微型全保護無人機電纜隧道巡檢應用系統(tǒng)

鄭子杰

（華南理工大學，廣州 510641）

1 微型全保護無人機電纜隧道巡檢應用系統(tǒng)的研究意義

目前無人機行業(yè)國際上都在加大科研力度，進行無人機共性技術的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。國內已有類似管道無人機的產品，但主要用在煤氣等管道中，僅僅起到檢查管道的作用，同時由于牽引力相當有限，不具備越障能力，不適合用于隧道電纜的復雜環(huán)境和相關檢測。

目前智能電纜隧道巡檢無人機的研究在國內處于起步階段，根據國內應用情況，可以歸類為隧道巡檢無人機方向。隧道巡檢無人機研究主要集中在國內高校和研究所內。

2 微型全保護無人機電纜隧道巡檢應用系統(tǒng)所帶來的經濟效應

本項目推廣之后，配網隧道巡檢無人機可以直接快速的擔當起它的責任。隧道巡檢無人機通過攜帶相應的傳感器，可以對地下配網管道的諸多測試項目進行測試。它通過管道鋪設的有線網絡鏈路可以將地下配線管道的實時情況傳回遠方電網運維監(jiān)控中心。而監(jiān)控中心發(fā)現(xiàn)問題之后，可以第一時間知道故障發(fā)生地點以及相關情況，從而在最短的時間內做出應對措施，挽救電網的直接經濟利益。同時，間接的說，配網管道隧道巡檢無人機可以在事故發(fā)生后最大限度的保障社會的經濟利益。成果推廣后可產生如下效益：

（1）完成城市配電電纜管道工程中智能隧道巡檢無人機大集控系統(tǒng)，將移動巡檢、環(huán)境實時監(jiān)測、設備在線監(jiān)測、災害預警與響應、數(shù)據深度分析挖掘集成于一身，多位一體，有效彌補傳統(tǒng)隧道巡檢的缺陷，人工巡檢費時費力、可靠程度低，存在較大的安全風險等缺陷；固定死角監(jiān)控時死角多，靈活性低，被動監(jiān)控等缺陷。

（2）彌補了隧道事故與應急領域的空白，能夠對電纜隧道自然性火災進行預警，能夠對高壓積水電纜隧道進行有效監(jiān)測，對可燃性氣體泄漏、線路腐蝕進行有效預警。

（3）巡檢結果的實時性、全面性反饋，巡檢數(shù)據的準確性以及事故位置、原因以及事故隱患的清晰定位和判斷，使所有設備、環(huán)境狀態(tài)數(shù)據可據可查，事故原因與過程可追溯。

3 微型全保護無人機電纜隧道巡檢應用系統(tǒng)的機械結構

隧道電纜巡檢無人機進行地下作業(yè)，復雜的地下環(huán)境會給巡檢過程帶來難度，由此可見，良好的飛行性能和障礙檢測能力是隧道巡檢無人機必不可少的配備。為了適應狹窄的作業(yè)空間（如圖1所示），隧道隧道巡檢無人機必須小型化、模塊化，適應快速拆裝或者部件替換。隧道巡檢無人機在應用過程中配備紅外成像設備以及搭建可控云臺則更有利于幫助電纜維護人員掌握電纜運行狀況。

該隧道巡檢無人機為滿足電纜隧道巡檢要求而設計。在機械上，具有飛行平穩(wěn)，靈活的特點。其主要機械參數(shù)如下表：

性能 參數(shù) 性能 參數(shù)軸距 250mm 飛行速度 0～5 m/s最大飛行距離 4km 重量 1kg機身尺寸(mm) 300 ×80 ×300

圖1 隧道空間示意圖

4 隧道巡檢的實現(xiàn)

4.1 移動視頻巡檢

智能無人機巡檢系統(tǒng)可實現(xiàn)不間斷地對隧道進行自主往返巡檢、異常點自主定位復檢、手動控制復檢、手動災害處理等功能。并實現(xiàn)對隧道狀態(tài)的連續(xù)、動態(tài)的數(shù)據采集及系統(tǒng)存儲。

智能隧道巡檢無人機通過雙視云臺搭載可見光高清相機與紅外熱成像儀，針對隧道內的各類電力設備以及環(huán)境進行24小時實時的可見光監(jiān)控與紅外熱成像視頻監(jiān)控。云臺安裝在智能隧道巡檢無人機底部，云臺內可搭載可見光相機、紅外熱成像相機（可選）和補光設備。

云臺水平方向具備360°轉動能力，垂直方向具備±90°轉動能力，同時配合相機變焦，可有效保證對智能隧道巡檢無人機30米內各方向現(xiàn)場細節(jié)進行有效監(jiān)控；同時云臺自帶減震裝置，配合一體化防抖相機機芯，在智能隧道巡檢無人機運行過程中可減小振動，大大提高視頻觀測穩(wěn)定度和可觀測性。

4.2 隧道環(huán)境監(jiān)測

隧道內部空氣不流通、溫度較高、潮濕、易積水，且容易出現(xiàn)O2含量低，而H2S、CO、CH4等氣體含量高的人生和設備安全隱患。智能隧道巡檢無人機搭載了多種氣體傳感器與溫濕度傳感器，以移動的方式，在隧道內進行長期頻繁密集的采集。

在隧道巡檢無人機常規(guī)巡檢任務下，每隔10米采集一次環(huán)境數(shù)據，并實時將環(huán)境數(shù)據傳輸至終端管理平臺進行數(shù)據存儲、深度挖掘與趨勢分析預警。同時對于環(huán)境數(shù)據異常及趨勢異常情況，無人機與終端平臺將實時發(fā)出報警信息，提醒管理人員進行關注與處置。

4.3 無人機全方位保護罩的實現(xiàn)

隧道巡檢無人機采用全方位的保護罩?？紤]到重量的限制和機械強度的要求，保護罩使用密度小強度高的碳纖維棒作為材料。

隧道巡檢無人機的保護罩參考蜂巢結構設計，廣泛使用衍架式結構。通過對保護罩3D模型的構建與力學受力分析、有限元分析，反復比較確定模型的最優(yōu)解方案。

在保護罩設計出來之后，經過加工生產安裝，保護罩被裝載隧道巡檢無人機上。通過各種碰撞測試，跌落測試，保證設計的保護罩性能達到設計的要求。

4.4 無線通信鏈路進行覆蓋方案

由于隧道建筑結構的特殊性，隧道內空間有限，目前，常用的隧道無線覆蓋技術有三種不同的方式：采用漏泄電纜天饋系統(tǒng)的覆蓋方案。漏泄電纜是一種特殊的天線，它通過本身獨有的孔輻射電磁波信號，具有信號輻射均勻，無盲區(qū)，抗干擾能力強等優(yōu)點。但是由于隧道隧道巡檢無人機所需通訊帶寬高（需傳輸視頻圖像信息），漏泄電纜能滿足該帶寬的漏泄電纜造價高昂，且傳輸帶寬越大，線纜直徑越大，最大漏纜直徑可達50mm，在電纜隧道鋪設施工難，實用性較低。

采用基于基帶部分和射頻部分分離的BBU+RRU構架的Node B標準組網方式與大功率天線結合的方案。這種方案是對現(xiàn)有通信系統(tǒng)的延伸，設計靈活，安裝方便，成本低，但存在信號切換延時，不穩(wěn)定，且信號帶寬不足等因素。

采用wifi網絡多無線接入點AP無線覆蓋方案。該方案在隧道內安裝多個AP，通過光纖與隧道口無線控制器（AC）相連，AC再與監(jiān)控后端的控制器連接。該方案通過光纜傳輸降低了電磁干擾，減少了底部噪聲，可實現(xiàn)隧道內信號的高帶寬穩(wěn)定、無盲區(qū)傳輸。

4.5 紅外熱成像圖像識別智能巡檢方案

隧道巡檢無人機借助搭載的紅外熱成像儀，對隧道內電纜、電纜接頭、接地箱、風機等設施設備進行成像，結合測溫數(shù)據與圖像分析技術，可以從熱成像圖中得出設備設施的工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)有超溫現(xiàn)象，即可進行報警。通過自動化的報警功能，工作人員不必24小時不間斷監(jiān)視現(xiàn)場設備設施，只需要在有報警的時候關注和處理報警問題。

常規(guī)紅外熱成像測溫分為移動式測溫與特定點測溫兩種模式。在移動式測溫模式下，隧道巡檢無人機將在保持常規(guī)行駛速度的條件下，對整個視場內的全部致熱性設備進行逐一的溫度值提取與實時分析，并實時將溫度數(shù)據與分析傳輸至管理平臺進行存儲與匯總分析。對于檢測到的設備溫度異常數(shù)據，隧道巡檢無人機將即時發(fā)出預警或報警。

對于部分重點監(jiān)視設備或單次指定監(jiān)視設備，無人機將執(zhí)行特定點測溫任務。隧道巡檢無人機行駛至設備附近，對該設備進行重點監(jiān)測，同時采集該設備的可見光視頻與紅外溫度圖像，并做出溫度狀態(tài)分析，對于設備異常將即時予以報警。

5 結束語

巡檢是確保地下隧道電纜安全穩(wěn)定運行的主要手段。目前地鐵隧道的巡檢和安全防護主要以人工靜態(tài)檢查為主，少量動態(tài)檢測車為輔的形式完成。前者工作環(huán)境較為艱苦，速度慢、效率低、占用線路時間長，同時，有些問題靠人工無法快速識別判斷。

配網管道隧道巡檢無人機通過攜帶相應的傳感器，配網管道隧道巡檢無人機可以對地下配網管道的諸多測試項目進行測試。例如：積水深度，淤泥量，管內沼氣濃度，線路溫度，電纜接頭處是否存在放電，是否存在偷排污水，偷排油煙等情況。配網管道隧道巡檢無人機通過管道鋪設的有線網絡鏈路可以將地下配線管道的實時情況傳回遠方電網運維監(jiān)控中心。