提高潘大水庫無人機巡檢系統(tǒng)應用水平的思考

曹春陽，程麒安

（海河水利委員會引灤工程管理局，天津 300202）

2023年是引灤入津工程通水40周年，截至2022年底，引灤樞紐工程已累計供水451億m3，有效緩解了沿線水資源短缺的情況，進一步改善了水生態(tài)環(huán)境，為天津、唐山兩市經(jīng)濟社會發(fā)展提供了堅實的水資源支撐。

引灤工程管理局（以下簡稱引灤局）作為引灤工程中潘家口水庫與大黑汀水庫（以下簡稱潘大水庫）的管理單位，積極采用先進技術方法保護好引灤入津、入唐的水源地，創(chuàng)新庫區(qū)監(jiān)管新模式，建立潘大水庫無人機智能巡檢系統(tǒng)，守護庫區(qū)一汪清水。無人機智能巡檢系統(tǒng)在潘大水庫高效運行，提升了引灤科技新水平。

1 潘大水庫無人機智能巡檢系統(tǒng)的運行情況

潘家口水庫位于河北省唐山市與承德市的交界處，壩址以上控制面積33 700 km2。大黑汀水庫位于唐山市遷西縣城北5 km 的灤河干流上，控制流域面積35 100 km2，其中潘家口與大黑汀水庫之間流域面積1 400 km2。大黑汀水庫壩址以上控制面積占灤河總流域面積的79%。潘大水庫兩側(cè)山峰陡峭，怪石如林，十分險峻，海拔高度為200～680 m。

潘大水庫位于灤河干流，作為大型水庫工程對于灤河防洪體系十分重要，特別是2021 年，海河流域遭遇百年罕見夏秋連汛，灤河發(fā)生1號洪水，引灤局科學調(diào)度潘大水庫，充分發(fā)揮了樞紐的防洪減災作用。同時，潘大水庫作為引灤入津、入唐輸水工程的重點水庫，肩負著為天津、唐山兩市供水的重任?；谂舜笏畮熘匾姆篮楹凸┧饔?，需要加強巡檢工作，保障水庫防洪排澇和補水供水能力。

潘大水庫無人機智能巡檢系統(tǒng)是引灤局2022年為推動新階段引灤水利高質(zhì)量發(fā)展、構建水庫數(shù)字孿生體系、提升智慧化管理水平而建設實施的重點項目，該系統(tǒng)具有全自動作業(yè)能力，能夠為水庫防汛、工程檢查、河湖監(jiān)管、水事巡檢等提供智能化服務。該系統(tǒng)主要由無人機、控制系統(tǒng)、機庫、任務荷載、中繼站5個部分組成，無人機控制信號覆蓋整個潘大水庫管理區(qū)，無人機攝錄的影像資料通過圖斑解譯后能夠為河湖監(jiān)管、水行政執(zhí)法等工作提供更加全面、準確、清晰的影像依據(jù)，解決山區(qū)水庫因陸路、水路不通而造成的隱蔽違法違規(guī)水事行為很難被發(fā)現(xiàn)的問題。該系統(tǒng)的建立也標志著潘大水庫水陸空三位一體河湖巡查監(jiān)管體系全面建成，實現(xiàn)了庫區(qū)監(jiān)管的可視化、智能化、高效化。

2 潘大水庫無人機智能巡檢系統(tǒng)取得的成效

謀科技就是謀未來，抓創(chuàng)新就是抓發(fā)展。引灤局以改革創(chuàng)新為發(fā)展動力，加快推進了科技強局步伐，全面提升了管理水平，助推引灤事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

2.1 創(chuàng)新驅(qū)動，凝聚智能

近年來，引灤局轉(zhuǎn)變觀念，銳意進取，以高水平管理和高質(zhì)量發(fā)展為導向，走創(chuàng)新驅(qū)動之路，與時代發(fā)展同頻共振，與科技創(chuàng)新深度融合，集全局智慧，統(tǒng)籌項目建設、科技引領、體制機制創(chuàng)新，推動科技創(chuàng)新精神在潘大水庫落地生根。

2022 年，引灤局大力推進智慧水利和數(shù)字孿生引灤樞紐建設，在此背景下建成潘大水庫無人機智能巡檢系統(tǒng)，為提升引灤治理能力和高質(zhì)量發(fā)展提供了科技動力。

2.2 革故鼎新，補短增效

為了提升潘大水庫河湖監(jiān)管水平，補足短板問題，下好“先手棋”，引灤局及時轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)觀念，在管理方式上發(fā)力，向前瞻性、高效性管理方法轉(zhuǎn)變，贏得了發(fā)展主動。

隨著潘大水庫河湖監(jiān)督體系基本建立，通過河湖巡查發(fā)現(xiàn)和處置庫區(qū)“四亂”問題維護水事秩序成為引灤局庫區(qū)日常管理的重要任務。傳統(tǒng)巡查方式主要以人工為主，每年投入幾百人次和幾十萬元開展此項工作，由于巡查重復性工作多，重要崗位技術骨干無法抽身開展其他技術工作，造成大量的人力、財力浪費，這種巡查模式制約了引灤局高效管理水平的提升。

2021 年11 月，引灤局在開展河湖管理和“清四亂”工作時提出“優(yōu)化巡查方式，科技提高效能”的創(chuàng)新理念，確定了河湖管理精細化、庫區(qū)巡檢降本增效的主導思想。在充分論證調(diào)研的基礎上，完成“利用無人機開展河湖巡查”的頂層構想和初步設計。

2.3 科技賦能，提效領先

“惟創(chuàng)新者進，惟創(chuàng)新者強，惟創(chuàng)新者勝?！?022年12月，潘大水庫無人機智能巡檢系統(tǒng)全部建成并投入試運行。該系統(tǒng)實現(xiàn)了水庫河湖管理與信息技術的深度融合，巡檢路線科學、視頻影像清晰、圖斑目標精準，在引灤局成功構建了空地一體、全面精準、智慧高效的庫區(qū)監(jiān)管體系，達到無人機在潘大水庫全域巡檢的目的。

該系統(tǒng)利用固定翼無人機在180 km2范圍內(nèi)山區(qū)峽谷型水庫開展長時間巡檢，通過對視頻數(shù)據(jù)成果的技術處理，分析研判圖斑變化，實現(xiàn)了庫區(qū)河湖“四亂”問題的精準識別，完全替代了傳統(tǒng)的人工巡檢方式，傳統(tǒng)方式下需要20人用一周時間完成的河湖巡查任務現(xiàn)在可以在半天內(nèi)高效完成，并可精準定位“四亂”問題點位，第一時間獲取相關信息，同時為突發(fā)事件處置贏得時間，真正意義上實現(xiàn)了水庫監(jiān)管的智能化、高效化。目前，該系統(tǒng)在全國水利系統(tǒng)屬業(yè)內(nèi)領先水平，為提升引灤局管理水平發(fā)揮了重要作用。

2022年7月、2023年，潘大水庫無人機智能巡檢系統(tǒng)先后參與了引灤局2 次大規(guī)模防汛演習。同時，在2023 年日常巡檢工作中，引灤局通過無人機智能巡檢系統(tǒng)解譯出來的成果發(fā)現(xiàn)新增“四亂”問題數(shù)十處，其中燕子峪新建養(yǎng)豬場、椴木峪村庫岸施工侵占庫容等問題剛一出現(xiàn)苗頭就被該系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)，局工作人員第一時間趕到現(xiàn)場確認并進行制止。

3 潘大水庫無人機智能巡檢系統(tǒng)面臨的問題及應對

潘大水庫無人機智能巡檢系統(tǒng)是新技術應用實踐類項目、智能化河湖巡檢系統(tǒng)應用嘗試的成功案例。該系統(tǒng)在全國水利系統(tǒng)屬業(yè)內(nèi)領先水平，可參照經(jīng)驗較少，但在建設過程中，遇到了一些沒有經(jīng)歷過的問題還是得到了較好的解決，包括無人機的注冊、空域申請以及空域保障；距離機庫較近的高山阻擋訊號傳輸；潘大水庫整片庫區(qū)巡檢范圍大；巡檢數(shù)據(jù)的處理；巡檢系統(tǒng)的日常管理和操作等問題。

3.1 空域申請，提前籌劃

我國對空域有著嚴格的管理，無人機巡檢系統(tǒng)應用需要空域申請。我國境內(nèi)凡是擁有航空器的單位、個人和與飛行有關的人員及其飛行活動，必須實施飛行管制，由中國人民解放軍空軍統(tǒng)一組織實施，各有關飛行管制部門按照各自的職責分工提供空中交通管制服務。

2022年11月，引灤局完成潘大水庫智能巡檢無人機向民航局的報備工作，使無人機有了自己的注冊信息和二維碼，同時向唐山、承德庫區(qū)各縣公安局進行了登記報備。在此基礎上，完成無人機空域申請，確保了其在規(guī)劃時間內(nèi)的巡檢任務具有飛行許可資質(zhì)，此外在每天飛行之前申請當天飛行的空域時間。

3.2 高山阻擋，建中繼站

在潘家口庫區(qū)最下端靠近大壩的位置有潘大水庫整片庫區(qū)的最高峰，該山會阻擋無人機在潘家口水庫巡檢過程中的訊號傳輸。為此，在該山的山頂建設中繼站，可實現(xiàn)潘大水庫全域信號無阻擋，保證潘大水庫信號全覆蓋，解決大面積、遠距離實時數(shù)據(jù)獲取和回傳問題。選址主要考慮以下因素：通信要求、基礎建設、電網(wǎng)通暢、設備安裝可行性。潘大水庫面積大、巡航距離長，通過架設在庫區(qū)最高峰的長距離中繼站解決了信號傳輸問題，是本項目新技術利用的關鍵點之一。

3.3 庫區(qū)遼闊，巡檢規(guī)劃

無人機巡檢需要沿著庫區(qū)河道飛行1 個來回。潘大水庫庫區(qū)巡檢范圍，如圖1 所示。潘家口水庫庫區(qū)從大壩到石佛直線距離31.8 km，無人機沿河道飛行的距離單程則有67.8 km。從潘家口水庫到大黑汀水庫庫區(qū)盡頭引灤隧洞處直線距離20.4 km，無人機沿河道飛行的距離單程則有26 km。潘大水庫庫區(qū)面積大、巡檢距離長，需要考慮如何省時省力地巡檢整片庫區(qū)。為了科學、合理地巡檢潘大水庫庫區(qū)，在潘大水庫無人機智能巡檢系統(tǒng)建設過程中，引灤局做了3個方面的工作：選擇合適的無人機機型，修建機庫和合理規(guī)劃航線。

圖1 潘大水庫庫區(qū)巡檢范圍

3.3.1 無人機型，精心挑選

目前，市面上適合用來進行巡檢的無人機分為多旋翼無人機和垂直起降固定翼無人機2種。

多旋翼無人機起降靈活，機庫所占空間小；缺點是建庫數(shù)量多，維護不便，由于受載荷、電池容量以及圖傳功率消耗的影響，續(xù)航時間更短、飛行高度不高（一般在相對高度100 m 左右）、圖傳信號較差，作業(yè)范圍相對較小。多旋翼無人機巡航速度一般能達到15 m/s，安全續(xù)航時間40 min，最多巡航36 km，往返18 km，明顯不符合潘大水庫庫區(qū)的巡檢要求。

與之相比，垂直起降固定翼無人機采用1 庫1機，方便維護，續(xù)航時間長，覆蓋范圍大，圖傳信號強；缺點是飛機尺寸大，機庫比較大，從技術層面要求更高。由于固定翼無人機巡航速度為70 km/h、續(xù)航能力為2 h，所以1架固定翼無人機即可滿足巡航需要。

3.3.2 合理選址，修建機庫

機庫選址主要考慮以下因素：基礎建設便利，無人機適航安全，電、網(wǎng)通暢。

機庫位置選址時，在考察管理單位附近多處地點后，考慮到飛行操作安全無干擾、方便日后管理等因素，最終選址在引灤局游泳池西南角處。這里地勢較低，但是視野開闊，周邊無輸電線路和人員聚集地；建設游泳館時進行過基礎硬化，基礎已充分沉降穩(wěn)定，且有隔離防護欄。機庫電源從臨近配電箱引出電纜，套管保護后鋪設在地面下；通信光纜沿游泳池至附近樓頂架空引至控制室，采用專線，確保網(wǎng)絡安全。

自動機庫可實現(xiàn)無人機起降全過程無人化，完成對無人機的自動收納存放、無人機電池的自動充電、對起降地周邊環(huán)境的監(jiān)控感知、無人機鏈路數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)。

3.3.3 規(guī)劃航線，分區(qū)巡檢

為了實現(xiàn)對河湖監(jiān)管要素的自主巡檢，需要規(guī)劃好無人機巡檢作業(yè)的航線，根據(jù)巡檢航線進行飛行路徑的智能規(guī)劃，并實現(xiàn)無人機的復合避障。根據(jù)河湖監(jiān)管要素的布置特點及巡檢要求，規(guī)劃巡檢路線，規(guī)范巡檢工作，實現(xiàn)巡檢部位全覆蓋。

考慮到巡檢需要和無人機續(xù)航能力，將潘大庫區(qū)劃分為三部分，共設計3 條航線——大黑汀水庫庫區(qū)1條，潘家口水庫下半部分1條、上半部分1條。無人機飛行1個架次沿1條航線巡檢1塊區(qū)域，大致用時90 min，5 h即可完成庫區(qū)全域巡檢。

3.4 數(shù)據(jù)管理，成果共享

通過收集整理灤河流域衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，建立一期衛(wèi)星影像數(shù)字場景作為數(shù)據(jù)底圖，以無人機智能巡檢系統(tǒng)第一期拍攝的影像數(shù)據(jù)作為潘大水庫監(jiān)管問題解譯數(shù)據(jù)基礎，可疊加后期航攝影像進行多期數(shù)據(jù)對比分析。根據(jù)歷史影像、水庫基礎數(shù)據(jù)、監(jiān)管數(shù)據(jù)和“四亂”問題等，建設潘大水庫監(jiān)管“一張圖”，主要包括數(shù)據(jù)庫建設和平臺建設，數(shù)據(jù)庫建設對空間基礎數(shù)據(jù)、“四亂”專題數(shù)據(jù)、用戶信息和坐標系統(tǒng)進行管理，平臺建設主要應用功能包括三維綜合瀏覽、圖層管理、信息查詢、空間量算、數(shù)據(jù)管理、用戶權限管理和成果共享。

對無人機航攝影像進行空三加密、正射糾正、勻光勻色、鑲嵌等處理，制作數(shù)字正射影像圖（DOM），以DOM 為底圖并進行捕魚、違規(guī)排放、防汛監(jiān)測以及“亂占、亂采、亂堆、亂建”等問題解譯，與前期數(shù)據(jù)進行疊加分析，判斷庫區(qū)岸線及水體變化情況。無人機巡檢數(shù)據(jù)利用大型服務器和軟件進行解譯，解譯成果按時移交使用。截至2023 年上半年，已經(jīng)完成4期無人機巡檢數(shù)據(jù)解譯工作。

3.5 編制規(guī)程，嚴格管理

為了加強潘大水庫無人機智能巡檢系統(tǒng)的管理，依法依規(guī)開展庫區(qū)巡檢，引灤局編制完成《潘大水庫無人機智能巡檢系統(tǒng)管理辦法》（以下簡稱《辦法》）《潘大水庫無人機智能巡檢系統(tǒng)安全操作規(guī)程》（以下簡稱《規(guī)程》）。

引灤局高度重視做好《辦法》《規(guī)程》編制相關工作。在工作實踐、參加相關培訓的基礎上，根據(jù)《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》等相關法律法規(guī)規(guī)定，結(jié)合工作實際，按照《辦法》編制新要求，梳理匯總了編制依據(jù)，明確了潘大水庫無人機智能巡檢系統(tǒng)管理和使用的相關職責、權限和問責，以《辦法》做好無人機巡檢設備的硬件管理。為切實使用好潘大水庫無人機智能巡檢系統(tǒng)，保證巡檢系統(tǒng)的正常運行、使用，進一步規(guī)范工作程序，調(diào)整優(yōu)化完善各項機制，參考各類工作規(guī)程，結(jié)合工作實際，引灤局制定印發(fā)《規(guī)程》，以此來規(guī)范工作人員的日常操作，做好巡檢系統(tǒng)的“軟件管理”，確保巡檢工作有力有序有效進行。

4 推進無人機智能巡檢系統(tǒng)應用的建議

4.1 智能巡檢，依法實施

無人機是智能巡檢的主要裝備，國務院、中央軍委日前公布《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》，自2024 年1 月1 日起施行?！稐l例》對無人駕駛航空器從設計生產(chǎn)到運行使用進行全鏈條管理，著力構建科學、規(guī)范、高效的無人駕駛航空器飛行及相關活動管理制度體系，為防范化解無人駕駛航空器安全風險、助推相關產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展提供有力法治保障。國家在確保安全的前提下積極創(chuàng)新空域供給和使用機制，完善無人駕駛航空器配套基礎設施和服務體系。無人機智能巡檢單位要遵從無人駕駛航空器管理法律法規(guī)，增強單位和人員依法開展無人駕駛航空器的意識，按照要求辦理許可證、注冊信息和二維碼、進行無人機保險、培訓人員、申請空域，之后方可進行空中活動。

4.2 多機協(xié)同，數(shù)據(jù)共享

目前，無人機著重開展河湖管理、水政執(zhí)法、水污染防治、應急救援、災情查勘、工程管理等業(yè)務，利用無人機巡檢已經(jīng)成為新趨勢，引灤局根據(jù)河湖管理、水政執(zhí)法等業(yè)務需求配置了多架無人機。未來無人機巡檢將成為功能定位清晰、操作規(guī)范健全、作業(yè)模式科學、裝備配置合理、巡線效果顯著的常態(tài)化業(yè)務。為此，要加強操作規(guī)范建設，規(guī)范無人機巡檢作業(yè)操作、入網(wǎng)檢測、運行維護、數(shù)據(jù)處理等全過程業(yè)務，提升巡檢數(shù)據(jù)處理、分析、應用水平，提高作業(yè)效率和效果；要對無人機巡線業(yè)務進行頂層設計，緊密圍繞線路運維需求，差異化配置無人機開展作業(yè)；要建立信息資源共享交流機制，可根據(jù)工作任務，對單機、多機進行調(diào)度，優(yōu)化路徑規(guī)劃、跟蹤和定位，實現(xiàn)協(xié)作配合、資源共享。

4.3 巡檢設備，定期維護

自主巡檢系統(tǒng)重要的設備需要定期檢修，避免因長時間使用造成的損壞。無人機電池是其能量來源,每次使用無人機前務必檢查電池的電量和外觀是否正常,并保持電池存儲時干燥,避免過高或過低的溫度。螺旋槳是無人機飛行的關鍵部件，應定期檢查它們的狀態(tài)，檢查其是否有裂痕或變形，如果有應及時更換。無人機日常維護是確保無人機長期穩(wěn)定運行的關鍵。此外，要定期檢查機庫設備及外觀、監(jiān)控設施、中繼站設備等并做好維護記錄。每次飛行前，要保證飛機各部件無損壞，飛機裝配所有部件正常連接，平飛動力電機安裝緊固，平飛動力螺旋槳緊固、無損壞，機翼中端安裝緊固，空速管無損壞、堵塞，機翼鎖扣扣緊，舵機無卡齒，舵面無損壞，旋翼機臂無損壞、鎖緊，旋翼電機安裝緊固，旋翼螺旋槳無損壞、鎖緊，尾翼連接安裝緊固，水平尾翼固定螺絲鎖緊，機身外部天線緊固，電池安裝緊固、到位。注意這些事項并做好維護工作，可以使無人機使用壽命更長、飛行更安全可靠。

4.4 培養(yǎng)人才，建設隊伍

國家“十四五”新型基礎設施建設規(guī)劃明確提出，要推動大江大河大湖數(shù)字孿生、智慧化模擬和智能業(yè)務應用建設。河湖監(jiān)管智能化巡檢是數(shù)字孿生水利建設的重要組成部分。在數(shù)字孿生水利建設的新形勢下，水利人才培養(yǎng)也面臨著一系列重大挑戰(zhàn)，需要建立創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，加快建設高素質(zhì)專業(yè)化人才隊伍，全面提升智慧水利專業(yè)技術人才隊伍技術水平，進一步推動智慧水利建設。

5 結(jié)語

通過建設潘大水庫無人機智能巡檢系統(tǒng)，能夠為河湖監(jiān)管、水行政執(zhí)法等工作提供更加全面、準確、清晰的影像依據(jù)，解決了水庫山區(qū)因交通不便而造成的隱蔽違法違規(guī)水事行為很難被發(fā)現(xiàn)的問題。該系統(tǒng)的建立也標志著引灤局水陸空三位一體河湖巡查監(jiān)管體系全面建成，實現(xiàn)了庫區(qū)監(jiān)管的可視化、智能化、高效化，為潘大水庫庫區(qū)智能監(jiān)管提供了技術支撐，進一步提升了潘大水庫數(shù)字化、智能化管理水平。