小型多旋翼無人機(jī)在線路故障巡視的應(yīng)用探討

貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司畢節(jié)供電局 莫 剛

小型多旋翼無人機(jī)在線路故障巡視的應(yīng)用探討

貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司畢節(jié)供電局 莫 剛

我國輸電線路分布范圍廣，距離長，且大多處于山區(qū)地帶，走廊地形復(fù)雜，交叉跨越多。而現(xiàn)有的線路巡視方法一般采用人工巡檢為主，運維人員工作量大，強(qiáng)度高，容易發(fā)生人身安全事故。小型多旋翼無人機(jī)具有良好的機(jī)動性和操控性，本文就小型多旋翼無人機(jī)在線路故障巡視的應(yīng)用進(jìn)行探討。

無人機(jī)；線路故障；巡視

1. 引言

輸電線路跨區(qū)域分布，點多面廣，所處地形復(fù)雜，自然環(huán)境惡劣，輸電線路設(shè)備長期暴露在野外，受到持續(xù)的機(jī)械張力、雷擊閃絡(luò)、材料老化、覆冰以及人為因素的影響而產(chǎn)生倒塔、斷股、磨損、腐蝕、舞動等現(xiàn)象，這些情況若沒有及時發(fā)現(xiàn)并修復(fù)，將對電網(wǎng)運行產(chǎn)生巨大威脅。

傳統(tǒng)的巡線方式已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代電力系統(tǒng)的廣泛需求。針對高壓輸電線路的運行管理模式和常規(guī)作業(yè)方式，傳統(tǒng)的人工巡線方法不僅工作量大而且條件艱苦，特別是對山區(qū)和跨越大江大河的輸電線路的巡查，以及在冰災(zāi)、水災(zāi)、地震、滑坡、夜晚期間巡線檢查，所花時間長、人力成本高、困難大，某些線路區(qū)域和某些巡檢項目人工巡查方法目前還難以完成。遇到電網(wǎng)緊急故障和異常氣候條件等情況，線路維護(hù)人員不具備有利的交通優(yōu)勢，利用望遠(yuǎn)鏡或肉眼來巡查設(shè)施。傳統(tǒng)巡線方式已經(jīng)不能滿足電網(wǎng)高效巡線的要求，新興起的電力無人機(jī)巡線卻有著傳統(tǒng)巡線無可比擬的優(yōu)勢，完美的解決了傳統(tǒng)巡線中所遇到的困難。

2. 固定翼無人在電力巡線的應(yīng)用

固定翼無人機(jī)是無人機(jī)發(fā)展中歷史最悠久、最成熟的一類。

固定翼無人機(jī)的普遍特點是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜性低、飛行速度高、載重量大、操縱簡便、自主性強(qiáng)、續(xù)航時間長、維護(hù)性好、可在各個空域高度飛行。其不足是：起飛／著陸需要專用場地或?qū)Ｓ迷O(shè)備(如彈射機(jī)構(gòu)、回收攔阻網(wǎng))；此外，由于空

氣動力學(xué)特性，固定翼無人機(jī)必須以一定的速度飛行(隨機(jī)型和載重不同)才能維持其升力。因而，不適合于低空慢速巡檢查，視頻拍攝效果難以保證。對線路可疑點無法進(jìn)行連續(xù)的視頻和圖像拍攝。

3. 小型多旋翼無人機(jī)在電力巡線的應(yīng)用

多旋翼無人機(jī)的旋翼為非共軸對稱布局(如兩、四、六、八旋翼多種)。多旋翼無人機(jī)技術(shù)非常先進(jìn)[1]，雖然采用電池驅(qū)動，巡航距離短，負(fù)載輕，但是它的體積小巧輕便，容易攜帶，危險性非常小。采用高容量的鋰聚合物電池，其巡航能力和負(fù)載能夠滿足輸電線路故障巡查工作要求，適用大規(guī)模場景航拍等各類工程應(yīng)用[2]。

多旋翼無人機(jī)具備高空、遠(yuǎn)距離、快速、自行作業(yè)的能力，可以穿越高山、河流對輸電線路進(jìn)行快速巡線，對架空線的鐵塔、支架、導(dǎo)線、絕緣子、防震錘、耐張線夾、懸垂線夾等進(jìn)行全光譜的快速攝像和故障監(jiān)測。多旋翼無人機(jī)作業(yè)可以大大提高輸電維護(hù)和檢修的速度和效率，使許多工作能在完全帶電的環(huán)境下迅速完成。因此，無人機(jī)巡線方式無疑是一種安全、快速、高效、前途廣闊的巡線方式[3]。

4. 小型多旋翼無人機(jī)識別線路故障的關(guān)鍵技術(shù)

無人機(jī)巡視線路的工作流程可分為兩部分，線路照片拍攝和照片分析，線路照片拍攝由無人機(jī)攜帶的任務(wù)設(shè)備完成，照片分析由圖像輔助分析系統(tǒng)完成。

小型多旋翼無人機(jī)作為搭載平臺，搭載供電設(shè)備、檢測設(shè)備、控制設(shè)備等硬件設(shè)施到達(dá)空中完成指定作業(yè)。無線通信鏈路包括無線圖傳、無人機(jī)遙控、相機(jī)無線遙控等三種數(shù)據(jù)，分別實現(xiàn)實時視頻傳輸、飛行操控、遙控拍攝照片。地面站由地面終端（可以為車載終端、便攜式終端等）、遙控和飛巡裝置等構(gòu)成，完成無人機(jī)控制、目標(biāo)的巡視、數(shù)據(jù)采集、實時視頻展示等功能，并在野外現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，判斷巡視結(jié)果，同時將處理結(jié)果及原始圖片等信息通過GPRS／3G／4G 網(wǎng)絡(luò)上傳監(jiān)控中心以作進(jìn)一步的分析和存儲。

小型多旋翼無人機(jī)通過可見光、紅外等攝像設(shè)備對電力線路進(jìn)行拍照，可稱為素材采集，素材收集需對線路進(jìn)行連續(xù)拍照，該過程的關(guān)鍵技術(shù)涉及飛行控制技術(shù)、機(jī)體穩(wěn)定控制技術(shù)、數(shù)據(jù)鏈通訊技術(shù)、現(xiàn)代導(dǎo)航技術(shù)、智能避障技術(shù)和快速對焦攝像技術(shù)等，目前已經(jīng)有較多商業(yè)化的航拍用小型多旋翼無人機(jī)，技術(shù)也比較成熟。得益于先進(jìn)的飛控技術(shù)，小型多旋翼無人機(jī)的操控變得越來越簡單可靠；巡線人員現(xiàn)場觀察到疑似故障點后，可操控小型多旋翼無人機(jī)對故障點進(jìn)行多角度拍攝，收集到的照片可用于之后的故障分析。

素材收集完畢后，在臺式電腦上對線路圖片進(jìn)行查看分析，判別線路是否存在故障點；一條線路巡檢下來獲得的照片數(shù)量是巨大的，如果用人工查看的方式，效率低下并且受人影響的因素較大，可能會忽視一些細(xì)小的故障點，這時需要利用圖像輔助分析系統(tǒng)提高圖片分析的效率和質(zhì)量。圖像輔助分析系統(tǒng)可對采集到的線路照片進(jìn)行批量處理，從中分析出線路存在的故障點并生成故障報告，再經(jīng)人工審核確定。針對不同故障類型，圖像分析算法也不一樣。

以絕緣子缺陷檢測為例，針對航拍圖像背景復(fù)雜的特點，絕緣子的分割至關(guān)重要。結(jié)合絕緣子整串的形狀特征，利用閾值分割和邊緣檢測的方式可實現(xiàn)對絕緣子串快速定位[4]。目前多利用其顏色特征和閾值分割算法對其進(jìn)行分割提取，同時結(jié)合形態(tài)學(xué)特征、遺傳算法和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，可實現(xiàn)絕緣子缺陷檢測。

5. 小型多旋翼無人機(jī)巡線優(yōu)點

(1)進(jìn)行高壓輸電線路故障點的快速查找和架空線路高空巡檢作業(yè)，高效地排查可疑故障點，發(fā)現(xiàn)和確定故障點。

(2)減少登塔高空作業(yè)及帶電作業(yè)次數(shù)，通過人員在地面操作航模機(jī)，多角度拍攝視頻和高清晰照片，實現(xiàn)高空檢查，便于快速開展?fàn)顟B(tài)檢修。

(3)較適用于具體區(qū)段、局部設(shè)備的快速反應(yīng)故障巡查。使用方便、成本低、體積小、安全性強(qiáng)、維護(hù)費用較低，具有強(qiáng)大的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。

(4)智能定點懸停在線路金具、絕緣子上方進(jìn)行局部檢測，方便快捷。減少人工線路巡視的勞動強(qiáng)度和時間。尤其是進(jìn)行山區(qū)、跨河及惡劣環(huán)境下的線路巡視，其優(yōu)勢凸顯。

(5)無人機(jī)通過攜帶陀螺穩(wěn)定的可見光監(jiān)視器和紅外線成像儀等設(shè)備，對輸電線路進(jìn)行錄像和檢測，實現(xiàn)自動巡視，解決復(fù)雜地形巡視難、診斷難的問題，替代人工實現(xiàn)危險區(qū)域作業(yè)，改變?nèi)斯ぱ惨暿茏匀画h(huán)境、地形、觀測角度局限的局面。

6. 發(fā)展前景

隨著無入機(jī)技術(shù)的的不斷進(jìn)步，將多旋翼無人機(jī)引入輸電線路巡視領(lǐng)域，特別適用于具體區(qū)段、局部設(shè)備的快速反應(yīng)故障巡查，其價格低廉、飛機(jī)和操作完全掌握在運行單位手中，這些優(yōu)勢使多旋翼無人機(jī)對于高壓輸電線路乃至特超高壓線路的故障排查和巡查，具有強(qiáng)大的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景，正逐步受到國家電網(wǎng)公司各個部門的重視，這種方式將成為輸電線路運行維護(hù)工作的未來發(fā)展方向之一。

[1]楊成順,楊忠,葛樂等.基于多旋翼無人機(jī)的輸電線路智能巡檢系統(tǒng)[J].濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,27(4):358-362.

[2]代君,管宇峰,任淑紅等.多旋翼無人機(jī)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢探討[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,32(16):22-24.DOI:10.3969/ j.issn.1673-260X.2016.16.008.

[3]湯明文,戴禮豪,林朝輝等.無人機(jī)在電力線路巡視中的應(yīng)用[J].中國電力,2013,46(3):35-38.DOI:10.3969/j.issn.1004-9649.2013.03.008.