無人機(jī)在輸電線路巡檢領(lǐng)域應(yīng)用綜述

劉越 王萬國（山東魯能智能技術(shù)有限公司）

我國輸電線路歷程長，分布廣泛，途徑的地理環(huán)境復(fù)雜的情況，人工巡檢效率低。通過將無人機(jī)巡檢技術(shù)引入到輸電線路巡檢，提高了輸電線路巡檢效率。本文對(duì)無人機(jī)在輸電線路巡檢領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行介紹，對(duì)巡檢用的無人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了分類，并對(duì)無人機(jī)智能巡檢技術(shù)在輸電線路巡檢領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會(huì)用電量逐年增加，為滿足日益增長的用電需求，國家加快了高壓輸電線路的建設(shè)，尤其是特高壓線路的建設(shè)。截至2016年底，已建成并投運(yùn)的220kV以上的高壓輸電線路達(dá)170萬千米，輸電線路的日常巡檢及維護(hù)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。輸電線路地理環(huán)境復(fù)雜，經(jīng)常地處山區(qū)、丘陵、高原、高寒、跨越河流等環(huán)境中，巡檢難度大，傳統(tǒng)人工巡檢方式已無法滿足日常巡檢需求。隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)巡檢作業(yè)巡檢技術(shù)作為一種新型的巡檢模式被引入到輸電線路的日常巡檢工作中。

無人機(jī)巡檢系統(tǒng)組成與分類

輸電線路巡檢無人機(jī)系統(tǒng)主要由無人機(jī)平臺(tái)、地面站控制系統(tǒng)、載荷及數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成。在執(zhí)行輸電線路巡檢時(shí)，根據(jù)巡檢任務(wù)內(nèi)容選擇無人機(jī)平臺(tái)及采集設(shè)備。無人機(jī)系統(tǒng)通過搭載任務(wù)載荷、數(shù)據(jù)采集設(shè)備，通過地面站控制無人機(jī)沿輸電線路進(jìn)行飛行、巡檢、采集線路狀態(tài)數(shù)據(jù)信息。

固定翼無人機(jī)巡檢平臺(tái)

固定翼無人機(jī)平臺(tái)主要包括機(jī)身、機(jī)翼、尾翼、起落架和電機(jī)。平臺(tái)通過搭載可見光相機(jī)或攝像機(jī)，配備用于長距離傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸模塊與圖像傳輸模塊，構(gòu)成固定翼無人機(jī)巡檢系統(tǒng)。固定翼無人機(jī)適用于對(duì)線路大環(huán)境進(jìn)行偵察，其飛行控制系統(tǒng)較為精準(zhǔn)。固定翼無人機(jī)特點(diǎn)在于續(xù)航時(shí)間長、飛行距離遠(yuǎn)、飛行速度快（一般為80～120m/h）、飛行高度高，主要攜帶照相機(jī)和攝像機(jī)對(duì)輸電線路進(jìn)行超視距巡檢，適用于對(duì)線路走廊、采空區(qū)、桿塔傾斜、線下樹木、違章建筑、違章作業(yè)等較大尺度對(duì)象的巡視。由于平臺(tái)不具備懸停功能且飛行高度高，導(dǎo)致拍攝的影像資料不夠細(xì)致，不能很好地了解桿塔、導(dǎo)線的本體狀況。

多旋翼無人機(jī)巡檢平臺(tái)

多旋翼無人機(jī)平臺(tái)，通常具有三個(gè)及以上的旋翼軸，每個(gè)軸上的電機(jī)帶動(dòng)旋翼產(chǎn)生升力及推力。平臺(tái)通過高精度云臺(tái)搭載可見光相機(jī)、紅外熱成像儀、傾斜攝影相機(jī)、激光掃描儀等設(shè)備組成多旋翼巡檢系統(tǒng)，可完成對(duì)輸電線路桿塔、金具、導(dǎo)線的可見光數(shù)據(jù)、紅外熱圖、激光數(shù)據(jù)等狀態(tài)信息的采集。結(jié)合圖像視覺分析技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)輸電線路各類設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)（是否存在破損、異物等）的分析；利用激光點(diǎn)云處理技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)輸電線路設(shè)備及走廊的三維重建，進(jìn)而分析存在的樹線矛盾、違章建筑的情況。多旋翼無人機(jī)巡檢作業(yè)平臺(tái)具有良好的懸停能力，可實(shí)現(xiàn)輸電線路桿塔及其附屬金具近距離、定點(diǎn)、定位的高清圖像信息采集。地面操控人員通過機(jī)載圖傳系統(tǒng)傳回地面站的視頻信息，觀察各部件的運(yùn)行狀態(tài)信息，通過操縱機(jī)載云臺(tái)與相機(jī)，完成各部件信息的精確采集。多旋翼平臺(tái)通常體積小、易操作、易攜帶，可以單人完成日常的輸電線路巡檢工作，巡檢作業(yè)效率高，較傳統(tǒng)人工巡檢方式在山區(qū)、丘陵地帶的巡檢效率提高10倍。但多旋翼平臺(tái)續(xù)航能力有限，無法完成長航時(shí)、遠(yuǎn)距離的精細(xì)化巡檢作業(yè)任務(wù)。

無人機(jī)巡檢系統(tǒng)示意圖。

輸電線路桿塔覆冰。

無人直升機(jī)巡檢平臺(tái)

（上）多旋翼無人機(jī)平臺(tái)。

（下）多旋翼無人機(jī)輸電線路采集圖像。

常用的無人直升機(jī)有單旋翼無人直升機(jī)、共軸式無人直升機(jī)。無人直升機(jī)通常具備較大的續(xù)航能力（續(xù)航時(shí)間≥2h）與載荷能力（任務(wù)載荷重量≥30kg），具備更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，可以在高原、高寒環(huán)境下完成巡檢工作。大載荷無人直升機(jī)，通過配備高精度吊艙，可同時(shí)搭載可見光采集設(shè)備及紅外熱像儀，一次輸電線路巡檢可實(shí)現(xiàn)多種類型狀態(tài)信息的采集，極大提高了巡檢作業(yè)效率。但無人直升機(jī)通常體積大，不便于運(yùn)輸，且需要多名巡檢人員協(xié)同完成巡檢工作，不利于快速展開巡檢工作。

無人機(jī)智能巡檢技術(shù)在電力巡檢中的應(yīng)用

2014～2015年，國家電網(wǎng)公司在山東、遼寧、青海、福建等10個(gè)省份地區(qū)開展了無人機(jī)、人工和有人機(jī)的協(xié)同巡檢工作，在協(xié)同巡檢的試點(diǎn)應(yīng)用過程中，確定了無人機(jī)巡檢作為常規(guī)巡檢手段的地位。隨著無人機(jī)巡檢技術(shù)研究的深入，巡檢系統(tǒng)在自主避障、智能采集、集中管控、數(shù)據(jù)智能化處理等領(lǐng)域取得了一定的成果，提高了無人機(jī)在巡檢領(lǐng)域的智能化水平。

無人機(jī)巡檢自動(dòng)避障技術(shù)

無人機(jī)在巡檢過程中，尤其是在執(zhí)行超視距的巡檢任務(wù)中，存在無人機(jī)碰撞導(dǎo)線及其他障礙物的危險(xiǎn)，通常無人機(jī)通過搭載雙目、激光、毫米波雷達(dá)等設(shè)備來探測(cè)巡檢路徑中可能存在障礙物，實(shí)時(shí)計(jì)算障礙物的距離及方位。

獲取到障礙物信息后，需要構(gòu)建避障決策機(jī)制，來實(shí)現(xiàn)無人機(jī)巡檢系統(tǒng)自動(dòng)避障。通過融合多種機(jī)載傳感器信息，對(duì)無人機(jī)周圍空間的環(huán)境進(jìn)行三維場景恢復(fù)，建立柱狀避障空間；利用路徑規(guī)劃算法，如A*、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法，確定避障路徑，完成巡檢過程中無人機(jī)自動(dòng)避障飛行。

無人機(jī)巡檢智能采集技術(shù)

在進(jìn)行輸電線路精細(xì)化巡檢時(shí)，需在無人機(jī)懸停狀態(tài)時(shí)由地面站操控人員手動(dòng)操控云臺(tái)及相機(jī)完成設(shè)備信息的采集。為完成精細(xì)化巡檢任務(wù)，至少需要兩名操控人員協(xié)同完成采集工作，一名負(fù)責(zé)控制無人機(jī)的飛行姿態(tài)、懸停位置等；一名負(fù)責(zé)調(diào)整云臺(tái)及相機(jī)，對(duì)桿塔及附屬金具完成信息采集。

為改善這種作業(yè)方式，提高巡檢效率，利用圖像處理及視覺伺服技術(shù)構(gòu)建智能伺服系統(tǒng)。通過攝像機(jī)獲取桿塔圖像，并依據(jù)特征提取、模板匹配、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)確定關(guān)鍵目標(biāo)在圖像中的位置及偏移量，指導(dǎo)云臺(tái)伺服機(jī)構(gòu)完成調(diào)整及拍照，完成輸電線路信息的智能采集。

表1 多種測(cè)距方式對(duì)比

（上）輸電線路智能采集系統(tǒng)。

（下）輸電線路巡檢圖像智能處理。

無人機(jī)巡檢集中管控技術(shù)

輸電線路巡檢無人機(jī)巡檢監(jiān)控的數(shù)據(jù)不僅僅是輸電線路設(shè)備的圖像信息，還需要對(duì)無人機(jī)的飛行軌跡、狀態(tài)、吊艙狀態(tài)、天氣等信息進(jìn)行集中監(jiān)控，為無人機(jī)線路巡檢的安全和可靠運(yùn)行提供技術(shù)支持。

無人機(jī)巡檢集中管控系統(tǒng)，采用支持高并發(fā)、高可靠性、分布式集群的技術(shù)架構(gòu)，通過大規(guī)模的移動(dòng)地面站管理和數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)巡檢流程的管理、巡檢設(shè)備的管理、巡檢任務(wù)的監(jiān)控、巡檢結(jié)果數(shù)據(jù)的管理、巡檢線路管理和巡檢人員的管理，可以極大地提高無人機(jī)巡檢效率，提升巡檢的管理水平，保障電網(wǎng)的安全性和可靠性。

無人機(jī)巡檢圖像數(shù)據(jù)智能處理技術(shù)

輸電線路無人機(jī)巡檢會(huì)產(chǎn)生海量的圖像數(shù)據(jù)，依靠人工方式來處理海量數(shù)據(jù)，勞動(dòng)強(qiáng)度大且效率低。利用圖像處理及模式識(shí)別手段，構(gòu)建部件自動(dòng)識(shí)別與缺陷診斷系統(tǒng)，智能化、高效率完成巡檢后圖像數(shù)據(jù)處理。目前，圖像數(shù)據(jù)智能處理技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)桿塔、絕緣子、均壓環(huán)、防震錘等部件的分類與精確定位，可以實(shí)現(xiàn)絕緣子掉片、鳥巢、異物等缺陷的診斷。

結(jié)束語

無人機(jī)巡檢相關(guān)技術(shù)在輸電領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)了輸電線路巡檢模式的創(chuàng)新，極大提高了輸電線路的巡檢效率，全面保證了輸電線路的正常運(yùn)行。通過將人工智能領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)與巡檢相結(jié)合，提升了無人機(jī)巡檢的智能化水平，引領(lǐng)了輸電線路巡檢方式的發(fā)展。 ■