一種輸電線路直升機巡檢飛行決策保障及航線自動制定系統(tǒng)的設計

毛強, 徐云鵬

(中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗中心，廣東 廣州 510670)

0 引 言

隨著南方電網(wǎng)公司“機巡+人巡”協(xié)同巡檢模式的全面推行，南方電網(wǎng)區(qū)域內輸電線路直升機巡檢業(yè)務得到了快速發(fā)展，僅南方電網(wǎng)公司下屬超高壓輸電公司即在三年內由1架作業(yè)直升機增至4架分片區(qū)巡視，年巡檢線路公里數(shù)由8 000公里增至2萬公里以上。作業(yè)直升機數(shù)量和直升機巡檢輸電線路規(guī)模、覆蓋范圍的大幅擴大，使得制訂合理最優(yōu)直升機巡檢計劃及航線的難度和復雜性加大。南網(wǎng)超高壓公司西電東送輸電線路具有長距離、大跨度、分布范圍廣和局部區(qū)域線路走廊集中等特點，每年直升機巡檢作業(yè)涉及大量的起降點和飛行航線制定，傳統(tǒng)通用航空的飛行航線繪制方法，即先進行任務分析，在各類地圖上梳理選取相關起降點和航點，并記錄坐標，之后繪制平面大地坐標系圖紙，按坐標標記起降點和航點，連接航點生成航線圖。該方法應用在直升機巡線計劃規(guī)劃和航線繪制方面，主要存在以下不足：①使用各類紙質地圖制訂計劃和航線，首先缺乏巡檢線路基礎信息底圖支撐，其他包括軍民航管制區(qū)、機場禁飛區(qū)、各線路管轄單位所轄區(qū)段、線路特殊區(qū)段、微氣象區(qū)等情報信息分散孤立，缺乏統(tǒng)一集中管理的規(guī)劃決策平臺，進行科學統(tǒng)籌規(guī)劃難度大；②由于西電東送輸電線路密集程度高、關聯(lián)性大，致使直升機巡檢起降點和航點梳理選取工作量大，同時手工繪制航線圖繁瑣且效率低下，產(chǎn)生大量紙質資料，且繪制完成后還需要人工校核來消除誤差或錯誤；③直升機巡線作業(yè)資料可視化程度低，無法實現(xiàn)綜合展現(xiàn)、區(qū)域選擇和圖層控制等高級功能，而且缺乏實時更新效果，無法重復使用。

針對以上現(xiàn)有直升機巡檢飛行決策保障及飛行航線制訂方法的缺點，本文按照南方電網(wǎng)信息化建設原則要求，結合直升機巡檢作業(yè)運行規(guī)律，設計了一種輸電線路直升機巡檢飛行決策保障及航線自動制定系統(tǒng)，建立面向直升機巡線業(yè)務的統(tǒng)一決策平臺，全面整合機巡情報信息，實現(xiàn)輸電線路直升機巡檢資料可視化管理，根據(jù)作業(yè)需求智能化制定年度最優(yōu)合理飛行方案及計劃，自動制訂輸出飛行航線，支撐現(xiàn)場智能應用，對于科學決策和規(guī)劃規(guī)?；鄙龣C巡檢作業(yè)、提升巡視效能具有十分重要的意義[1]。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)設計思路

根據(jù)直升機巡檢業(yè)務實際需求，立足南方電網(wǎng)精益管理，結合直升機巡檢規(guī)?；\營形勢，以提升直升機巡檢智能化應用水平為目標，綜合南網(wǎng)超高壓公司所轄電網(wǎng)資源、直升機巡檢特性、機巡情報、歷史經(jīng)驗航線等多重信息，基于二維電網(wǎng)地理信息系統(tǒng)(GIS)建立直升機巡檢資料全景化信息平臺，實現(xiàn)機巡資料的體系化和空間化管理。運用多圖層過濾顯示技術，通過可視化交互方式進行綜合處理分析，為制訂合理最優(yōu)直升機巡檢飛行計劃及航線提供決策支撐數(shù)據(jù)和信息，針對直升機巡檢業(yè)務特點，系統(tǒng)能夠支持多樣化終端分布移動應用[1-2]。系統(tǒng)基于SOA思想設計，采用底層數(shù)據(jù)平臺和上層功能應用分離建設的模式，底層平臺負責數(shù)據(jù)資源的組織存儲和算法處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)有效共享利用，上層應用按照業(yè)務分類，提供人機交互界面，只關注具體功能實現(xiàn)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠[3]。

1.2 系統(tǒng)整體架構設計

輸電線路直升機巡檢飛行決策保障及航線自動制訂系統(tǒng)總體架構如所圖1所示，由基礎數(shù)據(jù)集成層、高級分析應用層和展現(xiàn)層組成[4-5]。

圖1 系統(tǒng)整體架構圖

(1)基礎數(shù)據(jù)集成層，主要對線路臺賬、機巡情報、起降點和航線歷史經(jīng)驗數(shù)據(jù)、地理底圖等基礎數(shù)據(jù)進行分層分級匯集、存儲和邏輯分析處理，實現(xiàn)接入外部數(shù)據(jù)，為高級分析應用提供基礎數(shù)據(jù)支撐。

(2)高級分析應用層，高級分析應用層利用信息化GIS數(shù)據(jù)服務發(fā)布平臺進行智能集成管控，實現(xiàn)直升機巡檢飛行決策保障支持，達到作業(yè)計劃管理與綜合管控相結合的目標，根據(jù)直升機巡檢業(yè)務環(huán)節(jié)分為數(shù)據(jù)分析服務、航線圖自動制訂、飛行智能應用三大功能模塊。

(3)展示層根據(jù)業(yè)務需求發(fā)布展示高級分析應用產(chǎn)生的飛行計劃、航線圖、飛行資料、統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)等價值信息，為管理和決策提供及時、全面、準確的信息。

1.3 系統(tǒng)物理架構設計

為了使飛行決策保障及航線自動制訂系統(tǒng)能夠應付大量并發(fā)用戶和管理復雜的事物邏輯，本系統(tǒng)采用主流的多層分布式B/S結構實現(xiàn)[5]，系統(tǒng)物理架構設計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)物理架構圖

輸電線路直升機巡檢飛行決策保障及航線自動制訂系統(tǒng)從物理上可劃分為五個部分：客戶端、應用服務器、地圖服務器、數(shù)據(jù)庫服務器和Web服務器?？蛻舳酥С质謾C、平板、PC多終端協(xié)同應用，提供數(shù)據(jù)上傳程序。應用服務器作為系統(tǒng)核心，提供設備查詢、圖層控制、統(tǒng)計分析、內容管理、系統(tǒng)管理等功能。地圖服務器提供網(wǎng)絡地圖以及空間數(shù)據(jù)訪問功能。數(shù)據(jù)庫服務器提供業(yè)務數(shù)據(jù)、基礎信息數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)管理功能。Web服務器用來為客戶端程序提供Web服務。

2 高級應用層各主要功能模塊設計研究

2.1 數(shù)據(jù)分析服務模塊

數(shù)據(jù)分析服務模塊是直升機巡線決策保障系統(tǒng)的基本應用模塊，依托二維電網(wǎng)GIS平臺數(shù)字化特點，實現(xiàn)年度直升機巡視需求分析、年度直升機巡視計劃統(tǒng)計、區(qū)域巡視任務劃分、區(qū)域巡視計劃安排的功能，系統(tǒng)對應的數(shù)據(jù)分析服務功能流程示意框圖如圖3所示。

在數(shù)據(jù)分析服務模塊綜合考慮南方電網(wǎng)公司“十三五”年均建議作業(yè)量和南網(wǎng)超高壓公司機隊巡檢能力，初步確定年度直升機巡線作業(yè)量。結合初步作業(yè)量目標，基于系統(tǒng)二維數(shù)字化平臺加載并顯示的各類二維電網(wǎng)、通航和地理數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析南網(wǎng)超高壓公司設備運行維護策略、機巡滾動巡視周期、機巡優(yōu)先巡視線路、各超高壓局機巡需求等因素，開展機巡任務的優(yōu)化選線和定線，定制顯示、瀏覽和處理各條機巡輸電線路路徑線，查詢定位出機場禁飛區(qū)、走廊限制區(qū)、氣象限制區(qū)的位置、范圍，在系統(tǒng)平臺上選擇性的疊加組合各線路層和影響層，排出各種機巡年度計劃，進行比較優(yōu)選，最終根據(jù)選線結果自動生成年度直升機巡視計劃統(tǒng)計報表，報表涵蓋巡視線路名稱、桿塔基數(shù)、區(qū)段長度、巡檢次數(shù)、禁飛區(qū)域和長度、所屬單位、機巡長度和基數(shù)等成果信息[6]。

系統(tǒng)平臺支持顯示南方四省區(qū)軍民航管制區(qū)分界線和南網(wǎng)超高壓公司所轄各超高壓局線路區(qū)段分界點信息，可以依托系統(tǒng)平臺根據(jù)南方電網(wǎng)西電東送輸電線路分布特點，結合作業(yè)直升機配置數(shù)量和“一機一區(qū)域”原則，按照避免跨區(qū)申報空域和各超高壓局所轄線路群單機巡視的要求，利用系統(tǒng)屬性數(shù)據(jù)庫的輸電線路路徑線臺賬數(shù)據(jù)和行政區(qū)域劃分數(shù)據(jù)，完成各巡視區(qū)域任務優(yōu)化劃分。導入系統(tǒng)平臺歷史經(jīng)驗作業(yè)起降點數(shù)據(jù)，根據(jù)前期定線結果在系統(tǒng)平臺上優(yōu)化布置起降點，自動形成直升機作業(yè)路徑，優(yōu)化選取相鄰起降點巡視線路分界點，分割生成各起降點直升機巡視線路群，對各起降點覆蓋的巡視線路群進行可視化處理，通過匹配基礎層線路臺賬，動態(tài)標注線路群各區(qū)段名稱、起訖桿塔、航點桿塔、運行單位、區(qū)段長度和基數(shù)、飛行架次等信息，最后以單一或全局圖表的形式輸出，實現(xiàn)直升機巡視飛行計劃的智能化制訂，形成年度直升機巡視方案。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析服務功能流程示意框圖

2.2 航線圖自動制定模塊

航線圖是用于直升機巡檢作業(yè)空域申報和現(xiàn)場飛行保障的重要資料，航線圖自動制訂是對直升機巡線航線進行自動制訂、校核和圖形輸出等相關操作。本設計系統(tǒng)航線圖自動制定功能交互如圖4所示，將直升機巡視歷史經(jīng)驗作業(yè)起降點和航線數(shù)據(jù)以表單形式導入系統(tǒng)二維電網(wǎng)GIS平臺，對于新建輸電線路，則按照航點編號規(guī)則和設置原則進行補充更新?？梢园凑障到y(tǒng)平臺內輸電線路路徑線自動匹配定位航點，具有繪制精度高、可實時校核的特點。根據(jù)數(shù)據(jù)分析服務模塊提供的各起降點直升機巡視線路集的范圍，將已匹配定位的航點添加連線，進行航線過濾顯示，系統(tǒng)支持圖形任意編輯操作，可以動態(tài)標注航點、起降點坐標和所對應的桿塔編號，動態(tài)標注航線文字圖簽以及有關地物符號，集成顯示起降點作業(yè)范圍內的飛行情報資料，經(jīng)過系列可視化處理后，實現(xiàn)批量智能化定制各起降點巡檢飛行航線圖，在此基礎上還可以生成直升機巡視總體路線圖，供生產(chǎn)管控使用。該系統(tǒng)功能相比傳統(tǒng)手工制圖可顯著提高工作效率。

圖4 系統(tǒng)航線圖自動制定功能交互示意圖

2.3 飛行智能應用模塊

飛行智能應用模塊以巡線直升機作為運動載體，以機載移動終端(智能手機和平板電腦)為前端，按照直升機巡視現(xiàn)場管控實際要求，從巡檢導航定位、地面追蹤監(jiān)控、電子飛行包(EFP)瀏覽查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計服務四個關鍵業(yè)務點滿足智能化和規(guī)范化作業(yè)需要。

(1)機載終端通過控件的形式登錄系統(tǒng)二維GIS平臺，平臺提供輸電線路、航線、地理、通航情報的分層瀏覽、無極縮放和平移漫游功能，配合嵌入移動終端的GPS模塊，可以實時查看直升機和周邊輸電線路的位置信息，基于位置的服務(LBS)實現(xiàn)直升機巡視的動態(tài)導航定位[7]。

(2)機載移動終端基于GPS導航系統(tǒng)，通過GPRS將當前位置信息按統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口協(xié)議經(jīng)Internet網(wǎng)絡，發(fā)給信息網(wǎng)關，信息網(wǎng)關將數(shù)據(jù)信息存入中心站數(shù)據(jù)庫，地面機巡作業(yè)中心通過管理平臺實時查詢當前作業(yè)直升機位置和作業(yè)狀態(tài)(身份、速度、高度和軌跡)，實現(xiàn)對作業(yè)直升機遠程低空監(jiān)控，可以輔助進行機隊規(guī)?；{度協(xié)調，進一步保障了機巡作業(yè)的效率和安全。

(3)系統(tǒng)研究引入航空領域EFP概念，將起降點、飛行計劃、航線圖、線路特殊區(qū)段、重點塔位和交叉跨越點等作業(yè)指南資料電子化，可以在直升機上使用移動終端進行調用瀏覽，完全替代紙質作業(yè)；設計移動終端利用LBS完成地理信息與實景文件自動匹配，實現(xiàn)資料文件的自動查找和推送，及時提供線路特殊區(qū)段、重點塔位、交叉跨越點預警和巡視策略[8]。

(4)作業(yè)結束后,系統(tǒng)基于計數(shù)算法自動統(tǒng)計生成當日直升機巡線完成情況，包括作業(yè)架次、飛行時間、巡視區(qū)段、完成和剩余塔基數(shù)、公里數(shù)，系統(tǒng)進一步匯總處理各架直升機作業(yè)情況，可以統(tǒng)計生成全年直升機巡檢計劃完成率、巡檢在線率和機巡覆蓋率等效能指標，系統(tǒng)通過接入企業(yè)短信群發(fā)平臺將上述消息發(fā)送至有關人員，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的高效及時報送。

3 結束語

本文基于數(shù)字化、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等“互聯(lián)網(wǎng)+”技術，設計建立B/S架構輸電線路直升機巡檢飛行決策保障及航線自動制訂系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實現(xiàn)直升機巡檢計劃數(shù)字化優(yōu)化制訂、直升機巡線航線圖自動制訂和可視化輸出、直升機巡線現(xiàn)場飛行智能應用等主要功能，完整覆蓋了直升機巡檢業(yè)務應用需求，功能豐富實用，交互性強，對提高直升機巡檢業(yè)務的信息化、智能化、規(guī)范化，提升直升機巡視效能水平起到非常大的作用。