架空輸電線路無人機(jī)巡檢研究及應(yīng)用

梁大合

（中國鋁業(yè)股份有限公司廣西分公司熱電廠，廣西 平果 531400）

1 某集團(tuán)公司輸電線路無人機(jī)巡檢概況

項目整體上為某集團(tuán)公司下屬分公司提供輸電線路巡線服務(wù)能力，具體建設(shè)內(nèi)容包括輸電線路數(shù)據(jù)采集、輸電線路三維可視化、系統(tǒng)功能模塊設(shè)計研發(fā)、系統(tǒng)部署實施并為某集團(tuán)公司下屬分公司提供專業(yè)的保障服務(wù)。

該分公司熱電廠主要負(fù)責(zé)高壓輸供電，巡線、維護(hù)檢查均通過人工進(jìn)行，其中電力部分巡檢部位在人跡難至的地方，只能通過望遠(yuǎn)鏡等巡檢，不僅人力成本高、員工勞動強(qiáng)度大，而且存在隱患發(fā)現(xiàn)不及時和員工野外作業(yè)的安全風(fēng)險。無人機(jī)巡檢電力作業(yè)是國家電網(wǎng)保障輸電線路可靠穩(wěn)定正常運(yùn)行的重要安全基礎(chǔ)。而無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)巡檢則作為在信息時代一個新興起式的無線巡檢技術(shù)，且可不受其他環(huán)境因素影響的影響就可進(jìn)行多方位、多角度快速完成無線巡檢安全作業(yè)，因而在工程實際現(xiàn)場應(yīng)用實踐中使用也逐步得到了一線巡檢工作人員的廣泛認(rèn)可。

2 系統(tǒng)組成

2.1 無人機(jī)平臺

無人機(jī)巡檢遙控應(yīng)用，目前在我國實際市場情況比較普遍，我國常見或使用的民用遙控?zé)o人機(jī)設(shè)備類型主要是無人遙控駕駛民用直升機(jī)，與現(xiàn)在國內(nèi)的傳統(tǒng)無人遙控駕駛形式飛機(jī)上操作的遙控，民用直升機(jī)結(jié)構(gòu)特點極為相似，區(qū)別點表現(xiàn)為無人遙控駕駛工作人員一般只憑可實現(xiàn)遙控設(shè)備對其駕駛飛機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程和自動遠(yuǎn)程操控，設(shè)備體積尺寸明顯偏大，由多個相對獨立主旋翼系統(tǒng)所綜合構(gòu)成，可進(jìn)行高機(jī)動遠(yuǎn)航程任務(wù)和無人機(jī)的高速精細(xì)巡查任務(wù)等空中作業(yè)[1]。

2.2 數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)

無人機(jī)平臺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和主要工作目的，是為了實現(xiàn)能夠綜合搭載使用各種機(jī)載傳感器、POS、穩(wěn)定飛行平臺、避障及著陸輔助系統(tǒng)裝備等機(jī)載各類系統(tǒng)機(jī)械設(shè)備。具體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分類如下：①傳感器，如紅外及夜視紅外成像、激光紅外掃描、光學(xué)夜視成像相機(jī)、野外成像儀系統(tǒng)等傳感器產(chǎn)品；②POS，可支持實時數(shù)據(jù)幫助機(jī)場相關(guān)工作指揮人員對無人機(jī)設(shè)備的具體位置信息等進(jìn)行精確的測定，提高了系統(tǒng)設(shè)備系統(tǒng)安全及飛行的狀態(tài)穩(wěn)定性，從而就能有力保障獲得了飛行最終判定結(jié)果的無人機(jī)實時監(jiān)測成像及信息、質(zhì)量、安全系統(tǒng)、安全可靠性；③避障自動識別雷達(dá)系統(tǒng)，通過機(jī)載雷達(dá)傳感器系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對保障設(shè)備及飛行活動路線系統(tǒng)設(shè)計，規(guī)避產(chǎn)生影響的低空各類危險障礙物，位置動態(tài)變化過程進(jìn)行更為全面準(zhǔn)確且快速跟蹤定位或跟蹤探測，以有效實現(xiàn)空中安全飛行服務(wù)保障，工作過程系統(tǒng)運(yùn)行中任何具有潛在安全隱患的安全風(fēng)險因素自動規(guī)避[2]。

2.3 地面測控站

主要業(yè)務(wù)功能簡述如下：①輔助現(xiàn)場工作維護(hù)人員對無人機(jī)飛行器的日常飛行活動狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行全天候?qū)崟r動態(tài)監(jiān)測管理和飛行操作的控制數(shù)據(jù)處理；②控制各種傳感器設(shè)備對數(shù)據(jù)或信息資源的有效獲取和方式轉(zhuǎn)換；③為無人機(jī)進(jìn)行空中領(lǐng)航。

2.4 數(shù)據(jù)通信鏈

通常應(yīng)包括機(jī)載中的各種信號的接收天線和地面信號接收發(fā)射系統(tǒng)設(shè)備、地面雷達(dá)測控發(fā)射站網(wǎng)中的各類信號天線接收設(shè)施和雷達(dá)信號接收發(fā)射裝置設(shè)備、通信鏈路中繼接收設(shè)備系統(tǒng)等。主要作用是為保障無人機(jī)設(shè)備系統(tǒng)與地面雷達(dá)測控基準(zhǔn)站網(wǎng)之間的空中數(shù)據(jù)傳送通信網(wǎng)絡(luò)的高可靠性。

2.5 建設(shè)目標(biāo)

測控地區(qū)控制航線的目標(biāo)在于保證任務(wù)能夠順利完工，根據(jù)區(qū)域編制網(wǎng)址網(wǎng)絡(luò)，建立專用的信號坐標(biāo)，確保無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)階段可以清楚感知其具體位置，對于路線核實具有重要作用。在測控工作不斷開展的過程中，與常規(guī)探測的環(huán)境不同，會受到惡劣天氣的影響。無人機(jī)遙感技術(shù)可以保證惡劣天氣下勘測的準(zhǔn)確性，根據(jù)測控的需求對地形高程進(jìn)行有效控制，確保測控范圍實現(xiàn)全覆蓋。航線確定后可以明確具體航行高度，確?？睖y數(shù)據(jù)與實際影像重合，減少測控誤差，保障測控的精準(zhǔn)性。

利用系統(tǒng)，可以做到整個戶外巡線的無死角巡檢，大幅提升巡檢范圍和巡檢頻次；而且通過無人機(jī)定時、定線路自動巡檢，實現(xiàn)無人自動巡檢。能大幅提高巡檢效率、質(zhì)量，及時發(fā)現(xiàn)電氣線路隱患，降低人力成本和消除安全風(fēng)險。

基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全保障，實現(xiàn)廠區(qū)數(shù)據(jù)不出園，提供園區(qū)邊緣計算系統(tǒng)服務(wù)能力；實現(xiàn)應(yīng)用的本地訪問能力。

3 無人機(jī)巡檢的關(guān)鍵技術(shù)分析

項目具體建設(shè)內(nèi)容包括輸電線路數(shù)據(jù)采集、輸電線路三維可視化、系統(tǒng)功能模塊設(shè)計研發(fā)、系統(tǒng)部署實施并為甲方提供專業(yè)的保障服務(wù)。其中所需提供的服務(wù)內(nèi)容如下。

3.1 輸電線路數(shù)據(jù)無人機(jī)采集

利用無人機(jī)開展熱電廠架空輸電線路激光點云數(shù)據(jù)采集，一共完成13 條架空線路數(shù)據(jù)，共計340 余基塔。分別是：平鋁Ⅰ回、平鋁Ⅱ回、礦山35kV-1、礦山35kV-1T 接、礦山35kV-Ⅱ、礦山35kV 聯(lián)絡(luò)線、303 線路、304 線路、水源1 線、水源2 線、化工氣保線、赤泥Ⅰ期、赤泥Ⅲ期。數(shù)據(jù)成果主要是13 條架空輸電線路的激光點云原始數(shù)據(jù)、桿塔臺賬數(shù)據(jù)、線路臺賬數(shù)據(jù)等。架空輸電線路的激光點云數(shù)據(jù)輕量化處理，主要包括桿塔模型輕量化、導(dǎo)線輕量化、植被輕量化處理。

3.2 無人機(jī)管控巡檢平臺

搭建無人機(jī)巡檢管控平臺，功能模塊包括熱電廠架空輸電線路三維可視化、智慧線路管理、設(shè)備管理、巡檢計劃管理、成果管理、系統(tǒng)設(shè)置6 大模塊。

三維可視化：將外業(yè)采集的激光點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過內(nèi)業(yè)輕量化處理后，加載到平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速瀏覽、加載，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行查看等操作[3]。

智慧線路管理：支持對輸電線路、桿塔單元和線路缺陷進(jìn)行管理。

設(shè)備管理：本模塊管理無人機(jī)巡檢的各個需求部分，對無人機(jī)、云臺攝像機(jī)、電池以及無人機(jī)飛手進(jìn)行歸納、管理。

巡檢計劃管理：巡檢管理是對無人機(jī)或人工巡檢任務(wù)進(jìn)行制定、管理、分發(fā)的綜合模塊。分為巡檢計劃功能欄和航線管理功能欄。

成果管理：實現(xiàn)對巡檢計劃產(chǎn)生的成果進(jìn)行管理，包括照片、視頻、航跡。

4 無人機(jī)巡檢系統(tǒng)技術(shù)

4.1 HTML5 技術(shù)

HTML 標(biāo)準(zhǔn)第5 代版本主要有如下發(fā)展特點：首先，強(qiáng)化了提高了Web 網(wǎng)頁瀏覽器的表現(xiàn)及性能。其次，追加引入了支持本地數(shù)據(jù)庫的訪問等向Web 網(wǎng)頁應(yīng)用擴(kuò)展的一系列新功能。廣義論及HTML5 新標(biāo)準(zhǔn)時，實際指涉的內(nèi)容將僅僅是包括引入了包括HTML、CSS 語言和JavaScript 技術(shù)等在內(nèi)的另一套新技術(shù)語言的組合。能夠大幅地減少網(wǎng)頁瀏覽器中那些對于需要插件支持的豐富性網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和應(yīng)用的擴(kuò)展服務(wù)，并且還將會提供包括了更多的能實現(xiàn)更加快速有效的增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展及應(yīng)用的擴(kuò)展功能的標(biāo)準(zhǔn)集[4]。

4.2 jQuery 技術(shù)

jQuery 是一個相當(dāng)優(yōu)秀的輕量級JavaScript 框架，同時，它自身又可兼容了各種CSS3，還能同時兼容了目前各種瀏覽器框架（Opera 9.0+，IE 6.0+，Safari 2.0+，F(xiàn)F 1.5+）等等。jQuery 技術(shù)能夠幫助使用戶同時也都能更為快速和更方便高效地處理各種HTML 網(wǎng)頁和處理documents、events，實現(xiàn)各種動畫效果，并且可更加方便而高效地被用來直接為網(wǎng)站設(shè)計開發(fā)管理人員提供基于各種AJAX 應(yīng)用的交互。jQuery 瀏覽器還有一個比較強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢那就是，文檔中的說明和內(nèi)容很全，而且能把各種應(yīng)用和方法描述得非常詳細(xì)[5]。

4.3 Java 技術(shù)

Java 作為編程語言也是現(xiàn)代一門高級的面向?qū)ο缶幊陶Z言，不僅充分廣泛地吸收借鑒了包括C++語言在內(nèi)里所有的和其他的各種現(xiàn)代編程語言優(yōu)點，還同時幾乎也摒棄了那些在C++等編程語言體系里難以比較全面理解諸如多態(tài)變量的繼承、指針的映射等諸多復(fù)雜抽象概念，使得Java 語言更加具有強(qiáng)大的功能優(yōu)點和更易操作這兩個突出的特征[6]。

5 無人機(jī)巡檢系統(tǒng)技術(shù)方案應(yīng)用

5.1 總體架構(gòu)

熱電廠架空輸電線路無人機(jī)巡檢管控平臺總體架構(gòu)主要分為：基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)存儲管理層、平臺層、應(yīng)用層。

5.2 技術(shù)架構(gòu)

基礎(chǔ)設(shè)施層：部署各類采集（控制）終端實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)的精準(zhǔn)感知，邊緣物聯(lián)代理對下通過適配多類型協(xié)議，匯聚各類采集終端數(shù)據(jù)，包括網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器設(shè)施等。

存儲層：實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)聯(lián)合存儲。

服務(wù)層：各類服務(wù)公共組件，業(yè)務(wù)服務(wù)以及基礎(chǔ)服務(wù)等。

接口層：對視頻、圖像、無人機(jī)等視頻圖像類終端裝置進(jìn)行接入管理、數(shù)據(jù)處理、設(shè)備管理和安全管理。

應(yīng)用層：以微應(yīng)用方式對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析及共享，實現(xiàn)高級應(yīng)用和輔助決策，支撐設(shè)備專業(yè)運(yùn)行維護(hù)、缺陷管理、故障研判、搶修等業(yè)務(wù)應(yīng)用的快速、靈活迭代。

5.3 技術(shù)選型原則

先進(jìn)性原則：頂層設(shè)計要充分借鑒當(dāng)前國內(nèi)、國際的主流技術(shù)，整體設(shè)計上要保持在同行業(yè)的適度超前。

開放性原則：頂層設(shè)計的整體架構(gòu)應(yīng)能夠支撐企業(yè)發(fā)展面臨的功能擴(kuò)展、功能迭代變化的需求，能夠有效支撐企業(yè)業(yè)務(wù)的快速變化，而不影響基本的系統(tǒng)架構(gòu)。

適用性原則：滿足企業(yè)的個性化需求。

5.4 應(yīng)用的技術(shù)規(guī)范

本項目使用Java 開發(fā)平臺，數(shù)據(jù)庫采用Oracle/MySQL，應(yīng)用服務(wù)器采用Weblogic/SG-UPAD 框架技術(shù)。

5.5 功能設(shè)計

電網(wǎng)巡檢中應(yīng)用的無人機(jī)主要依據(jù)平臺來進(jìn)行分類，其中主要包含以下幾類，分別是固定翼、大中小型的無人機(jī)（通常是電動多旋翼）。飛行速度比較快、續(xù)航時間比較長且有著極廣的作業(yè)范圍是固定翼無人機(jī)最主要的特點，而其缺點是很難實現(xiàn)定點懸停的觀測與照相，并且起降的條件也較為苛刻。現(xiàn)階段，可靠且成熟的大中型無人機(jī)較為稀缺，但是電動多旋翼的無人機(jī)因集成技術(shù)的難度比較低，所以我國此類機(jī)型的生產(chǎn)廠家相對更多，并且該類無人機(jī)有著低成本、易攜帶、高集成和易維護(hù)等優(yōu)點，缺點則為載荷偏小且巡航時長較短。因為我國配電系統(tǒng)中設(shè)備數(shù)量較多且設(shè)備之間的距離比較小，同時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，所以借助小型的無人直升機(jī)來進(jìn)行配電網(wǎng)架空輸電線路的無人機(jī)綜合巡檢有著極為顯著的優(yōu)勢。

在巡檢架空電線路設(shè)備運(yùn)行情況時，使用無人機(jī)技術(shù)以減輕巡線員工的作業(yè)負(fù)擔(dān)。通過可見光或者熱紅外等查找故障點及其他異常情況。紅外熱成像無人機(jī)技術(shù)，不損傷檢測對象即可獲取檢測對象的實時動態(tài)，可減少人工誤差，適于高溫、低溫、雨天等環(huán)境。利用無人機(jī)可見光傳感器獲得線路設(shè)備和通道的可見光影像，通過提取相應(yīng)的特征和模板，從而實現(xiàn)電力線路巡檢中桿塔、導(dǎo)地線、絕緣子和金具狀態(tài)的自動識別和檢查。

搭建無人機(jī)調(diào)度平臺，主要通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控?zé)o人機(jī)的運(yùn)行情況，解決現(xiàn)有的無人機(jī)只能通過現(xiàn)場來觀看無人機(jī)數(shù)據(jù)的不足。平臺具備擴(kuò)展功能，可以使用在排泥庫巡庫和赤泥壩巡壩工作中。

6 結(jié)語

架空輸電線路無人機(jī)巡檢研究及應(yīng)用項目建設(shè)整體上符合項目前期規(guī)劃設(shè)計內(nèi)容的需要，滿足中國鋁業(yè)公司廣西分公司熱電廠的業(yè)務(wù)需要，能夠較好地支撐熱電廠架空輸電線路巡檢業(yè)務(wù)開展，通過無人機(jī)技術(shù)能夠有效減少巡檢人員工作量，保障生產(chǎn)安全、巡檢安全。生產(chǎn)使用部門要嚴(yán)格按照操作說明進(jìn)行作業(yè)，發(fā)現(xiàn)異常及時與供應(yīng)商技術(shù)人員聯(lián)系，無人機(jī)巡檢屬于系統(tǒng)性的專業(yè)技術(shù)，切勿讓未經(jīng)過培訓(xùn)的人員獨自操作。整合現(xiàn)有開發(fā)團(tuán)隊技術(shù)能力，設(shè)立專門的用戶交互技術(shù)小組，通過有前端開發(fā)工作經(jīng)驗的開發(fā)人員帶領(lǐng)，形成自己的交互體驗理論，培養(yǎng)后續(xù)有此能力的人員。