戶的迫切需要，我們對(duì)光纖通信傳送網(wǎng)的可靠性和安全性要求越來越高，通信運(yùn)營(yíng)商“防斷保通”的壓力也持續(xù)增大，傳統(tǒng)的人力巡線方式往往耗時(shí)耗力、產(chǎn)出投入比低下，主要存在以下三方面不足：

(一)受地形、天候因素影響較大

光纜線路的敷設(shè)與運(yùn)維環(huán)境較為復(fù)雜，總體呈現(xiàn)點(diǎn)多、線長(zhǎng)、面廣的特點(diǎn)，多數(shù)線路埋設(shè)于農(nóng)田、山林之中，巡線員爬溝過坎易引發(fā)安全事故；突發(fā)地震、塌方、強(qiáng)降雨、山洪、泥石流等自然災(zāi)害后，人車出行不便，需要現(xiàn)地查看重點(diǎn)災(zāi)損地段時(shí)，人身安全難以保證。

(二)巡線間隔周期長(zhǎng)影響時(shí)效性

不論是步巡還是車巡，均受到位移速度和出動(dòng)頻次的制約，巡修量受日均峰值限制，一般單次巡修僅能滿足一個(gè)路由方向，同一中繼段兩三天才能被巡檢一次，而按照目前土建單位的施工進(jìn)度，這種巡檢頻率顯然無法滿足時(shí)時(shí)盯防的要求。

(三)對(duì)巡線員的專業(yè)性和責(zé)任心依賴程度高

光纜線路巡檢巡修任務(wù)不單單是體力活，還是技術(shù)活，更是良心活。一方面，巡線人員要具備一定的專業(yè)化素質(zhì)，明晰路由走向和維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，掌握政策法規(guī)和防護(hù)手段；另一方面，巡線員可能會(huì)因體力消耗大、動(dòng)態(tài)監(jiān)管難而產(chǎn)生僥幸心理，出現(xiàn)跳巡、漏巡甚至是不巡的情況，對(duì)人員素質(zhì)“軟指標(biāo)”提出了相當(dāng)高的要求。

五、智能化無人機(jī)系統(tǒng)在光纜線路巡檢中的應(yīng)用分析

針對(duì)上述人力巡線方式的缺點(diǎn)和弊端，我們應(yīng)有效利用無人機(jī)小巧靈活，運(yùn)行成本不高，可輕易快速到達(dá)巡檢巡修區(qū)段，人為因素限制少等特點(diǎn)，探索將具有智能化特征的無人機(jī)系統(tǒng)引到光纜線路巡檢巡修任務(wù)當(dāng)中。為此，本文提出如下技術(shù)開發(fā)路徑和設(shè)計(jì)需求分析。

(一)外觀設(shè)計(jì)及動(dòng)力源

利用無人機(jī)巡檢線路，可采用重量輕、體積小、機(jī)動(dòng)靈活的多旋翼無人機(jī)，由車輛攜帶或者單人攜帶，方便轉(zhuǎn)場(chǎng)和調(diào)度。此類型適用于小微型無人機(jī)實(shí)施巡檢伴隨保障時(shí)使用，其動(dòng)力源可采用鎳氫、鎳錳、鋰聚合物和鋰離子等化學(xué)電池作為主用手段，機(jī)載太陽能電池板作為備用手段提供動(dòng)能。另外，在使用無人機(jī)系統(tǒng)實(shí)施自主巡航保障時(shí)，則可采用垂起式固定翼無人機(jī)，體型稍大，可搭載各類附屬設(shè)備，因其以更小的能耗來實(shí)現(xiàn)大范圍的覆蓋。因此可完成對(duì)長(zhǎng)距離線路的快速巡檢，其動(dòng)力源一般包括微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和過氧化氫火箭/渦輪組合發(fā)動(dòng)機(jī)以及脈沖噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等，同時(shí)，也可將太陽能采集板附著在機(jī)身，飛行中積蓄光能，作為備用保底手段來使用。

(二)智能導(dǎo)航技術(shù)

依托北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)(GIS)，建立地理空間三維數(shù)據(jù)云，加載數(shù)據(jù)類型包括衛(wèi)星影像設(shè)計(jì)、電子地圖數(shù)據(jù)、路網(wǎng)數(shù)據(jù)、地名地址數(shù)據(jù)等，并將通信光纜線路路由圖、標(biāo)識(shí)(桿號(hào))與纖長(zhǎng)對(duì)照表等竣工資料進(jìn)行數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化，在此基礎(chǔ)上對(duì)線路數(shù)據(jù)及維護(hù)站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化處理并上圖，與影像地圖及電子數(shù)據(jù)進(jìn)行無縫疊加，航跡規(guī)劃的一種方式是通過地面控制站與無人機(jī)時(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，按照既定路線遠(yuǎn)程操控進(jìn)行全巡；另一種方式是將巡線航跡程序?qū)懭霟o人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)，依托自主飛行模式開展智能化巡航，遇有通信信號(hào)微弱、續(xù)航能力不足、極端惡劣環(huán)境等情況，無人機(jī)可依托預(yù)定的自主返航程序，利用慣導(dǎo)模式實(shí)施“自保式”返航。

(三)圖像攝取傳輸功能

可見光和紅外成像是無人機(jī)系統(tǒng)巡線的主要途徑，它是利用在無人航空設(shè)備上裝備穩(wěn)定的可見光檢測(cè)儀與紅外成像儀等載荷，通過對(duì)光纜線路及其周邊環(huán)境進(jìn)行檢查和錄像，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)回傳、實(shí)時(shí)高清影像呈現(xiàn)，并附帶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)回溯和動(dòng)態(tài)分析等功能。地面站人員在顯控系統(tǒng)中觀察判讀各類隱患，發(fā)現(xiàn)異?？赏ㄟ^操縱系統(tǒng)使無人機(jī)盤旋于隱患點(diǎn)上空，對(duì)畫面高精度放大攝取，并可利用遠(yuǎn)程廣播系統(tǒng)實(shí)施喊話，發(fā)出護(hù)線宣傳警告，制止涉線施工等危險(xiǎn)行為。

(四)無人機(jī)通信中繼平臺(tái)

無人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用效果和巡檢安全都受到通信能力的制約。采用無人機(jī)系統(tǒng)巡線的關(guān)鍵在于通信信號(hào)能否穩(wěn)定、準(zhǔn)確傳輸，目前無人機(jī)通信方式主要有衛(wèi)星、中繼基站和無線網(wǎng)絡(luò)三種，但都各自存在一定局限性：衛(wèi)通信號(hào)傳輸時(shí)延大、信號(hào)易中斷、通信誤碼率高；中繼基站通信受地形影響和通信距離限制；無線網(wǎng)絡(luò)保密性差，在覆蓋不完全的山區(qū)、森林等地?zé)o法使用。由此考慮引入另一架無人機(jī)“伴飛”執(zhí)行通信中繼任務(wù)，在原有的線路巡檢無人機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)、圖像傳輸設(shè)備、地面控制站四部分的基礎(chǔ)上，“伴飛”無人機(jī)搭載5G通信中繼設(shè)備作為空中基站臨時(shí)架設(shè)，以保證通信信號(hào)的高效、穩(wěn)定、時(shí)時(shí)傳輸。

(五)自動(dòng)躲避障礙物

無人機(jī)在巡線期間，可能會(huì)在既定航跡中遇到高壓電塔、樹木、鳥群等障礙物，通常采用的做法是通過裝配在機(jī)身上的雷達(dá)反饋系統(tǒng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并檢測(cè)，形成告警信號(hào)回傳給地面控制站，經(jīng)人工確認(rèn)后再做出調(diào)整飛行姿態(tài)的決策，這一信息交互的時(shí)間將對(duì)無人機(jī)的飛行安全構(gòu)成一定威脅。因此，在后續(xù)的改進(jìn)設(shè)計(jì)中，應(yīng)搭建起一套障礙反應(yīng)系統(tǒng)，基于AI技術(shù)等實(shí)施自主航跡修正，達(dá)到自控避障的目標(biāo)要求。

(六)圖像數(shù)據(jù)的智能化判讀

目前，無人機(jī)系統(tǒng)采集到的隱患圖像一般以人工方式判別，存在效率低下和人為誤判等缺點(diǎn)，尚未實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的智能檢測(cè)識(shí)別，無人機(jī)巡線的自動(dòng)化水平還有待提升。為此，探索運(yùn)用深度學(xué)習(xí)算法中的更快的基于區(qū)域的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Faster Region-based Convolutional Neural Network，F(xiàn)aster R-CNN)目標(biāo)檢測(cè)的方法，通過人工預(yù)置航空影像，形成工程車輛、地質(zhì)變化、桿路受損等影像數(shù)據(jù)集，基于仿真訓(xùn)練和測(cè)試，實(shí)現(xiàn)航拍圖像中挖掘機(jī)、推土機(jī)等工程車輛，線路附近地形、地貌變化等目標(biāo)檢測(cè)，對(duì)比傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)檢測(cè)算法，當(dāng)檢測(cè)精度(AP)達(dá)到一定閾值時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)航拍圖像中光纜線路隱患的自動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)，觸發(fā)的告警信息經(jīng)通信傳輸?shù)竭_(dá)地面控制站，值勤人員再根據(jù)情況做進(jìn)一步處理，提高了值維管理手段的智能化、精確化水平。

結(jié)語

目前，無人機(jī)系統(tǒng)裝備具有強(qiáng)大的遠(yuǎn)程機(jī)動(dòng)、圖像采集、信息交互和數(shù)據(jù)處理等能力，具備通信光纜線路巡檢巡修的應(yīng)用前景。后續(xù)研究可通過技術(shù)賦能和工程設(shè)計(jì)使無人機(jī)系統(tǒng)形成航跡規(guī)劃、自主導(dǎo)航、5G通信中繼、自動(dòng)避障和智能判讀等能力，最大限度減少巡線任務(wù)對(duì)通信從業(yè)人員和外界條件的依賴程度，以技術(shù)革新推動(dòng)值維模式深入轉(zhuǎn)型，著力探索更加完善的管理措施和人才支撐，實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)維管理手段的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。