機(jī)載光電吊艙在電力巡線中的應(yīng)用研究

王景致，劉 剛，袁嘉彬

(國網(wǎng)通用航空有限公司，北京 102200)

架空電力線路在我國分布區(qū)域廣，所處地形復(fù)雜多變。自然條件的變化通常會加速線路基礎(chǔ)、桿塔和導(dǎo)地線等的老化，導(dǎo)致線路故障，威脅電網(wǎng)的穩(wěn)定，并可能造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。全國每年都要投入巨大的人力、物力和財力進(jìn)行電力巡檢工作，防止電力線路出現(xiàn)故障，及時排除電力生產(chǎn)安全隱患[1]。然而，受制于極端地形和天氣，人工巡線不僅勞動強(qiáng)度大而且耗時長，無法保證及時地發(fā)現(xiàn)和處理線路問題。

為了解決上述問題，我國從20世紀(jì)80年代初開始嘗試?yán)弥鄙w機(jī)對架空輸電線路進(jìn)行巡檢和施工作業(yè)[2]。國家電力公司生產(chǎn)運(yùn)營部于1997年策劃開展直升機(jī)電力作業(yè)項目的研究，1998年3月下達(dá)項目計劃，2002年華北電網(wǎng)有限公司率先正式將直升機(jī)巡線應(yīng)用于電力巡線領(lǐng)域，內(nèi)置了紅外成像儀、可見光攝像機(jī)和電子系統(tǒng)的光電吊艙被用來進(jìn)行輸電線路的巡線工作。初期所使用的吊艙，依據(jù)用戶需求進(jìn)行加裝，但幾乎全部從國外進(jìn)口。經(jīng)過這幾年的學(xué)習(xí)并借鑒國外的先進(jìn)經(jīng)驗，我國的一些企業(yè)已經(jīng)能夠研發(fā)自己獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的光電吊艙，但與國際先進(jìn)吊艙仍有差距，因而繼續(xù)研究和優(yōu)化光電吊艙在國民經(jīng)濟(jì)的各個方面具有重要意義。

1 機(jī)載光電吊艙輸電線路巡線的優(yōu)勢

機(jī)載光電吊艙包括吊掛球形轉(zhuǎn)塔和機(jī)上控制顯示系統(tǒng)[3]。轉(zhuǎn)塔主要包括載物平臺、可見光攝像機(jī)、紅外攝像機(jī)和電子控制回路。光電系統(tǒng)固定在穩(wěn)定平臺上，陀螺穩(wěn)定平臺通過反饋調(diào)節(jié)隔離直升機(jī)上的振動，使得光學(xué)系統(tǒng)能夠?qū)﹄娏υO(shè)施進(jìn)行穩(wěn)定成像、識別和判斷，它為整個吊艙的光電系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的平臺空間。機(jī)載光電吊艙因其集成的光學(xué)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)物體的測量、光電制導(dǎo)偵查和目標(biāo)的追蹤等，因此其在軍用、準(zhǔn)軍用和民用中應(yīng)用廣泛[4]。由于光電技術(shù)的發(fā)展，GPS定位、智能導(dǎo)航、高速數(shù)據(jù)采集處理、無線通信及電子控制都能夠在吊艙中實現(xiàn)，而且操作簡單，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，且對惡劣環(huán)境的抵抗性強(qiáng)，巡檢速度快。采用機(jī)載光電吊艙巡線與傳統(tǒng)的巡線方式相比較，具有如下多方面的優(yōu)勢。

1)減小了勞動強(qiáng)度，提高了巡線效率。運(yùn)用集成的光學(xué)系統(tǒng)，采集多方面圖像數(shù)據(jù)。電力巡視全方位，降低了巡檢遺漏率。巡檢人員的人身安全也得到了保障，作業(yè)安全性得到了提高。

2)受氣候條件的影響小。人工巡線在天氣惡劣的情況下不能進(jìn)行有效的巡檢工作，而光電吊艙其光學(xué)系統(tǒng)和電子系統(tǒng)都密封于殼體內(nèi)，對于如雨、風(fēng)、雪等環(huán)境有一定的抵抗力，使電力巡線工作在相對惡劣的環(huán)境條件下仍能正常巡檢。

3)受地理環(huán)境的影響小。架空電力線路通常會穿越人煙稀少的森林、江河和高原，還會遭到自然災(zāi)害的破壞。采用人工巡線方式無法在保障安全的情況下進(jìn)行巡線工作，而光電吊艙能夠利用非接觸、低高空作業(yè)的優(yōu)勢完成巡線工作。

4)巡線速度快。直升機(jī)本身的速度遠(yuǎn)快于人工巡線方式，光電吊艙內(nèi)置攝像系統(tǒng)會快速對線路桿塔、導(dǎo)地線和金具等元器件進(jìn)行拍攝、識別，圖像數(shù)據(jù)可快速回傳或者進(jìn)行實時處理，從而提高了巡線速度。

5)準(zhǔn)確率高。采用圖像識別和跟蹤，架空輸電線路中大部分的部件，尤其是重點(diǎn)部件，可以被準(zhǔn)確地檢測出缺陷。低空飛行也能夠很好地檢測線路中自然環(huán)境條件的改變(如超高樹木、高樓房建筑)對線路安全的影響。

6)簡化了巡線過程，降低了巡線復(fù)雜度。以往巡線工作前的繁雜準(zhǔn)備得以簡化，而使用集成程度高的光電吊艙只需要操作控制臺，不需要攜帶和操作大量的儀器設(shè)備。

2 吊艙研究現(xiàn)狀及趨勢

機(jī)載光電吊艙是一個集光學(xué)、機(jī)械、電氣于一體的復(fù)雜系統(tǒng)[5]。用戶所需的穩(wěn)定精度、傳感器種類以及設(shè)備數(shù)量都對其結(jié)構(gòu)形式有一定的影響。因此，根據(jù)用戶需求的不同，吊艙的體積、質(zhì)量以及整體的結(jié)構(gòu)都會有所不同。隨著吊艙市場需求的增加，光電吊艙技術(shù)也在迅猛發(fā)展，國內(nèi)外都投入了大量的人力、財力和物力去研究新型的吊艙。

2.1 國外吊艙研究現(xiàn)狀

吊艙研究起源于發(fā)達(dá)國家，為了精確的軍事打擊，研制了具有導(dǎo)航功能的光電吊艙。目前，這些國家已經(jīng)掌握了吊艙研究的先進(jìn)技術(shù)，在吊艙領(lǐng)域中處于領(lǐng)先地位。在現(xiàn)階段中，吊艙技術(shù)已逐步向集成化和智能化的方向發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也由軍用向警用和民用拓展。

美國在海灣戰(zhàn)爭時期就使用多種機(jī)載光電吊艙，其中技術(shù)比較成熟、裝備數(shù)量最多的是馬丁馬利埃塔公司制備的夜用低空導(dǎo)航和紅外瞄準(zhǔn)系統(tǒng)——LANTIRN[6]。這是一種吊艙系統(tǒng)，它能使攻擊機(jī)在時速超過804.5 km的飛行中跟蹤并擊毀目標(biāo)。該系統(tǒng)包括AN/AAQ—13導(dǎo)航吊艙和AN/AAQ—14瞄準(zhǔn)吊艙。隨后該公司研制出了LANTIRN的變型“探路者”和“神槍手”吊艙，分別用于導(dǎo)航和瞄準(zhǔn)。在海灣戰(zhàn)爭中，英國將未經(jīng)試驗的熱成像和電視成像機(jī)載激光指示器(TIALD)系統(tǒng)交付使用，它是由英國費(fèi)蘭蒂公司、CEC傳感器有限公司和英國航空航天公司聯(lián)合研制的成果。TIALD視場為+30°～-150°，直徑為30.5 cm，長度為2.6 m，質(zhì)量為150 kg。法國、瑞典也相繼研發(fā)出了自己的光電吊艙。以色列通過與美國諾思羅普·格魯曼公司的合作，研發(fā)了藍(lán)盾系列LITENING I和LITENING II吊艙等。

近20年來，機(jī)載光電吊艙發(fā)展非常迅速，具有代表性的有：在OH—58D偵察直升機(jī)上安裝的前世紅外吊艙(FLIR)，它的光學(xué)設(shè)備集成在一個由復(fù)合材料制成的73 kg的球體內(nèi)，整個球體放在旋翼桅頂之上，它為機(jī)內(nèi)人員提供了開闊的視野，可在復(fù)雜和氣象條件惡劣的環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)；在AH—64武裝直升機(jī)裝備的具有目標(biāo)捕獲與指示的TADS/PNVS吊艙，其前視紅外運(yùn)用先進(jìn)的紅外探測技術(shù)，能夠高分辨地提供障礙物視野；以及能夠允許飛行員夜間貼地飛行的意大利A—129吊艙、具有紅外火探系統(tǒng)的英國Lynx—3吊艙和具有夜間導(dǎo)航能力的以色列Msis吊艙。隨著社會發(fā)展，威脅世界和平安全的恐怖主義不斷活動，世界各國也開始研究各種反恐措施。這樣吊艙的應(yīng)用便延伸到警用領(lǐng)域，為了更好地適應(yīng)警用的要求，瑞典、美國和以色列相繼推出全球先進(jìn)的警用光電吊艙。瑞典POLYTECH公司W(wǎng)hiteStar 275Ⅰ執(zhí)法監(jiān)視系統(tǒng)，光電吊艙重13.5 kg，使用四軸光纖陀螺平臺，采用可見光攝像機(jī)和紅外熱像儀對周圍環(huán)境進(jìn)行檢測和識別。美國的FLIR公司機(jī)載吊艙系列，典型的如Ultra 7500、Ultra 8500和以色列飛機(jī)工業(yè)公司生產(chǎn)的“插入式光學(xué)有效負(fù)載”吊艙P(yáng)OP200在質(zhì)量上與POLYTECH沒有很大區(qū)別，只是在穩(wěn)定平臺和光學(xué)傳感器上參數(shù)各有不同。

與此同時，光電吊艙也開始廣泛應(yīng)用于民用中，如環(huán)保監(jiān)測和電力巡線。電力巡線中的光電吊艙很多是基于警用吊艙改造而來，根據(jù)用戶的需求增加或減少探測器。目前，國內(nèi)電力巡線吊艙更多的是依賴進(jìn)口，如瑞典和美國。

2.2 國內(nèi)吊艙研究現(xiàn)狀

國內(nèi)在吊艙領(lǐng)域起步較晚，因此在吊艙的研制技術(shù)上與發(fā)達(dá)國家仍存在不小的差距。目前，國內(nèi)已經(jīng)具備自主設(shè)計研制光電吊艙的實力[7]，生產(chǎn)廠家主要集中在光電研究所中，如洛陽電光設(shè)備研究所、中船重工717所、洛陽空空導(dǎo)彈研究院及北京618所。上述研究院中，除北京618所主要研究無人機(jī)上的小型吊艙外，其他都是大型的光電吊艙。各研究所的光電吊艙雖然主攻方向有所差別，但是基本上都能滿足直升機(jī)電力巡線中機(jī)載吊艙的需求。隨著光電技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)也有少數(shù)企業(yè)在光電吊艙研制上取得了突破性的進(jìn)展，如彼岸科儀有限公司和北航峰科裝備技術(shù)有限公司。上述主流光電吊艙綜合性能比較見表1～表3。

表1 國內(nèi)吊艙研制情況1

表2 國內(nèi)吊艙研制情況2

表3 國內(nèi)吊艙研制情況3

2.3 吊艙發(fā)展趨勢

未來吊艙的發(fā)展趨勢包括如下幾個方面。

1)吊艙結(jié)構(gòu)體積和質(zhì)量的微型化。隨著微電子學(xué)和新型復(fù)合材料的發(fā)展，光電吊艙在未來的發(fā)展趨勢是簡化結(jié)構(gòu)，減小質(zhì)量。對于電力巡線來說，光電吊艙不是直升機(jī)自帶的，是后期改裝懸掛的，所以如果吊艙的質(zhì)量過大，長期使用將會造成直升機(jī)變形，影響直升機(jī)的使用壽命。另外微電子學(xué)和新型復(fù)合材料的發(fā)展使得在進(jìn)一步增加探測傳感器數(shù)量的基礎(chǔ)上，吊艙體積不會增大反而減小。

2)信息采集處理的實時化。在電力巡線工作中，使用新型的巡線技術(shù)雖然解決了很多因素對巡檢技術(shù)的約束，但目前仍需將數(shù)據(jù)通過空地?zé)o線電通信設(shè)備或衛(wèi)星通信設(shè)備傳送到地面指揮控制中心，這樣在巡檢缺陷的判斷上仍會有一定的滯后性；因而光電吊艙平臺的數(shù)據(jù)采集、處理和分析需進(jìn)一步提速。全面實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的實時性和缺陷診斷準(zhǔn)確率，一方面需要進(jìn)一步加大數(shù)據(jù)處理的吞吐量；另一方面要在圖像采集前端將數(shù)據(jù)做部分處理，如圖像濾波、識別銳化等。

3)探測傳感器先進(jìn)智能化。在電力巡線應(yīng)用中，光電吊艙的性能最終取決于偵察設(shè)備和探測器的先進(jìn)程度，如惡劣環(huán)境適應(yīng)能力、探測精準(zhǔn)度、有效范圍和成像清晰度等，可見，光傳感器技術(shù)不斷地朝著高分辨率、小型化和智能化的方向發(fā)展，成像技術(shù)也越來越成熟。但是在紅外成像技術(shù)上，存在一定的技術(shù)短板。紅外成像技術(shù)昂貴的造價和高度的技術(shù)封鎖，使得在巡線過程中不能進(jìn)一步地提升準(zhǔn)確率。

4)高速圖像采集處理穩(wěn)定化。使用直升機(jī)進(jìn)行電力巡線時，飛機(jī)本身的震動將會對光電吊艙儀器設(shè)備產(chǎn)生重要的影響，所以在系統(tǒng)的設(shè)計中應(yīng)充分克服機(jī)身震動，保證圖像數(shù)據(jù)處理的穩(wěn)定。目前，光電吊艙都采用機(jī)械或電子的防抖措施，這對巡線中直升機(jī)的飛行狀態(tài)要求比較高，同時也約束了巡線工作的效率，所以進(jìn)一步地穩(wěn)定圖像數(shù)據(jù)采集處理，是未來吊艙發(fā)展的必然要求。

5)光電吊艙系統(tǒng)功能模塊化。近年來，隨著光學(xué)、電子學(xué)和材料學(xué)的發(fā)展，光電系統(tǒng)的功能越來越強(qiáng)，在各個領(lǐng)域的應(yīng)用也直線上升。光電吊艙作為軍事、準(zhǔn)軍事和民用中廣泛應(yīng)用的偵查設(shè)備，功能也越來越多[8]。隨著紅外、雷達(dá)、測距儀、電子地圖、智能導(dǎo)航及無線通信的引入，光電吊艙也亟需對這些功能進(jìn)行靈活的配置，實現(xiàn)模塊化。系統(tǒng)模塊設(shè)計是將繁多的功能進(jìn)行封裝處理，使得系統(tǒng)能夠應(yīng)對多種需求，例如，能進(jìn)行3種配置的以色列POP200，能夠在FLIR+電視、FLIR+激光測距儀、FLIR+電視+激光指示器這種配置中選擇，使得整個系統(tǒng)能夠輕松地應(yīng)對需求。系統(tǒng)功能的模塊化，也使得電力巡線在工作中能夠靈活應(yīng)對突發(fā)情況，降低了成本。今后的機(jī)載光電系統(tǒng)將朝著功能綜合化、體積小、質(zhì)量小和小型化的方向發(fā)展。

3 機(jī)載光電吊艙關(guān)鍵技術(shù)和研究思路

3.1 機(jī)載光電吊艙關(guān)鍵技術(shù)

本文從電力巡線應(yīng)用方面分析機(jī)載光電吊艙未來發(fā)展研究的關(guān)鍵技術(shù)?，F(xiàn)階段機(jī)載光電吊艙在電力巡線工作中的關(guān)鍵技術(shù)如下。

1)識別目標(biāo)。通過可見光和紅外技術(shù)，對電力設(shè)備進(jìn)行歸類識別，在巡線飛行中能夠及時識別有效目標(biāo)。

2)巡線跟蹤。電力巡線是對電力線路的追蹤巡檢，在飛行過程中，通過光電系統(tǒng)將巡線目標(biāo)始終保持在視場中心。

3)位置確定。使用GPS和電子導(dǎo)航地圖，時刻記錄飛行位置，同時標(biāo)記電力巡線桿塔。能夠保證巡線工作不出遺漏。

4)缺陷診斷。通過對光電系統(tǒng)傳回的圖像綜合分析、判斷識別，在巡檢過程中確定桿塔等缺陷問題，供后續(xù)維護(hù)參考。

5)數(shù)據(jù)融合。通過建立數(shù)據(jù)庫，保存各個巡檢線路的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)庫同時可以存儲各個缺陷描述和判斷規(guī)則，能夠快速通過圖像來識別缺陷。數(shù)據(jù)庫中存儲的巡檢數(shù)據(jù)還包括巡檢時間、地點(diǎn)和人員等，方便巡檢數(shù)據(jù)查詢，為線路巡檢提供更多數(shù)據(jù)信息。

3.2 機(jī)載光電吊艙研究思路

3.2.1 硬件設(shè)計

光電吊艙的硬件設(shè)計包括吊艙內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)、陀螺穩(wěn)定平臺和電動機(jī)反饋控制等。這些設(shè)計都應(yīng)按吊艙總體設(shè)計要求來做。針對不同用戶需求，系統(tǒng)內(nèi)部的硬件選型也會不同。從電力巡線角度來看，光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)具備高清成像和紅外成像的能力，這些可以選擇國內(nèi)外比較成熟的產(chǎn)品，并進(jìn)行整合和二次開發(fā)，在后續(xù)不斷的改進(jìn)中，應(yīng)選擇性能更好、更穩(wěn)定的探測器件。對于陀螺穩(wěn)定平臺的設(shè)計，在實現(xiàn)吊艙防抖的同時，應(yīng)控制體積和穩(wěn)定精度，穩(wěn)定平臺的設(shè)計包括陀螺儀選型、平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計和平臺控制系統(tǒng)設(shè)計等，電動機(jī)控制在巡線過程中應(yīng)保證對吊艙的俯仰和水平角度平滑控制。電動機(jī)反饋控制系統(tǒng)設(shè)計包括電動機(jī)選型、數(shù)據(jù)接口和固定結(jié)構(gòu)設(shè)計。機(jī)上的操作平臺與吊艙內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸也需要穩(wěn)定的通信接口。機(jī)上控制系統(tǒng)包含了微處理器軟硬件設(shè)計、圖像的顯示、相機(jī)間的切換、時間地理位置顯示和相機(jī)參數(shù)設(shè)置等部分。光電吊艙的整個系統(tǒng)是軟硬件充分結(jié)合的具備偵查、分析和診斷功能的智能化平臺。它的硬件設(shè)計在吊艙的發(fā)展中，將持續(xù)成為吊艙研究和開發(fā)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

3.2.2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括圖像采集處理、目標(biāo)識別跟蹤、缺陷診斷顯示和數(shù)據(jù)保存?zhèn)鬏數(shù)?。為了出色地完成巡線任務(wù)，下述功能缺一不可。

1)圖像采集處理。吊艙的光電系統(tǒng)在圖像數(shù)據(jù)采集處理上是同步實時的。使用高頻率的處理器完成圖像的并行采集，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移存儲過程中，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的初步處理，并在控制操作平臺上清晰顯示，同時為后續(xù)目標(biāo)識別提供可靠的信息源。

2)目標(biāo)識別跟蹤。在電力巡線中，目標(biāo)的識別包括兩部分：一方面是在飛行過程中對電線的持續(xù)識別跟蹤，防止出現(xiàn)遺漏；另一方面是對桿塔附近重要的零部件進(jìn)行識別，基于各種ATR技術(shù)分類來選取需要觀測的部件，并在巡檢過程中不斷關(guān)注和監(jiān)測。目標(biāo)識別后，系統(tǒng)經(jīng)過Kalman濾波確定出跟蹤位置，計算出誤差，用以控制瞄準(zhǔn)線對準(zhǔn)目標(biāo)，實現(xiàn)自動跟蹤。

3)缺陷診斷顯示。通過紅外成像儀顯示的溫度圖，參照可見光的成像，對比數(shù)據(jù)庫中的缺陷模型，實時判斷出桿塔等存在的缺陷問題。記錄桿塔地理位置，在操作控制臺界面上顯示缺陷問題。依據(jù)實際巡檢的情況，建立缺陷數(shù)據(jù)庫，將采集的圖像數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的模型進(jìn)行對比，從而準(zhǔn)確診斷缺陷。

4)數(shù)據(jù)保存?zhèn)鬏?。檢測器性能的提升必然會增加圖像數(shù)據(jù)容量，因而在實際工作中，應(yīng)及時將數(shù)據(jù)保存起來，并通過無線傳輸?shù)姆绞絺鞯降孛娴臄?shù)據(jù)控制中心。應(yīng)按照一定格式，將帶有地理位置、缺陷等各種信息的圖像數(shù)據(jù)打包儲存在存儲器里。

4 結(jié)語

巡線方式從常規(guī)的輸電線路人工巡線方式到直升機(jī)巡線方式的轉(zhuǎn)變，極大地提高了巡線效率，降低了巡線成本；同時也克服了很多自然因素對巡線工作的約束[9]?，F(xiàn)階段，隨著直升機(jī)巡線技術(shù)的日益成熟，機(jī)載光電吊艙成為進(jìn)一步改善巡線工作的重要一環(huán)。隨著材料學(xué)、電子學(xué)和光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)載光電吊艙也隨著技術(shù)改進(jìn)向著微型化、智能化方向發(fā)展，這樣使得光電吊艙的懸掛不局限于直升機(jī)，同樣能懸掛在未來的無人機(jī)[10-11]上。無人機(jī)技術(shù)相比于直升機(jī)技術(shù)更加便捷，對場地人員要求更低，已經(jīng)成為現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，隨著技術(shù)的不斷革新，無人機(jī)和光電吊艙的結(jié)合將會有更加廣泛的應(yīng)用。隨著巡線技術(shù)的提高和巡檢內(nèi)容的豐富，光電吊艙在未來電力巡線行業(yè)中將繼續(xù)發(fā)揮舉足輕重的作用，光電吊艙技術(shù)仍是電力巡線中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。

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