基于無人機(jī)的抽水蓄能電站巡檢方案分析

鄒彬，羅自學(xué)，陳金穎，劉壯，李斌

(1.國(guó)網(wǎng)新源華東宜興抽水蓄能有限公司，江蘇 宜興 214205；2.華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430074；3.深圳市科比特航空科技有限公司,深圳 518100;4.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司,武漢 430000;5.國(guó)網(wǎng)新源華東宜興抽水蓄能有限公司，宜興 214205)

0 引言

本文主要針對(duì)實(shí)例來了解互聯(lián)網(wǎng)+無人機(jī)自動(dòng)化巡檢模式，同時(shí)針對(duì)實(shí)例中的巡檢方案設(shè)定進(jìn)行分析。實(shí)例抽水蓄能電廠屬于日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電廠，具有調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相的重要功能，該電廠周邊環(huán)境較為復(fù)雜，其上下庫(kù)區(qū)的邊坡、連接公路邊坡面積曠闊，下水庫(kù)海拔84 m、上水庫(kù)海拔473 m，可見其地勢(shì)環(huán)境起伏較大。在此基礎(chǔ)上，實(shí)例抽水蓄能電廠傳統(tǒng)人工巡檢模式每次耗時(shí)約5 h，出于人性化管理概念巡檢每4天一次，而在傳統(tǒng)人工巡檢制度之下，該電廠的每年故障率依舊高達(dá)30%，為了對(duì)此進(jìn)行改善，實(shí)例電廠采用了互聯(lián)網(wǎng)+無人機(jī)自動(dòng)化巡檢模式，同時(shí)針對(duì)此模式進(jìn)行了方案設(shè)定。

1 實(shí)例電廠互聯(lián)網(wǎng)+無人機(jī)自動(dòng)化巡檢模式應(yīng)用分析

1.1 實(shí)例電廠地勢(shì)環(huán)境分析

實(shí)例電廠下水庫(kù)海拔84 m、上水庫(kù)海拔473 m，地勢(shì)環(huán)境起伏較大，通過測(cè)量該電廠從最高處至最低處直線距離4.5 km，下水庫(kù)距上水庫(kù)附近公路直線距離為9 km。在上水庫(kù)處，因?yàn)楹０屋^高，所以市場(chǎng)存在陣風(fēng)現(xiàn)象，瞬時(shí)風(fēng)速最高可達(dá)7 m/s。此外，該電廠的電磁環(huán)境方面，因?yàn)槠潆娨暟l(fā)射塔位于上水庫(kù)附近，所以在此處采用了頻譜儀對(duì)此進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示，該電廠在892 m、896 m、899 m處發(fā)現(xiàn)了電磁信號(hào)較強(qiáng)的表現(xiàn)[1-6]。

實(shí)例電廠地勢(shì)陡峭，根據(jù)測(cè)量其坡度傾角均達(dá)到了60°以上，并且其內(nèi)部氣候?yàn)闈?rùn)，野外環(huán)境當(dāng)中存在許多蛇蟲鼠蟻，容易對(duì)巡檢人員造成一定的威脅，同時(shí)實(shí)例電廠夏季降雨量較大，所以容易發(fā)生較大的塌方現(xiàn)象，對(duì)于電廠以及巡檢人員而言，均具有較大的風(fēng)險(xiǎn)性，上述因素同樣會(huì)給人工巡檢模式帶來困難。

此外，實(shí)例電廠在初期修建時(shí)因?yàn)榧夹g(shù)水平以及地勢(shì)環(huán)境的限制，采用了爆炸開山的方式來改變山體結(jié)構(gòu)，通過之后的應(yīng)用，該地區(qū)時(shí)常會(huì)發(fā)生落石現(xiàn)象，可能會(huì)導(dǎo)致巡檢道路堵塞，同時(shí)具有一定的危險(xiǎn)性，實(shí)例電廠詳細(xì)安全隱患如表1所示。

表1 實(shí)例電廠詳細(xì)安全隱患

1.2 互聯(lián)網(wǎng)+無人機(jī)巡檢特點(diǎn)

本文所設(shè)計(jì)的互聯(lián)網(wǎng)+無人機(jī)自動(dòng)化巡檢模式技術(shù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 互聯(lián)網(wǎng)+無人機(jī)自動(dòng)化巡檢模式技術(shù)結(jié)構(gòu)

通過實(shí)際測(cè)驗(yàn)結(jié)果，互聯(lián)網(wǎng)+無人機(jī)自動(dòng)化巡檢模式具有以下4大特點(diǎn)。

1、可進(jìn)入低空環(huán)境進(jìn)行巡檢，同時(shí)通過視頻傳輸，可以依靠系統(tǒng)終端判定飛行直線路徑前50 m是否存在遮擋物，如存在遮擋物則直線上升直至無遮擋物為止，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化巡檢[7-11]。

2、同樣通過視頻傳輸，可以將巡檢內(nèi)容實(shí)時(shí)傳輸?shù)较到y(tǒng)終端，再由系統(tǒng)終端將內(nèi)容傳輸?shù)斤@示設(shè)備上，整個(gè)過程在信號(hào)通常的情況下，速度在1 s以內(nèi)，所以此巡檢模式的實(shí)效性較強(qiáng)[12-14]。

3、在顯示設(shè)備處，監(jiān)控人員可以觀測(cè)到巡檢信息，根據(jù)此信息建工人員能夠判斷無人機(jī)飛行軌跡是否存在異常，如果存在異?？梢酝ㄟ^控制功能來進(jìn)行處理，體現(xiàn)出可控性[15]。

4、多旋翼無人機(jī)設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)，可以在陣風(fēng)、低溫、高溫、降雨量較小的環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)，并保障傳輸信息的高分辨率[16]。

2 互聯(lián)網(wǎng)+無人機(jī)自動(dòng)化巡檢模式設(shè)計(jì)

2.1 總體系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

本文互聯(lián)網(wǎng)+無人機(jī)自動(dòng)化巡檢模式總體系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 互聯(lián)網(wǎng)+無人機(jī)自動(dòng)化巡檢模式總體系統(tǒng)框架

在總體系統(tǒng)框架當(dāng)中，本文主要采用了接收鏈路、控制鏈路來連接框架內(nèi)的各個(gè)結(jié)構(gòu)。在接收鏈路方面，主要從多旋翼無人機(jī)設(shè)備開始，將無人機(jī)設(shè)備所拍攝到的視頻圖像傳輸?shù)降孛嬲荆儆傻孛嬲就ㄟ^轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的方式連接網(wǎng)絡(luò)，依靠網(wǎng)絡(luò)傳輸能力將視頻圖像信息傳輸?shù)胶笈_(tái)服務(wù)器，后臺(tái)服務(wù)器接收到視頻圖像之后將自動(dòng)進(jìn)行儲(chǔ)存，在依靠web實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問；在控制鏈路方面，當(dāng)接收鏈路進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問之后，如果需要進(jìn)行控制，那么系統(tǒng)終端或人工會(huì)發(fā)出控制指令，同時(shí)web會(huì)與后臺(tái)服務(wù)器連接將指令發(fā)送至后臺(tái)服務(wù)器，后臺(tái)服務(wù)器再依靠通訊協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)傳輸將指令發(fā)送到地面站，地面站再將指令通過信號(hào)傳輸發(fā)送到多旋翼無人機(jī)設(shè)備，多旋翼無人機(jī)設(shè)備的接收端將會(huì)接受并執(zhí)行指令。

2.2 多旋翼無人機(jī)設(shè)備原理

本文所采用的多旋翼無人機(jī)設(shè)備與普通的多旋翼無人機(jī)設(shè)備不同，為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，本文對(duì)此進(jìn)行了改造。本文改造后的多旋翼無人機(jī)設(shè)備，能夠通過無線電信號(hào)遠(yuǎn)程控制儀器、自身自帶的控制程序來實(shí)現(xiàn)無人飛行，同時(shí)依靠高精度、高分別率的拍攝設(shè)備，即可實(shí)現(xiàn)無人巡檢。

在系統(tǒng)架構(gòu)上，該設(shè)備主要分為硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)兩種，其中硬件系統(tǒng)主要包括飛機(jī)端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、地面站監(jiān)控系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)主要包括航線規(guī)劃、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)預(yù)處理等程序。

2.3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文互聯(lián)網(wǎng)+無人機(jī)自動(dòng)化巡檢模式的有效性，本文將通過5個(gè)步驟來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具體如下文所述。

1、常規(guī)互聯(lián)網(wǎng)+無人機(jī)自動(dòng)化巡檢實(shí)驗(yàn)。針對(duì)實(shí)例蓄能電廠進(jìn)行巡檢，要求系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全覆蓋巡檢，同時(shí)記錄無人機(jī)在飛行過程當(dāng)中是否出現(xiàn)了異?，F(xiàn)象，如果存在異?，F(xiàn)象則需要對(duì)異常地點(diǎn)進(jìn)行分析，尋找異常原因。

2、飛行航路設(shè)定。為了確認(rèn)無人機(jī)飛行的正確性，在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，針對(duì)無人機(jī)飛行路徑進(jìn)行了規(guī)劃，同時(shí)將規(guī)劃路徑輸入系統(tǒng)控制當(dāng)中，由系統(tǒng)自動(dòng)控制無人機(jī)進(jìn)行飛行，同時(shí)通過人工在顯示端進(jìn)行觀測(cè)，記錄無人機(jī)飛行的速度、高度等參數(shù)，同時(shí)當(dāng)發(fā)現(xiàn)無人機(jī)出現(xiàn)路徑偏移現(xiàn)象時(shí)，同樣需要進(jìn)行記錄。此外，如果無人機(jī)路徑偏移過大，監(jiān)控人員需要對(duì)此進(jìn)行控制。

3、網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)驗(yàn)。為了驗(yàn)證無人機(jī)飛行的可控性，在上述實(shí)驗(yàn)步驟完成的條件下，對(duì)無人機(jī)人工控制功能進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，此舉一方面可以了解人工控制功能的形態(tài)、一方面可得知網(wǎng)絡(luò)指令傳輸?shù)乃俣?、穩(wěn)定性。

4、無人機(jī)各角度拍攝功能實(shí)驗(yàn)。因?yàn)闊o人機(jī)在巡檢過程當(dāng)中，難免會(huì)因?yàn)椴糠忠蛩匕l(fā)生拍攝角度傾斜的現(xiàn)象，在理論上傾斜角度可能會(huì)限制無人機(jī)拍攝功能開展，因此為了對(duì)此進(jìn)行驗(yàn)證，本文通過控制功能，刻意要求無人機(jī)在各傾斜角度下進(jìn)行拍攝，了解無人機(jī)是否能夠正常進(jìn)行拍攝。

5、拍攝圖像清晰度、分別率驗(yàn)證。針對(duì)無人機(jī)在各環(huán)境、各傾斜角度下拍攝的圖像信息進(jìn)行分析，驗(yàn)證拍攝圖像的清晰度、分別率是否達(dá)標(biāo)。

3 結(jié)果分析

針對(duì)上述5個(gè)步驟的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 常規(guī)互聯(lián)網(wǎng)+無人機(jī)自動(dòng)化巡檢實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文的互聯(lián)網(wǎng)+無人機(jī)自動(dòng)化巡檢系統(tǒng)，在常規(guī)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中病危出現(xiàn)異常現(xiàn)象，說明該系統(tǒng)能夠勝任常規(guī)的巡檢工作，本文互聯(lián)網(wǎng)+無人機(jī)自動(dòng)化巡檢系統(tǒng)的常規(guī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。

表2 互聯(lián)網(wǎng)+無人機(jī)自動(dòng)化巡檢系統(tǒng)的常規(guī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 飛行航路設(shè)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在飛行當(dāng)中，互聯(lián)網(wǎng)+無人機(jī)自動(dòng)化巡檢系統(tǒng)出現(xiàn)了1次較大的路徑偏移現(xiàn)象，具體數(shù)值為2 m，針對(duì)此現(xiàn)象，監(jiān)控人員及時(shí)的停止了無人機(jī)飛行，并針對(duì)異常地點(diǎn)進(jìn)行了分析，分析后發(fā)現(xiàn)因?yàn)楫?dāng)時(shí)風(fēng)力過大，到達(dá)了7.5 m/s左右的分離，導(dǎo)致無人機(jī)飛行受阻，此現(xiàn)象出于自然原因，并不能說明本文系統(tǒng)有誤，所以無人機(jī)分析的正確性依舊得到了保障。同時(shí)在飛行速度與高度上，無人機(jī)直線飛行速度為1.3 m/s～1.5 m/s、直線拔高速度為0.9 m/s～1.1 m/s，說明其速率性較高；無人機(jī)飛行最低高度為1.2 m，最高高度為456 m左右，基本滿足實(shí)例電廠的地勢(shì)要求，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化無人機(jī)巡檢。

3.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

要求人工針對(duì)每項(xiàng)控制功能進(jìn)行5次操作，發(fā)現(xiàn)無人機(jī)在每次單項(xiàng)控制功能中的表現(xiàn)一致，說明無人機(jī)功能控制有效，而在指令傳輸方面，首先針對(duì)實(shí)例電廠的892 m、896 m、899 m等電磁信號(hào)較強(qiáng)的部分進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在此環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)指令傳輸速度在1.2 s左右，滿足合理需求，在其他電磁信號(hào)較弱的部分，網(wǎng)絡(luò)指令傳輸速度在0.9 s～1.0 s左右，同樣滿足合理需求，因此說明本文系統(tǒng)的速度、穩(wěn)定性較好。

3.4 無人機(jī)各角度拍攝功能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文通過控制功能，使無人機(jī)在30°、60°、90°、180°的角度下進(jìn)行拍攝，通過排拍攝結(jié)果可見，無人機(jī)在各角度下均能進(jìn)行正常的拍攝功能，僅在180°情況下，出現(xiàn)了1此卡頓現(xiàn)象，其原因在于電磁信號(hào)的干擾。

3.5 拍攝圖像清晰度、分別率驗(yàn)證結(jié)果

在各環(huán)境、各傾斜角度下，無人機(jī)拍攝功能運(yùn)作正常，在拍攝圖像的清晰度、分別率上來看，結(jié)果較為清晰，拍攝例圖,如圖3所示。

圖3 圖人機(jī)拍攝例圖

4 總結(jié)

主要分析了無人機(jī)抽水蓄能電站巡檢的巡檢方案。分析當(dāng)中，首先針對(duì)實(shí)例電廠互聯(lián)網(wǎng)+無人機(jī)自動(dòng)化巡檢模式應(yīng)用進(jìn)行分析，了解其中地勢(shì)環(huán)境特點(diǎn)以及互聯(lián)網(wǎng)+無人機(jī)模式特點(diǎn)，之后針對(duì)互聯(lián)網(wǎng)+無人機(jī)自動(dòng)化巡檢模式進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，包括了總體系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)、多旋翼無人機(jī)設(shè)備原理、系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)3個(gè)部分，在總體系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)當(dāng)中采用了接收鏈路、控制鏈路設(shè)計(jì)方式，以此連接系統(tǒng)各個(gè)板塊，同時(shí)闡述了其中運(yùn)作流程；在多旋翼無人機(jī)設(shè)備原理方面，主要對(duì)傳統(tǒng)多旋翼無人機(jī)進(jìn)行了改造，闡述了其功能原理；在系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，通過5個(gè)步驟對(duì)此進(jìn)行驗(yàn)證，最終進(jìn)行了結(jié)果分析。